樓宇大廈供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

徐星+朱建紅

摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，繁華商業(yè)樓不斷出現(xiàn)，所帶來的能耗問題也日漸凸顯。論文基于此，先對(duì)設(shè)備種類及能耗特性展開研究，分析相關(guān)節(jié)能新舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)有有關(guān)節(jié)能的技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，引進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)新能源技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。接著，結(jié)合工程案例，對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括負(fù)荷計(jì)算、照度計(jì)算、短路電流計(jì)算、設(shè)備選型、線纜選型等。最后，借助建筑電氣CAD分別對(duì)照明系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、高低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)布線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】樓宇大廈 供配電 風(fēng)光互補(bǔ) 節(jié)能

1 問題提出

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)建筑物的功能需求越來越高，對(duì)電能的要求也就更高，帶來的能耗也隨之增多。在全球能源危機(jī)，不可再生能源日益減少的背景下，我國提出節(jié)能環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建筑節(jié)能是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一件大事，而電氣系統(tǒng)作為建筑物最主要的能耗，加強(qiáng)對(duì)其的節(jié)能已勢(shì)在必行。

2 功能需求與總體方案

2.1 節(jié)能型樓宇大廈的供電需求

供電設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)用戶的設(shè)備容量使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于用電質(zhì)量很高的樓宇大廈，分別從城市電網(wǎng)引兩路10kV高壓電源，一用一備，采用高壓電纜埋地引入高壓配電房。同時(shí)根據(jù)用電設(shè)備的需求特性，確定負(fù)荷等級(jí)。對(duì)于特別重要的負(fù)荷采取雙電源雙回路專用電纜供電，并就地設(shè)置UPS電源供電。也可以使用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電加儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行供電，并在最末一級(jí)配電箱處設(shè)置自動(dòng)切換裝置。其他一二級(jí)負(fù)荷也采用雙電源供電。通常情況，對(duì)于照明負(fù)荷供電均采用風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)供電，當(dāng)蓄電量不能滿足用電負(fù)荷時(shí)，切換到城市電網(wǎng)供電。

2.2 節(jié)能型樓宇大廈的配電需求

高壓配電接線方式為單母，兩路電源一用一備分別對(duì)低壓配電所配電，低壓段采用單母線分段運(yùn)行，配電采用220/380V放射式與樹干式相結(jié)合的方式，對(duì)于單臺(tái)容量較大的負(fù)荷采用放射式供電，對(duì)于照明及一般負(fù)荷采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式。

2.3 節(jié)能型樓宇大廈整體供配電設(shè)計(jì)

通過對(duì)樓宇大廈供配電功能需求分析，結(jié)合用戶對(duì)用電設(shè)備的需求，得到樓宇大廈電氣系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

由圖1可知，樓宇大廈建筑電氣系統(tǒng)組成主要有供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、以及給排水系統(tǒng)等。合理設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)控制及管理各個(gè)子系統(tǒng)能量需求，是樓宇大廈節(jié)能的重要工作。

3 供配電節(jié)能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以具體工程為例，工程大廈地上12層，地下2層。建筑高度54.9m米（室外地面至屋頂構(gòu)架）。建筑面積77756.9m2。項(xiàng)目屬于一類高層建筑。就地下1、2層展開節(jié)能設(shè)計(jì)。

3.1 結(jié)合節(jié)能元素的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)所的照明主要選擇節(jié)能型熒光燈及低功耗LED燈，選用的照明光源、鎮(zhèn)流器的能效符合相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能評(píng)價(jià)值。最新頒布的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013相比《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2004，在6.1節(jié)和6.2節(jié)對(duì)照明節(jié)能作了一般規(guī)定，并且給出了具體的照明節(jié)能措施。規(guī)定照明節(jié)能應(yīng)采用一般照明的照明功率密度值（LPD）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出在滿足規(guī)定的照度和照明質(zhì)量要求的前提下，進(jìn)行照明節(jié)能評(píng)價(jià)。

照明設(shè)計(jì)計(jì)算主要依據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，照度計(jì)算采用利用系數(shù)法，該方法考慮到光源直接照射和經(jīng)室內(nèi)反射到工作面上的光通量，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，再根據(jù)選擇的燈具容量及鎮(zhèn)流器功率，計(jì)算工作平面上的照明功率密度值，并與節(jié)能目標(biāo)值比較，具體結(jié)果如表1所示。

由表1可知，室內(nèi)主要場(chǎng)所照明的實(shí)際照度均大于標(biāo)準(zhǔn)照度的要求，實(shí)際功率密度也均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范功率密度的節(jié)能目標(biāo)值，照明設(shè)計(jì)滿足節(jié)能要求。

3.2 結(jié)合節(jié)能元素的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在樓宇大廈動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)拖拽系統(tǒng)是主要的能耗部分，其主要節(jié)能方法利用變頻調(diào)速控制方式，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象需求，調(diào)節(jié)輸入電源頻率，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使整個(gè)電機(jī)拖拽系統(tǒng)達(dá)到輸入與輸出間動(dòng)態(tài)平衡，從而達(dá)到提高系統(tǒng)功率因素，節(jié)能降耗。在采取變頻調(diào)速控制的基礎(chǔ)上，各子系統(tǒng)還有其他的節(jié)能措施。就空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)來說，2004年頒布施行的《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2003相比于2001年頒布施行的《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ19-1987，在第八章監(jiān)測(cè)與控制中明確提出對(duì)采暖、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，采用集中監(jiān)控系統(tǒng)可合理利用能量實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，2005年7月頒布實(shí)施的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005在第五章對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)做了明確規(guī)定，并根據(jù)09CDX008-3《建筑設(shè)備節(jié)能控制與管理》圖集，設(shè)計(jì)空調(diào)控制系統(tǒng)。電梯系統(tǒng)還可采用電梯群控技術(shù)，通過對(duì)樓宇大廈內(nèi)部多部電梯進(jìn)行合理調(diào)度分配管理，防止電梯長期運(yùn)行在空載或輕載工況下，降低電梯系統(tǒng)能耗。電梯回饋技術(shù)，將電梯輕載上行和重載下行運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一部分電能反饋到供配電系統(tǒng)中，供其他用電設(shè)備使用。

