農(nóng)村地區(qū)“煤改電”增量負荷計算及戶均配變?nèi)萘颗渲梅椒ㄑ芯?/h1>

2023-12-04 15:06:58孫欽斐王瀚秋李香龍

農(nóng)村電氣化訂閱 2023年11期 收藏

關(guān)鍵詞：圍護結(jié)構(gòu)增量熱量

孫欽斐 ，王瀚秋 ，李 干 ，馬 凱 ，李香龍

（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 豐臺 100073;2. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 西城 100031）

0 引言

“煤改電”是指利用電能替代散煤直接燃燒的供暖方式，是推進清潔取暖、治理大氣污染的重要形式，同時也是從消費端構(gòu)建清潔低碳能源體系、加快再電氣化進程的重要手段。近年來，“煤改電”在我國北方地區(qū)得到規(guī)?；茝V應(yīng)用。

“煤改電”負荷需求及戶均配變?nèi)萘渴瞧渑潆娋W(wǎng)規(guī)劃的前提，直接關(guān)系到“煤改電”配電網(wǎng)供電的可靠性和經(jīng)濟性，關(guān)系到“煤改電”用戶取暖的安全性。戶均配變?nèi)萘颗渲貌蛔悖瑹o法滿足冬季取暖用電需求，直接影響民生；戶均配變?nèi)萘颗渲眠^高，將導(dǎo)致電網(wǎng)輕載，尤其是非采暖季電網(wǎng)資源閑置浪費，經(jīng)濟性差。

配電網(wǎng)規(guī)劃中，文獻[1-2]采用單位面積法和單位指標(biāo)法，根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟水平等因素確定的負荷密度與單位用電指標(biāo)，考慮同時系數(shù)后預(yù)測負荷需求。文獻[3-4]考慮住宅小區(qū)家用電器的同時率和負荷率，計算小區(qū)需要系數(shù)典型值，采用需要系數(shù)法預(yù)測居民住宅小區(qū)負荷。文獻[5]考慮負荷特性和用戶行為，進一步優(yōu)化需要系數(shù)方法。文獻[6]計及負荷增長風(fēng)險和臺區(qū)負荷特性，進行配電變壓器優(yōu)化選型配置。另外，也常采用自然增長率法等負荷預(yù)測方法[7-8]進行一定時間內(nèi)的負荷動態(tài)預(yù)測和電網(wǎng)滾動規(guī)劃。

上述方法均適用于居民住宅負荷預(yù)測，但不同于傳統(tǒng)用電負荷自然增長規(guī)律，“煤改電”負荷是一種階躍式增量負荷，且負荷確定后呈現(xiàn)恒值特性，一般不再增長。因此，前述方法對于“煤改電”增量負荷預(yù)測和電力增容適用性較差。對于增量負荷預(yù)測，文獻[9]采用自然增長負荷和階躍負荷分別建模的方法；DL/T 5729-2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》針對新增大用戶負荷比重較大地區(qū)，采用點負荷增長與區(qū)域負荷自然增長相結(jié)合的方法進行預(yù)測。“煤改電”負荷預(yù)測可借鑒上述方法，但“煤改電”增量負荷需求目前尚無參考標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)研究。因此，亟須開展“煤改電”增量負荷研究，并確定戶均配變?nèi)萘浚瑸榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。

本文首先從需求側(cè)和供給側(cè)分析“煤改電”用戶增量負荷的影響因素；然后，重點從需求側(cè)分析采暖房屋熱負荷指標(biāo)，建立房屋熱過程分析模型，介紹房屋熱負荷理論計算方法和動態(tài)仿真模擬軟件DeST，從而確定采暖熱負荷。在此基礎(chǔ)上，提出“以熱定電”的“煤改電”增量負荷與戶均配變?nèi)萘坑嬎惴椒?。最后，以北京地區(qū)典型“煤改電”用戶為例，運用建筑模擬仿真軟件DeST 仿真計算戶均采暖熱負荷，并依據(jù)電采暖設(shè)備類型計算戶均增量負荷及相應(yīng)戶均配變?nèi)萘俊?/p>

