基于等效負荷計算的建筑電氣設計及優化研究

潘耀

摘要： 等效負荷計算是建筑電氣設計中為電路設計提供準確的電通量， 以確定供電線路、 供電設備及建筑用電器有效、 安全運行的方法， 該方法可對不同用電單元進行有效規劃。基于此， 本文以具體的住宅項目為例， 深入分析了以二項式法為基本方式的計算方法， 同時對建筑電氣設計方案中的各個環節進行了等效負荷計算。結果表明， 利用等效負荷計算確定設計方案的優劣并進行優化是一種有效的方式。

關鍵詞： 等效負荷； 二項式法； 優化； 設計

DOI：10.12433/zgkjtz.20240553

一、 工程案例及電氣設計方案

（一）工程概況

該建筑為多層電梯樓房， 建筑占地424m2， 共5層， 樓高為19.4m。其中， 地下1層， 設計為停車場； 1～5層均為商品房， 采用一梯兩戶設計， 共10家用戶。本方案將為該建筑提供全面的電氣設計方案， 確保每家都能夠安全、 便捷地使用電力資源。

（二）建筑電氣設計方案

從建筑的供電需求來看， 主要用電單元包括電梯、 供水系統、 消防弱點系統、 公共區域照明、 空調系統以及用戶入戶供電需求， 具體設計方案如下：

1.電梯

該建筑共有1部電梯， 選用可靠的低壓電梯， 可滿足5層高度的輸送要求。電梯設有緊急控制面板， 以便在緊急情況下控制電梯。

2.供水系統

該建筑設有一套供水系統， 以市政自來水或水源熱泵系統作為水源。供水系統將分為兩個獨立的管道， 分別為主管道和支管道， 主管道將直接連接市政自來水管網， 支管道則將從水源熱泵系統中獲取水。供水系統中還設有一套獨立的凈水器， 以確保供水水質的安全與純凈。

3.消防弱電系統

該建筑設有一套消防弱電系統， 包括火災自動報警系統、 消防控制中心、 消防電源及其配電系統等。消防控制中心將與其他智能化系統相連， 以實現整個建筑的聯動控制。消防弱電系統還包括一套自動噴水滅火系統， 以確保建筑內的消防安全。

4.公共區域照明及空調系統

該建筑設有一套公共區域空調系統， 采用變頻多聯機組或VRV熱泵系統。空調系統將根據季節及室內外溫度差異， 自動調節空調的運行速度， 以確保室內環境的舒適性與節能性。

5.用戶用電需求

該建筑共有10家用戶， 每戶配備1個三相電表和1個單相電表。電表均采用IC卡預付費方式， 用戶可通過智能手機應用程序實時查看用電數據， 并進行遠程控制。此外， 每戶還設有1個墻面開關， 由用戶自行控制。

6.安全措施

電梯設有緊急控制面板， 以便在緊急情況下控制電梯。消防弱電系統設有自動噴水滅火系統， 以確保建筑內的消防安全， 火災自動報警系統與其他智能化系統相連， 以實現整個建筑的聯動控制。

二、 建筑電氣設計方案中的等效負荷計算

（一）建筑電氣等效負荷的計算方法

等效負荷計算方法有三種， 分別是需要系數法、 利用系數法及二項式法。需要系數法是指在實際的計算過程中， 根據設備的使用情況將其分類， 然后根據日常用電需求進行負荷計算， 該方法可根據實際情況調節需要系數的大小， 盡可能地反映實際電氣需要； 利用系數法是指在進行電氣計算時， 根據需要進行負荷計算的不同回路， 對元件分類。然后， 再利用系數表， 對不同的元件組合計算。最后， 把所有元件組合計算， 從而得到等效負荷； 二項式法則是將每個元件用二項式表示， 根據相關公式進行計算。二項式有兩個線性獨立的系數， 一個是電流的平方系數， 另一個是電壓的平方系數。因此， 可以將電壓和電流分別作為一次和二次項， 根據二項式法則計算。這種方法具有簡單、 易于理解等優點， 在計算中常常被采用。