3.3 結(jié)合節(jié)能元素的變壓器設(shè)計(jì)

3.3.1 合理選擇變壓器容量和數(shù)量

變壓器容量按變壓器所帶用電負(fù)荷來選擇，與負(fù)荷特性匹配，并合理分配負(fù)荷，力求三相平衡。變壓器臺(tái)數(shù)選擇，依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052—2009中第3.3.1條，本工程均為一級(jí)二級(jí)負(fù)荷，所以選用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上變壓器。綜合考慮投資和運(yùn)行費(fèi)用，變壓器主接線采用單母線分段，確定變電所1變壓器T1、T2容量為2000KVA，變電所2變壓器T3、T4容量為1600KVA。

3.3.2 選用節(jié)能型變壓器

2008年頒布施行的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008相比于已廢止的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T 16-1992，在配電變壓器選擇一節(jié)中，明確規(guī)定配電變壓器選擇應(yīng)根據(jù)建筑物的性質(zhì)和負(fù)荷情況、環(huán)境條件確定，并應(yīng)選用節(jié)能型變壓器。節(jié)能型變壓器中鐵損很小，將有效減少變壓器輸配電過程中的電能損耗。課題采用SCB10-10/0.4kV系列的干式變壓器。

3.3.3 選用D，yn11接線組別變壓器

樓宇大廈節(jié)能燈、熒光燈、計(jì)算機(jī)、變頻空調(diào)、鎮(zhèn)流器、UPS電源等的大量使用，會(huì)產(chǎn)生很大的三次諧波。因此，配電變壓器宜選用D，yn11接線組別的變壓器，能有效限制三次諧波，也能降低三相系統(tǒng)中的零序阻抗。

3.4 結(jié)合新能源利用供電靈活切換

目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電效率較低， 無法完全滿足樓宇大廈的電力需求，因此需要市電和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電共同為居民供電。在用電低谷時(shí)，用戶可以直接從電網(wǎng)取電；用電高峰時(shí)，切換到風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)蓄電池供電，蓄電池為重要負(fù)荷及照明負(fù)荷供電，當(dāng)控制器檢測(cè)到蓄電池電壓不能滿足用電負(fù)荷使用時(shí)，切換到城市電網(wǎng)供電，并根據(jù)風(fēng)光條件與用電負(fù)荷合理配置風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)基本組成如圖2所示。

4 計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)

4.1 照明系統(tǒng)

課題在建筑條件圖的基礎(chǔ)上對(duì)地下一二層照明進(jìn)行設(shè)計(jì)，室內(nèi)公共場(chǎng)所的照明選用節(jié)能型T5熒光燈，疏散指示燈采用低功耗LED光源，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行照明平面圖繪制。公共場(chǎng)所照明，可采用樓宇自控系統(tǒng)，樓梯間采用節(jié)能延時(shí)自熄開關(guān)控制。照明控制根據(jù)功能要求采用分組、分區(qū)、動(dòng)靜控制、時(shí)間控制、光敏調(diào)節(jié)照度或開關(guān)等方式。照明配電系統(tǒng)圖如圖3所示，車庫照明回路設(shè)接觸器，并接入樓宇自控系統(tǒng)（BA）。

4.2 動(dòng)力系統(tǒng)

對(duì)功率大于4KW的電動(dòng)機(jī)（除消防設(shè)備）均采用變頻降壓?jiǎn)?dòng)控制，以節(jié)約能源。并采用樓宇設(shè)備自控管理系統(tǒng)對(duì)空調(diào)設(shè)備、水泵、各類風(fēng)機(jī)及其他用電設(shè)備進(jìn)行能量自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)察，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到集中管理、程序控制和節(jié)約能源等目的。動(dòng)力配電系統(tǒng)圖如圖4所示。

4.3 低壓配電系統(tǒng)

低壓配電系統(tǒng)采用兩路10kV電源進(jìn)線，一用一備，兩路進(jìn)線開關(guān)不能同時(shí)閉合。正常工作時(shí)只用1#主進(jìn)線，2#進(jìn)線備用。在低壓配電柜及饋線柜設(shè)多功能儀表，支持RS485通信，MODBUS協(xié)議，可接入多種軟件通訊系統(tǒng)，通過智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，可在人機(jī)界面實(shí)時(shí)觀察動(dòng)態(tài)用電情況。

5 總結(jié)

課題以某12層大廈為研究對(duì)象，結(jié)合建筑電氣設(shè)計(jì)相關(guān)新舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及樓宇大廈主要能耗，分析樓宇大廈電氣節(jié)能技術(shù)，對(duì)樓宇大廈供配電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，并結(jié)合工程案例進(jìn)行具體分析。同時(shí)，引進(jìn)新能源領(lǐng)域風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，為樓宇大廈的供電提供了多種渠道，減少用電高峰對(duì)城市電網(wǎng)的用電。

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