淺談低壓電氣系統節能技術的發展及趨勢

張 釗 / 汪其銳(山東省建筑設計研究院， 山東 濟南 250001)

1 低壓電氣系統節能技術發展歷史

從20世紀70年代開始，面對突如其來的能源危機，建筑電氣節能技術在各國逐漸引起重視。1974年，第一部建筑電氣節能相關技術標準(采暖空調等方面)由法國率先制定和頒布，這一標準一度被歐洲各國所采用。1979年，美國能源信息機構(EIA)成立，主要負責統計美國建筑物電氣能源消耗和支出數據，并每5年進行一次全面修訂。1979年，日本頒布了樓宇住宅建筑保溫隔熱基本標準，并對所用的各種保溫材料參數規定了最小限度標準。目前，發達國家已逐步建立起完善的節能技術機構，并制定了較為成熟的低壓電氣節能標準和規范[1]。

我國建筑電氣節能技術起步較發達國家晚，于1986年頒布了《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》，節能率要求達到30%，是我國第一部建筑節能法規。之后又頒布了《全國民用建筑工程設計技術措施-建筑節能專篇》，其中電氣專業協調各個專業起到了關鍵作用。2007年，中國建筑電氣節能專業委員會在清華大學建筑節能中心成立，標志著我國建筑低壓電氣節能技術邁出了實質性的一步。

目前，我國工業化和城鄉建筑發展迅猛，其建筑規模與速度前所未有，建筑能耗總量呈直線上升趨勢，而低壓電氣能耗占能耗總量的30%左右，因此設計人員有必要采取相應措施達到低壓電氣節能的目的。

2 低壓電氣系統節能技術現狀

低壓電氣節能技術發展到今天，已經相當完善，本文將從變配電室的選址、變壓器的選型、供配電纜的設計以及電動機和照明光源的選擇來對現有的電氣節能技術進行闡述。

2.1 變配電室節能

在實際項目設計中，變配電所的選取應盡可能處在負荷中心，來減少電能在線路上的損耗，電源供電半徑應在250m以內。在高層建筑中，配電室應盡量靠近電井，對于比較大的建筑主體，應設置兩個甚至更多電井。對于低壓配電級數不宜超過3級。

2.2 變壓器節能

變壓器是供配電系統的核心設備，據統計，其損耗可達到整個電氣損耗的10%左右。損耗來源主要包括有功損耗和無功損耗。有功損耗主要是鐵耗Pfe和銅耗 。

其中：Kn，Ke為磁滯系數，取決于變壓器鐵心材料；f為電源頻率，Bm為最大磁通密度，Kf為波形系數，t為硅鋼片厚度；

其中：I為變壓器線圈電流，R為變壓器線圈電阻[2]。

因此，我們選擇變壓器時應盡量選擇新型材料的節能型變壓器，現在推廣的 S10、S11等高效系列，鐵損比普通變壓器降低15%，而非晶合金變壓器鐵損比S10、S11系列降低1/3；提高變壓器二次側功率因數，從而減少負荷電流，減小變壓器銅損。

另外，變壓器能量轉換效率與變壓器負載率之間不是完全成正比例關系，其高效能量轉換效率是在變壓器處于50%～60%的負載下獲得，所以在確定變壓器容量時，應該從技術性、節能性、高效性等方面，合理進行變壓器選型設計，以防出現容量選擇過大或者過小的現象，因為這樣不僅達不到變壓器的運行要求，而且還增加了自身損耗，造成資源浪費。

表1 電壓與損耗對應關系

2.3 供配電纜節能

由于傳輸導線上存在電阻，所以電能在傳輸過程中會不可避免地產生有功功率損耗。降低線路損耗的途徑主要有：選用電阻率較小的材質電纜，如新型耐熱鋁合金線纜；增大導線截面；鋪設供電線路時盡量走直線，使線路最短，避免迂回供電。如表1所示，對電網進行升級改造，將原有線路升壓，能大幅降低可變損耗。

2.4 動力節能

在現代建筑中，電動機不可或缺，其損耗主要包括有功功率損耗和無功功率損耗，因此，提高其功率因數及工作效率是目前應對電動機節能的主要措施。

電動機無功功率主要是在系統中建立旋轉磁場，異步電動機由于其工作原理，其轉速始終小于同步轉速，因此無功損耗較大；而同步電機轉速基本接近同步轉速，無功損耗較小。因此，選擇電動機時，可以盡量選用功率因數較高的同步電機，以節省電能損耗。

