「供热技术」北方农村冬季电采暖设备类型及特性

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北方农村冬季电采暖设备类型及特性

推动北方农村地区清洁取暖是国家治理大气污染，尤其是采暖季大气污染的重要举措，由传统燃煤取暖改为清洁电能取暖即“煤改电”是其最主要方式。电采暖项目一方面受到配电网建设水平及可靠供电保障能力的影响，另一方面受设备类型、投资及运行费用和国家政策、减排效益等因素影响，其供电保障水平以及综合运行效果的好坏将直接决定存量用户的实际应用水平以及未来增量项目的发展前景。

电采暖设备类型及特性

按照电热转换方式，常见的电采暖设备类型和方式可以分为直热类电采暖、蓄热类电采暖和热泵类电采暖，每类电采暖又包含多种工作原理的具体设备形式，不同电采暖方式的初始投资成本、采暖效果、采暖经济性以及对配电网的要求等方面均存在差异，下面分别介绍。

1.直热类电采暖

直热类电采暖通过电热元件将电能直接转换为热能，并以对流或辐射散热的方式直接供暖。根据发热元件的不同，主要有直热电锅炉（电阻、半导体、电磁等）、直热电暖气、碳纤维、碳晶、石墨烯、发热电缆、电热膜等。该类设备在相同采暖需求、不考虑采暖行为差异情况下，理论消耗电量及采暖费用近似，不同具体设备之间因工作原理不同略有差异。

（1）直热电锅炉

直热电锅炉利用发热元件，将电能直接转换为热能，加热循环水，并通过散热末端（暖气片）散热供暖，根据发热元件不同，包括电热管（电阻）锅炉、半导体锅炉、电磁（涡流）锅炉3种。 ①电热管（电阻）锅炉利用电阻发热原理，将电能转换为热能直接加热循环水。 ②半导体锅炉利用强磁场条件下半导体陶瓷片的空穴发生电子磁撞，以分子键相结合的形式使电能转化为热能。 ③电磁锅炉也叫涡流锅炉，是利用电磁感应产生的涡流将电能转换为热能。首先将工频交流整流为直流电，将其转换成频高达几万赫兹的高频交流电压，从而产生快速变化的磁场，利用磁力线切割电锅炉是金属内胆时产生涡流，使水迅速加热。

直热电锅炉技术特点主要有清洁高效、升温快，初始建设成本较低，体积小改造施工方便，可直接利用原有锅炉散热管网和散热片。但其劣势同样明显，主要表现在能效比低，不节能，采暖运行费用高，对电网要求和依赖度高，抗停电风险能力差。

（2）直热电暖器

直热电暖器利用电能直接转换为热能，并直接辐射或对流供暖的小型采暖设备，包括踢脚线电暖器、电油汀、小太阳等。

直热电暖器安装灵活，使用方便，不同类型设备购置成本差异较大但普遍较低，但是普遍能效低，长期运行费用高，适用于较小房间或者临时性采暖需求的房间。

（3）发热（合金、碳纤维）电缆

发热（合金、碳纤维）电缆利用合金电阻丝或者碳纤维制成电缆，利用电阻丝或碳纤维将电能直接转换为热能供暖，通常以地暖形式施工安装。

发热电缆辐射散热，采暖效率高，地暖安装，采暖效果好，具有一定蓄热性能，安全环保，使用寿命长，但是温度提升相对较慢，采暖耗电量及费用较高。

（4）电热膜

电热膜采用导电的墨、金属载流条在绝缘聚脂薄膜之间制成。通电后，碳分子通过“布朗运动”产生剧烈摩擦和碰撞产生热量，并以远红外辐射或者和对流的形式对外供暖。

电热膜电热升温速度快，转换效率高，采暖效果好，安装不占空间，但同样存在能耗较大，采暖费用较高的问题。

2.蓄热类电采暖

通过热源把电能转换为热能，并将其存储在蓄热材料中，在需要时将存储的热量释放供暖，该类设备具有能量时移特性，能够结合峰谷电价政策，充分利用夜间谷电供暖，降低采暖费用。另外，蓄热类电采暖设备能够提高抗停电风险能力，赢得电网故障抢修时间。根据蓄热材料的不同，又包括固体、相变和水蓄热。

（1）固体蓄热电锅炉

固体蓄热电锅炉由电加热装置和固体蓄热材料组成，加热装置在夜间谷电时段运行工作产生热量，并通过镁砖等固体蓄热材料以显热形式储存多余热量，在白天用电高峰时段，将蓄热材料中的热量释放出来供暖。固体蓄热通过加热循环水，并通过地暖或者暖气片散热。

固体蓄热电锅炉安全高效，清洁环保，运行成本低，相对直热式电锅炉节约电费20%-40%，能够削峰填谷，有助于电网稳定；但其初始投资较大，设备占空间较大，同时对电功率的需求较大。该采暖方式比较适用于小范围集中供暖，如村委会、学习、图书馆等农村公共设施采暖。

