關于空調配電的可靠系數和電纜截面選擇的探討

張 俊， 王 忠

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，居民生活水平不斷提升，建筑物的用電負荷也隨之增加。 在我國，建筑能耗約占社會總能耗的四分之一，而在民用建筑中，空調耗電量占整個建筑耗電量的比例約40%～60%。 空調負荷運行的安全穩定不僅對居民生活產生影響，同時對電氣系統及設備的運行至關重要。 為保證電氣系統的安全穩定，降低空調設備的故障率，確保建筑物內空調配電系統的高效、穩定、可靠，如何正確選擇空調配電線路的截面及保護開關元件顯得尤為重要。

1 民用建筑中常用空調系統形式

空調即空氣調節的簡稱，其主要作用是制冷和制熱。 文獻［2］中將空調系統按空氣處理設備的設置情況、負擔室內空調負荷所用的介質等將空調系統分成不同的類別，同時也詳細介紹了各個空調系統的特征和應用。 本文主要針對民用建筑中常見的四種空調系統形式（分體空調系統、多聯機系統（VRV 系統）、水冷機組＋空調末端、風冷機組＋空調末端）展開論述。

1.1 分體空調系統

由室內機和室外機組成，把空調器分成室內機組和室外機組兩部分，一般是一臺內機對應一臺外機，目前主要是用在小型空間中，如住宅區域。

1.2 多聯機系統

由一臺室外機通過配管連接兩臺或兩臺以上室內機，室外側采用水冷或風冷換熱形式、室內側采用直接蒸發換熱形式的一次制冷劑空調系統。多聯機系統目前在中小型建筑和部分公共建筑中應用廣泛。

1.3 水冷機組＋空調末端系統

由一個或多個冷熱源系統及多個空氣調節系統組成，通過主機產生出空調冷（熱）水，由管路系統輸送至室內的各末端裝置，在末端裝置處冷（熱）水與室內空氣進行熱量交換，從而消除房間空調冷（熱）負荷，實現制冷、制熱的目的。 該系統通常需配置水冷主機、水泵、冷卻塔、板式換熱器等設備，如需提供熱源一般還需設置鍋爐。 水冷機組＋空調末端的形式一般設置在大型或超大型的建筑內。

1.4 風冷機組＋空調末端系統

此系統與水冷機組＋空調末端的形式工作原理大概類似，不同的是：風冷機組是用風（空氣）強迫換熱以帶走和吸取熱量， 來產生冷水和熱水，而水冷機組是用水來冷卻帶走熱量產生冷水，而且因為風冷機組采用熱泵形式，故不需要另外設置熱源。該系統通常需配置風冷熱泵機組、水泵等設備，無需設置冷卻塔和鍋爐房。 但因單臺風冷熱泵制冷量限制，故一般適用于中小型的公共建筑等類似場所。

2 空調配電的可靠系數和電纜截面選擇

目前，國內市場上各大主流空調廠家樣本提供的數據參數較多，電氣專業比較關心的參數大多為：額定功率Pn、額定電壓Un、額定電流In、功率因數cosφ 等。 在提資過程中，暖通專業會將各類不同空調系統的設備功率（額定功率）提給電氣專業。值得注意的是，該設備功率僅僅是空調在額定工況下的運行數據，如果遇到非正常、非額定工況的情況，空調主機會出現一定時間的過載（超頻）運行狀態。 若按額定功率、額定電流來配置空調電纜，會降低空調配電的安全性，甚至嚴重影響空調設備的正常運行。 因此，本文提出空調配電可靠系數的概念，在實際選擇空調電纜截面時應將計算電流乘以可靠系數，然后再選擇合適的保護開關和電纜截面。

