夏熱冬暖地區(qū)住宅電力負荷的發(fā)展及計算

【摘 要】 根據(jù)夏熱冬暖地區(qū)居民的生活方式，論述住宅負荷發(fā)展趨勢和取值，并對住宅負荷計算中常用的需要系數(shù)法和配置系數(shù)法的計算結果進行對比分析。

【關鍵詞】 住宅負荷 負荷計算 需要系數(shù) 配置系數(shù) 夏熱冬暖

0引 言

根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標準》GB50178-93，全國劃分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等5個氣候區(qū)[1]，每個氣候區(qū)具有不同的氣候特征，直接影響到該氣候區(qū)居民的工作和生活方式，從而對電力負荷的需求也有所不同。本文通過對夏熱冬暖地區(qū)居民的生活情況分析住宅負荷取值指標，并比較分析常用的兩種負荷計算方法。

1 夏熱冬暖地區(qū)住宅負荷發(fā)展趨勢和取值

1.1夏熱冬暖地區(qū)氣候特征

夏熱冬暖地區(qū)大部分處于北回歸線以南或北回歸線附近，包括海南省、廣東和廣西大部分地區(qū)、福建省南部、云南省南部以及港澳臺地區(qū)。夏季濕熱漫長，冬季較溫暖但時間短；太陽輻射強度大，雨水豐富。

1.2夏熱冬暖地區(qū)住宅電力負荷發(fā)展趨勢分析

住宅內人的生活習慣特點，對各類用電負荷的比重影響很大，隨著人民生活水平的日益提高，各類家用電器越來越普及，導致住宅用電負荷不斷提高，這是目前住宅負荷的一個發(fā)展趨勢。

而人的生活習慣，總是受到氣候特點的影響。夏熱冬暖地區(qū)夏季炎熱漫長、冬季溫暖短暫，且空氣濕度大等特征，使得住宅夏季負荷中的空調負荷比重較大；冬季對取暖的需求不大，但由于濕度大，有干衣設備的用電需求。另外，夏季氣溫炎熱，雖然人們洗浴用水量增大，但對熱水的需求卻不太高，甚至有部分人洗冷水。而冬季時制取熱水的初始水溫相對北方較高，所以能耗也相對較小。

同時由于綠色建筑和節(jié)能技術的發(fā)展，一方面空調設備的能效越來越高，而且建筑圍護結構技術的發(fā)展使得建筑隔熱性能得到不斷改善，有效降低了空調系統(tǒng)的熱損失，進而降低空調能耗。另一方面，可再生能源技術的應用，特別是利用太陽能、地源熱泵、水源熱泵等系統(tǒng)為住宅小區(qū)提供生活熱水技術的成熟化、精細化，住戶依賴自家設置的電熱水器、燃氣熱水器來獲得生活熱水的情況將會越來越少。從而也減少了住宅對電能的消耗。

因此，綜合人民生活水平的提高，以及綠色建筑和節(jié)能技術的發(fā)展來看，住宅電力負荷的發(fā)展趨勢，應該是用電負荷將繼續(xù)增長，但增長的幅度不斷減小，最終趨于平緩。

1.3夏熱冬暖地區(qū)住宅電力負荷構分析

住宅電力負荷的構成，分為穩(wěn)定持續(xù)的負荷和短暫性的負荷。

穩(wěn)定持續(xù)的負荷主要包含照明、空調、冰箱以及電視機、電腦、蓄熱型電熱水器等生活中工作持續(xù)時間長、輸出功率較穩(wěn)定的設備負荷。短暫負荷大量集中在廚房和衛(wèi)生間設備的負荷，如果微波爐、電磁爐、消毒柜、榨汁機、電烤箱、電壓力鍋、即熱型電熱水器、電吹風、洗衣機、干衣機等工作時間短暫的設備。

1.4夏熱冬暖地區(qū)住宅電力負荷的分析

1.4.1照明負荷

隨著照明光源和燈具的改進，尤其是國家對節(jié)能燈的推廣、對白熾燈的限制和LED照明的發(fā)展，無論是精裝修交房的住宅還是業(yè)主自行裝修的住宅，其照明負荷在達到同等的照明效果的情況下，將會逐漸降低。

因為裝修方案多種多樣，不能做到一一統(tǒng)計，我們可按照《建筑照明設計標準》GB50034-2004中對住宅照明提出的功率密度要求作為依據(jù)。其中對住宅主要的功能用房的功率密度都提出了要求，現(xiàn)行值為7W/m2 [2]。