（二）基于二次項算法的等效負荷計算校對

二項式法是一種通過計算多項式在特定條件下的值來求解的方法。用二項式法計算全部系統的等效負荷， 可分為兩個部分， 即日常負荷和瞬時負荷， 計算包括如下內容：

1.對系統的日常負荷進行等效計算

日常負荷主要是指電路聯通后， 無論電器是否使用， 線路運行自身會存在一定的負荷， 一般被稱為日常負荷或待機負荷。計算中， 由于電路兩端的電壓可以被看作一個定值， 即220V民用一般電壓， 在等效負荷的計算中僅需要求解系統本身的等效阻抗， 而后利用式1求解。

[w=U2RR=23Ui/Z] 式（1）

對式（1）進行求解， 可得到系統的日常負荷計算公式2：

[w=3U2Z2Ui] 式（2）

式（2）中， [w]為日常負荷； [R]為等效阻抗； [U]為電壓常量； [Ui]為電源系統內阻； [Z]為電網總阻抗。將案例中的相關參數帶入式（2）， 求得其日常負荷為2.67kW。

2.對系統的瞬時負荷進行等效計算

二項式法的基本思路是根據問題的要求， 列出多項式來表示問題的解， 找出滿足該多項式條件的系統， 從而確定該系統的等效負荷。在建筑電氣設計中， 由于不同電器與用電單元的實際功率存在較大差異， 且啟停時間與使用高峰多存在不同， 需要利用二項式的方式對絕大部分系統負荷進行等效計算， 具體的公式如下：

[x=C2nn-1bn-11+C2nn-1bn-12···+C2nn-1bn-1n]

式（3）

式（3）中， [x]表示各個系統的等效負荷； [Cn]表示負荷首項為[Cn]、 公比為[n-1]的等比數列； b1、 b2...bn分別表示各個系統的等效負荷。

需要分別計算不同用電項目的瞬時負荷， 同時給出高峰時段， 如果高峰時段出現重合部分， 則需要加權運算其最大瞬時負荷， 如果未出現重合部分， 則選擇最大瞬時負荷進行計算。

從案例出發， 假設供水系統的功率等級為4kW， 公共區域空調系統的功率等級為6kW， 電梯和停車場電梯的功率等級未知， 可以使用一個普通電梯的功率等級作為參考， 系統的總功率等級為14kW。需要計算各個系統的日常負荷和瞬時功率需求。假設每天用電高峰期的功率需求為8kW， 非高峰期的功率需求為4kW， 瞬時功率需求為20kW。因此， 全部系統的日常負荷和瞬時負荷分別為16kW和20kW。接下來， 使用二項式法計算全部系統的等效負荷。將各個系統的等效負荷設為x， 則有： Eeq=2.67+x； 帶入計算后全部系統的等效負荷最大值為68.67kW。

三、 建筑電氣設計中存在的問題與優化措施

通過計算等效負荷發現， 現有建筑電氣設計中存在問題， 具體表現及優化措施如下：

（一）用戶負荷分配過低

用戶負荷按照峰值為4.3kW的等效負荷進行分配， 在日常情況下能夠滿足用戶需求， 但在冬季電采暖補充或夏季空調使用時， 可能會存在負荷不足的風險。尤其是近年來家用電器日益普及且種類繁多， 根據經驗， 僅常態電器（冰箱、 熱水器、 凈水機等24h待機）的等效負荷便在0.4kw左右。為此， 入戶的負荷應有所增加。

針對該問題， 在電氣設計的優化方案中， 將用戶等效負荷提高到6kW， 主要通過重新規劃線路、 提高用線標準的方式予以實現。一方面， 除了一樓公共空間安裝集中式空調外， 其他樓層均采用自然通風的方式， 照明及消防傳感器弱電系統的負載需求相對較小； 另一方面， 樓道內的照明一般為夜間使用， 此時家庭內的電氣負荷并非高峰時期， 在錯峰的條件下形成等效負荷共享， 不會額外增加建筑負荷， 可實現節能的效果。