2.1 空調配電電纜截面選擇的原則

正確選擇低壓電纜的截面，不僅關系到配電設備的安全，還關系到整個配電網絡的安全穩定。 JGJ 16－2008《民用建筑電氣設計規范》中7.4.2 節對低壓配電導體截面的選擇分別從載流量、線路電壓損失、熱穩定和機械強度四個方面提出了相應的要求。 在電氣設計中，低壓配電線路會設置相應的保護措施，電纜截面的選擇會和保護開關相匹配，這為正確選擇電纜截面提供了有效的辦法。 JGJ 16－2008《民用建筑電氣設計規范》中7.6.3 節從熱穩定的角度給出了配電導體的最小截面積。 7.6.5 節從配電線路過負荷保護的角度給出了線路計算電流、保護開關的整定電流、電纜載流量之間的關系。本文著重從空調設備的額定電流（計算電流）和保護元件的整定電流的關系來選擇空調低壓配電電纜截面，并提出空調配電電纜選擇的可靠系數。

2.2 可靠系數的選取

對于可靠系數的選擇，本文從空調樣本的參數中尋找數據支撐。 目前，越來越多的空調廠家已不再僅僅提供額定功率這一種數據，而是會將設備的最大功率標注出來供設計師參考。 以國內某幾個廠家的螺桿式水冷機組主機樣本數據和VRV（風冷熱泵型）為例，該樣本中給出了空調主機的額定功率（也稱輸入功率）和最大功率（配置功率），如表1～2 所示。

水冷主機的額定功率和最大功率 表1

VRV 室外機的額定功率和最大功率 表2

從表1 和表2 可以看出，水冷主機和VRV 的室外機都標注了兩種功率，即額定功率和最大功率，而且兩種功率從數值上看相差較大。 額定功率是廠家在額定工況下所測得的理想數據，最大功率為廠家經測試觀察在實際運行中有可能出現的最大運行功率。 以表1 中的水冷機組為例，樣本中明確規定了其額定制冷工況包括冷凍水出水溫度、冷卻水進水溫度、冷凍水側污垢系數、冷卻水側污垢系數等，在額定工況下這些條件都必須被滿足，機組才會工作在額定功率下。 然而在實際運行中會出現各種工況（如環境溫度升高、系統冷熱負載變化、設備操作、人為管理保養不當等），都有可能使機組無法運行在額定工況下，機組出力，會發生相應變化。 尤其是在外界環境極其不利、冷熱量無法達到設計要求時，機組很可能會自動增加出力，即運行在最大功率下來滿足需求。

進一步分析，由于功率和電流之間成正比關系，因此額定功率對應的是計算電流，而最大功率則對應最大電流。 將最大功率除以額定功率，即可對應得到最大電流和計算電流的比值，這個比值即本文提出的可靠系數，該系數是在選擇空調配電電纜時應放大的倍數，在設計時將計算電流按照這個比值放大去選擇電纜和保護開關，可以有效保證空調主機在非額定工況，即最大功率運行下，電纜能有效承載其電流，不至于出現因電纜截面選擇過小而發熱、保護開關動作等情況。 將表1 和表2 中的最大功率除以額定功率，可得到相應的可靠系數，如表3 所示。

空調主機配電電纜選擇的可靠系數 表3

空調主機可靠系數（從圖1）可以看出，12 個機組的可靠系數的取值范圍為1.19 ～1.35，其中水冷機組的可靠系數均小于1.3，VRV 室外機的可靠系數波動稍大，但仍在1.3 附近。 因此，當沒有具體的樣本數據或者不了解具體主機的相應參數時，建議取Kk＝1.3，若為VRV 室外機則可根據實際情況稍作調整，但不應小于1.3。

