石松林 綦升辉
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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、分时分区控制、碳纤维双T型冷线防水接头、碳纤维冷热线接头处、碳纤维安全接地结构、碳纤维发热体+相变蓄热材料+地板隔热材料及辅助材料的“三明治”结构、相变蓄热材料微胶囊封装、内保温隔热涂料（Genecoat 450）。
信息技术的发展，特别是人工智能、云计算、大数据技术的发展，为政府、供热企业在节能环保、清洁供热大背景下应用新的发展模式带来了契机，5G技术的发展促使供热系统由信息化迈入智慧供热时代。
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三大“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(占全社会总能耗的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。
城市供暖是城市的基础设施之一，涉及能源、环保、城市安全、民生、公用事业等领域，是政府管理的重要组成部分。随着新型智慧城市的建设与发展，各行业管理水平不断提升，管理体制标准化、科学化、信息化不断推进，各地政府根据城市人口、资源、能源、环境的基础需求，以及政府在城市安全、服务与管理方面的职责，逐步建立和完善了城市级运行管理平台、应急管理平台、居民服务平台；并按照部门职责分工，围绕城市运行管理分别建立了城市能源运行管理平台、市政市容管理信息平台以及能耗监管平台、排放监测平台等各类监管平台。
应用5G技术的智慧供热是新型智慧城市建设的重要内容和抓手，采用大数据等信息技术成果，建设智慧供热和政府监管大数据平台，实现政府供热监管平台和企业生产管理平台的数据共享、互联互通，提高用户供热服务和供热质量的透明度，保障城市居民享受更好的供热服务，是新型智慧城市建设的发展需求。
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。
一、基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统背景
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。
二、基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统的技术创新
基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统的核心技术为碳纤维发热材料技术+围护结构隔热技术+末端用户侧相变蓄热技术+智慧控制技术的集成，填补了电供暖领域的空白，为建筑节能和清洁供暖开辟了新的技术路径。具体技术创新包括：
1、碳纤维发热材料技术。碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，和金属、PTC等电热体相比具有升温迅速、电热转换效率高、抗拉强度高、断线不起弧、重量轻、化学性能稳定、使用寿命长等诸多优异性能。
2、碳纤维发热体集成技术。一是π型接头技术；二是冷热线接头处理技术；三是安全接地结构。
3、相变蓄热材料技术。一是将相变蓄热材料和电供暖系统相结合，利用相变材料的高密度储热能力，将谷电进行暂时储存，转移到峰电时使用，充分利用廉价能源，节约了供暖成本，提高了采暖系统效率；二是相变储能材料本身就是一种智能调温材料，这种材料可以根据环境温度，依靠自身吸放热功能进行局部温度的调节，在相变温度范围内不需要额外的控温系统来参与。
4、相变蓄热材料微胶囊封装技术。
5、地板隔热材料技术。
6、碳纤维加热单元的碳纤维发热体、相变蓄热材料、地板隔热材料及辅助材料“三明治”结构技术。碳纤维加热单元从碳纤维布局、碳纤维接头、蓄热结构、隔热结构以及安全用电的接地结构等多方面进行创新的设计，从碳纤维加热效率、热能转化、蓄热能力、隔热效果等方面进行了充分的考虑，构建一套高效的碳纤维加热系统。碳纤维加热单元主体结构为设置在地板下面的多个层结构结合体，共分为7层，从下到上分别是：楼板、绝热层、反射层、接地网、碳纤维发热线、蓄热层、面层等。
7、围护结构隔热技术。内保温隔热涂料（Genecoat 450）是一种高性能薄型水性保温涂料，用于取代传统的保温材料。Genecoat 450内含紧密排列的封闭型空心微粒，采用当前最轻的固体-气凝胶与特殊的隔热微珠作为隔热介质，从而形成了一层对热具有阻隔效果的惰性气体层，可有效阻断“热桥”，使涂层具有卓越的隔热效果。同时该系统具有极高的可见光和近红外光的反射率和热能发射率，可大幅度降低能耗，减少冷凝等。