（2）固体蓄热电暖器

夜间用电低谷时段加热并蓄热至镁砖材料，白天峰电时段优先释放蓄热砖中的热量取暖，热量不足时可启动加热管补热。热量一般通过空气对流直接散热供暖。

固体蓄热电暖器一般较小，适用于小户型，分散式采暖。其特点为采暖费用低，有助于削峰填谷，提升电网利用率，可灵活配置采暖区域、时段，采暖效果好但温升速度慢。

（3）水蓄热采暖设备

夜间用电低谷时段，利用热源将水加热，为房屋供暖，并将多余热量通过水温的提升，以显热将热量存储在水中。为提升蓄热量，需配置储水罐。白天峰电时段，利用储水罐中的热水循环，提供供暖热量。 水蓄热电锅炉购置成本低，但蓄水罐体积大、占地面积大，需具备蓄热水罐安装空间，适宜农村居民采暖。

（4）相变蓄热设备

该类设备的蓄热材料为相变材料，能够利用相变材料物理状态变化时，会吸收（释放）大量热的材料相变特性，在用电谷段，结合加热设备错峰用电，降低采暖成本。需配合热源出水温度选配合适相变温度的装置。

相比固体、水蓄热装置，相变蓄热装置的蓄热能力强，蓄热容量大，放热过程温度均匀，但其购置成本高。该类设备适用于居民住宅、图书馆、学校等采暖场所。

3.热泵类电采暖

热泵类电采暖设备能够利用电能，将热量从低位热源传送到高位，实现供暖需求。根据低位热源的差异，又可以分为空气源热泵、地（水）源热泵、污源热泵等。

（1）空气源热泵 空气源热泵以逆卡诺循环为原理，制冷剂从室外低温空气吸收热量蒸发气化，在房间内凝结成液体释放热量，循环往复完成热泵循环。室内通过循环水或者风机盘管进行供暖散热。

根据不同热泵的特性，可以分类为普通型空气源热泵、超低温型空气源热泵、高温出水型空气源热泵、热风型户式空气源热泵等。其典型特点是绿色环保，高效节能，能效比可达2~4，运行成本低，但初期购置成本较高，另外受地域气候限制，极寒环境下制热效率降低。故空气源热泵一般适用于非高寒气温地区，低于-10℃不推荐使用普通空气源热泵。

（2）地（水）源热泵 地水源热泵同样采用逆卡诺循环为原理，制冷剂从浅层地表土壤或浅层地表水中吸收热量蒸发气化，经压缩机压缩后实现低品位热能向高品位热能传送转移，冷媒在房间内凝结后释放热量，循环往复完成热泵循环。

相比空气源热泵，其能效比更高，可达3.5~5，节能40%~60%，采暖成本低，但受地理条件限制，施工复杂，初始投资高。适用于地质条件好的办公区、工业园区集中供暖（冷）场所。

除上述单一类型的采暖设备及方式外，还有复合型的采暖方式，比如热泵类设备与蓄热装置组合使用，形成复合型采暖方式，能够兼具热泵与蓄热类设备的优势，本文不再赘述。

4.电采暖设备配置原则 电采暖设备典型配置原则包括设备选型和容量配置两部分内容，对于设备的选型通常要考虑不同类型设备的工作原理和运行特性。对于容量的配置原则，则需要考虑热备制热容量和设备用电容量两个方面，而容量的选择最终是由建筑采暖热负荷指标确定。下面分别研究设备选型和容量配置。

4.1 电采暖设备选型原则

电采暖设备的选型，应根据以下因素，并经技术经济综合分析比较后，因地制宜科学选择。 （1）建筑型式、规模、用能特征和热负荷特性；

（2）所在地区的气候、地质条件；

（3）所在地区的能源禀赋、价格等因素；

（4）节能减排以及环保相关政策的规定。

4.2 电采暖设备容量配置原则

容量的配置原则，则需要考虑热备制热功率、蓄热容量和设备用电功率三个方面。 电采暖设备制热容量配置原则：电采暖设备制热容量根本上是由采暖建筑的热负荷确定，可以按照本报告第三章所提热负荷模拟仿真方法对具体建筑进行动态热负荷计算，得出其热负荷指标，并以此为依据结合建筑采暖面积确定电采暖设备容量。

电采暖设备主要分为直热、蓄热和热泵三类，不同类型电采暖设备工作原理、投资成本、运行能耗及费用、对电网的要求、采暖效果等方面存在差异，其选配原则需要综合考虑房屋采暖需求特点、用户意愿及经济承受能力、政府政策支持力度、配电网建设运维水平等相关因素。因此，不同地区、不同类型的电采暖项目的整体效果各不相同，为客观量化不同电采暖项目的整体效果需要进行横向评价比对。政策方面，目前在国家层面、地方层面均有电采暖改造支持政策出台，涵盖设备购置补贴、电费补贴、房屋节能及户内线改造、配电网建设等方面。总体而言，政府政策对目前电采暖项目的推广应用起到根本推动作用。