碳晶電采暖系統設計研究與應用

何 建，李玨煊，王 松，張曉毅

（國網冀北節能服務有限公司，北京 100045）

◆能效與負荷管理◆

碳晶電采暖系統設計研究與應用

何 建，李玨煊，王 松，張曉毅

（國網冀北節能服務有限公司，北京 100045）

介紹常規碳晶電暖器的原理、結構特點及應用特性，結合近幾年碳晶電采暖的實際應用，分析研究碳晶電采暖及其智能控制系統的組成，運行管理特點，參數檢測、經濟效益評價。在此基礎上，對綜合能效智控系統進行進一步的優化與改善，并根據地區示范項目應用情況，分析研究其采暖效率，運行工作特性與實際效果。從而，為碳晶電采暖及其智能綜合能效控制系統的進一步推廣應用與運行管理提供參考或借鑒經驗。

碳晶電暖器；采暖；智能控制系統；溫控檢測；節能優化

碳晶電暖器全稱為“高溫碳晶遠紅外電熱散熱器”，自2007年以來，碳晶電散熱產品開始進入市場，逐步成為電采暖行業的領航者。碳晶電暖器在采暖效果、安全環保、節能減排、熱平衡與穩定性、使用壽命、便捷安裝以及組態靈活上超越了傳統水暖和電阻發熱等采暖設備及模式。

本文所論述研究的主要內容基于冬季人們對采暖系統的高需求量背景下，通過分析和研究碳晶電暖器的原理、優點，結合人性化控制設計與優化管理、系統結構、工程實施及性能的研究等相關理論來深入分析碳晶電采暖對人們生活的影響，探討其更符合人們便捷、舒適、高品質生活需求的可行性供暖方案。

由于北方天氣寒冷干燥且供暖配套設施不完備，尤其是地廣人稀，單個采暖面積十分有限，偏僻的山區或草原。因此，對控制靈活、便捷環保的碳晶電暖器的需求量長期居高不下。而在我國長江流域則因冬季氣溫寒冷潮濕和室內無集中供暖設施而產生巨大需求潛力。深入研究、分析碳晶電采暖及其控制系統，不斷探索、改進綜合能耗智能優化控制理念，創新、優化管理控制環節與著力點可為碳晶電采暖較大面積與系統化集中控制與管理奠定基礎，實現高效、環保、優化用能。

1 碳晶電采暖系統設計原理

本項應用研究所描述的采暖系統由集中中心計算機（服務器）等硬件設備設施、控制軟件系統、計算機通信與控制網絡和高溫碳晶電暖器4部分組成。

1.1 高溫碳晶電暖器

高溫碳晶電暖器是該智能采暖系統中的熱量發生主設備。采用技術成熟、科技含量高、已廣泛推廣使用且擁有獨特制造工藝的碳晶電熱板作為核心［1］。以高強度云母作為基材，可實現發熱均勻穩定，電暖器使用變頻調節技術，可實現溫度遠程、本地控制。圖1為碳晶電暖器結構原理圖。

圖1 碳晶電暖器結構原理圖

1.2 技術方案特點

碳晶電暖器采供暖系統技術方案在實施過程中，需由專門的技術人員操作或指導管控，確保安裝工藝的無縫對接。重點應嚴格落實如下技術要求或設計標準。

（1）一般設計功率應采用最大升溫使用功率，也可根據具體情況靈活調整。安裝施工過程中要準確核實，確保保溫節能建筑的設計功率可下調20%～30%，以實現能耗管控。

（2）層高每增加30 cm，實施功率應增加5%。

（3）有落地窗戶、玻璃幕墻等局部熱負荷較大的房間，應適當增加設計功率10%，施工工程中應特別注意并加以確認。

（4）待安裝項目需要留有足夠的墻面面積或設計位置，以確保碳晶電暖器安裝后間隔距離規范，符合技術標準。

（5）根據配置功率核算需要的變壓器及線路容量，根據核算出的數值選擇合適的配電變壓器，進行相應的配電設施改造。

該示范應用加裝有綜合能效控制管理系統，借助各類現場傳感器，采樣控制開關（閥門），通過信息通信技術，實時采樣分析外部環境與條件，并根據采供暖需求形成控制用能優化曲線，實現動態平滑調節碳晶電暖器發熱功率。其系統主要構成原理如圖2所示。

圖2 碳晶電采暖綜合能效智能監控系統結構原理圖

1.3 中心計算機（服務器）等硬件設備設施

高溫碳晶智能采暖系統可根據采暖面積、系統規模、控制要求以及用戶實際需要等合理設計、配置采暖系統管理模式。從管理、控制、運行的實際出發，建立合理的計算機綜合控制服務體系，增設控制管理服務器、中繼器、終端計算機、監視操作就地平臺等。為綜合、智能、高效、靈活的管理系統建設奠定良好的硬件基礎。

