淺談超高層建筑電氣節能設計

林鮮花

0 引言

目前人類正面臨傳統化石能源日益枯竭，環境污染日趨嚴重的嚴峻形勢。這迫使人們將目光投向節能減排、新型替代能源的開發，尋求可持續發展道路，我國是一個人口大國，也是一個能源消耗大國，這就決定了我國能源危機形勢更為嚴峻，可持續發展的能源戰略任務更為艱巨。據統計，我國建筑用能(主要包括空調、電梯、通風、照明等)折合為電力，總計約為5 500億度/年，占全國社會終端電力消耗的27%～29%，已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”，而我國的發電廠是以火力發電為主，這就造成了傳統化石能源的大量消耗，增大了二氧化碳的排放量，因此，建筑節能是我國節能減排舉措的重要一環，而超高層建筑是比較典型的耗能大戶，且隨著經濟的發展不斷涌現，其建成后往往成為一個地區的地標性建筑，因此超高層建筑的電氣節能設計就顯得至關重要，本文結合和平國際大酒店工程實例，淺談超高層建筑電氣節能設計的理論基礎及具體應用。

1 工程概況

和平國際大酒店位于江西省南昌市，為集商業、休閑、辦公、酒店式公寓為一體的綜合性超高層公共建筑，建筑面積110 792.55 m2，建筑總高度199.85 m，地下2層，地上56層，其中地下室平時為車庫及設備用房，戰時為核6、常6、二等人員掩蔽體，地上1層～5層為裙房，主要功能為商鋪、酒店餐飲及娛樂配套，6層為設備轉換層，7層～27層為辦公室，29層～47層為酒店標準客房，48層～55層為酒店商務套房，56層為設備及機房層，其中13層，28層，44層為避難層。

2 供配電系統節能

2.1 變壓器節能

減少變壓器的功率損耗，合理選擇變壓器的負載率，和平國際大酒店共設置4組8臺變壓器，2臺1 250 kVA，4臺1 600 kVA，2臺800 kVA，其負載率為:75%～83%，為充分考慮其節能、環保要求，設計選用10型非晶合鋼，低損耗的銅芯變壓器，其主要理論依據有以下兩點:1)有功功率損耗。變壓器有功功率損耗ΔP為空載損耗Po(即鐵損)和負載損耗Pk(即銅損)之和。ΔP=Po+Pkβ2。其中，ΔP為變壓器有功損耗，kW;Po為變壓器鐵損，kW;Pk為變壓器銅損，kW;β為變壓器負載率，%。變壓器制成后Po是固定不變的，其大小與硅鋼片的性能、鐵芯制造工藝有關，為減小Po，則應選擇優質冷軋硅鋼片疊成。Pk指變壓器銅繞組的損耗，決定于其阻值和通過的電流，為減小Pk，應選用電阻較小的銅繞阻，如銅芯變壓器。2)變壓器負載率。β=S/SN。其中，SN為變壓器額定容量，kVA;S為變壓器運行中實際容量，kVA。從理論上求極值β=50%時，變壓器每千瓦的負載損耗最小，因此，在以往設計中的變壓器的負載率β=50%取值較多，實際工程應用中變壓器只運行50%，這是不經濟的，增大了初投資和維護費用，因為考慮50%的負載率僅減小了變壓器的線損，并沒有降低鐵損，不是好的節能辦法，計及初裝費、變壓器、低壓柜、工建投資等各項運行費用，又要為變壓器在使用期內預留適當的容量，變壓器的負載率在75%～85%為宜。

2.2 提高功率因素

和平國際大酒店在配電變壓器低壓側設集中補償，補償后功率因素不低于0.9。

2.3 變電所設置

和平國際大酒店共設置三個變電所，1號，2號變電所設在地下一層，3號變電所設在28層避難層，其中1號變電所兼作高壓配電室，保證兩路10 kV電源進入高壓配電室，使10 kV電源深入負荷中心。

1號變電所內設置2臺1 250 kVA，2臺1 600 kV SCB10/10/0.4 kV環氧樹脂絕緣干式電力變壓器，供地下室、裙房及辦公樓用電;2號變電所設置在地下1層冷凍機房控制室內，內設2臺1 600 kV SCB10/10/0.4 kV環氧樹脂絕緣干式電力變壓器，專供冷凍機房用電，因為冷凍機房為大負荷用電，這樣設置使變電所靠近負荷中心和大容量設備;3號變電所內設2臺800 kV SCB10/10/0.4 kV環氧樹脂絕緣干式電力變壓器，供28層以上的酒店標準客房、酒店商務套房等用電。

這樣設置三個變電所的目的是盡量使變電所深入負荷中心，縮短低壓供配電線路的長度，減少配電線路的損耗，達到節能的目的，其理論依據主要如下:

建筑中供電線路長且多，由于電阻的存在，當電流通過時就會產生功率損耗，其計算公式是:ΔP=3×2Iφ×R×10－3，其中，ΔP為三相輸電線路的功率損耗;Iφ為相電流;R為線路電阻。線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路的電阻R=ρL/S，電阻與電阻率ρ、導線長度L成正比，與導線截面S成反比。要減少電阻損耗應從以下幾個方面考慮:

