0 引言

　　北京2022年冬奥会场馆分布在3个赛区：北京赛区、延庆赛区和张家口赛区。张家口赛区核心区位于河北省张家口市崇礼区太子城及其周边区域，规划占地约11 km²。张家口赛区共有8个奥运场馆，包含5个竞赛场馆和3个非竞赛场馆。在5个竞赛场馆中，3个为新建场馆，分别为冬季两项中心、北欧中心跳台滑雪场和北欧中心越野滑雪场，此3个新建场馆均位于古杨树地区；2个为改建场馆，为云顶滑雪公园场地A和B。3个非竞赛场馆分别为山地媒体中心、冬奥村和颁奖广场。冬奥村的设计如何在践行《国际奥林匹克2020议程》可持续发展理念的基础上，落实“绿色办奥”的目标和原则，为运动员的出行、训练、休息等各方面创造最有利的条件显得尤为重要。张家口赛区冬奥村采用了发热电缆地面辐射供暖系统，力争成为传承北京冬奥会可持续发展理念的示范性工程。

　　1 概况

　　北京2022年冬奥会张家口赛区冬奥村(见图1)位于张家口市崇礼区太子城冰雪小镇内。冬奥村作为各个国家和地区运动员、教练员及代表团成员的主要居住地，承担着全部冬奥会和冬残奥会运动员、官员在住宿、餐饮、娱乐、休闲等方面的服务功能，也是各国和地区运动员集中举行国际交流和联欢活动的场所。

　　

　　图1 冬奥村实景照片   

　　 

　　冬奥村是张家口赛区规模最大的非竞赛场馆，距离太子城高铁站1 km, 距离京礼高速棋盘梁服务区1.5 km, 占地19.76万m²,一期总建筑面积23.8万m²,其中地下10.3万m²、地上13.5万m²,共10个组团、31栋楼，以3、4层建筑为主。冬奥会赛时可提供1 668间房，总床位2 737个。冬残奥会期间预计使用703间房，1 142个床位。张家口赛区冬奥村房间主要分为4种户型：一室一卫、一室一厅一卫、两室一厅一卫和三室一厅两卫^[1]。

　　2 室外气象参数的确定

　　2.1 室外气象参数现状

　　张家口市及崇礼区两地室外气象参数与崇礼古杨树冬奥赛区差别较大，两级气象局均没有崇礼古杨树冬奥赛区历年室外气象参数，只有2016—2018年2个冬季的现场实测参数。

　　2.2 古杨树冬奥赛区室外气象参数实测数据

　　2018年3月30日张家口市气象局提供了古杨树冬奥赛区各赛场2017年11月6日至2018年2月12日的现场实测数据，实测数据为各赛场若干点位的逐时测试数据，数据汇总结果见表1。

　　表1 古杨树冬奥赛区供暖季实测气象参数统计 

　　 

　　 

时间	平均气温/℃	最高气温/℃	最低气温/℃	最低温度时间段	平均相对湿度/%	最小相对湿度/%
2016—2017年供暖季	-7.4	12.3	-27.4	23:00至次日05:00	54	9
2017—2018年供暖季	-9.1	18.2	-30.2	23:00至次日05:00	47	6

　　 

　　 

　　 

　　19:00—23:00冬奥比赛时段最低温度为-28.5 ℃,23:00至次日05:00时间段最低温度为-30.2 ℃。2个冬季实测平均气温分别为-7.4、-9.1 ℃。

　　2.3 结合崇礼区邻近气象台站的气象资料分析

　　张家口市张北县位于崇礼地区西北部，该地的地理与气候条件与崇礼区相似，通过《中国建筑热环境分析专用气象数据集》^[2]查得张北县供暖室外计算温度为-21.6 ℃,因此崇礼区参考张北县数据，供暖室外计算温度可暂定为-21.6 ℃。但古杨树冬奥赛区四周环山，供暖室外计算温度需考虑山地的影响，经崇礼气象局多次测试，冬奥赛区与崇礼区的温差约为5 ℃,由此推断古杨树冬奥赛区供暖室外计算温度约为-26.6 ℃。