1 “煤改電”增量負荷影響因素分析

電采暖設(shè)備制熱提供熱量供給，從而在需求側(cè)維持室內(nèi)溫度，實現(xiàn)房屋采暖。因此，“煤改電”增量負荷影響因素可以從采暖需求側(cè)和采暖供給側(cè)2 個層面進行分析，如圖1 所示。

圖1 “煤改電”增量負荷影響因素與計算流程

1.1 需求側(cè)影響因素

“煤改電”增量負荷根本上是由需求側(cè)房屋采暖的熱需求決定的。從建筑動態(tài)熱過程分析[10]，影響房屋采暖的因素即是“煤改電”負荷需求側(cè)影響因素，主要包括以下3 方面。

1.1.1 氣象因素

不考慮供暖系統(tǒng)作用，氣象條件是影響建筑熱過程的根本因素，也是最主要室外因素，包括室外溫濕度、太陽輻射強度、風(fēng)向、風(fēng)速等。這些因素主動作用于建筑得熱、失熱來影響房屋熱過程和采暖熱負荷。

1.1.2 房屋熱工因素

建筑采暖是房屋以其圍護結(jié)構(gòu)為邊界，實現(xiàn)室內(nèi)外動態(tài)熱平衡的過程。因此，房屋本身的熱工條件，包括房屋結(jié)構(gòu)、圍護材料、室內(nèi)發(fā)熱、鄰室得熱、周圍環(huán)境熱狀況等，通過不同結(jié)構(gòu)的窗墻比、建筑朝向、圍護材料熱阻等影響房屋熱過程。

1.1.3 用戶行為習(xí)慣因素

用戶行為習(xí)慣是影響建筑熱過程的人為因素，包括采暖目標(biāo)溫度、采暖時段、房屋開門開窗及通風(fēng)次數(shù)熱擾、室內(nèi)照明及設(shè)備產(chǎn)熱等。

上述3 方面因素綜合作用，疊加供暖系統(tǒng)的熱量供給，實現(xiàn)房屋熱傳導(dǎo)過程的動態(tài)平衡，維持一定的室內(nèi)溫度。定義維持一定室內(nèi)溫度所消耗的熱功率為采暖熱負荷，該熱負荷從根本上決定了“煤改電”用電負荷。

1.2 供給側(cè)影響因素

電采暖設(shè)備利用電能產(chǎn)生房屋采暖所需熱量。不同設(shè)備的工作原理及性能決定了其電熱轉(zhuǎn)換效率各不相同。一般而言，將電能直接轉(zhuǎn)換為熱能的直熱類設(shè)備，效率小于1；利用電能做工的熱泵類設(shè)備，效率（COP）可達3～4。

在給定房屋，即需求側(cè)采暖熱負荷一定的情況下，供給側(cè)不同類型的電采暖設(shè)備所消耗的電功率不同。因此，電采暖設(shè)備類型是影響“煤改電”增量負荷需求的供給側(cè)因素。

2 采暖熱負荷需求計算

采暖熱負荷是計算“煤改電”增量負荷的基礎(chǔ)。供暖設(shè)計時，應(yīng)以采暖季室內(nèi)溫度滿足采暖要求為目標(biāo)，確定熱負荷。

2.1 房屋采暖熱負荷

民用建筑的采暖熱負荷可按下列公式[11]計算：

式中：Qh為采暖設(shè)計熱負荷，kW；qh為采暖單位面積熱指標(biāo)，W/m2；Ac為采暖房屋采暖面積，m2。

房屋采暖面積為已知量，故計算房屋采暖熱負荷需獲取單位面積熱指標(biāo)qh。根據(jù)CJJ 34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》，城鎮(zhèn)典型建筑單位面積熱指標(biāo)qh推薦值如表1 所示。

表1 采暖單位面積熱指標(biāo)推薦值

但是農(nóng)村住宅建筑形式多樣，與城鎮(zhèn)建筑在結(jié)構(gòu)、圍護材料等方面存在差異，上表推薦的通用采暖熱指標(biāo)直接應(yīng)用于農(nóng)村住宅采暖設(shè)計不夠精確。