1.4.2空調負荷

住宅空調運行狀況通常都不是全部開啟，而是在有人活動的房間才開啟，人離開后從節(jié)約電費角度考慮，大多會主動關閉空調。而一個有人活動的房間內的空調，也不是持續(xù)在同一個工況下運行。一般設定好溫度后，空調開啟時會滿載運行，直到室溫降低至設定溫度后，空調機就會調整到以維持室溫為目的的工況（比如間歇運轉、變頻調速運轉等）。此時空調負荷的功率將不再是空調機的額定功率，而是取決于住宅室內熱能的傳遞情況，這就跟住宅圍護結構的性能以及換氣次數(shù)有關。

以夏熱冬暖地區(qū)某個綠色建筑二星級的住宅項目為例，外墻傳熱系數(shù)為1.37 W/（㎡·K），平均窗墻面積比為0.21，外窗傳熱系數(shù)為6.4。按夏季室外氣溫36℃、室內氣溫26℃計算得出平均單位建筑面積的熱損失約為26.1W/m2。再考慮換氣次數(shù)、建筑內人體、用電設備等的發(fā)熱對空調能耗的影響，可以按30W/m2做為住宅空調單位面積功率指標。

1.4.3單戶住宅用電負荷的分析

以目前最常見的130m2三室二廳的戶型為例進行分析。戶內實際面積為102m2，一般家庭為三口之家。由于沒有冬季采暖需求，所以一般情況下最高的負荷出現(xiàn)在夏季。對電力負荷計算有意義的穩(wěn)定負荷一般出現(xiàn)在21點～23點之間，最高負荷一般出現(xiàn)在18點～20點之間。各時段的負荷分析如下：

照明負荷：在18點～20點之間，家庭主要活動區(qū)域為客廳、餐廳、書房、廚房、衛(wèi)生間，其總面積為55.6m2，照明負荷為0.39kW；在21點～23點之間，家庭主要活動區(qū)域為客廳、書房、衛(wèi)生間、臥室，其總面積為50.4m2，則照明負荷為0.35kW。

空調負荷：在18點～20點之間，家庭主要活動區(qū)域為客廳、餐廳、書房、廚房、衛(wèi)生間，其總面積為58.8m2，空調負荷為1.76kW；在21點～23點之間，家庭主要活動區(qū)域為客廳、書房、衛(wèi)生間、臥室，其總面積為53.6m2，則空調負荷為1.61kW。

其他用電設備負荷：在18點～20點之間，家庭主要其他用電設備有電視機（0.18kW）、電腦（0.3kW）、電壓力鍋（0.9kW）、電磁爐（2.1kW）、油煙機（0.18kW）、電冰箱（0.12kW）等，共3.8kW。在21點～23點之間，家庭主要其他用電設備有電視機（0.18kW）、電腦（0.3kW）、洗衣機（0.2kW）等、消毒柜（0.52kW）、電冰箱（0.12kW），共1.32kW。

通過以上統(tǒng)計，在18點～20點之間總電力負荷為5.95kW，在21點～23點之間總電力負荷為3.28kW。

以上計算沒有計算生活熱水采用電熱水器，是考慮將來發(fā)展采用燃氣熱水器（天然氣價格比電價格有優(yōu)勢，尤其是實行階梯電價的地區(qū)）或者太陽能及其他可再生能源供生活熱水的情況（建筑節(jié)能發(fā)展趨勢）。如若考慮儲水型熱水器，則在21點～23點之間總電力負荷為4.78kW，如若考慮即熱式熱水器，則在21點～23點之間總電力負荷為6.78kW。

夏熱冬暖地區(qū)住宅電力負荷的量化指標

考慮到將來生活水平的提高，新的家用電器的普及（如電烤箱、空氣凈化器、洗碗機等）對住宅電力負荷需求的增加，像上例戶型的住宅在設計時可考慮按8kW計算，按戶型總建筑面積計算約60W/m2，即可按60W/m2的指標來計算住宅的電力負荷。值得說明的是，一天內住宅負荷能達到8kW的時間非常短，只有在在18點～20點之間，廚房設備大量使用的情況下才有可能達到8kW。

