一种校园用户电采暖设备热负荷的计算方法

一种校园用户电采暖设备热负荷的计算方法

夏实秋杨晓伟毛恒超

（河海大学江苏南京211100）

摘要：在国家“煤改电”的大背景下，电采暖作为电能替代在生活领域的重要形式对改善能源结构，保护大气环境有重要作用。由于校园用户的供暖需求大，方便调控的等特征，其适合使用电采暖，因此本文提出了一种校园用户电采暖设备热负荷的计算方法，主要考虑到建筑的围护结构、门窗渗入的空气冷量、空间内人的散热。并结合校园的作息规律计算校园用户的热负荷。

关键词：电能替代；校园用户；热负荷计算

近年来随着我国工业化发展，社会经济发展和环境保护的矛盾日益突出，能源结构不合理的问题显现，尤其是严重的雾霾天气，使得大气污染防治己迫在眉睫，被视为治理雾霾重要手段之一的电能替代战略在各界的重视下正加速推进。

电采暖现状

电采暖作为电能替代在生活领域的重要形式对于优化能源结构、防治大气污染、解决雾霾问题起着至关重要的作用，作为一种清洁的采暖方式能够补充由于燃煤减少带来的冬季供暖不足。

在北方需要供暖的区域，用户可大致分为工商业用户、企事业单位用户和居民用户。由于目前工商业用户、企事业单位用户基本都已采用中央空调进行供暖。校园用户作为用电系统特殊的群体，具有用电量大，可控性强，用电特性显著的特点，适合采用电采暖来降低用电能耗、提高用电经济性。在需求响应实施背景下，校园用户通过调节电采暖系统的运行方式，积极适应需求响应政策，合理地制定自身的用电计划，可有效降低自身的用电成本，提高自身的电能使用效益，实现自身效益的最大化。对校园用户用电进行科学有效的管理和优化，使用户用电合理化具有现实而紧迫的重要意义。校园用户冬季使用电采暖需要计算本身的热负荷来决定使用电采暖设备，已达到效益的最大化。

热负荷计算方法

针对校园用户电采暖设备热负荷的计算方法，先对校园热负荷进行分类，根据校园人员的生活习惯，即一天内空间内的人员的集群系数和数量变化趋势，大致可将其分为学生宿舍区、食堂区和教室办公区，接着计算校园某一空间根据朝向，墙壁材质，门窗大小以及屋内人员数量变化的热负荷，最后求和就可以得到整个校园用户某一时刻的热负荷。

通过查阅相关资料，现对于学生宿舍，食堂和教室的热负荷的主要有三个来源：一是建筑的围护结构所带来的冷量；二是门窗渗入的空气冷量；三是空间内的人体散发的热量。其余的如用电器的散热量之类的热负荷，因为不同宿舍之间差异较大且占比较小，所以忽略不计。

根据热平衡原理，室内需要的热负荷就等于外界传入的冷负荷，所以对于室内热负荷的计算我们从以下三个方面计算：

1.通过围护结构传入室内的冷量

围护结构对建筑采暖耗热量指标以及电采暖耗热量指标的影响由墙体传热量、屋顶传热量、窗户传热量、门传热量和太阳辐射的热量五个部分组成，可用两个特征参数:总传热系数和太阳得热量来描述。冬季总传热系数越低、太阳得热量越高，围护结构的采暖耗热量指标会越低。

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-分别为墙体、屋顶，玻璃窗和门的传热，W；-透过玻璃窗的太阳辐射得热，W；-传热系数，W/(㎡•K)；-面积，；-室内外平均温差，℃；-朝向修正系数。：SC-外窗总遮阳系数；-标准窗太阳得热因子。下标分别表示外墙、屋顶、外窗和门；下标-各个朝向；

2.通过门窗渗入空气所带来的冷负荷

房间压力平衡的状态下，外界空气仍可通过窗户的缝隙渗入风量。因此会由门窗进入部分冷量，应用公式计算：

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通过实际测量，冬季温度下的空气密度，通过门窗渗入楼宇内部的总空气量L由两部分组成，一部分是窗户缝隙渗入空气量,与窗户个数有关：

另一部分为通过外门渗入的空气量，可按式进行估算：

（8）

3.人体的散热形成的冷负荷

人体的散热形成的冷负荷可由式错误！未找到引用源。进行计算：

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表示室内人群的显热量；表示室内人群的潜热量；表示成年男性的显热散热量，；表示成年男性的潜热散热量，；表示当前时刻室内的总人数；表示集群系数，即根据室内人员中的男性、女性和儿童的比例折算值。

具体算例

校园用户的热负荷主要包括学生宿舍区，教学行政区和食堂生活区。

本文选取我国北方某个典型校园用户作为案例，该学校属于住宿学校，在校师生人口在1万人左右，实际建筑面积11.84万平方米。

以该校教学楼为例，利用前文提出的热负荷计算方法对其教学楼供暖进行计算。教学楼具有供暖间隔性，供暖时间从早上7:00至晚上22:00，总计供暖时长15h。此处内墙结构和楼板结构选取典型结构，传热系数为1.95W/(㎡×K)。窗户玻璃为6mm普通透明玻璃，查表可知传热系数为5.8W/(㎡×K)，遮阳系数为0.84。门为双层木门，传热系数为2.0W/(㎡×K)。教室设定从早上7点开放到晚上6点关闭，按照学校作息假设教室一天四节课，每节课都有人上课，考虑到教室大小，教室内人数设为35人，即为一个班的人数。人体散热量选取18℃静坐时的成年男性的显热散热量和潜热散热量，查阅相关资料，集群系数选为0.85。

表1朝向不同的单个教室热负荷值

依据上表进行分析可知，该校教学楼的典型代表日供暖负荷值约为2.8万kWh，由此推广到全校其他用户，该校园的典型热负荷应为6.1万kWh。

由于学校的特殊性，在节假日期间校园内的人口大量减少，部分建筑物没有供暖的需求。北方供暖时长是从冬季的11月份到次年的4月份，供暖时长达130多天，而学校去掉节假日总供暖时间为80多天，本文取84d。

校园用户内部的建筑群体具有明显的特征，不同区域的建筑其供暖需求有较大差异，在工作日期间，校园中教学行政区的供暖时间一般取为早上7:00-晚间22:00，供暖时长15h，学生宿舍区供暖时间段一般为晚间21:00-早上7:00，供暖时长10h，而食堂生活区的供暖时间可看做早中晚三个时间段，每个时段2h，共计6h，其余时段只需要给食堂的工作人员供暖。

再结合具体参数，得到整个校园的典型代表日热负荷在一天24h的分布，如下图1所示，由校园热负荷的分布分析可知，校园供暖需求主要集中在白天时段，午后时段因为温度的升高，供暖需求有所减少。

图1校园用户典型代表日热负荷时间分布

总结

这种校园用户热负荷的计算方式比现有通常的热负荷计算增加考虑了人体散热量形成的热量，主要就是由于校园内的宿舍，教室，食堂在一天24校内人员的数量和活动较好预测，所以可以在原有的热负荷计算上增加此因素。本实用新型为校园用户在冬季采用电采暖方式提供了基础。校园用户响应电能替代政策在冬季采用电采暖。电采暖作为电能替代在生活领域的重要形式对于优化能源结构、防治大气污染、解决雾霾问题起着至关重要的作用，作为一种清洁的采暖方式能够补充由于燃煤减少带来的冬季供暖不足。

参考文献

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[2]韩凤光,韩雪松,李万友,等.电蓄热生活热水系统与燃煤锅炉的经济性分析[J].黑龙江电力,2003,25(4):300-302.

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