石松林 臧国勇
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2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰、碳中和最近成了热词。在这个目标下，一些行业将被归零、颠覆，一些新的行业、新的商业模式将诞生。
在碳达峰、碳中和目标下，未来清洁供暖的发展将呈现五大趋势：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。
在碳达峰、碳中和目标下，未来清洁供暖的技术也将呈现五大趋势：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。
在碳达峰、碳中和目标下如何实现中国气候过渡带及南方地区的清洁供暖又是一个崭新的课题。
古希腊人最早提出气候带的概念，并以南、北回归线和南、北极圈为界线，把全球气候划分为热带、南温带、北温带、南寒带、北寒带5个气候带。中国气候类型有5种,热带季风气候、亚热带季风气候、温带季风气候、温带大陆性气候、高山高原气候。?本文所提气候过渡带是指位于南方亚热带季风气候区和北方温带季风气候区交界处的地区，比如作为这两种气候分界线的秦岭——淮河一线地区,包括秦岭沿线,大别山地区和淮河干流地区。该地带是典型的“夏天热、冬天冷”，冬季湿度大，体感温度往往低于-5℃，人体舒适度极低。
南方地区冬季供暖呼声由来已久，早在2012年全国两会上，全国政协委员张晓梅递交提案，建议南方地区冬天实行集中供暖；今年两会全国政协委员宋鑫表示：“清洁供暖的实用技术已经成为现实，南方地区也可以使用清洁能源实现冬季供暖”；同时全国人大代表周洪宇也提出了“加快发展我国南方百城供暖市场”的建议，南方地区冬季清洁供暖再次引起热议。
我国北方供暖行业的供暖方式主要为化石能源为主的供暖方式，当前煤炭、天然气仍然是最主要的釆暖燃料。 这种主要依靠煤炭、天然气作为供暖能源的结构：一方面，对生态环境造成了严重的破坏，不仅造成地下水污染、生态破坏，带来酸雨、粉尘、烟尘等多种污染，还带来雾霾问题。有研究表明，许多供暖城市比不供暖城市的大气污染要严重，特别是供暖期比非供暖期污染严重，供暖期间的大气总悬浮颗粒物比平时高出70%，导致部分北方地区冬季大面积重度雾霾反复出现，严重威胁了公众的身体健康。另一方面，不健全的供暖方式也导致资源利用效率较低，能耗巨大。我国目前很多地区仍采用的小型锅炉甚至火炕供暖等方式，这些方式能源利用效率很低，例如普通单户家用锅炉的热效率在65%左右，落地式炕灶综合热效率不足45%，这些都使得我国目前供暖行业能耗消耗巨大。
近年来，随着我国电力事业的飞速发展，利用电能产生热量进行取暖的方式，其清洁和方便性越来越得到人们的认可，发展电采暖已成为冬季取暖的趋势之一。气候过渡带和南方电采暖，要走新路！
南方电供暖不仅是关乎广大民生的新鲜事儿，更是一项复杂浩大的系统工程。如何才能更科学有效的供暖，这需要国家层面的顶层设计和制度安排，需要结合各地区的具体情况科学论证、集思广益，更需要相关部门齐心协力，通力合作。只有在政策层面大胆创新、合理引导，才能逐步建立南方电供暖的市场化机制、价格体制、管理体制。因此，在南方电采暖的问题上，我们不能重蹈覆辙，要走出一条独特的电供暖之路。
以南方电供暖面积缺口，每年新增供暖面积按照6亿平方米计算，200元电采暖基础设施，可以拉动每年新增基础设施投资1200亿，拉动一个新兴的电采暖产业：发热材料、电锅炉、芯片锅炉、蓄热材料，同时，消纳国家电网过剩的电力以及弃风电、弃光电。
目前南方大多数城市都采用家电进行供暖，其中空调、电暖气等是最主要的供暖方式。以重庆为例，86%的人冬天采用采暖措施，其中常用的采暖措施有家用式空调、小型电暖气。与北方地区的集中采暖相比，这样的电器取暖在成本上显然要高出许多，取暖效果也并不十分理想。很多人抱怨，冬天最冷时，空调甚至根本无法启动，而使用功率在1000瓦以上的取暖器，也不过只能使一个面积不足20平方米的小房间，室内温度提高3－5摄氏度而已，加上南方房屋外墙体普遍较薄，不利于保温的特点，一旦关掉取暖器，房间里的热气便会很快散去，这种大功率的电器，若长时间使用，电费则高得难以想象。同时，以空调为主的供暖方式也存在很多问题，无法充分满足南方居民的需求。具体原因如下：
