農村地區“煤改電”增量負荷計算及戶均配變容量配置方法研究

孫欽斐 ，王瀚秋 ，李 干 ，馬 凱 ，李香龍

（1. 國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 豐臺 100073;2. 國網北京市電力公司，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”在我國北方地區得到規?；茝V應用。

“煤改電”負荷需求及戶均配變容量是其配電網規劃的前提，直接關系到“煤改電”配電網供電的可靠性和經濟性，關系到“煤改電”用戶取暖的安全性。戶均配變容量配置不足，無法滿足冬季取暖用電需求，直接影響民生；戶均配變容量配置過高，將導致電網輕載，尤其是非采暖季電網資源閑置浪費，經濟性差。

配電網規劃中，文獻[1-2]采用單位面積法和單位指標法，根據區域經濟水平等因素確定的負荷密度與單位用電指標，考慮同時系數后預測負荷需求。文獻[3-4]考慮住宅小區家用電器的同時率和負荷率，計算小區需要系數典型值，采用需要系數法預測居民住宅小區負荷。文獻[5]考慮負荷特性和用戶行為，進一步優化需要系數方法。文獻[6]計及負荷增長風險和臺區負荷特性，進行配電變壓器優化選型配置。另外，也常采用自然增長率法等負荷預測方法[7-8]進行一定時間內的負荷動態預測和電網滾動規劃。

上述方法均適用于居民住宅負荷預測，但不同于傳統用電負荷自然增長規律，“煤改電”負荷是一種階躍式增量負荷，且負荷確定后呈現恒值特性，一般不再增長。因此，前述方法對于“煤改電”增量負荷預測和電力增容適用性較差。對于增量負荷預測，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《配電網規劃設計技術導則》針對新增大用戶負荷比重較大地區，采用點負荷增長與區域負荷自然增長相結合的方法進行預測。“煤改電”負荷預測可借鑒上述方法，但“煤改電”增量負荷需求目前尚無參考標準，缺乏相關研究。因此，亟須開展“煤改電”增量負荷研究，并確定戶均配變容量，為配電網規劃提供依據。

本文首先從需求側和供給側分析“煤改電”用戶增量負荷的影響因素；然后，重點從需求側分析采暖房屋熱負荷指標，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仿真模擬軟件DeST，從而確定采暖熱負荷。在此基礎上，提出“以熱定電”的“煤改電”增量負荷與戶均配變容量計算方法。最后，以北京地區典型“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，并依據電采暖設備類型計算戶均增量負荷及相應戶均配變容量。

1 “煤改電”增量負荷影響因素分析

電采暖設備制熱提供熱量供給，從而在需求側維持室內溫度，實現房屋采暖。因此，“煤改電”增量負荷影響因素可以從采暖需求側和采暖供給側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 需求側影響因素

“煤改電”增量負荷根本上是由需求側房屋采暖的熱需求決定的。從建筑動態熱過程分析[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、風向、風速等。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構為邊界，實現室內外動態熱平衡的過程。因此，房屋本身的熱工條件，包括房屋結構、圍護材料、室內發熱、鄰室得熱、周圍環境熱狀況等，通過不同結構的窗墻比、建筑朝向、圍護材料熱阻等影響房屋熱過程。

1.1.3 用戶行為習慣因素

用戶行為習慣是影響建筑熱過程的人為因素，包括采暖目標溫度、采暖時段、房屋開門開窗及通風次數熱擾、室內照明及設備產熱等。

上述3 方面因素綜合作用，疊加供暖系統的熱量供給，實現房屋熱傳導過程的動態平衡，維持一定的室內溫度。定義維持一定室內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 供給側影響因素

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

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

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。供暖設計時，應以采暖季室內溫度滿足采暖要求為目標，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為采暖設計熱負荷，kW；qh為采暖單位面積熱指標，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qh。根據CJJ 34-2010《城鎮供熱管網設計規范》，城鎮典型建筑單位面積熱指標qh推薦值如表1 所示。

