农村地区“煤改电”增量负荷计算及户均配变容量配置方法研究

孙钦斐 ，王瀚秋 ，李 干 ，马 凯 ，李香龙

（1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 丰台 100073;2. 国网北京市电力公司，北京 西城 100031）

0 引言

“煤改电”是指利用电能替代散煤直接燃烧的供暖方式，是推进清洁取暖、治理大气污染的重要形式，同时也是从消费端构建清洁低碳能源体系、加快再电气化进程的重要手段。近年来，“煤改电”在我国北方地区得到规模化推广应用。

“煤改电”负荷需求及户均配变容量是其配电网规划的前提，直接关系到“煤改电”配电网供电的可靠性和经济性，关系到“煤改电”用户取暖的安全性。户均配变容量配置不足，无法满足冬季取暖用电需求，直接影响民生；户均配变容量配置过高，将导致电网轻载，尤其是非采暖季电网资源闲置浪费，经济性差。

配电网规划中，文献[1-2]采用单位面积法和单位指标法，根据区域经济水平等因素确定的负荷密度与单位用电指标，考虑同时系数后预测负荷需求。文献[3-4]考虑住宅小区家用电器的同时率和负荷率，计算小区需要系数典型值，采用需要系数法预测居民住宅小区负荷。文献[5]考虑负荷特性和用户行为，进一步优化需要系数方法。文献[6]计及负荷增长风险和台区负荷特性，进行配电变压器优化选型配置。另外，也常采用自然增长率法等负荷预测方法[7-8]进行一定时间内的负荷动态预测和电网滚动规划。

上述方法均适用于居民住宅负荷预测，但不同于传统用电负荷自然增长规律，“煤改电”负荷是一种阶跃式增量负荷，且负荷确定后呈现恒值特性，一般不再增长。因此，前述方法对于“煤改电”增量负荷预测和电力增容适用性较差。对于增量负荷预测，文献[9]采用自然增长负荷和阶跃负荷分别建模的方法；DL/T 5729-2016《配电网规划设计技术导则》针对新增大用户负荷比重较大地区，采用点负荷增长与区域负荷自然增长相结合的方法进行预测。“煤改电”负荷预测可借鉴上述方法，但“煤改电”增量负荷需求目前尚无参考标准，缺乏相关研究。因此，亟须开展“煤改电”增量负荷研究，并确定户均配变容量，为配电网规划提供依据。

本文首先从需求侧和供给侧分析“煤改电”用户增量负荷的影响因素；然后，重点从需求侧分析采暖房屋热负荷指标，建立房屋热过程分析模型，介绍房屋热负荷理论计算方法和动态仿真模拟软件DeST，从而确定采暖热负荷。在此基础上，提出“以热定电”的“煤改电”增量负荷与户均配变容量计算方法。最后，以北京地区典型“煤改电”用户为例，运用建筑模拟仿真软件DeST 仿真计算户均采暖热负荷，并依据电采暖设备类型计算户均增量负荷及相应户均配变容量。

1 “煤改电”增量负荷影响因素分析

电采暖设备制热提供热量供给，从而在需求侧维持室内温度，实现房屋采暖。因此，“煤改电”增量负荷影响因素可以从采暖需求侧和采暖供给侧2 个层面进行分析，如图1 所示。

图1 “煤改电”增量负荷影响因素与计算流程

1.1 需求侧影响因素

“煤改电”增量负荷根本上是由需求侧房屋采暖的热需求决定的。从建筑动态热过程分析[10]，影响房屋采暖的因素即是“煤改电”负荷需求侧影响因素，主要包括以下3 方面。

1.1.1 气象因素

不考虑供暖系统作用，气象条件是影响建筑热过程的根本因素，也是最主要室外因素，包括室外温湿度、太阳辐射强度、风向、风速等。这些因素主动作用于建筑得热、失热来影响房屋热过程和采暖热负荷。