1.4 集中控制軟件系統

通過應用軟件的配置與調試，系統集成，實現網絡通信傳輸。集中控制軟件系統能夠實現對每個房間、每個時段、每臺設備、室內溫度進行配置和管理。能夠根據不同溫度智能變頻、降低負荷和用電量。對每個房間進行溫度監測，按照預定程序進行精確控制，同時，亦能根據實際情況進行特殊處理，分層、分區控制，統計分析各個部分的采暖能耗情況，優化用能策略。

1.5 計算機通信與控制網絡

采用RS485、電力載波或無線通信網進行聯網和控制，實現管理控制信息的收集與下達，以便動態優化、平衡采暖狀態，達到高效、智能、環保、經濟的采暖效果。

2 應用研究與分析

2.1 示范應用基本情況

國家電網公司系統內某地區節能服務有限公司于2015年1月在我國華北地區三地市組織實施了高溫碳晶電采暖示范應用項目。

該示范應用項目自2015年1月10日開始施工，2015年1月26日完工，總工期17天。完成分散式電采暖替代面積20 234.28 m2，共計1 176臺，總功率2 021.2 kW。配套建設有綜合智能優化監控系統，經現場竣工驗收與試運行，該示范項目所有碳晶電暖器均質量合格，系統安全可靠，運行平穩，監測控制靈活，用能決策高效。

2.2 數據分析

本示范應用研究項目由國家電網公司系統某電力有限公司決策提出并作為項目業主，國家電網公司系統某節能服務有限公司作為具體實施主體，全面承擔項目的組織實施、開發建設、綜合管理與應用分析研究。

該項目按節能服務類合同能源管理方式開展。預測改造替代后年運行費用（包括電費）約120萬元，較以前直燃煤鍋爐采暖年運行總成本138萬元，節約18萬元。預測該項目年度收益約37萬元，靜態投資回收期為5.50年。表1為直燃煤與碳晶電暖器應用采樣、監測比較分析，采樣周期:2015年2月2日—4月2日。

表1 直燃煤與碳晶電暖器采暖應用采樣、監測對比分析

（1）該應用示范項目在控制系統的基礎上開發，裝設有能源綜合智能管理分析與決策系統。可根據室內人員數量、年齡、體重，需求室溫（個人舒適度匹配信息）分析計算時段溫控模型，并依據溫控模型實現碳晶采暖功率綜合智能控制。表2為是否加裝能源綜合管理決策系統采樣、監測分析，采樣周期:2015年2月2日—4月2日。

表2 是否加裝能源綜合管理決策系統采樣、監測對比分析

（2）通過設置、安裝空氣環境自動采樣探頭，根據采集到的動態實時使用環境、條件與功能數據，同時，結合供暖需求與特點制定加熱（采暖）智能工作曲線，實現優化用能。

根據使用外部環境、條件與功能數據，同時，結合供暖需求與特點，智能優化形成動態采暖控制曲線如圖3。

圖3 動態采暖控制曲線

由圖3可分析得知，隨著外部環境溫度的逐步降低，綜合智能優化控制系統會調節碳晶電暖器的發熱功率，（即:發熱功率逐步升高），這將實現動態優化，逐步使室內采暖溫度保持平衡。圖4為動態采暖控制曲線。

由圖4可分析得知，隨著居住需求溫度的逐步降低，綜合智能優化控制系統會調節碳晶電暖器的發熱功率，（即:發熱功率逐步降低），這將實現動態優化，逐步使室內采暖溫度保持平衡。

（3）采暖供熱系統首次嵌入紅外人感傳感器，當檢測到房間內無人超過一定時間（如:30 min），時間參數可動態設定，可暫停碳晶電暖器繼續工作，實現間歇式動態采暖跟蹤控制。

（4）靈活組合運行方法和控制策略，設置各式門禁限制開啟模式，如:正值碳晶電暖器高效運行時，進出房門被打開，不斷有冷氣進入，在報警提示無果，合理時間間隔（等待時間）后將啟動節能模式（即停止采暖模式，關閉碳晶電暖器）。

圖4 動態采暖控制曲線

2.3 控制系統功能優化

通過對華北地區某示范項目碳晶電采暖及其控制系統的應用研究、實施對比與分析、運行數據的統計歸納，對碳晶電采暖工程及其控制系統提出提升與改善設想，從持續優化性能特征與綜合智控方向展望如下。