2 住宅負荷計算

本文所說的住宅負荷計算，是指通過負荷側的功率統(tǒng)計，選用適合容量的變壓器的計算方法。

目前住宅負荷計算方法主要兩種：需要系數(shù)法和配置系數(shù)法。

2.1需要系數(shù)法：

需要系數(shù)法是用設備功率乘以需要系數(shù)和同時系數(shù)，直接求出計算負荷[3]。其計算公式為：

應用實例：某住宅樓兩梯4戶，33層（首層架空），共128戶。其中6kW戶型64戶，8kW戶型64戶，計算適合容量的變壓器：

根據(jù)計算結果，可選擇額定容量為500kVA的變壓器作為該住宅樓的配電變壓器（計算結果僅為一戶一表用的公共變壓器）。

2.2配置系數(shù)法

配置系數(shù)（ KP ）—配電變壓器的容量（kVA）或低壓配電線路饋送容量（kW）與居住區(qū)用電負荷（kW）之比值[5]。

把配置系數(shù)看做是需要系數(shù)、同時系數(shù)、功率因數(shù)、變壓器負荷率的綜合系數(shù)。其計算公式為：

配置系數(shù)法在供電部門和電網(wǎng)公司應用得較為廣泛，其優(yōu)點是快捷簡便。而配置系數(shù)則是根據(jù)電網(wǎng)長期運行積累下來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)匯編應用實例：以需要系數(shù)法的案例，采用配置系數(shù)法進行配變變壓器的選型：

根據(jù)計算結果，可選擇額定容量為500kVA的變壓器作為該住宅樓的配電變壓器（計算結果僅為一戶一表用的公共變壓器）。

2.3需要系數(shù)法與配置系數(shù)法的比較

既然兩種計算方法來自不同的行業(yè)部門（建筑和電力），那是否計算結果出現(xiàn)偏差，導致由建筑設計院設計出來的施工圖紙在向電網(wǎng)公司申請變壓器報裝時造成爭議？對于這個疑慮，可以通過一系列的計算對比來分析兩種計算方法的偏差有多大。

因為計算目的是對比需要系數(shù)法和配置系數(shù)法計算結果的偏差，所以兩種方法的基本條件均選用相同的數(shù)據(jù)。設定每戶均為6kW，需要系數(shù)法中變壓器負荷率按75%，補償后cosφ=0.9計算。套用需要系數(shù)法和配置系數(shù)法公式，推算1戶～409戶住宅需要配置的變壓器容量，得出以下圖表：

圖2.3.1 兩種系數(shù)法中變壓器容量與戶數(shù)關系

從圖表上可以看出，雖然需要系數(shù)法和配置系數(shù)法計算的結果有一些少許的偏差，但總體上是基本吻合的，少許的偏差是因為需要系數(shù)法對75～300戶的取值沒有做到細分，均按0.4取，而配置系數(shù)法在這個區(qū)間還分有3個值。

因此，無論采用需要系數(shù)法還是配置系數(shù)法計算配變變壓器，所得的結果應該是接近的。需要注意的是在采用需要系數(shù)法的時候，變壓器的負荷率應該盡量在75%～80%之間，才有利于變壓器工作在高效狀態(tài)。

3 結語

單戶住宅的用電負荷由于人民生活水平的提高，各類家電的普及而有所增長，但因為綠色建筑和建筑節(jié)能技術的發(fā)展，以及階梯電價等節(jié)能管理措施的推行，單戶住宅用電負荷增長的趨勢將會逐步變緩。以現(xiàn)有生活水平和將來一段時間內的發(fā)展情況預計，住宅用電負荷指標可以按60W/m2進行計算。

而配變變壓器的容量計算，目前常用的方法主要是需要系數(shù)法和配置系數(shù)法，分別來自建筑、電力兩個行業(yè)。兩者的計算結果之間總體上是基本吻合的，但兩者所采用的系數(shù)取值，是否完全與現(xiàn)今乃至將來的實際的運行狀況吻合，取值的戶數(shù)區(qū)間是否能再分得更加細致一些，還需對住宅負荷的能耗狀況做深入細致的調查研究，以推斷今后的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1] 中國建筑科學研究院，主編. GB50178-93 建筑氣候區(qū)劃標準[S]. 中國計劃出版社，1994.

[2] 中國建筑科學研究院，主編. GB50034-2004 建筑照明設計標準[S]. 中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院，中國航天建筑設計研究院，核工業(yè)第二研究設計院. 工業(yè)與民用配電設計手冊 第三版[M]. 中國電力出版社，2005.

[4] 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(jié)能專篇（2007） 電氣[M]. 中國計劃出版社，2007.

[5]廣西電網(wǎng)公司，廣西建筑科學研究設計院. DBJ/45-004-2012 居住區(qū)供配電設施建設規(guī)范[S]. 中國標準出版社.