根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，冬季供暖系統(tǒng)的熱負荷主要包括下列散失或獲得的熱量：圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量，門窗縫隙滲入室內(nèi)冷空氣耗熱量、門窗開啟時進入室內(nèi)的冷空氣耗熱量、通風(fēng)耗熱量、其他途徑散失和獲得的熱量。

其中，圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量是最主要因素，其基本耗熱量為

式中：α 為不同圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；F為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；K為圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為供暖設(shè)計室內(nèi)溫度，°C；twn為供暖室外設(shè)計溫度，°C。

由式（2）可知，假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)確定，其基本耗熱量由供暖室內(nèi)和室外設(shè)計溫度確定。

對于室內(nèi)設(shè)計溫度，根據(jù)國家現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[12]要求，民用建筑主要房間的室內(nèi)溫度范圍為18～24 °C，根據(jù)農(nóng)村地區(qū)居民生活習(xí)慣，農(nóng)村“煤改電”用戶供暖室內(nèi)設(shè)計溫度一般取18 °C。

對于室外設(shè)計溫度，主要受各地氣候條件影響。目前，我國使用的室外設(shè)計溫度按平均或累年不保證日（時）數(shù)確定，即供暖室外設(shè)計溫度應(yīng)采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度[12]。GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》基于現(xiàn)有氣象站點數(shù)據(jù)，給出了各城市設(shè)計溫度，如北京為–7.6 °C，規(guī)范未明確給出設(shè)計溫度的地區(qū)可按下式確定。式中：tlp為累年最冷月平均溫度，°C；tp·min為累年最低日平均溫度，°C。

考慮到同一地區(qū)局地氣候的差異性，簡單采用同一室外設(shè)計溫度，將導(dǎo)致某些區(qū)域不能滿足采暖需求，如北京地區(qū)統(tǒng)一按照–7.6 °C 進行供暖設(shè)計，南部平原室內(nèi)溫度能夠達標(biāo)，北部寒冷山區(qū)則無法達標(biāo)。故對于農(nóng)村“煤改電”而言，上述采暖熱負荷指標(biāo)確定方法同樣不夠精確。

為準(zhǔn)確表征不同地區(qū)農(nóng)村住宅采暖熱負荷，本文根據(jù)不同地區(qū)氣候條件、房屋結(jié)構(gòu)和居民生活習(xí)慣，對房屋熱負荷進行動態(tài)計算，從而確定采暖熱負荷設(shè)計依據(jù)。

根據(jù)建筑熱環(huán)境理論[13-14]，首先要建立建筑熱過程數(shù)學(xué)模型，即所有圍護結(jié)構(gòu)的動態(tài)傳熱方程、邊界條件及建筑空間內(nèi)的空氣溫度變化方程，然后利用狀態(tài)空間法對圍護、家具等進行空間離散，建立所有節(jié)點的熱平衡方程組，進一步在圍護結(jié)構(gòu)與物性一定、室內(nèi)計算參數(shù)給定、室外氣象因素已知情況下，求解房間溫度和熱負荷[10,14]。

2.2 建筑熱過程模擬數(shù)學(xué)模型

建筑墻體、樓板、門窗等壁體結(jié)構(gòu)可簡化成一維傳熱問題，動態(tài)傳熱基本方程為：

式中：t為壁體內(nèi)的溫度分布，°C；cP為壁體材料的比熱，kJ/(kg·°C)；ρ 為壁體材料的密度，kg/m3；k為壁體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；x為壁體的厚度方向。

壁體室內(nèi)側(cè)的邊界條件為：

式中：hin為壁體內(nèi)表面與空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；ta為房間室溫，°C；qr為壁體內(nèi)表面吸收透過窗戶的太陽輻射熱量，W/m2；qr,in為室內(nèi)熱源輻射至表面的熱量，W/m2；hrj為溫度為tj的表面j與該表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)。

壁體室外側(cè)的邊界條件為：

式中：hout為壁體外表面與室外空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；to為室外空氣溫度，°C；qr,o為壁體外表面吸收的太陽輻射熱量，W/m2；henv為壁體外表面與周圍環(huán)境表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；tenv為周圍環(huán)境表面的綜合溫度，°C。