　　2.4 古杨树冬奥赛区供暖室外计算温度的确定

　　2022年冬奥会比赛时间为2月4—20日，2月4日为立春节气，六九第一天。2018年2月4日，为立春节气，六九前一天。2018年与2022年同月同日节气基本相同，实测数据有一定借鉴意义。结合张北县供暖室外计算温度并考虑山区微气候的差异性，对实测数据进行进一步验证。

　　参考GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》供暖室外计算温度采用历年平均不保证5天的日平均温度的计算方法，该项目冬季供暖计算温度确定为-27 ℃。

　　3 供暖形式的确定

　　冬奥会张家口赛区距离崇礼市区较远，项目周边无市政热力管道，也无供暖用燃气管道，但张家口是华北地区风能资源最为丰富的地区，崇礼地区的电能来自风力发电，而风能属于可再生的清洁能源，所以当地政府鼓励采用电供暖形式。为贯彻绿色办奥的理念，同时提高可再生能源的就地消纳水平，冬奥村项目最终确定采用电供暖形式。

　　地面辐射供暖作为一种舒适的供暖方式，在国内得到了广泛应用。地面辐射供暖根据发热体的不同，可分为低温热水地面辐射供暖与发热电缆地面辐射供暖。结合冬奥村项目，汇总分析两者的特点及优缺点，见表2。

　　表2 低温热水地面辐射供暖与发热电缆地面辐射供暖对比分析

　　 

　　 

	低温热水地面辐射供暖	发热电缆地面辐射供暖
特点	1) 热源采用电热水锅炉；2) 加热部件采用热水盘管，敷设于建筑构造层内	1) 热源采用供暖专用变压器，负荷等级为二级；2) 加热部件采用发热电缆，敷设于建筑构造层内
优点	可集中设置电热水锅炉房，同时可以根据峰谷电价差设置蓄热设备	1) 控制灵活，每个房间可独立控制；2) 系统内无水运行，无跑冒滴漏问题，无冻结危险，安全性高；3) 无需集中锅炉房，提高建筑可利用面积；4) 直接将电缆埋设在垫层内，电缆发热量直接传入室内，降低输送能耗；5) 发热电缆线较细，垫层厚度小，有利于增加室内净高
缺点	1) 热源必须持续运行，部分负荷效率低；2) 热水供暖系统需要水泵进行热量输送，增加输送能耗；3) 系统内有水运行，严寒和寒冷地区有冻结危险；4) 需设置集中锅炉房或换热站，占用建筑面积大	无法设置蓄热设备，不能利用峰谷电价差

　　 

　　 

　　 

　　由表2可见，发热电缆地面辐射供暖系统具有系统简单、控制灵活、垫层厚度小、运行安全、稳定等优点。综合分析，冬奥村项目最终确定采用发热电缆地面辐射供暖系统。

　　4 系统设计

　　4.1 室内设计参数确定

　　人体的舒适度受地面辐射影响很大，当地面辐射供暖为房间主要供暖方式时，室内计算温度的取值可比以对流为主的供暖系统降低2 ℃^[3]。为兼顾节能与舒适，同时考虑运动员的习惯，冬奥村的室内设计温度确定为18 ℃。

　　4.2 热负荷计算

　　采用辐射供暖系统的房间热负荷应按下式计算：

　　Q=αQj+qhM         (1)Q=αQj+qhΜ         (1)

　　式中 Q为房间热负荷，W;α为间歇供暖的修正系数；Q_j为房间基本热负荷，W;q_h为房间单位面积平均户间传热量，W/m²;M为房间使用面积，m²。

　　采用发热电缆地面辐射供暖系统的热负荷计算方法与低温热水地面辐射供暖一致，在此不再赘述，但也有其特殊性，主要区别在于间歇供暖附加及户间传热负荷部分。

　　根据现行规范要求，目前住宅供暖系统均设置有分户热计量措施。考虑到人为自主节能调节因素，无人时会调低室温，产生间歇供暖。发热电缆地面辐射供暖系统因调节或关闭比较方便，更易产生长时间停暖的可能，在热负荷计算时，应考虑间歇供暖附加值，对于混凝土填充式发热电缆供暖系统，JGJ 142—2012《辐射供冷供暖技术规程》推荐的间歇供暖附加值为1.3。同样，因上述问题的存在，由室温差异而形成户间传热负荷的概率就会更高。因此，热负荷计算时需合理计入间歇供暖附加及户间传热负荷。