1)減小導線長度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導線長度;其次，低壓線路應不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失;第三，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電距離。2)配電線路選用電阻率ρ較小的導線，盡量采用銅芯線，不采用鋁芯線。3)增大導線截面。首先，對于比較長的線路，除滿足載流量、熱穩定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導線截面，所增加的費用為M，由于節約能耗而減少的年運行費用為m，則M/m為回收年限，若回收年限為幾個月或一兩年，則應加大一級導線截面。

3 動力節能

3.1 風機節能

和平國際大酒店風機采用變頻調速技術，按充分考慮最大需求風量，進行風機風量、功率選配，在實際運行中，當實際需求風量較小時，可通過調低轉速，使風機的軸功率減小，從而使風機運行電耗大幅度降低。

3.2 生活水泵節能

和平國際大酒店共用6臺生活泵，一區生活泵，兩用一備，7.5 kW;二區生活泵，兩用一備，15 kW;三區生活泵，兩用一備，18.5 kW，生活泵全部采用變頻技術，用單臺變頻器控制多臺水泵。

1)水泵開始工作:樓宇用水不多，1號泵電機處地變頻器電源運行，2號泵處于停止狀態1。2)用水量增加:變頻器輸出頻率上升。當1號泵電機轉速達到最高輸出頻率時，表示一臺水泵不能滿足用水需求。通過控制系統使1號泵電源從變頻轉換到工頻供電。與此同時，變頻器啟動2號泵電機狀態2。3)用水量減少時:變頻器輸出降至設定值，表示一臺泵可以滿足系統用水需求。通過控制系統使1號泵停止，而2號泵仍由變頻器供電狀態3。4)用水量再增加:變頻器輸出頻率上升至設定頻率時，采用一臺泵工作不能滿足要求，通過控制系統使2號泵電機電源從變頻器轉換到工頻供電，而變頻器啟動1號泵電源狀態4。若用水量再度減少，變頻器輸出降至設定值時，2號泵停止，1號泵電機仍由變頻器供電，又回到初始狀態1，如此循環往復而實現系統恒壓供水，同時節約了能源。

3.3 中央空調節能

據統計，目前中央空調能耗占建筑總能耗的50%左右，而在一些大城市，中央空調用電量占了城市總用電量的三成左右，因此減少中央空調能耗是實現建筑節能的重要一環。中央空調系統的工作過程，是一個不斷進行熱交換的能量轉換過程，其中，冷凍水和冷卻水循環系統是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環系統的控制，便是中央空調控制系統的重要組成部分。中央空調系統在設計時是按現場最大冷量需求量并留有一定的余量來考慮的，其冷卻泵、冷凍泵按單臺設備的最大工況設計，然而在實際使用中大部分時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態下，因此造成了能量的大大浪費。和平國際大酒店使用的冷凍水泵為三用一備，55 kW;冷卻水泵為三用一備，110 kW，均采用變頻控制系統，利用溫度傳感器采集冷凍、冷卻水的出水和回水溫度，當出水與回水間溫差較小時，適當減少電動機轉速，減少水流量;當溫差較大時，電機轉速加快，增加水流量，帶走更多的熱量，其可在滿足中央空調系統正常工作的情況下，使冷凍、冷卻水泵根據負荷的變化做出相應調節，從而達到節電目的，其節電率通常達20%以上。

4 照明節能

4.1 照度及功率密度

照明設計時，嚴格執行GB 50034-2004建筑照明設計標準所對應的照度及功率密度值等要求，且建筑物照度標準值應從節能角度考慮，按實際需求來選擇照度標準值的高低，不宜追求或攀比高照度水平。

4.2 照明光源

使用高效、節能光源，熒光燈選用T8熒光燈和三基色熒光燈，配電子鎮流器，燈具效率不低于70%。

4.3 客房節能鑰匙開關

一房一卡，利用鑰匙開關進行節能取電，真正做到客房內用電設備客人來時取電，走時斷電。

4.4 智能照明控制

和平國際大酒店在酒店大堂、餐廳、多功能廳等，辦公樓的辦公區、走廊采用分布式智能照明控制，使照明系統工作在全自動狀態，系統將按預先設定的若干基本狀態進行工作，這些狀態會按預先設定的時間互相自動切換。如酒店大堂:客人進出較多的時段，調出迎賓場景，打亮大堂的全部回路燈光，方便客人進出，客人進出較少時段，調出節能場景，調暗部分回路燈光，操作可由現場智能控制面板就地控制，也可由中央監控計算機控制;辦公樓走廊:采用自動照明控制，正常工作時間全開，非工作時間改為減光照明，節假日無人時可以只亮少量燈，各出入口處有手動控制開關，可根據需要手動控制就地燈具的開關，可采用紅外移動控制方式，人來開燈，人離開后延時關閉。

5 結語

節能降耗是國家的基本國策，在建筑工程電氣設計時應大力推廣和實施國家的節能方針，在充分滿足建筑物的功能要求的前提下，通過合理配置建筑設備，并對其進行有效、科學的控制與管理，減少能源消耗，提高能源利用率。

[1]中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇——電氣[Z］.2007.

[2]李宏毅，金 磊.建筑工程電氣節能[M］.北京:中國電力出版社，2004.

[3]沈 濤.照明節能探討[J］.山西建筑，2010，36(12):236-237.