壁體材料將建筑圍護成建筑空間，空間內(nèi)的空氣熱量交換來源主要包括圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)魅霟崃?、室?nèi)物體產(chǎn)熱與空氣對流換熱、空氣直接吸收太陽透窗輻射熱量、鄰室或室外通風(fēng)對流換熱、供暖系統(tǒng)提供熱量等內(nèi)外熱擾。上述熱量疊加作用于室內(nèi)空氣，導(dǎo)致空氣溫度變化關(guān)系為：

式中：cPaρaVa為建筑空間內(nèi)空氣熱容，kJ/°C；Fj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的面積，m2；tj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的溫度，°C；n為建筑空間壁體內(nèi)表面?zhèn)€數(shù)；qcov為室內(nèi)熱源對流傳給空氣的熱量，W；qf為室內(nèi)家具放出的熱量，W；qvent為室內(nèi)外或鄰室空氣交換帶入室內(nèi)的熱量，W；qhvac為供暖系統(tǒng)送入建筑空間的熱量，W。

2.3 總熱平衡方程組及熱負荷求解

由狀態(tài)空間法對房間內(nèi)所有圍護、家具進行空間離散，并將室內(nèi)空氣溫度集總為單一節(jié)點處理，根據(jù)式（4）-（7）可建立所有空間離散點的熱平衡方程組。

求解方程組得到表征房屋熱特性的系數(shù)和各種熱擾作用下的室溫，進一步根據(jù)室內(nèi)供暖設(shè)計溫度，即可得到房屋的采暖熱負荷。

以上述理論模型為基礎(chǔ)，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件[14]DeST（designer's simulation toolkits），能夠動態(tài)模擬計算建筑在各種熱擾因素下的采暖熱負荷。DeST 基于Auto-CAD 開發(fā)了圖形化用戶界面，可以直接進行建筑建模和描述定義，同時以氣象站逐時氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)選取典型氣象年數(shù)據(jù)作為外界氣象參數(shù)，對房間熱過程進行動態(tài)模擬，大大簡化了熱負荷計算過程。該軟件是最常用的建筑模擬工具。

3 “以熱定電”計算“煤改電”增量負荷及戶均配變?nèi)萘?/h2>

“煤改電”增量負荷及配變?nèi)萘啃枨蟾旧鲜怯煞课莶膳療嶝摵蓻Q定的，即“以熱定電”，同時與電采暖設(shè)備類型相關(guān)。

3.1 “煤改電”增量負荷

令采暖需求側(cè)房屋熱負荷為Qh，則“煤改電”增量負荷為：

式中：Pe為“煤改電”增量負荷，kW；η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率。

對于蓄熱設(shè)備，其效率除了與熱源形式相關(guān)外，還要考慮到設(shè)備僅在谷電時段制熱的運行特性，得到考慮谷電時長Tv的等效效率。因此，直熱、蓄熱、空氣源熱泵3 類電采暖設(shè)備對應(yīng)的增量負荷可描述為：

式中：η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率；Tv為谷電時長，Tv= 0 時，Pe=Qh。

3.2 “煤改電”戶均配變?nèi)萘?/h3>

戶均配變?nèi)萘渴桥渚W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)。“煤改電”戶均配變?nèi)萘繎?yīng)考慮“煤改電”負荷和傳統(tǒng)用電負荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，即?/p>

式中：ST1為“煤改電”負荷對應(yīng)的配變?nèi)萘浚籗T2為傳統(tǒng)用電負荷對應(yīng)的配變?nèi)萘俊?/p>

其中，“煤改電”負荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>

式中：a為“煤改電”設(shè)備同時系數(shù)；b為“煤改電”設(shè)備使用率；β 為配變負載率，一般取0.7；cosφ為補償后配變功率因數(shù)，一般取0.95。

傳統(tǒng)用電負荷配變?nèi)萘堪ìF(xiàn)有負荷水平和未來負荷增長兩部分：

式中，Sex為現(xiàn)有傳統(tǒng)用電負荷對應(yīng)的配變?nèi)萘浚籗inc為傳統(tǒng)用電負荷自然增長對應(yīng)的配變?nèi)萘?，須根?jù)不同規(guī)劃年進行負荷預(yù)測。

