建筑電氣節能技術分析

張 健 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

隨著科技進步，社會經濟的迅速發展，各種用電設備快速增加，面對全球日益嚴峻的能源供應形勢，積極做好電氣設備的節能尤為重要，可為社會提供巨大的經濟效益。作為電氣設計人員，應有相關的責任和義務，對電氣節能從設計源頭做好把控，本文就此提出一些相關的措施供同行交流討論。

1 供電電壓選擇

ΔP＝3I2R=3P2R/U2COSφ，式中，ΔP為三相輸電線路的功率損耗；P為線路輸送的有功功率；U為線電壓；I為線電流；COSφ為電力線路輸送負荷的功率因數。根據上式可知，輸電線路的損耗同供電電壓的平方成反比，在輸送功率及功率因數不變的情況下，供電電壓降低一半，輸電線路功率損耗增至4倍。因此對于工程中使用的電動機應根據配電系統狀況選擇220V/380，以及6/10kV高壓電機等。

2 降低配電變壓器損耗

變壓器的損耗主要包括空載損耗、負載損耗、介質損耗和雜散損耗，由于后兩者值較小，通常不考慮。空載損耗：主要是鐵芯損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗，俗稱鐵損，其值與鐵芯的磁通密度、材料特性、厚度、形狀、工藝等因素相關。只要變壓器投入運行，維持勵磁，就會產生鐵損，鐵損接近于固定值，不論負荷大小、有無，該損耗都將發生。負載損耗：主要指由于負載電流在線圈內發生的損耗，故稱為“銅損”，其值與負荷率的平方成正比。降低變壓器損耗的措施主要有以下幾點。

①選擇高效、低損耗的節能變壓器。如選擇非晶合金變壓器，以1600kVA電工鋼帶干式變壓器為例，查閱《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB20052-2020）可知傳統10/0.4kV，1600kVA干式變壓器能效等級為二級時的空載損耗約1665W，非晶合金干式變壓器能效等級為二級時空載損耗約645W。非晶合金干式變壓器的空載損耗比電工鋼帶干式變壓器少1020W，一年可節省電能損耗1020Wx8760h=8935kW·h，20年累計節電20x8935=178704kW·h，按商業電價0.8元/kW·h計算，則20年可節省電費142963元，節省的電費比非晶合金干式變價格和同容量的鋼帶式變壓器價格要高得多，20年后必然會有更先進更節能的產品來替代，因此建議變壓器優先選擇至少二級能效的非晶合金干式變壓器。

②設計時應選擇合理的變壓器容量。因負載損耗和負荷率的平方成正比，負荷率降低會使負載損耗大幅下降，有利于節能。然而過低的負荷率將加大變壓器容量及其設備費，同時增加空載損耗，應進行全面的技術經濟分析。此外，還要考慮負荷計算的準確性，以及不同行業、不同負荷性質等多種因素對變壓器負荷率的影響。故在綜合考慮用戶負荷的情況下，設計時盡量保證變壓器在75%～85%負荷率

③宜在變電所內設置偶數臺變壓器，變壓器之間兩兩聯絡；符合率不高且滿足負荷等級要求情況下可切除其中一臺變壓器，對于容量較大的季節性負荷宜采用專用變壓器供電便于不用時切除，以減少空載損耗。

3 降低線路損耗

電能在導線上傳輸時由于有電阻的存在，因此會產生功率損耗。降低線路損耗的措施主要有：選用電阻率較小的材質電纜，如選用銅導體纜；加大導線截面；供電線路敷設盡量走最短路徑。由ΔP＝3I2R可知，線路損耗ΔP和導體的電阻成正比，R=ρL/S，因此在傳輸功率不變時，線路損耗與其電阻率ρ、長度L成正比，與截面S成反比。因此可適當加大導線截面以降低線路損耗，適當加大截面積所增加的電線、電纜等成本費用一般在項目的使用周期內均可以完全收回，同時適當增加大導體截面除降低線損外，對安全用電、提高用電可靠性和滿足后期的負荷增長都十分有利。其次因為銅導體電阻率低，應優先選用銅導體供電。不過在架空電力線路上，不光要考慮傳輸還要考慮桿塔荷載等，銅導體由于質量大，且價格貴，鋁導體相此時對于銅導體有相對的優勢，因此在架空電力線路宜采用鋁導體。

4 提高系統功率因數

根據ΔP(三相輸電線路損耗)＝3I2R=3P2R/U2COSφ，在系統有功功率P一定的情況下COSφ越高，功率損耗ΔP越小，所以提高系統功率因數、減少無功功率在線路上的傳輸，可減少線路損耗，達到節能的目的。提高系統功率因數可以采用提高系統的自然功率因數和在設備端或配電房內集中裝設無功補償設備的方法。