（二）總等效負荷有待優化

建筑電氣負荷的總量是否能滿足后續使用以及具備擴展功能， 是衡量電氣設計水平的關鍵性要素之一。基于此， 在等效負荷計算的模式下， 對案例建筑的年用電高峰進行預測， 具體結果如圖1所示。從圖1中不難發現， 用電高峰出現在夏季和冬季的一定時期， 主要原因在于空調與采暖補充設備的使用。從用電特征來看， 夏季高峰用電負荷相對較低， 但持續時間較長， 冬季采暖的等效負載相對更高， 但持續時間較短， 這一情況與空調及采暖設備之間的負載差異有關。當前的電氣設計方案很難滿足冬季用電高峰， 且在夏季用電高峰中也會形成持續性壓力。

針對這一情況， 需要對建筑進行負荷擴容， 但按照國家建筑節能的相關要求， 直接增加建筑的總等效負荷不符合綠色建筑與節能建筑的標準及要求。基于此， 本項目在進行總負荷優化的過程中， 采取負荷并接的方式， 原因主要有兩個方面： 其一， 建筑在用電高峰時雖然超出了一定的總設計負荷， 但超出部分并不多， 利用并聯的方式將建筑中的不同負荷功能進行獨立設計， 可有效滿足高峰時段的需求； 其二， 地下停車場日常用電負荷較低， 但具有較高的擴展需求， 尤其是在我國大力推進新能源汽車的普及過程中， 新建筑的電氣設計應為充電樁的建設提供充足的負荷支持， 利用獨立并聯設計的方式對地下停車場的電氣負荷進行設計， 有助于這一目標的達成； 其三， 分別設計地下空間與地上建筑之間的電氣負荷， 有效保障建筑總體負荷的利用率， 并保障建筑的電氣安全， 同時不增加建筑的總負荷量， 是一種有效的方式。

基于上述三方面的原因， 本項目在電氣設計優化的過程中將地下空間的充電樁部分進行了并聯設計， 與建筑自身的電氣設計并行， 將空余的負荷作為等效負荷補充到建筑用電高峰時段， 從而形成有效的負荷保障。具體的設計方案如圖2所示。

（三）等效負荷冗余過少

等效負荷僅能針對建筑的主要用電設備進行計算， 無法涵蓋全部的負荷量。這一情況造成建筑在部分非等效負荷計算范圍內的電器需要錯峰使用， 或造成部分臨時性電氣設備無法使用， 使后續的擴展效果受到局限。在電氣設計完成后， 線路總裝的過程中應按照10%～20%的比例預留等效負荷冗余， 以實現擴容及未來擴展空間預留的效果。

在實際的優化過程中， 本工程采取兩種方式進行擴容。其一是預留了部分臨時電力接口， 分布在園區內部、 建筑公共空間外壁以及停車場內， 允許總等效負荷為3kW， 通過電氣井內空氣開關進行控制， 在公共區域清潔或其他需要時啟用， 日常時段為關閉狀態； 其二是按照不同的用電需求預留冗余空間， 總等效負荷為10kW。其中， 供水系統冗余2kW， 消防系統冗余5kW， 照明及空調系統冗余3kW， 用戶用電需求通過戶內擴容， 不再進行冗余預留。

四、 總結

本研究以具體的住宅案例為例， 探討了等效負荷計算方式在電氣設計中的應用與優化。首先， 對項目案例進行了基本介紹， 并概括了電氣設計的若干環節與具體方案； 其次， 以等效負荷中的二項式法為基本工具， 在介紹具體的計算方法的基礎上， 對電氣方案的等效負荷進行計算； 最后， 從計算結果與實踐經驗的角度提出了當前電氣設計中存在的問題， 并給出了優化方案。

參考文獻：

[1]于嵌.建筑電氣安全設計和節能設計要點[J].四川水泥，2023（05）： 163-165.

[2]張峰，丁津津，王江權，鮑海，王子恒.基于阻抗式電氣距離的配電負荷中心計算方法[J].自動化技術與應用，2023（04）： 64-66+86.

[3]姚冬平.探析等效負荷計算在建筑電氣設計中的應用[J].建材與裝飾，2020（17）： 72+74.

[4]周玉娟，李凱.基于等效負荷矩法的城市綜合體建筑配變電所選址優化研究與實踐[J].現代建筑電氣，2019（04）： 1-4.