表1 采暖單位面積熱指標推薦值

但是農村住宅建筑形式多樣，與城鎮建筑在結構、圍護材料等方面存在差異，上表推薦的通用采暖熱指標直接應用于農村住宅采暖設計不夠精確。

根據GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，冬季供暖系統的熱負荷主要包括下列散失或獲得的熱量：圍護結構的耗熱量，門窗縫隙滲入室內冷空氣耗熱量、門窗開啟時進入室內的冷空氣耗熱量、通風耗熱量、其他途徑散失和獲得的熱量。

其中，圍護結構的耗熱量是最主要因素，其基本耗熱量為

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

由式（2）可知，假設圍護結構確定，其基本耗熱量由供暖室內和室外設計溫度確定。

對于室內設計溫度，根據國家現行設計規范[12]要求，民用建筑主要房間的室內溫度范圍為18～24 °C，根據農村地區居民生活習慣，農村“煤改電”用戶供暖室內設計溫度一般取18 °C。

對于室外設計溫度，主要受各地氣候條件影響。目前，我國使用的室外設計溫度按平均或累年不保證日（時）數確定，即供暖室外設計溫度應采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度[12]。GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》基于現有氣象站點數據，給出了各城市設計溫度，如北京為–7.6 °C，規范未明確給出設計溫度的地區可按下式確定。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。

考慮到同一地區局地氣候的差異性，簡單采用同一室外設計溫度，將導致某些區域不能滿足采暖需求，如北京地區統一按照–7.6 °C 進行供暖設計，南部平原室內溫度能夠達標，北部寒冷山區則無法達標。故對于農村“煤改電”而言，上述采暖熱負荷指標確定方法同樣不夠精確。

為準確表征不同地區農村住宅采暖熱負荷，本文根據不同地區氣候條件、房屋結構和居民生活習慣，對房屋熱負荷進行動態計算，從而確定采暖熱負荷設計依據。

根據建筑熱環境理論[13-14]，首先要建立建筑熱過程數學模型，即所有圍護結構的動態傳熱方程、邊界條件及建筑空間內的空氣溫度變化方程，然后利用狀態空間法對圍護、家具等進行空間離散，建立所有節點的熱平衡方程組，進一步在圍護結構與物性一定、室內計算參數給定、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 建筑熱過程模擬數學模型

建筑墻體、樓板、門窗等壁體結構可簡化成一維傳熱問題，動態傳熱基本方程為：

式中：t為壁體內的溫度分布，°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為壁體材料的導熱系數，W/(m·°C)；x為壁體的厚度方向。

壁體室內側的邊界條件為：

式中：hin為壁體內表面與空氣對流換熱系數，W/(m2·°C)；ta為房間室溫，°C；qr為壁體內表面吸收透過窗戶的太陽輻射熱量，W/m2；qr,in為室內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，W/(m2·°C)。

壁體室外側的邊界條件為：

式中：hout為壁體外表面與室外空氣對流換熱系數，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境表面的長波輻射換熱系數，W/(m2·°C)；tenv為周圍環境表面的綜合溫度，°C。

壁體材料將建筑圍護成建筑空間，空間內的空氣熱量交換來源主要包括圍護結構內表面傳入熱量、室內物體產熱與空氣對流換熱、空氣直接吸收太陽透窗輻射熱量、鄰室或室外通風對流換熱、供暖系統提供熱量等內外熱擾。上述熱量疊加作用于室內空氣，導致空氣溫度變化關系為：

式中：cPaρaVa為建筑空間內空氣熱容，kJ/°C；Fj為建筑空間壁體內表面j的面積，m2；tj為建筑空間壁體內表面j的溫度，°C；n為建筑空間壁體內表面個數；qcov為室內熱源對流傳給空氣的熱量，W；qf為室內家具放出的熱量，W；qvent為室內外或鄰室空氣交換帶入室內的熱量，W；qhvac為供暖系統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