5 降低諧波含量

信息技術的發展帶來了電子設備的廣泛應用，隨之產生的影響就是導致波形畸變，產生不同程度的高次諧波，諧波電流加大了相導體電流增加了線路損耗，包括對變壓器、電動機等設備的損耗。可采取如下方式減少諧波電流：

①減少選用25W及以下LED燈和熒光燈照明光源的使用。目前在家庭、辦公場所以及學校等建筑中仍存在大量25W及以下LED燈和熒光燈照明光源的情況，應予改變。

②選用低諧波的照明燈和其他用電設備，總諧波含有率不應超過30%。

③在配電房內設置有源濾波裝置。

6 降低電動機能耗

據相關資料查得，全國用電量的約2/3是電動機所消耗，可見降低電動機損耗，提高電動機效率，對節能意義非常重大。降低電動機能耗的措施主要有：

①選用高效節能型電動機：高效電動機節能效果很顯著，特別是年運行時間長、電動機功率較大、負荷率較高的情況下，應優先選用；

②合理選擇電動機功率，在滿足傳動要求的條件下，使負荷率處于較高的水平；

③對于變化范圍較大的負荷，宜采用變頻調速方式。

7 照明系統節能

照明用電的使用非常廣泛，一般工程的照明(含普通插座)系統的用電負荷約占總用電負荷的35%～40%。因照明節能的措施比較多且簡單易行，因此照明節能有非常大的空間。照明節能可采用如下措施：

首先是照度標準方面應按照《建筑照明設計標準》（GB50034-2013）規定設計，各房間或場所的照明功率密度應滿足《建筑照明設計標準》第6.3節規定的現行值的要求。

其次在設計中應選擇高效燈具及節能型光源。如滿足控制眩光條件和必要的舒適性要求條件下，應優先選用開啟式直接照明燈具；按照房間的室形指數，選擇相適應的燈具配光；有漫反射罩的燈具，應采用高透光率材料；盡可能選擇三基色T5、T8熒光管或LED燈具。

再有就是采用合適的照明控制方式節能。如道路照明應設置按自然光照度和時間自動控制；景觀照明按規定的亮度和時間開啟、關閉，并按平日、假日、重大節假日自動或手動調節亮度和點燈范圍；人流量較少的樓梯間、走廊、地下車庫、衛生間及類似場所裝設紅外感應節能自熄開關，需注意人員流動頻繁的樓梯間、走廊等則不宜裝設，否則會導致開關頻繁動作，實現不了節能目的還容易損壞設備，浪費投資。現在大部分公共建筑都設計了智能照明系統，對于公共區域的照明節能確實有良好的效果，但對于此系統的設置需要進行合理的評估，只有在工程達到一定體量時才建議做，較小的項目其初始投資在系統的使用壽命周期內無法回收，得不償失。

最后可采用自然光與人工照明有機結合，可利用各種導光和反光裝置將天然光引入室內進行照明；距離電源點較遠的路燈，宜采用太陽能光伏供電。

8 降低交流接觸器能耗

交流接觸器雖然使用的場合很多，但是因為成本低，電磁吸合線圈一般只有幾十伏安，因此設計人員一般不考慮其損耗。放到全社會范圍看，接觸器就不是一個小數目了，如果把這些損耗全部加起來，則總量還是非常大的。根據《交流接觸器能效限定值及能效等級》（GB21518-2008）查得，額定電流32A的接觸器吸持功率在1級能效時為0.5VA，在2級能效時為8.3VA，在3級能效時為13.9A，由此可以看出，1級能效同3級能效的吸持功率相差很大。

不管采用多節能的電氣設備，合理的系統設計尤為關鍵，如對于能耗采用分類分項計量系統，以便于發現耗能情況，更有效監管節能。在做方案時就應該將變電所提供給建筑專業，讓變配電所的選取盡可能處在負荷中心，來減少電能在線路上的損耗。在高層建筑中，配電室應盡量靠近電井，對于大型的公建應根據平面情況設置多個電井。尤其可以考慮太陽能光伏電源系統，風力發電系統等可再生能源的利用。

9 結束語

電氣節能設計是在充分滿足工程的基本功能以及相關工藝的要求下，減少能源的損耗，不是靠降低工程的功能標準來降低能耗，同樣也不能單純地為節能而節能增加無謂的投資，只有合理全面地做好多方面的措施，才能做到真正的節能。