磁性材料采用高品質、低損耗的高效異步電機(Y、YZ、YZR等系列)，相對于普通異步電機，其功率因數可提高8%左右，總損耗減少20%～30%，因此，在使用異步電動機時，盡量選擇高效電機。目前，在工控領域，變頻器使用廣泛，它采用V/F控制策略，調節電機電源頻率從而間接改變異步電機轉速。變頻器內部包含存儲器，可以存儲簡單程序，按照設定好的程序，變頻器會每隔一段時間自動檢測電機負載變化，而后根據負載變化情況調用存儲器內部程序，從而調節電機轉速，提高異步電機在空載時的效率，節約了電能，因此在設計時盡可能采用交流變頻調速技術[3]。

此外，我們還可以通過無功補償來提高電機的功率因數。對于容量較大且傳輸距離較遠的電機(風機、水泵、傳送帶等)，采取就地補償措施，其他可采取集中補償措施。

2.5 照明節能

合理選擇節能燈具是建筑電氣節能的重要措施，高效白熾燈光通量15lm/W，普通熒光燈T12的光通量為55lm/W，而三基色T8、T5熒光燈光通量為93lm/W，LED為70～150 lm/W。因此，在選擇照明燈具時，盡可能選擇三基色T8、T5熒光管或LED燈。

對于燈具的控制，在建筑內部走廊，樓梯等處，可采用具有聲光控制功能的燈具；對于大的建筑主體(廣場、廠房等)可采用集中控制措施，如果有條件的話，還可以采用計算機智能控制，不僅可以達到節能的目的，還能制造出難以想象的燈光效果。

3 低壓電氣系統節能技術發展趨勢

3.1 智能建筑系統

智能建筑可以采用現代計算機、信息通信和自動控制技術，全面地對建筑物中的各類設備進行監控和控制，在滿足建筑功能的前提下，進行最大限度的節能。跟據工程實際經驗可知，通過高效的節能設備和先進的自動化控制系統的實施，智能建筑能耗比普通建筑能耗降低30%～50%[4]。

例如供配電系統，智能建筑系統可檢測到設備電壓、電流、有功功率、功率因數以及設備是否運行良好，而后，這些數據會被導入計算機程序，計算機會根據當前外部因素(如負載變化，天氣情況等)，在后臺自動實時調節各個設備，以達到最優節能狀態。

智能建筑系統會根據當時的環境以最優的控制方式對照明進行控制，不僅節約了大量電能，還延長了燈具使用壽命，節省了運行費用，同時，不同的控制方式還能增強建筑的視覺美觀效果。

3.2 太陽能光伏技術

近幾年，隨著光伏逆變技術的發展，住戶安裝太陽能電池板到建筑物屋頂，終端通過控制器、逆變器連接到公共電網，消費者與電網互聯，形成家庭光伏系統已經成為可能[5]。這種具有并網功能的太陽能光伏混合動力系統既可以給電網供電，也可以使用電網供電，這樣不僅保證了能源的有效利用，減少了無用損耗，而且在關鍵時刻還具有電力調峰的作用。目前，太陽能熱水器已經在建筑行業里廣泛采用，節能效果明顯。濟南市規定自2014年起，100m以下新建高層住宅強制推廣使用太陽能。相信，在不久的將來太陽能光伏技術會更加完善。此外新能源還有風力發電、地熱和核能等，還處于不成熟階段。

4 結束語

我國雖然是一個資源大國，但同時也是一個能耗大國，人均資源占有率只有世界平均水平的一半，節能減排尤為重要。因此，電氣設計人員在設計低壓電氣系統時，應盡量考慮上述幾種節能措施，盡最大努力為國家電氣節能貢獻自己的力量。

[1]廖述龍.高層樓宇建筑電氣節能技術研究[D].上海: 上海交通大學, 2012.

[2]于澤勇.建筑電氣節能問題研究[D].濟南: 山東大學, 2009.

[3]李蔚.電氣節能技術在工程設計中的應用[J].建筑電氣,2009,28(19):66-70.

[4]林毅宏.智能樓宇建筑電氣節能現狀及節能設計研究[J].自動化與儀器儀表,2011,28:135-136.

[5]牛美英, 渠基磊, 李明.電氣節能措施與電力新能源的開發問題探討[J].價值工程, 2013,24:75-76.