由狀態空間法對房間內所有圍護、家具進行空間離散，并將室內空氣溫度集總為單一節點處理，根據式（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和各種熱擾作用下的室溫，進一步根據室內供暖設計溫度，即可得到房屋的采暖熱負荷。

以上述理論模型為基礎，清華大學建筑技術科學系開發了建筑環境模擬軟件[14]DeST（designer's simulation toolkits），能夠動態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據為基礎選取典型氣象年數據作為外界氣象參數，對房間熱過程進行動態模擬，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容量

“煤改電”增量負荷及配變容量需求根本上是由房屋采暖熱負荷決定的，即“以熱定電”，同時與電采暖設備類型相關。

3.1 “煤改電”增量負荷

令采暖需求側房屋熱負荷為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換效率。

對于蓄熱設備，其效率除了與熱源形式相關外，還要考慮到設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 類電采暖設備對應的增量負荷可描述為：

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

3.2 “煤改電”戶均配變容量

戶均配變容量是配網規劃設計的基礎?！懊焊碾姟睉艟渥內萘繎紤]“煤改電”負荷和傳統用電負荷對應的配變容量，即：

式中：ST1為“煤改電”負荷對應的配變容量；ST2為傳統用電負荷對應的配變容量。

其中，“煤改電”負荷對應的戶均配變容量為：

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

傳統用電負荷配變容量包括現有負荷水平和未來負荷增長兩部分：

式中，Sex為現有傳統用電負荷對應的配變容量；Sinc為傳統用電負荷自然增長對應的配變容量，須根據不同規劃年進行負荷預測。

傳統用電負荷增長可采用成熟方法進行預測計算，本文不再贅述。“以熱定電”計算“煤改電”增量負荷及戶均配變容量的流程如圖2 所示。

圖2 “以熱定電”計算“煤改電”增量負荷及戶均配變容量流程

4 北京地區“煤改電”算例

圖3所示北京南部平原地區農村傳統磚瓦結構、瓦楞坡面房頂的平房民宅，木梁下沿平面距地面3 m。以該典型房屋為例，給出房屋采暖動態熱負荷仿真、“煤改電”增量負荷及戶均配變容量計算過程與結果。

圖3 北京農村典型民居結構圖

首先采用擠塑聚苯板對房屋外墻進行保溫節能改造，圍護材料及門窗如表2 所示。

表2 房屋主要圍護結構材料

采用DeST 建筑環境模擬分析軟件，并選用北京南部平原地區歷史氣象數據，以18 °C 為室內設計溫度，對圖3 所示北京典型民居采暖季熱負荷進行逐時動態仿真模擬，得到單位面積熱負荷指標如圖4 所示。

圖4 北京南部平原農村民居單位面積熱負荷指標

根據GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》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 天來確定熱負荷設計指標。

篩選仿真結果，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計如表3 所示。

表3 房屋采暖熱負荷統計

房屋最大熱負荷指標即設計熱負荷指標為：

按戶均采暖面積為100 m2計算，則戶均采暖熱負荷為：

北京南部平原地區采暖設備選用空氣源熱泵，假設其電熱轉換效率COP = 2.5，則對應的增量負荷分別為：

考慮到空氣源熱泵設備一般具有確定的功率等級，因此應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。

假設戶間設備同時系數取0.8，設備使用率為100%，配變負載率取0.7，功率因數取0.95，則“煤改電”增量負荷對應的戶均配變容量為：

5 結束語

從采暖需求側和供給側分析了“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容量的方法，給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房屋采暖熱負荷決定，同時受供給側電采暖設備類型影響。

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

“煤改電”戶均配變容量包括“煤改電”增量負荷和傳統用電負荷對應的配變容量，傳統用電負荷需考慮現有負荷水平和未來負荷增長。

在“煤改電”戶均配變容量基礎上，僅需統計該地區“煤改電”戶數即可快速確定配網容量需求，指導配電網規劃設計。

該方法能夠準確計算“煤改電”增量負荷與戶均配變容量，從而為“煤改電”配電網規劃設計提供依據。