　　冬奥村在赛时入住率高，供暖系统正常运行后出现间歇供暖及户间传热的可能性不大，但考虑到张家口冬奥村赛后将作为滑雪公寓出租或出售，本着规划设计需兼顾赛时及赛后利用的原则，因此该项目在计算房间热负荷时，间歇供暖附加及户间传热负荷仍按赛后功能计算。但崇礼地区情况特殊，冬季室外气温非常低，室内需考虑防冻等要求，电供暖完全关闭的可能性不大，因此设计时只考虑无人情况下降低室温的可能，间歇供暖修正系数可适当降低，按1.1考虑。

　　以A组团C-04户型南侧次卧为例，该卧室使用面积为16.7 m²,设计温度为18 ℃,房间基本热负荷为983 W,间歇供暖的修正系数取值为1.1,户间传热量按7 W/m²取值，根据式(1)计算得该卧室的房间热负荷Q=1 198.2 W。

　　4.3 发热电缆长度及间距确定

　　同低温热水地面辐射供暖一致，发热电缆的总供热功率应包括房间地面向上的散热量和向下层或向土壤的散热量之和。在计算发热电缆长度时，应按总供热功率来计算。发热电缆长度和布线间距分别按式(2)、(3)计算。

　　L≥(1+δ)β QPx         (2)S≈1000FrL         (3)L≥(1+δ)β QΡx         (2)S≈1000FrL         (3)

　　式(2)、(3)中 L为发热电缆长度，m; δ为向下热损失占加热电缆供热功率的比例；β为考虑家具等遮挡的安全系数；P_x为发热电缆额定电阻时的线功率，W/m, 应根据发热电缆产品规格选取；S为发热电缆布线间距，mm; F_r为房间可敷设发热电缆的地面面积，m²。

　　冬奥村项目敷设电供暖的区域均采用聚苯乙烯泡沫塑料板保温，地面向下热损失占发热电缆总供热功率的比例按表3选取。

　　表3 冬奥村发热电缆供暖地面向下热损失占发热电缆总供热功率的比例 

　　 

　　 

	卧室、客厅、厨房	卫生间	门厅、电梯候梯厅
地面做法	木地板	地砖	石材
比例	0.23	0.16	0.16

　　 

　　 

　　 

　　仍以A组团C-04户型南侧次卧为例，该卧室设计温度为18 ℃时房间热负荷Q为1 198.2 W,地面做法为木地板，家具均考虑带腿的家具，不考虑遮挡。房间可敷设发热电缆的地面面积为16.7 m²,发热电缆的线功率按17 W/m计算，根据式(2)、(3)计算得电缆长度L≥86.7 m, 敷设间距S≈192 mm, 实际敷设电缆长度为91 m, 间距为150 mm。

　　发热电缆敷设的极限最小间距可做到50 mm, 但须控制发热电缆的线功率不能超过17 W/m, 以确保电缆的外护套管表面温度不能超过60 ℃,保证电缆寿命。通常发热电缆敷设的最小间距应控制为100 mm, 以避免垫层回填施工时导致相邻2根电缆接触。如已按发热电缆最大的线功率计算，但仍小于发热电缆敷设的最小间距要求时，则应考虑设置其他供暖设备或系统进行补充。

　　4.4 发热电缆布置

　　发热电缆根据发热体材质的不同分为碳纤维发热电缆和铜镍合金或镍铬合金金属发热电缆，两者各有优缺点。碳纤维发热电缆具有升温迅速、电热转换率高、无电磁辐射、破损不导电及使用寿命长等特点，被广泛采用。张家口赛区冬奥村采用的便是混凝土填充式碳纤维发热电缆辐射供暖形式。碳纤维发热性能与电缆长度和电缆束数有关，一般碳纤维使用的电缆束数有12 000束和24 000束，在特定的长度下才能产生制热效果。目前供暖领域的碳纤维主要有9.6、12.5、17.7 m 3种规格。因此碳纤维发热电缆的布置方式与国标图集12K404《地面辐射供暖系统施工安装》推荐的安装方式稍有不同。图2为T型接头碳纤维电缆平行布置安装示意图。