8、谷电应用控制技术。谷电应用控制系统建立储存热量和释放热量模型，按日为一个储能和释能周期。从进入谷电时刻至第二日同一时间点为一个计算周期，根据碳纤维加热单元的加热功率及建筑耗热功率，计算预测需加热时长、可供热时长等进行蓄热和放热控制。
9、平衡用电负荷减少电力增容控制技术。平衡用电负荷减少电力增容控制系统包含户内电力负荷平衡系统和区域电力负荷平衡系统。户内电力负荷平衡系统采集户内的碳纤维控制器的控制状态、温度、加热时间等，根据该用户的设计功率、在用功率决策户内碳纤维控制器的控制状态，来平衡户内的电力负荷。区域电力负荷平衡系统采集管辖区域内各户的碳纤维控制器的控制状态，根据计算的总功率决策各户允许碳纤维控制器的打开的数量或加热功率，来平衡管辖区域的电力负荷。
10、气候补偿控制技术。气候补偿控制系统从气象网中获取气候补偿参量建立供热模型，获取近24小时的气象数据，根据近24小时的温度曲线，计算建筑物其后24小时的耗散功率分布和耗散热量，根据计算的耗散功率分布和耗散热量确定加热时段、加热时长和加热温度等参量，碳纤维控制器根据此参量进行加热控制。
11、防止开窗散热温度骤降控制技术。防止开窗散热温度骤降控制系统采集当前室内温度，计算近一段时间的平均温度，并计算当前室内温度与近一段时间的平均温度的变化率。根据温度的变化率识别开窗行为，在检测到有开窗行为时，控制器暂停加热，并发送到用户的手机APP。
12、空置房屋低温运行控制技术。碳纤维电供暖的空置房屋低温运行系统通过LoRa无线采集室内温度、人体移动状态及移动时间等数据发送至服务器，服务器通过对采集的数据进行汇总、分析和决策，识别空置房间和空置规律，以实现低温运行控制。
13、分时分区控制技术。分时分区控制系统根据不同建筑的供暖需求，设定不同的供暖时间、不同区域设定不同的供暖温度。
三、国内外供暖技术比较
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。
四、经济效益、社会意义和环保效益分析
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。随着城镇化进程的深入发展，工业、商业、服务业和房地产等行业迅速发展，热能需求不断提升，供热行业也进入了一个快速发展的阶段，截至2018年底全国城市集中供热面积94亿平米，比上年增长13%。2022年预计全国集中供热总面积将达到140亿平方米。
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。
4、社会效益:一是节约能耗：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；二是减少排放：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；三是提高人民生活福祉：系统产生的远红外波可促进人体血液循环，具有理疗效果；四是该系统应用谷电，实现精准供热，大幅度降低用户供暖费用。
5、基于相变蓄热围护结构隔热的碳纤维电供暖智慧系统应用5G+区块链技术，汇集政府、企业、热用户三方信息，形成一个政府知悉、督促，企业办结、反馈，用户诉求、评价的闭环系统，提高政府、企业对用户诉求的反应能力，提升服务质量和社会形象。做到政府可管、企业可省、百姓可感。
（1）政府可管。一管质量：政府通过用户室温数据直接掌控城市供热的服务质量，保证用户室温达标；二管行业：建立供热运营监管体系，监管整体能源运行状态，监管供热系统安全运营，监督行业的服务质量，全面评价供热企业的运营水平；三管能源：政府通过供热能源的存储、运输、消耗数据，实现供热能源的管理、调控和应急处理；四管应急：建立完整的供热应急处置体系，形成应急保障机制，有效应对和处置应急事故。
（2）企业可省。一是平台打破信息孤岛、提高生产和管理系统的智能协同效率，通过数据挖掘，发现问题并改进供热企业的管理和运营方式，最终实现节能减排；二是实现从政府主管部门到热用户全程的供热信息化，规范供热管理、统一服务流程，提升服务水平，降低用户投诉率；三是通过能耗水平、设施水平和管理水平的评价机制，加强供热企业的自我管理、自我完善、自我约束，提升企业综合管理实力，降低运营管理成本。
（3）用户可感。一感室温达标：用户通过室内测温仪直接了解供热温度是否达标，服务效果一目了然；二感服务提升：平台加强了政府对供热事业的关注和对供热企业监管，提高了政府、企业对用户诉求的反应能力，使用户投诉和维修服务的响应速度及服务质量大幅提高。三感自主调控：满足用户“自主调节、按需用热”的需求，最终实现用户用热的自主调节和控制。