基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统

基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统

臧国勇 王晓冰

山东省节能技术研究院 253000

电能是一种高品位的能源，电供暖是一种以电为热源的供暖方式，它直接将电能转化为热能，以满足用户的采暖需求。电供暖包括电加热换热介质供暖，如电锅炉、电暖气等，和电直接加热发热体供暖，如电热缆、电热膜等。但由于电供暖的运行成本高、初始投资大、电力增容难等原因，使电能的热利用受到局限。近年来，随着材料技术和控制技术的发展，带来发热体、相变蓄热材料、保温隔热材料、智慧控制系统的革命，在当今国家节能减排和清洁供暖的大背景下，“基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维智慧电供暖系统（CIESPE）”应运而生。

一、CIESPE系统的概念

1、中文名称：基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统。

2、英文名称：Carbon fiber Intelligent Electric-heating System based on Phase change heat storage & Enclosure structure heat insulation。

3、简称：CIESPE系统。

4、定义：基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维智慧电供暖系统是以碳纤维发热线为发热体，将谷电时段的电能转换成热能储存在相变蓄热体中，在峰电时段释放供暖，同时采用围护结构隔热技术防止了热能向下传递和户间传递。智慧供暖控制系统包括谷电应用控制系统、平衡用电负荷减少电力增容控制系统、气候补偿控制系统、防止开窗散热温度骤降控制系统、空置房屋低温运行控制系统，实现了智慧供暖和精准供暖。

5、关键词：电供暖、碳纤维辐射供暖、地板蓄热、相变蓄热、地板隔热、围护结构隔热、供暖系统自动化、谷电应用控制、平衡用电负荷减少电力增容控制、气候补偿控制、防止开窗散热温度骤降控制、空置房屋低温运行控制、技术经济性分析、社会效益分析。

二、CIESPE项目的意义

1、国家节能减排的需要。目前我国供热行业存在突出的“三高”问题：

一是总能耗占比高：我国的建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的第一大“耗能大户”。建筑的能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%，如果再加上建材生产过程中耗掉的能源16.7%，和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%，其中建筑采暖空调能耗占建筑能耗的36%，为建筑能耗最大组成部分。

二是排放高： 等效污染排放指数供暖占55%。冬季供暖期是雾霾天气频发季节，冬季供暖化石能源燃烧是导致雾霾的主要原因之一。

三是单位面积能耗高：目前我国供暖行业具有高能耗、高排放、高投入、低效率的“三高一低”特点，城镇单位建筑面积供暖能耗是同纬度国家的2—3倍。

2、国家政策的需要。总书记在2016年中央财经领导小组第十四次会议强调：推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照宜电则电，宜气则气，宜煤则煤，宜热则热。因地制宜，多能互补，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。

国家、各级政府和有关部委出台了一系列清洁供热的相关政策，鼓励和支持清洁供热行业的发展。

3、市场的需要。根据《北方地区冬季清洁取暖规划》（2017-2021）要求：到2021年，北方地区清洁取暖率达到70%，替代散烧煤1.5亿吨。其中，“2+26”重点城市城区全部实现清洁取暖，农村地区清洁取暖率 60%以上。

到 2021 年，北方地区供暖总面积为252亿平方米，其中清洁供暖面积为176.5亿平方米，清洁供暖率达到 70%。新增清洁供暖的面积为91亿平方米，按100元/平方米计算，清洁供暖的市场规模为9100亿元，也就是常说的清洁供暖万亿市场。

三、CIESPE项目的必要性

1、清洁供暖发展趋势的要求：

一是传统能源供暖向清洁能源供暖发展；

二是非节能建筑供暖向节能建筑供暖发展；

三是城镇供暖向乡村供暖发展；

四是北方供暖向南方供暖发展；

五是粗放式供暖向清洁供暖健康采暖发展。

2、清洁供暖发展技术的要求：

一是传统的集中供暖向分布式供暖发展；

二是传统的水循环供暖向电地板辐射供暖发展；

三是热源端集中蓄热向末端分散式蓄热发展；

四是蓄能方式由蓄电向蓄热发展，高温蓄热向低温蓄热发展；

五是电直接供暖向电调峰蓄热供暖发展。

四、CIESPE系统的主要内容

1、碳纤维发热体。碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，具有高强度，高模量，耐高温，耐磨，抗疲劳，耐腐蚀，抗蠕变，导电和导热等诸多优异性能。用碳纤维作为电热体有着金属、PTC等电热体所不可比拟的诸多的优异性能：

（1）升温迅速。能产生人体需要的生命之光远红外线8μm－15μm。

（2）电热转换效率高。碳纤维电热体是一种全黑体材料，电热转化效率比金属发热提高30%，电热效率约100%。

（3）抗拉强度高。在相同的允许的电流负荷面积下，碳纤维的强度比金属丝高6—10倍，在使用过程中不会发生折断，因此在电热过程中抗拉强度没有什么改变。

（4）断线不起弧。有效杜绝火灾的发生。

（5）重量轻。有效减轻构件重量，从而提高了构件技术性能。

（6）化学性能稳定。耐腐蚀，不易被氧化。在无氧状态下加热到3000度，其机械性能不发生任何变化，在电热状态下克服了金属丝、PTC、碳化硅电热体强度低，易氧化烧断的缺点。

（7）使用寿命长。碳纤维发热体与建筑同寿命。

2、相变蓄热层。相变蓄热材料具有蓄能密度高、蓄热或放热温度波动小、性能稳定等特点，在夜间将“谷电”转化的热能储存起来，然后在白天“峰电”的时候加以利用，实现了“削峰填谷”的效果，达到经济节能、清洁功能的目的。相变蓄热材料性能指标：