1.1.2 房屋热工因素

建筑采暖是房屋以其围护结构为边界，实现室内外动态热平衡的过程。因此，房屋本身的热工条件，包括房屋结构、围护材料、室内发热、邻室得热、周围环境热状况等，通过不同结构的窗墙比、建筑朝向、围护材料热阻等影响房屋热过程。

1.1.3 用户行为习惯因素

用户行为习惯是影响建筑热过程的人为因素，包括采暖目标温度、采暖时段、房屋开门开窗及通风次数热扰、室内照明及设备产热等。

上述3 方面因素综合作用，叠加供暖系统的热量供给，实现房屋热传导过程的动态平衡，维持一定的室内温度。定义维持一定室内温度所消耗的热功率为采暖热负荷，该热负荷从根本上决定了“煤改电”用电负荷。

1.2 供给侧影响因素

电采暖设备利用电能产生房屋采暖所需热量。不同设备的工作原理及性能决定了其电热转换效率各不相同。一般而言，将电能直接转换为热能的直热类设备，效率小于1；利用电能做工的热泵类设备，效率（COP）可达3～4。

在给定房屋，即需求侧采暖热负荷一定的情况下，供给侧不同类型的电采暖设备所消耗的电功率不同。因此，电采暖设备类型是影响“煤改电”增量负荷需求的供给侧因素。

2 采暖热负荷需求计算

采暖热负荷是计算“煤改电”增量负荷的基础。供暖设计时，应以采暖季室内温度满足采暖要求为目标，确定热负荷。

2.1 房屋采暖热负荷

民用建筑的采暖热负荷可按下列公式[11]计算：

式中：Qh为采暖设计热负荷，kW；qh为采暖单位面积热指标，W/m2；Ac为采暖房屋采暖面积，m2。

房屋采暖面积为已知量，故计算房屋采暖热负荷需获取单位面积热指标qh。根据CJJ 34-2010《城镇供热管网设计规范》，城镇典型建筑单位面积热指标qh推荐值如表1 所示。

表1 采暖单位面积热指标推荐值

但是农村住宅建筑形式多样，与城镇建筑在结构、围护材料等方面存在差异，上表推荐的通用采暖热指标直接应用于农村住宅采暖设计不够精确。

根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，冬季供暖系统的热负荷主要包括下列散失或获得的热量：围护结构的耗热量，门窗缝隙渗入室内冷空气耗热量、门窗开启时进入室内的冷空气耗热量、通风耗热量、其他途径散失和获得的热量。

其中，围护结构的耗热量是最主要因素，其基本耗热量为

式中：α 为不同围护结构温差修正系数；F为围护结构的面积，m2；K为围护结构的传热系数，W/(m2·K)；tn为供暖设计室内温度，°C；twn为供暖室外设计温度，°C。

由式（2）可知，假设围护结构确定，其基本耗热量由供暖室内和室外设计温度确定。

对于室内设计温度，根据国家现行设计规范[12]要求，民用建筑主要房间的室内温度范围为18～24 °C，根据农村地区居民生活习惯，农村“煤改电”用户供暖室内设计温度一般取18 °C。

对于室外设计温度，主要受各地气候条件影响。目前，我国使用的室外设计温度按平均或累年不保证日（时）数确定，即供暖室外设计温度应采用历年平均不保证5 天的日平均温度[12]。GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》基于现有气象站点数据，给出了各城市设计温度，如北京为–7.6 °C，规范未明确给出设计温度的地区可按下式确定。式中：tlp为累年最冷月平均温度，°C；tp·min为累年最低日平均温度，°C。

考虑到同一地区局地气候的差异性，简单采用同一室外设计温度，将导致某些区域不能满足采暖需求，如北京地区统一按照–7.6 °C 进行供暖设计，南部平原室内温度能够达标，北部寒冷山区则无法达标。故对于农村“煤改电”而言，上述采暖热负荷指标确定方法同样不够精确。