圖1 空調主機可靠系數

2.3 空調配電電纜截面的選擇

對于單臺的空調主機（水冷、風冷、VRV 室外機）配電，應先根據式（1）設備功率來計算空調設備的計算電流。

式中，Ij為計算電流； Pj為設備功率（額定功率）；Un為空調設備的額定工作電壓； cosφ 為空調設備的功率因數。

考慮到空調配電干線的安全性，引入可靠系數，則最大計算電流計算如式（2）。

Ijmax＝Kk·Ij（2）

式中，Ijmax為最大計算電流；Kk為可靠系數。

根據GB 50054－2011《低壓配電設計規范》中的6.3.3 節：過負荷保護電器的動作特性，應符合公式（3）的要求。

IB≤In≤IZ（3）

式中，IB為回路計算電流，A；In為熔斷器熔體額定電流或斷路器額定電流或整定電流，A；IZ為導體允許持續載流量，A。

因此，在選擇空調配電干線時，需將Ijmax代入公式（3）中的IB，以此來選擇合適的保護開關和配電導體。

3 案例分析

某南方辦公大樓建筑面積約2.3 萬m2，空調形式采用VRV＋水源熱泵兩種形式。 通過觀察并記錄業主采購的主機銘牌，相應數據如表4 所示。

某辦公樓VRV 室外機的銘牌數據 表4

表4 中數據表明：從銘牌上的數據可得到各主機配電可靠系數，該可靠系數均小于1.3。 為了驗證上文提出的可靠系數取1.3 的正確性，筆者分別調取了上述機組的最大運行電流數據，通過與計算電流的對比，得出空調設備在實際運行中的可靠系數。 以空調主機在額定工況下，根據額定功率、電壓、功率因數為0.9 計算得出的計算電流數據、設備實際運行的最大電流數據以及運行的可靠系數，如表5 所示。

某辦公樓VRV 室外機＋水源熱泵的實際可靠系數 表5

表5 的數據顯示，各機組的計算電流和實際最大電流相差較大，實際可靠系數為實際最大電流和計算電流的比值。 從表5 中可以看出，7 個機組的配電可靠系數均在1.2～1.32 之間，最大值為1.32，最小值為1.25，均在1.3 左右上下波動。 將實際可靠系數和可靠系數參考值1.3 對比可以得到其波動百分比，如表5 中第5 列所示，比值在－3.8%～＋1.5%之間。 和表4 中的理論可靠系數相比，差別不大。 這表明本文提出的1.3 的可靠系數具有一定的合理性。

對于實際運行中出現最大運行功率這種現象有多方面的原因，一方面是由于室外機和室內機負荷率配比不相等。 在設計時，設計師通常會根據建筑物的建筑面積、建筑功能等因素選擇一定冷量的室外機，而室內機會根據建筑物室內空間的布局來配置，由于建筑空間布局的多樣性和復雜性，很容易出現室內機配置的冷量超過室外機的狀況。 在炎熱的夏季，當室內機全部開啟時，將可能會出現過載（超頻）狀態，且這種狀態很可能是長時間存在。 其次，對于放置在室外的主機，由于室外的惡劣環境，如氣溫、濕度等往往達不到機組所要求的額定工況，因此也很容易出現機組為了維持出力而功耗增大的情況。 對于采用傳統水冷機組的中央空調系統，雖然主機放置在環境相對較好的機房內，但是冷卻塔通常放在屋頂空曠區域，從機房到冷卻塔的長距離很有可能使冷凍水、冷卻水的溫度達不到額定工況的要求，在額定制冷量的要求下，機組極有可能增加功耗來滿足出力要求。 同樣，在過渡季節，由于建筑物所要求的冷量減小，機組通常不會滿開，但是也有可能出現在卸載一臺主機后，剩余主機冷量達不到要求而使機組不得不過載運行的狀況。

綜上，為確保空調機組在上述非額定工況、非正常情況下的安全運行，電氣專業在選擇空調低壓電纜截面時，宜考慮一個可靠系數，將計算電流放大，然后選擇相應的保護開關和導體。 從上述表格和圖表顯示，選取1.3 作為可靠系數基本能滿足要求，且符合實際情況。

4 結束語

本文提出空調配電的可靠系數，并將額定計算電流乘以該可靠系數用于選擇保護開關和相應導體，為空調配電安全提供保障。 通過調取某工程VRV 系統實際運行數據進行分析并闡述了相應原因，進而驗證筆者提出的1.3 的可靠系數有其合理性，能在一定程度上對今后類似項目設計提供參考借鑒。