淺談建筑電氣節(jié)能措施

黃烴隆 劉合良

淺談建筑電氣節(jié)能措施

黃烴隆1劉合良2

（1. 南寧鐵路局，南寧 530000；2. 中國(guó)電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 100040）

低碳環(huán)保，節(jié)能減排已成為全社會(huì)的共識(shí)，而我國(guó)建筑能耗大，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量20%，建筑節(jié)能勢(shì)在必行。建筑電氣節(jié)能作為建筑節(jié)能中重要的組成部分，電氣節(jié)能潛力巨大。本文對(duì)我國(guó)建筑電氣節(jié)能現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)中重要的可節(jié)能環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，并提出節(jié)能設(shè)計(jì)措施，為廣大建筑電氣設(shè)計(jì)工作者提供設(shè)計(jì)參考，以推進(jìn)建筑電氣節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。

現(xiàn)狀；綠色建筑；建筑電氣；節(jié)能改造

1 我國(guó)建筑應(yīng)用電氣節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

“十二五”期間，全國(guó)建筑能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。隨著生活水平的提高，建筑能耗還在持續(xù)上升。

目前工程設(shè)計(jì)中，基本上能夠按照規(guī)范要求，滿足電氣節(jié)能。但對(duì)于中小型公共建筑和小居住區(qū)住宅建筑，初期投資資金較少，很少進(jìn)行節(jié)能專篇設(shè)計(jì)。建筑電氣設(shè)計(jì)主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①?zèng)]有綜合考慮用電負(fù)荷區(qū)域分布，季節(jié)分布情況，造成初期投入大，變壓器損耗高；②少有對(duì)建筑內(nèi)大功率設(shè)備（如中央空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵等）進(jìn)行能耗監(jiān)控，控制技術(shù)節(jié)能水平也不高，如電梯、水泵沒(méi)有采用節(jié)能控制技術(shù)；③項(xiàng)目中沒(méi)有充分考慮分析設(shè)備容量，前期估算與后期設(shè)計(jì)相差較大，造成變壓器、電纜選材浪費(fèi)，增加投資；④照明設(shè)計(jì)僅滿足使用的需求，節(jié)能設(shè)計(jì)未充分考慮；⑤少有關(guān)于應(yīng)用可再生能源的設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2 綠色建筑

綠色建筑是指在全壽命期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[2]。從綠色建筑的概念可知，最大限度地節(jié)約資源給建筑的綠色設(shè)計(jì)指明了方向，單就建筑電氣來(lái)說(shuō)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)選及控制，對(duì)電氣各系統(tǒng)智能化水平也有較高的要求。建筑電氣設(shè)計(jì)應(yīng)該充分采用合理經(jīng)濟(jì)的供配電及智能化系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)用高效的節(jié)能技術(shù)，為綠色建筑提供保障。

2.1 供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

變電站宜設(shè)置在負(fù)荷中心，減小供電距離，最大限度降低線路損耗。原則上變電站至末端配電箱最長(zhǎng)供電距離約250m。

盡可能減少變壓器臺(tái)數(shù)，區(qū)分照明負(fù)荷、一般動(dòng)力負(fù)荷和容量較大季節(jié)性用電負(fù)荷，針對(duì)后者合理設(shè)置專用變壓器供電，以降低損耗。

變電站高低壓側(cè)集中設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償，采用固定和自動(dòng)投切相結(jié)合的方式，要求低壓側(cè)功率因數(shù)在0.9以上。

對(duì)于功率較大的非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波損耗，同時(shí)危害公用電網(wǎng)，影響供電質(zhì)量。所以諧波治理也是電氣節(jié)能的需要。可采取抑制諧波的措施，即安裝無(wú)源吸收諧波裝置、有源吸收濾波器裝置、無(wú)源有源復(fù)合濾波吸收裝置、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）。

2.2 變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)10kV變配電系統(tǒng)中，變壓器的能耗占該系統(tǒng)損耗80%以上，故變壓器的節(jié)能對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)的節(jié)能至關(guān)重要。變壓器屬于電機(jī)，它的節(jié)能實(shí)際上就要減少其有功功率損耗、提高效率。而變壓器有功功率損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗，即