为准确表征不同地区农村住宅采暖热负荷，本文根据不同地区气候条件、房屋结构和居民生活习惯，对房屋热负荷进行动态计算，从而确定采暖热负荷设计依据。

根据建筑热环境理论[13-14]，首先要建立建筑热过程数学模型，即所有围护结构的动态传热方程、边界条件及建筑空间内的空气温度变化方程，然后利用状态空间法对围护、家具等进行空间离散，建立所有节点的热平衡方程组，进一步在围护结构与物性一定、室内计算参数给定、室外气象因素已知情况下，求解房间温度和热负荷[10,14]。

2.2 建筑热过程模拟数学模型

建筑墙体、楼板、门窗等壁体结构可简化成一维传热问题，动态传热基本方程为：

式中：t为壁体内的温度分布，°C；cP为壁体材料的比热，kJ/(kg·°C)；ρ 为壁体材料的密度，kg/m3；k为壁体材料的导热系数，W/(m·°C)；x为壁体的厚度方向。

壁体室内侧的边界条件为：

式中：hin为壁体内表面与空气对流换热系数，W/(m2·°C)；ta为房间室温，°C；qr为壁体内表面吸收透过窗户的太阳辐射热量，W/m2；qr,in为室内热源辐射至表面的热量，W/m2；hrj为温度为tj的表面j与该表面的长波辐射换热系数，W/(m2·°C)。

壁体室外侧的边界条件为：

式中：hout为壁体外表面与室外空气对流换热系数，W/(m2·°C)；to为室外空气温度，°C；qr,o为壁体外表面吸收的太阳辐射热量，W/m2；henv为壁体外表面与周围环境表面的长波辐射换热系数，W/(m2·°C)；tenv为周围环境表面的综合温度，°C。

壁体材料将建筑围护成建筑空间，空间内的空气热量交换来源主要包括围护结构内表面传入热量、室内物体产热与空气对流换热、空气直接吸收太阳透窗辐射热量、邻室或室外通风对流换热、供暖系统提供热量等内外热扰。上述热量叠加作用于室内空气，导致空气温度变化关系为：

式中：cPaρaVa为建筑空间内空气热容，kJ/°C；Fj为建筑空间壁体内表面j的面积，m2；tj为建筑空间壁体内表面j的温度，°C；n为建筑空间壁体内表面个数；qcov为室内热源对流传给空气的热量，W；qf为室内家具放出的热量，W；qvent为室内外或邻室空气交换带入室内的热量，W；qhvac为供暖系统送入建筑空间的热量，W。

2.3 总热平衡方程组及热负荷求解

由状态空间法对房间内所有围护、家具进行空间离散，并将室内空气温度集总为单一节点处理，根据式（4）-（7）可建立所有空间离散点的热平衡方程组。

求解方程组得到表征房屋热特性的系数和各种热扰作用下的室温，进一步根据室内供暖设计温度，即可得到房屋的采暖热负荷。

以上述理论模型为基础，清华大学建筑技术科学系开发了建筑环境模拟软件[14]DeST（designer's simulation toolkits），能够动态模拟计算建筑在各种热扰因素下的采暖热负荷。DeST 基于Auto-CAD 开发了图形化用户界面，可以直接进行建筑建模和描述定义，同时以气象站逐时气象数据为基础选取典型气象年数据作为外界气象参数，对房间热过程进行动态模拟，大大简化了热负荷计算过程。该软件是最常用的建筑模拟工具。

3 “以热定电”计算“煤改电”增量负荷及户均配变容量

“煤改电”增量负荷及配变容量需求根本上是由房屋采暖热负荷决定的，即“以热定电”，同时与电采暖设备类型相关。

3.1 “煤改电”增量负荷

令采暖需求侧房屋热负荷为Qh，则“煤改电”增量负荷为：

式中：Pe为“煤改电”增量负荷，kW；η 为电采暖热源电热转换效率。

对于蓄热设备，其效率除了与热源形式相关外，还要考虑到设备仅在谷电时段制热的运行特性，得到考虑谷电时长Tv的等效效率。因此，直热、蓄热、空气源热泵3 类电采暖设备对应的增量负荷可描述为：

