故宮博物院用電節能措施的研究

陳 旭

(故宮博物院,北京 100009)

1 概述

我國各行各業的發展都離不開電能，它直接關系各個行業發展的穩定性，博物館行業也不例外，充足、穩定的供電，是博物館良好、有序開放的基礎，是文物妥善保存的前提。目前，隨著中國經濟的快速發展，用電需求的增加，我國電力行業的供應能力不足，電力資源變得緊張，可持續發展、節能減排已成為中國經濟發展的主旋律[1]。

1961年經國務院批準，故宮博物院被定為全國第一批重點文物保護單位，它是世界上現存規模最大、保存最為完整的木質結構古建筑，被聯合國教科文組織列為“世界文化遺產”。近年，故宮博物院各項事業不斷發展，開放面積大幅增加，服務設施逐漸完善，各類展覽不斷推陳出新，呈多樣化發展，同時，整體電能消耗也在不斷增加。對故宮博物院來說，降低電能損耗能夠有效緩解電力資源緊張產生的壓力，同時也能提高用電效率、節省相關費用，故用電節能工作的開展顯得十分必要。本文結合故宮博物院供用電和電能消耗現狀，對用電節能措施進行研究，提出供電合理化建議和管理措施建議。

2 故宮供用電及電能消耗現狀

故宮博物院屬于特大型博物館建筑，占地面積約為72萬m2，東西寬753 m，南北長961 m，有大小宮殿70多座，房屋9 000余間，具有用電面積大，用電建筑多的特點。目前，故宮整體供電主要依靠東、西兩個高壓配電室，分別建設于故宮東半部和西半部。故宮屬于古建筑群，內部均為磚木結構，在防火等級方面，并不符合高壓配電室對建筑的要求；故宮內部建筑較為密集，配電室選址時較難深入負荷中心，增加了低壓側的供電半徑；故宮采取院落型建筑方式，院落彼此相鄰，受限于院落的地上、地下條件及周圍建筑，低壓電纜路由經常會繞道敷設，進一步增加了供電半徑，甚至超出合理供電半徑；另外，由于各個院落或區域功能劃分和用電量不同，常需單獨敷設低壓電纜，以致低壓電纜數量較多。電纜每月電能損耗計算公式如下：

(1)

式中：W——每月電能損耗，kWh/月;

I——電流，A;

R——電纜阻值，Ω/km；

NP——電纜芯數，根;

L——電纜長度，km;

T——每月用電時間，h。

由公式可知，電纜電能損耗與電纜長度、阻值均成正比，如供電電纜較長，勢必會增加電纜的電能損耗，且故宮低壓電纜數量較多，大大增加了損耗[2]。

另外，變壓器的電能損耗在整個配電系統中也占有非常大的比例。目前，故宮東、西配電室的變壓器為SCB10系列干式變壓器，生產安裝于10多年前，相比現在的新型變壓器，節能技術相對落后。

近年故宮博物院電能消耗情況如表1所示，可以看出，故宮電能消耗巨大，且隨著近年的不斷發展，用電量整體呈上漲趨勢。

表1 故宮博物院近年電能消耗情況 kWh

配電系統中不必要的電能損耗不僅降低了電能的傳輸效率，而且增加了供電成本，如通過技術手段和管理措施，提高電能傳輸率和利用率，那么對減少故宮博物院的運行成本，降低發電能源的消耗都是有極大幫助的。

3 用電節能措施及優化策略

3.1 供電合理化

1)配電設備的改造和優化。

變壓器損耗包含有功損耗和無功損耗，在變壓器選型、設計中，如果僅僅關注有功損耗，則難以良好的控制損耗[2]。改造配電設備時，應合理選用新型節能型變壓器。首先，新型節能變壓器可以降低鐵損和銅損，SCB13系列干式變壓器鐵損比SCB10系列降低30%，銅損也能降低10%[3]，大大提高傳輸效率，而且具有體積小、重量輕、便于安裝、維護方便、運行經濟節能等優點；其次，新型變壓器可以針對故宮博物院晝夜負荷落差大這種情況，自由調節運行負荷，實現對電能損耗的有效控制，在用電高峰期提高負荷，能夠保證電能傳輸的更加穩定，在用電低峰期調低負荷，能夠降低線路的傳輸消耗，盡量將負荷率控制在75%左右以滿足變壓器的經濟運行條件。