（1）相变温度：29℃（302K）

（2）使用工作温度范围：20-30℃

（3）潜热值：234.33Kj/kg

（4）比热容：3.71Kj/(kg.K)

（5）密度：1034kg/m³

（6）导热系数：2.58 W/m.K

（7）周期寿命：6000-10000次

3、地板隔热层。

4、围护结构隔热。

5、智慧供暖控制系统。

（1）谷电应用控制系统。

（2）平衡用电负荷减少电力增容控制系统。

（3）气候补偿控制系统。

（4）防止开窗散热温度骤降控制系统。

（5）空置房屋低温运行控制系统。

五、CIESPE系统的核心技术

1、碳纤维发热材料技术。

2、碳纤维发热体集成技术。

3、相变蓄热材料技术。

4、相变蓄热材料微胶囊封装技术。

5、地板隔热材料技术。

6、碳纤维发热体、相变蓄热材料、地板隔热材料及辅助材料“三明治”结构技术。

7、围护结构隔热技术。

8、谷电应用控制技术。

9、平衡用电负荷减少电力增容控制技术。

10、气候补偿控制技术。

11、防止开窗散热温度骤降控制技术。

12、空置房屋低温运行控制技术。

六、与国内外同类技术比较

1、国内供热技术分析

我国城市集中供热的热源基本形成以热电联产为主，其他热源补充的格局。从供暖方式看，集中采暖方式占70%，分散供热约占30%。近几年，随着清洁供热技术的发展，清洁供暖发展的趋势主要有以下几个方面：一是从传统能源供暖向清洁能源供暖发展；二是非节能建筑供暖向节能建筑供暖发展；三是城镇供暖向乡村供暖发展；四是北方供暖向南方供暖发展；五是粗放式供暖向清洁供暖健康采暖发展。清洁供暖发展的技术趋势主要有以下几个方面：一是传统的集中供暖向分布式供暖发展；二是传统的水循环供暖向电地板辐射供暖发展；三是热源端集中蓄热向末端分散式蓄热发展；四是蓄能方式由蓄电向蓄热发展，高温蓄热向低温蓄热发展；五是电直接供暖向电调峰蓄热供暖发展。

2、国外供热技术分析

由于供热方式的选择和发展随着一个国家所处的地理位置、能源资源、经济环境、能源技术水平等情况的差异而有所不同。城市集中供热始于前苏联，自1924年开始集中供热至今已有七十多年的历史。莫斯科有世界上最大的热网、最大直径的供热管道、最大功率的热电厂。目前，俄罗斯城市集中供热占总热量需求的86%，其中热电厂供热占36%，大型及超大型锅炉房占46%。美国是世界上第一个热电冷联供系统建成并投入运行的国家。丹麦几十年来一直不遗余力的发展热电联产，每座大城市都建有热电厂和垃圾焚烧炉用于集中供热。热电联产、天然气和再生能源满足丹麦全国3/4的热负荷需求。近年来，日本集中供热(冷)系统发展速度也较快，特别是以东京为中心的关东地区尤为明显，已占日本全国的60%，集中供热(冷)系统比较注重节能和环保，如采用热电供给系统、蓄热槽及利用城市废热作为能源等，以提高能源的利用效率。德国集中供热总热量为1961 万GJ，也是集中供热发展较好的国家。韩国集中供热的历史与中国相当，基本上都是始于七十年代，八十年代中期进入快速发展阶段。世界各国几十年的供热发展证明，热电联产是最有效的生活用能供应方式。除集中供热外，国外还有与其优势能源相对应的供热方式。日本、冰岛、法国、美国、新西兰等都大量利用地热采暖。随着能源利用技术的提升，电采暖经过几十年的发展历程，在各类建筑中均有体现。在北欧和美国，电采暖被热用户普遍使用，他们将电采暖以壁挂式、吊顶式、地面式等形式敷设在建筑物内进行供暖。

七、基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统直接经济效益和社会意义

1、经济效益：依据《北方地区冬季清洁供暖规划》，我国近5年清洁供暖的增加面积为91亿平方米，其中电供暖面积15亿平方米，该项目达产后市场占有率按照2%计，即3000万平方米，每平方米按150元成本费，项目建成的未来五年供暖建造工程营业收入可达到45亿元；每平方米按25元收取运营费，运营年收入可以达到7.5亿元。

2、社会效益:

（1）节约能耗：系统充分利用谷电储能、峰电放热的削峰填谷技术节省电耗；

（2）减少排放：平衡电网负荷，实现削峰填谷，优化电厂运行，降低燃煤消耗，提高电能利用效率，降低大气污染物的排放量；

（3）提高人民生活福祉：系统产生的远红外波可促进人体血液循环，具有理疗效果；

（4）该系统应用谷电，实现精准供热，大幅度降低用户供暖费用。

八、后续研发与产品升级

1、发热材料的升级换代

石墨烯作为一种新型碳材料，具有良好的导电性和较高的导热系数，其中单层石墨烯的导热系数可达5 300 W/ (m▪K)，近年来被广泛用于发热和散热材料的研究。随着材料技术的进一步发展，石墨烯可以用于发热采暖，并结合我国当今高速发展的互联网技术，制备智能化的高科技电热地板，创新出一种全新的采暖体验。

2、相变蓄热材料的升级换代

随着材料技术的发展，进一步研发新型相变蓄热材料，为更好地节约资源，将对固废材料进行筛选、测试、实验等步骤，选取适合作为相变蓄热材料的固废材料进行研究。

3、5G技术的运用。

5G 在设计之初便面向更广泛的垂直领域，为智能电网，尤其在配电网领域，提供了一种更优的无线解决方案。利用5G 网络为企业服务提供差异化、实现智慧控制便捷化、安全可靠的无线通信接入承载及更自主可控的网络管理能力。

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