（1）模糊預算溫控程序，實現采暖控制系統的提前開啟，與供暖需求結束前的智能關閉，全面補償溫控時滯問題。

（2）通過閉環調節與控制，可實現在所需采暖溫度下的恒溫運行，實現特殊采暖供熱需求。

（3）拓展延伸功能，應逐步實現物聯網系統概念的引入與融合，打造智能家居采暖全新模式。

（4）設計配置有人體溫度、舒適度分析控制傳感器，可對室內采暖環境實現智能測控與辨識，達到諸如階梯功率、強對流、低啟高停（斷開）等智能控制。

綜上所述，碳晶電采暖示范項目無論從經濟、節能、環保，還是運行維護與控制，以及工程技術實現上看，均取得了良好效果，地區適應性強，非常適合大面積推廣使用。

3 經濟效益分析

3.1 綜合性評價

為優化計算與分析，以本次示范應用項目為例，進行比例換算與條件修正。選取相關參數值如下:綜合供暖建筑面積100 000 m2，采暖季150天，平均運行熱負荷35 W/m2。集中采暖全天供暖，按3 400 h計算，供暖價格28元/m2。居民分散式電采暖按照1 750 h計算（工作日14 h/天，周末及節假日24 h/天，合計2 500 h，考慮到綜合智能優化控制系統會主動關閉無人房間的采暖，實現動態管控與用能調節，取使用系數0.7，折算后為1 750 h）。經綜合分析計算后得出表3為碳晶電采暖與集中供熱經濟對比。

表3 碳晶電采暖與集中供熱經濟對比表（銷售電價情況下）元/kWh

碳晶電采暖系統經綜合運用與實踐，測算分析其電價臨界值（邊際運行電價）為:0.344 4元/kWh，其綜合經濟性評價為中等。

3.2 示范項目經濟性分析

本文就示范應用項目聯合開展了近2個月的運行監測與數據采樣，經統計分析與計算，結果顯示該示范項目本季（實際采暖運行約2個月）運行費用約63萬元，比改造前（直燃煤鍋爐）綜合運行維護總費用節約9萬元左右。期間共節約燃煤消耗約1 000 t，減少燃煤污染物排放量:粉塵245.57 t，CO2900.45 t，SO227.11 t，NOx14.02 t。

電采暖綜合智能管控系統模式施工安裝方便，組態靈活，運行控制簡捷，啟停方便，熱效率高，無污染且經濟實用。

4 結論與建議

4.1 結論

碳晶取暖成本下降明顯，經濟效益突出；很適合用戶分散，單個采暖面積小、遙遠、偏僻的采暖用戶改造使用；通過綜合智能優化控制系統的監測與控制，碳晶電采暖能夠實現精確供暖與用能管理；系統無明火，無其它特殊介質；運行穩定可靠，是安全環保的采暖方式。

4.2 建議

從以上碳晶電采暖及其綜合能耗智能管控系統的分析研究與實踐證實，采用碳晶電采暖是目前一項經濟性一般、社會與環保效益十分明顯的技術工程。為更好地推動與發展碳晶電采暖，還應重點發展與解決如下事項:努力拓寬政府溝通渠道，爭取出臺更多實質性的補貼或電價優惠政策，促進碳晶電采暖工作深入開展；應著力強化配電網的規劃與建設，為碳晶電采暖的大范圍推廣使用奠定良好的接入條件與充足電能容量；加強碳晶電采暖及其控制系統的新設備、新產品適用性及經濟性分析論證與測算工作，為工程推廣實施夯實技術基礎；要加強政府、企業、個人及社區等相關方的協調，為碳晶電采暖的實施打通流程與手續限制。D

［1］ 李武，靳治良，張志宏.無機晶須材料的合成與應用［J］.化學進展，2003（4）:15.

Research and application of carbon crystal electricity heating intelligent control system design

HE Jian,LI Jue?xuan,WANG Song,ZHANG Xiao?yi

（StateGridNorthHebeiProvinceEnergySavingServiceCo.,Ltd.,Beijing 100045,China）

The article introduces the principle,structure and application features of conventional carbon crystal electric heater. Combined with the practical application of carbon crystal electricity heatinginrecentyears,itanalyzesandresearchesthecomposition,op?eration management characteristics,parameter detection,economic benefit evaluation of carbon crystal electricity heating and its intelli?gent control system.On this basis,the comprehensive intelligence en?ergy efficiency control system is furthered for optimization and im?provement.According to the area demonstration project application,it analyzes and studies its heating efficiency,operation performance and actual effect.Thus,the research can provide the reference for the car?bon crystal electricity heating and its further application of intelligent integratedenergyefficiencycontrolsystemandoperationmanagement.

carbon crystal electric heater;heating;intelligent control system;temperature detection;energy?saving optimization

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.05.006

F407.61；TK018

B

2016-04-13