　　

　　图2 T型接头碳纤维电缆平行布置安装示意图   

　　 

　　因为供热水管温度衰减问题，热水系统设计时尽量将温度高的供水管优先敷设至负荷较大的区域，但发热电缆各段的线功率基本恒定，没有温度衰减问题，因此布置更加灵活，设计更方便。同低温热水地面辐射供暖一样，为避免出现局部过热问题，在固定家具下不应布置发热电缆。但对于移动的家具，因不能明确其在实际使用时的具体摆放位置，建议靠内墙布置的发热电缆距墙边尽量保证有200～300 mm距离，或是在设计文件中提醒用户尽量选择带腿的家具，增加发热量的同时可避免局部过热。

　　因此设计时应综合考虑房间负荷、单根碳纤维的电缆长度限制、安装方式及布置要求，结合房间的具体形状来布置发热电缆。图3为冬奥村A组团C-04户型碳纤维发热电缆布置图。

　　

　　图3 A组团C-04户型碳纤维发热电缆布置图   

　　 

　　4.5 温控系统设计

　　发热电缆地面辐射供暖系统电缆布置方便、控制容易，有条件实现按房间单独设置供暖回路和温控系统。因此从节能和提高舒适度角度考虑，不同的房间单独设置加热电缆回路，为分室调控提供条件。但卫生间等潮湿房间设置发热电缆地面辐射供暖时，应单独设置回路。

　　发热电缆地面辐射供暖系统的温控器分为室温型、地温型及室温地温双控型3种类型。因为发热电缆地面辐射供暖仍属于舒适性供暖，不要求高精确度的室温控制，因此3种温控方式均采用简单的通断控制模式。

　　室温型控制器仅能控制室内温度，不能控制地面温度，适用于全面辐射供暖不限制地表面温度的场合，故温控器应设置在能够正确反映室内温度的位置。

　　当需要限制地表面温度且发热电缆地面辐射供暖系统不作为主要供暖系统，仅承担部分供暖需求或空间很大，室温型控制器不能准确反映室内温度时，可采用地温型控制器。当潮湿房间(如卫生间、淋浴间、游泳馆)设置发热电缆地面辐射供暖系统时，如温控器的防护等级达不到规范要求，也应采用地温型控制器。地温型控制器的外置型地温传感器埋设在房间供暖地面中，控制器设在潮湿房间外的墙面上。

　　室温地温双控型温控器可以同时感应室内温度及地表面温度，经过对比运算输出控制信号，特别适用于需要同时控制室温和限制地表面温度的场合。为了便于调节，同时满足不同人群对于地表面温度的不同需求，冬奥村项目温控器均采用了室温地温双控型。温控器安装及预埋图分别见图4、5。

　　

　　图4 温控器安装图   

　　 

　　

　　图5 温控器预埋图   

　　 

　　需要注意的是，因发热电缆依靠温控器供电，因此无论采用何种温控器形式，温控器所负担的发热电缆的电流值均不能超过温控器的额定电流值，一般温控器的最大负载电流为16 A,单个温控器负担的发热电缆最大功率不超过3 500 W。

　　4.6 卫生间供暖系统设计

　　以A组团C-04户型卫生间为例，该卫生间使用面积为5.5 m²,设计温度为18 ℃,房间基本热负荷为101 W,间歇供暖的修正系数取值为1.1,户间传热量按7 W/m²取值，根据式(1)计算得该卫生间的房间热负荷Q=149.6 W。

　　地面铺设地砖，可敷设发热电缆的地面面积为1.5 m²,发热电缆的线功率按17 W/m计算，根据式(2)、(3)计算得电缆长度L≥8.8 m, 电缆布线间距S≈171 mm, 实际卫生间内敷设电缆长度9.6 m, 间距170 mm。卫生间洗浴时设计温度为25 ℃,从节能角度考虑，另设置电暖风机进行洗浴时供暖。