傳統(tǒng)用電負荷增長可采用成熟方法進行預(yù)測計算，本文不再贅述。“以熱定電”計算“煤改電”增量負荷及戶均配變?nèi)萘康牧鞒倘鐖D2 所示。

圖2 “以熱定電”計算“煤改電”增量負荷及戶均配變?nèi)萘苛鞒?/p>

4 北京地區(qū)“煤改電”算例

圖3所示北京南部平原地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)磚瓦結(jié)構(gòu)、瓦楞坡面房頂?shù)钠椒棵裾?，木梁下沿平面距地? m。以該典型房屋為例，給出房屋采暖動態(tài)熱負荷仿真、“煤改電”增量負荷及戶均配變?nèi)萘坑嬎氵^程與結(jié)果。

圖3 北京農(nóng)村典型民居結(jié)構(gòu)圖

首先采用擠塑聚苯板對房屋外墻進行保溫節(jié)能改造，圍護材料及門窗如表2 所示。

表2 房屋主要圍護結(jié)構(gòu)材料

采用DeST 建筑環(huán)境模擬分析軟件，并選用北京南部平原地區(qū)歷史氣象數(shù)據(jù)，以18 °C 為室內(nèi)設(shè)計溫度，對圖3 所示北京典型民居采暖季熱負荷進行逐時動態(tài)仿真模擬，得到單位面積熱負荷指標(biāo)如圖4 所示。

圖4 北京南部平原農(nóng)村民居單位面積熱負荷指標(biāo)

根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中選取供暖室外計算溫度時，采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度，一般不會影響民用建筑的供暖效果。因此，本文同樣選用供暖季供暖不保證5 天來確定熱負荷設(shè)計指標(biāo)。

篩選仿真結(jié)果，得到供暖不保證的5 天，分別為1 月16、17、18、19 日及2 月2 日，采暖季其他時間熱負荷統(tǒng)計如表3 所示。

表3 房屋采暖熱負荷統(tǒng)計

房屋最大熱負荷指標(biāo)即設(shè)計熱負荷指標(biāo)為：

按戶均采暖面積為100 m2計算，則戶均采暖熱負荷為：

北京南部平原地區(qū)采暖設(shè)備選用空氣源熱泵，假設(shè)其電熱轉(zhuǎn)換效率COP = 2.5，則對應(yīng)的增量負荷分別為：

考慮到空氣源熱泵設(shè)備一般具有確定的功率等級，因此應(yīng)按照制熱功率不小于7.808 kW、電功率不小于3.123 kW 的原則選配合適功率的空氣源熱泵。

假設(shè)戶間設(shè)備同時系數(shù)取0.8，設(shè)備使用率為100%，配變負載率取0.7，功率因數(shù)取0.95，則“煤改電”增量負荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>

5 結(jié)束語

從采暖需求側(cè)和供給側(cè)分析了“煤改電”用戶增量負荷的影響因素，提出了一種“以熱定電”計算“煤改電”增量負荷與戶均配變?nèi)萘康姆椒ǎo出了詳細的計算流程，并以北京“煤改電”用戶進行算例分析。

“煤改電”增量負荷根本上由需求側(cè)房屋采暖熱負荷決定，同時受供給側(cè)電采暖設(shè)備類型影響。

不同地區(qū)“煤改電”增量負荷計算首先要仿真模擬該地區(qū)典型房屋采暖熱負荷指標(biāo)，根據(jù)戶均采暖面積計算采暖熱負荷。

“煤改電”戶均配變?nèi)萘堪ā懊焊碾姟痹隽控摵珊蛡鹘y(tǒng)用電負荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，傳統(tǒng)用電負荷需考慮現(xiàn)有負荷水平和未來負荷增長。

在“煤改電”戶均配變?nèi)萘炕A(chǔ)上，僅需統(tǒng)計該地區(qū)“煤改電”戶數(shù)即可快速確定配網(wǎng)容量需求，指導(dǎo)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。

該方法能夠準(zhǔn)確計算“煤改電”增量負荷與戶均配變?nèi)萘浚瑥亩鵀椤懊焊碾姟迸潆娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)。

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