在電力系統的配電線路中，會存在大量的無功電流，導致配電線路中的能量損耗不斷增加，嚴重降低了變壓器利用率，影響用戶電壓[1]。在更新變壓器時，還應配套更新無功補償裝置，使用電容器對變壓器和高壓用電設備的無功功率進行補償，提高功率因數和電網質量，最大限度地降低由于無功電流而導致的損耗。如果用電設備距離較遠，且設備比較分散，可權衡設備投資成本和節能費用，選擇性的使用就地補償的方法。

2)供電線路的優化。

故宮博物院低壓電纜數量較多，電纜敷設距離較長，增加了電纜電能損耗，且電纜過長還會產生電壓降，降低電網運行的穩定性，嚴重者還可能影響用電設備，造成電氣事故。在供電線路設計和改造中，可通過深入研究故宮地上、地下建筑結構，在保護文物古建的基礎上，合理設計電纜路由，減少電纜敷設長度，降低電能損耗的同時還能減少電纜投資費用；另外，還可以通過降低電纜阻值的方式控制電纜損耗，電纜阻值計算公式如下：

(2)

其中，ρ為電阻率;S為電纜橫截面積，m2。

由式(2)可知，電纜的阻值與電阻率成正比，與橫截面積成反比。在電纜設計選型過程中，常根據發熱條件選型，雖然節約了初期投資費用，避免了電纜發熱產生的損耗，但未考慮到長期運行后電纜電阻產生損耗，此部分產生的電能費用可能更高；如按照經濟電流選型，雖然增加電纜橫截面積，提高了初期投資，但降低了電纜電阻產生的損耗，隨著使用時間的增加，初期增加的投資費用可在幾年內收回。以下為三條供電線路的電纜選型及運行情況對比[3]，如表2所示。

表2 電纜選型及運行情況對比

故宮博物院用電時間集中在7:30～17:30，按照北京市城區非居民電價收費標準(京發改[2019]758號)，綜合考慮峰谷平電價計費時段，平均電價取1.05元/kWh，根據式(1)，3條線路在不同電纜選型方式下，能耗對比如表3所示。

在線路1中，按經濟電流型選型比發熱條件選型的初期投資多8 132元，但每月電能損耗減少165.72元，約4.2年就能收回初期增加的投資；同理，線路2中，約6.7年能收回初期增加的投資；線路3中，約10年能收回初期增加的投資。

表3 電纜選型及電能損耗對比

綜上，在設計階段，應綜合考慮電纜型號、電纜路由、電纜費用、負載情況、使用年限等，在滿足使用需求的前提下，合理選擇電纜截面，減少電能損耗，降低總體費用，提升經濟效益。

3.2 電能管理系統的建設

科學化管理是用電節能的重要手段之一，合理使用電能管理系統可以提高電能利用率、降低運維費用、減少能源消耗。通過記錄分析每個區域的負荷、損耗等數據，可以在電纜更新、電氣設備改造時，提供可靠的數據支持，挖掘更多節能潛力，使設施設備選型更加合理。另外，數據的記錄與分析，還可以得出各區域隨時間變化的用電規律，對于用電異常的區域，可以安排檢查，分析原因，避免由于設備忘關、電氣故障等原因產生的電能損耗。

4 結語

本文分析故宮博物院供用電和電能消耗現狀，針對供配電系統及日常管理，提出用電節能方面的合理化建議和措施，并通過計算及數據對比，論證了供電線路優化方案的合理性。建議古建筑、文物保護單位的技術人員在電氣改造時，靈活、合理運用節能降耗方法，最大限度減少資源的浪費，提升經濟效益。