式中，Db為變壓器有功損耗；o為變壓器空載損耗；k為變壓器負(fù)載損耗；為變壓器負(fù)載率。

式中的o空載損耗又稱鐵損，是定值，一般只與鐵心的材質(zhì)、制造工藝有關(guān)，與負(fù)載無(wú)關(guān)，正比于鐵心重量、鐵心磁通密度。

因此，變壓器首選節(jié)能型的，如高磁通密度的優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片和非晶合金材質(zhì)節(jié)能變壓器。與老產(chǎn)品比較，節(jié)能型變壓器具有低損耗、輕質(zhì)量、高效率、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。

式中的k負(fù)載損耗又稱銅損，是一、二次繞組流過(guò)額定電流時(shí)所產(chǎn)生的損耗，故應(yīng)該選用損耗低的銅心繞組變壓器。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和后期擴(kuò)容考慮，本文認(rèn)為負(fù)載率應(yīng)設(shè)計(jì)在0.8左右。同時(shí)應(yīng)該考慮用電負(fù)荷隨時(shí)間隨季節(jié)變化情況而設(shè)置變配電系統(tǒng)，如對(duì)夏季、空調(diào)等隨季節(jié)變化規(guī)律的負(fù)荷采用一大一小變壓器組進(jìn)行合理的投切運(yùn)行，以達(dá)到最大節(jié)能的目的。

下面將10kV/800kV·A的S9油浸式變壓器與同容量非晶合金變壓器進(jìn)行節(jié)能性能比較，負(fù)載率為0.75，變壓器運(yùn)行按24h，350天/年，電費(fèi)單價(jià)按0.8元/kW·h。

由表1可知，相比于S9系列變壓器和SCB10系列變壓器，非晶合金變壓器運(yùn)行約3年達(dá)到投資回收，使用期節(jié)約效果相當(dāng)可觀。對(duì)于大容量、高負(fù)載率的變壓器，節(jié)能更加明顯，投資回收年限更短，因此國(guó)家才會(huì)大力推行節(jié)能型變壓器。本文認(rèn)為，在變壓器選擇設(shè)計(jì)中，應(yīng)該優(yōu)選非晶合金變壓器和S13型及以上節(jié)能配電變壓器。

表1 10kV/800kV·A幾種常用類型變壓器節(jié)能比較

2.3 建筑內(nèi)大功率設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑中大功率設(shè)備主要有中央空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵和電梯等，它們歸根結(jié)底都是電動(dòng)機(jī)，故大功率設(shè)備的節(jié)能實(shí)質(zhì)上就是電動(dòng)機(jī)的節(jié)能，即

式中，為電動(dòng)機(jī)效率；1為電動(dòng)機(jī)輸入功率；al為電動(dòng)機(jī)總損耗。

電動(dòng)機(jī)總損耗包括鐵損、銅損、機(jī)械損耗和附加損耗。電動(dòng)機(jī)的節(jié)能就是減小各個(gè)損耗，提高效率，需要從電動(dòng)機(jī)的選擇和控制方面采取措施。

1）電動(dòng)機(jī)的選擇

近年來(lái)，電動(dòng)機(jī)行業(yè)采用新理論、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等一系列先進(jìn)的措施，研制出各種高效節(jié)能的電動(dòng)機(jī)。國(guó)家也出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2012 《中小型異步三相電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》。該標(biāo)準(zhǔn)將電動(dòng)機(jī)效率分成3個(gè)等級(jí)，即3級(jí)（能效限定值）、2級(jí)（目標(biāo)能效限定值）和1級(jí)，其中1級(jí)能效最高。設(shè)計(jì)時(shí)選用電動(dòng)機(jī)能效必須達(dá)到3級(jí)及以上，如YX3系列電動(dòng)機(jī)或者更高效能電動(dòng)機(jī)。同時(shí)還應(yīng)該注意電動(dòng)機(jī)的容量選擇，容量留有適當(dāng)裕值，但也要避免“大馬拉小車”。大功率異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)小，應(yīng)采取就地補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，降低線損。

2）電動(dòng)機(jī)的控制

電動(dòng)機(jī)一般采用恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣的方式使得電動(dòng)機(jī)的效率很低。建筑中風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備也是采用各種閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但卻耗能較大，同時(shí)也會(huì)損害電動(dòng)機(jī)，增加設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，縮短設(shè)備使用壽命。

隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，軟起動(dòng)器得到了廣泛的推廣。它不僅可以在起動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓，使電動(dòng)機(jī)有良好的起動(dòng)性能，而且在突然停機(jī)和負(fù)載變化時(shí)也能自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能目的。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)采用交流電機(jī)調(diào)速節(jié)電技術(shù)也是節(jié)能的一大措施。變頻調(diào)速技術(shù)，在負(fù)載下降時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，智能的尋求最佳運(yùn)行狀態(tài)，特別是保障輕載時(shí)的效率，達(dá)到節(jié)能效果[3]。因此，應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際，選用合適的變頻調(diào)速裝置。

2.4 照明節(jié)能設(shè)計(jì)

因建筑照明耗能會(huì)占到建筑耗能的25%～30%，所以照明節(jié)能空間很大。在滿足建筑用途、使用舒適的前提下，照明設(shè)計(jì)應(yīng)從如下幾個(gè)方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

1）選用高效節(jié)能光源

按照?qǐng)鏊x用不同類型的高效節(jié)能光源、節(jié)能燈具，滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，特別是對(duì)照明功率密度（LPD）的限值，如一般室內(nèi)場(chǎng)所，優(yōu)先選用T5熒光燈或LED燈；高大空間（如廠房、球館等）選用高效的金屬鹵化物燈或大功率LED燈。同時(shí)配合采用低耗的電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能電感鎮(zhèn)流器，單燈功率因數(shù)低于0.9時(shí)采用電容器進(jìn)行無(wú)功就地補(bǔ)償。

燈具外罩，除裝飾外，應(yīng)優(yōu)先采用直射型燈具或高光通、反射透射系數(shù)高的高效燈具。

2）節(jié)能控制設(shè)計(jì)

按燈具的布置進(jìn)行有效控制，充分利用自然光，同時(shí)考慮到工作區(qū)域的需要進(jìn)行混合控制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加控制開關(guān)，以便管理，更加高效的節(jié)能。對(duì)于大面積場(chǎng)所，應(yīng)該采取分支回路控制方式，根據(jù)班制和人員停留時(shí)間控制燈具亮滅。公共場(chǎng)所，盡可能采用定時(shí)開關(guān)、聲光控制開關(guān)等節(jié)電方式控制。對(duì)于大型的公共區(qū)域，宜設(shè)智能照明控制系統(tǒng)。

2.5 電氣建筑能耗監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

電氣建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)建筑使用中的電力實(shí)施分項(xiàng)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)所有的電力消耗進(jìn)行檢測(cè)，一方面，通過(guò)分析能耗監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力浪費(fèi)現(xiàn)象，并改變控制策略節(jié)約電力資源；另一方面，通過(guò)長(zhǎng)期的對(duì)各機(jī)電設(shè)備能耗監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，分析其使用狀況，通過(guò)計(jì)算確定經(jīng)濟(jì)使用壽命，適時(shí)更換設(shè)備，降低綜合成本。

3 結(jié)論

綜上所述，建筑電氣的節(jié)電勢(shì)在必行。節(jié)電手段多種多樣，只要在設(shè)計(jì)時(shí)精心做好分析，采取合理的措施，合理選用節(jié)能設(shè)備，并通過(guò)電力能耗計(jì)量進(jìn)行分析、采取合適的控制策略，就一定能達(dá)到最大化節(jié)能的目的。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）居住建筑[S]. 2015.

[2] GB/T 50378—2014. 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

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[6] 張之昊, 武建文, 李平, 等. 應(yīng)用于農(nóng)村配電網(wǎng)的測(cè)量點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)分離式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及其優(yōu)化配置[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(3): 205-213.

[7] 馬韜, 朱志芹, 邱清泉, 等. 1250kV·A三相高溫超導(dǎo)變壓器的系統(tǒng)集成與試驗(yàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(21): 188-195.

Introduction to Building Electrical Energy Saving Measures

Huang Tinglong1Liu Heliang2

(1. Nanning Railway Administration, Nanning 530000; 2. China Electronic Systems Technology Co., Ltd, Beijing 100040)

Low carbon environmental protection, energy conservation and emissions reduction has become the consensus of the whole society, and building energy consumption in our country, which accounts for the total energy consumption by 20%, building energy conservation is imperative. Building electric energy conservation as the important component of building energy efficiency, electric energy saving potential is tremendous. In this paper, based on present status and important in the design of building electrical energy saving can be made a brief analysis of energy-saving links and energy saving design measures are proposed, for the majority of building electrical design workers provide design reference, and promote the development of building electrical energy saving.

the status quo; green building; building electric; energy saving reconstruction

黃烴隆（1989-），男，廣西南寧人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事建筑電氣設(shè)計(jì)方面工作。