（1）噪声污染严重。空调运行期间，室内噪声较大，使用一定年限的空调器室内侧噪声约55dB（A）；冬季空调开停机次数较多，夜间间隙运行时室内环境在40dB（A）~55dB（A）突变，噪声影响更为明显。
（2）室内机多安装于房间上部，气流组织为上送上回。室内温度垂直分层明显，头暖脚凉，上下部温差约15℃，顶板处约27℃，地板附近约12℃。
（3）分散空调、间歇使用，房间之间温度差异大，非空调区和空调区温差约10℃。老人、小孩体质较弱者频繁进出极易感冒。
（4）间歇空调方式下，室内温度设定值通常高于22℃，空调送风温度高，室内空气相对湿度降低，空气较为干燥。
（5）南方地区在冬季非供暖工况下，南方地区室内温湿度满意率低于80%，普遍认为室内环境偏凉和潮湿，以及，因为建筑外墙保温较差，窗户通常为单层玻璃窗，冷辐射感较强等原因，南方居民通常采取加衣服、关门窗、喝热饮及开启供暖设备以提高热舒适性。
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。
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。具体技术包括：
1、碳纤维发热材料技术。碳纤维发热线选用12k/T700等级的碳纤维原丝，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、碳纤维发热线封装技术。
（1）碳纤维发热线选用12k/T700等级的碳纤维原丝，按16.3W/m设计，每根线长9.2m，以确保防护层外表面温度为60±5℃，使用寿命超过10万小时，电热辐射转换效率为99.9%。
（2）封装线护套采用3重防护结构，从里到外分别采用硅胶层、交联聚乙烯层和PVC层。里层选用硅胶加导热陶瓷粉，将其导热系数由0.27W/m.K提高到0.7W/m.K，耐热温度达到305℃。中间层选用交联PE材料，导热系数为0.4W/m.K，耐高温205度。最外层采用PVC材料，耐高温105度，以及较高的机械强度和绝缘性。三层防护结构设计既达到了耐高温、耐腐蚀、高绝缘、抗老化的安全特性，又具有良好的导热性和电热转换效率。
3、碳纤维发热体集成技术。一是碳纤维冷线接头技术。碳纤维冷线接头设计为双T型冷线接头，采用欧洲ROHS标准，进行3次注塑合模处理，既保证了良好的电气绝缘性，又便于施工易于维护。二是安全接地结构技术。在碳纤维加热层下方敷设金属网，裸铜线成Z字型布罗在金属接地网上，另外一端与建筑物的等电位接地端连接。既实现了可靠的安全接地，又增加碳纤维蓄热层的抗拉强度，避免蓄热层开裂。三是冷热线接头技术技术。首先在热线内插入一种遇热即熔的特种物质，再对冷热线接点进行涮锡处理、端子机固定、环氧树脂密封，最后利用硅脂膏、PVC密封胶、热缩管等进行绝缘密封处理。其连接可靠、密封性强、电导率高。
4、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。
5、相变蓄热储能棒式封装技术。将相变蓄热材料通过储能棒式进行封装，提高了生产效率，降低了封装成本，并且利于运输和铺装。储能棒式封装的紧密密封技术，避免了相变材料的泄漏，提高了相变材料的使用寿命。
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。围护结构隔热系统在原有建筑外保温的基础上，增加内保温保温隔热涂料涂层。隔热保温涂料Genecoat 450 是一种高性能双组分硅烷杂化水性保温涂料，Genecoat 450 内含紧密排列的封闭型空心微粒，纳米空心微珠含量至少要在80%以上，这样的涂料涂刷后能在物体表面形成由封闭微珠连接在一起的三维网络空心结构，这样的纳米空心陶瓷微珠和微珠之间形成了一个个叠夹的静态空气组，也就是一个个隔热保温单元，涂层导热系数能达到0.06W/m.K，可以有效阻止热量传导，隔热保温极佳，涂层的绝热等级达到R-30.1，热反射率为90%以上，可以大量的反射红外线，防止红外线对物体进行加热，能有效抑制太阳和红外线的辐射热和热量传导，隔热保温抑制效率可达90%左右。
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。