　　5 发热电缆辐射供暖设计需注意的问题

　　5.1 电气设计需注意的问题

　　1) 应用电供暖的项目基本都是当地有峰谷电价政策或是有风电、光电等利用可再生能源发电并且电力供应比较充足的地区，这些地区对冬季供暖用电大多会有优惠政策，因此在设计前需与当地供电局充分沟通，了解当地政策，必要时将电供暖系统回路单独设置和计费或是单独设置变压器供电，以便能够利用优惠政策。

　　2) 集中热水供暖系统项目，电气专业只需按额定功率为用电设备配电，供热负荷的调节依据热源自身控制系统完成，因此供暖负荷变化时对电网冲击相对比较小。但电供暖的能源为电，因此在项目的设计过程中，需要考虑变配电系统的稳定性及可靠性^[4],同时发热电缆地面辐射供暖系统的控制为通断调节，因此需要电气设计人员与暖通设计人员密切配合，了解供暖负荷峰值及变化情况、温控调节方式、同时使用系数、调试及试运行策略等，便于电气专业选择合理的开关、电力电缆、变压器等设备，做到安全可靠、经济合理，保证供电质量，减少运行过程中的电能损失。

　　3) 发热电缆地面辐射供暖系统一般采用AC 220V供电，但当进户回路负荷超过12 kW时，建议采用AC220V/380V三相五线供电方式，系统设计时应使各相负荷平衡^[5]。

　　5.2 发热电缆线缆功率计算及施工时需注意的问题

　　对于热水供暖系统而言，当热负荷增大时可提高供水温度或增大系统水流量来应对，但发热电缆线缆长度确定后，最大供热能力也已确定，因此发热电缆地面辐射供暖系统的设计发热功率应大于计算功率，适当留有富余。施工时应严格按照图纸设计功率要求，施工单位不能私自增大安装功率，避免电缆、开关、变压器等过载运行。如需调整安装功率，施工单位必须联系设计院暖通及电气专业，进行同步调整。

　　5.3 发热电缆地面辐射供暖系统对于地面覆盖层的要求

　　采用发热电缆地面辐射供暖时，面层上如铺设热阻过大的材料(如厚地毯),为达到室内温度要求，需要发热电缆大功率运行，但热量却很难散入室内，造成地面温度过高，降低发热电缆寿命，产生安全隐患。因此，发热电缆地面辐射供暖不适合在铺设地毯的房间使用。在进行发热电缆地面辐射供暖系统设计时，需对建筑或装修专业提出要求，在地面不得铺设地毯，并在设计文件中相应提出要求，告知用户。

　　5.4 防止发热电缆与保温层直接接触的原因及措施

　　发热电缆表面温度高，如发热电缆直接接触绝热层，当施工时误踩踏导致电缆嵌入绝热层后，则会引起电缆局部过热，降低电缆寿命。发热电缆线较细，为强化传热，也要求发热电缆不能与绝热层直接接触。通过将电缆敷设在填充层内，填充材料对发热电缆实现了最大面积的接触，有利于电缆向四周散热，保证供暖效果。为了保证发热电缆与保温层不直接接触，可采用如下措施：

　　1) 应在电缆下设置钢丝网，填充层施工时，将钢丝网垫起、使用波纹钢丝网或将钢丝网连同发热电缆抬起，使填充材料漏至电缆与保温层之间，起到分隔作用。

　　2) 在铺设钢丝网前及安装发热电缆后，填充层采用分层施工方法。

　　通过采取以上措施，均可达到分隔发热电缆与保温层的目的，从而加强电缆向四周传热，保证地面温度均匀，延长电缆的使用寿命，杜绝安全隐患。

　　6 结语

　　发热电缆地面辐射供暖系统直接将电转化为热，有其特殊性，充分了解其工作原理、工作特性、产品特点、设计计算方法、施工注意事项等尤为重要。项目设计时也需要暖通专业和电气专业密切配合，在保证供暖效果的同时，兼顾其稳定性、安全性。

　　发热电缆地面辐射供暖系统具有布置灵活、响应时间短、便于分室控制与热计量、热舒适好、节能环保等特点，在可再生能源发电且电力充足的地区，又可以优化能源利用，是一种良好的供暖方式。