式中：η 为电采暖热源电热转换效率；Tv为谷电时长，Tv= 0 时，Pe=Qh。

3.2 “煤改电”户均配变容量

户均配变容量是配网规划设计的基础。“煤改电”户均配变容量应考虑“煤改电”负荷和传统用电负荷对应的配变容量，即：

式中：ST1为“煤改电”负荷对应的配变容量；ST2为传统用电负荷对应的配变容量。

其中，“煤改电”负荷对应的户均配变容量为：

式中：a为“煤改电”设备同时系数；b为“煤改电”设备使用率；β 为配变负载率，一般取0.7；cosφ为补偿后配变功率因数，一般取0.95。

传统用电负荷配变容量包括现有负荷水平和未来负荷增长两部分：

式中，Sex为现有传统用电负荷对应的配变容量；Sinc为传统用电负荷自然增长对应的配变容量，须根据不同规划年进行负荷预测。

传统用电负荷增长可采用成熟方法进行预测计算，本文不再赘述。“以热定电”计算“煤改电”增量负荷及户均配变容量的流程如图2 所示。

图2 “以热定电”计算“煤改电”增量负荷及户均配变容量流程

4 北京地区“煤改电”算例

图3所示北京南部平原地区农村传统砖瓦结构、瓦楞坡面房顶的平房民宅，木梁下沿平面距地面3 m。以该典型房屋为例，给出房屋采暖动态热负荷仿真、“煤改电”增量负荷及户均配变容量计算过程与结果。

图3 北京农村典型民居结构图

首先采用挤塑聚苯板对房屋外墙进行保温节能改造，围护材料及门窗如表2 所示。

表2 房屋主要围护结构材料

采用DeST 建筑环境模拟分析软件，并选用北京南部平原地区历史气象数据，以18 °C 为室内设计温度，对图3 所示北京典型民居采暖季热负荷进行逐时动态仿真模拟，得到单位面积热负荷指标如图4 所示。

图4 北京南部平原农村民居单位面积热负荷指标

根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中选取供暖室外计算温度时，采用历年平均不保证5 天的日平均温度，一般不会影响民用建筑的供暖效果。因此，本文同样选用供暖季供暖不保证5 天来确定热负荷设计指标。

筛选仿真结果，得到供暖不保证的5 天，分别为1 月16、17、18、19 日及2 月2 日，采暖季其他时间热负荷统计如表3 所示。

表3 房屋采暖热负荷统计

房屋最大热负荷指标即设计热负荷指标为：

按户均采暖面积为100 m2计算，则户均采暖热负荷为：

北京南部平原地区采暖设备选用空气源热泵，假设其电热转换效率COP = 2.5，则对应的增量负荷分别为：

考虑到空气源热泵设备一般具有确定的功率等级，因此应按照制热功率不小于7.808 kW、电功率不小于3.123 kW 的原则选配合适功率的空气源热泵。

假设户间设备同时系数取0.8，设备使用率为100%，配变负载率取0.7，功率因数取0.95，则“煤改电”增量负荷对应的户均配变容量为：

5 结束语

从采暖需求侧和供给侧分析了“煤改电”用户增量负荷的影响因素，提出了一种“以热定电”计算“煤改电”增量负荷与户均配变容量的方法，给出了详细的计算流程，并以北京“煤改电”用户进行算例分析。

“煤改电”增量负荷根本上由需求侧房屋采暖热负荷决定，同时受供给侧电采暖设备类型影响。

不同地区“煤改电”增量负荷计算首先要仿真模拟该地区典型房屋采暖热负荷指标，根据户均采暖面积计算采暖热负荷。

“煤改电”户均配变容量包括“煤改电”增量负荷和传统用电负荷对应的配变容量，传统用电负荷需考虑现有负荷水平和未来负荷增长。

在“煤改电”户均配变容量基础上，仅需统计该地区“煤改电”户数即可快速确定配网容量需求，指导配电网规划设计。

该方法能够准确计算“煤改电”增量负荷与户均配变容量，从而为“煤改电”配电网规划设计提供依据。