淺談超高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計

林鮮花

0 引言

目前人類正面臨傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，環(huán)境污染日趨嚴重的嚴峻形勢。這迫使人們將目光投向節(jié)能減排、新型替代能源的開發(fā)，尋求可持續(xù)發(fā)展道路，我國是一個人口大國，也是一個能源消耗大國，這就決定了我國能源危機形勢更為嚴峻，可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略任務(wù)更為艱巨。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑用能(主要包括空調(diào)、電梯、通風(fēng)、照明等)折合為電力，總計約為5 500億度/年，占全國社會終端電力消耗的27%～29%，已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”，而我國的發(fā)電廠是以火力發(fā)電為主，這就造成了傳統(tǒng)化石能源的大量消耗，增大了二氧化碳的排放量，因此，建筑節(jié)能是我國節(jié)能減排舉措的重要一環(huán)，而超高層建筑是比較典型的耗能大戶，且隨著經(jīng)濟的發(fā)展不斷涌現(xiàn)，其建成后往往成為一個地區(qū)的地標性建筑，因此超高層建筑的電氣節(jié)能設(shè)計就顯得至關(guān)重要，本文結(jié)合和平國際大酒店工程實例，淺談超高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計的理論基礎(chǔ)及具體應(yīng)用。

1 工程概況

和平國際大酒店位于江西省南昌市，為集商業(yè)、休閑、辦公、酒店式公寓為一體的綜合性超高層公共建筑，建筑面積110 792.55 m2，建筑總高度199.85 m，地下2層，地上56層，其中地下室平時為車庫及設(shè)備用房，戰(zhàn)時為核6、常6、二等人員掩蔽體，地上1層～5層為裙房，主要功能為商鋪、酒店餐飲及娛樂配套，6層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層，7層～27層為辦公室，29層～47層為酒店標準客房，48層～55層為酒店商務(wù)套房，56層為設(shè)備及機房層，其中13層，28層，44層為避難層。

2 供配電系統(tǒng)節(jié)能

2.1 變壓器節(jié)能

減少變壓器的功率損耗，合理選擇變壓器的負載率，和平國際大酒店共設(shè)置4組8臺變壓器，2臺1 250 kVA，4臺1 600 kVA，2臺800 kVA，其負載率為:75%～83%，為充分考慮其節(jié)能、環(huán)保要求，設(shè)計選用10型非晶合鋼，低損耗的銅芯變壓器，其主要理論依據(jù)有以下兩點:1)有功功率損耗。變壓器有功功率損耗ΔP為空載損耗Po(即鐵損)和負載損耗Pk(即銅損)之和。ΔP=Po+Pkβ2。其中，ΔP為變壓器有功損耗，kW;Po為變壓器鐵損，kW;Pk為變壓器銅損，kW;β為變壓器負載率，%。變壓器制成后Po是固定不變的，其大小與硅鋼片的性能、鐵芯制造工藝有關(guān)，為減小Po，則應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片疊成。Pk指變壓器銅繞組的損耗，決定于其阻值和通過的電流，為減小Pk，應(yīng)選用電阻較小的銅繞阻，如銅芯變壓器。2)變壓器負載率。β=S/SN。其中，SN為變壓器額定容量，kVA;S為變壓器運行中實際容量，kVA。從理論上求極值β=50%時，變壓器每千瓦的負載損耗最小，因此，在以往設(shè)計中的變壓器的負載率β=50%取值較多，實際工程應(yīng)用中變壓器只運行50%，這是不經(jīng)濟的，增大了初投資和維護費用，因為考慮50%的負載率僅減小了變壓器的線損，并沒有降低鐵損，不是好的節(jié)能辦法，計及初裝費、變壓器、低壓柜、工建投資等各項運行費用，又要為變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當?shù)娜萘浚儔浩鞯呢撦d率在75%～85%為宜。

2.2 提高功率因素

和平國際大酒店在配電變壓器低壓側(cè)設(shè)集中補償，補償后功率因素不低于0.9。

2.3 變電所設(shè)置

和平國際大酒店共設(shè)置三個變電所，1號，2號變電所設(shè)在地下一層，3號變電所設(shè)在28層避難層，其中1號變電所兼作高壓配電室，保證兩路10 kV電源進入高壓配電室，使10 kV電源深入負荷中心。

1號變電所內(nèi)設(shè)置2臺1 250 kVA，2臺1 600 kV SCB10/10/0.4 kV環(huán)氧樹脂絕緣干式電力變壓器，供地下室、裙房及辦公樓用電;2號變電所設(shè)置在地下1層冷凍機房控制室內(nèi)，內(nèi)設(shè)2臺1 600 kV SCB10/10/0.4 kV環(huán)氧樹脂絕緣干式電力變壓器，專供冷凍機房用電，因為冷凍機房為大負荷用電，這樣設(shè)置使變電所靠近負荷中心和大容量設(shè)備;3號變電所內(nèi)設(shè)2臺800 kV SCB10/10/0.4 kV環(huán)氧樹脂絕緣干式電力變壓器，供28層以上的酒店標準客房、酒店商務(wù)套房等用電。

這樣設(shè)置三個變電所的目的是盡量使變電所深入負荷中心，縮短低壓供配電線路的長度，減少配電線路的損耗，達到節(jié)能的目的，其理論依據(jù)主要如下:

建筑中供電線路長且多，由于電阻的存在，當電流通過時就會產(chǎn)生功率損耗，其計算公式是:ΔP=3×2Iφ×R×10－3，其中，ΔP為三相輸電線路的功率損耗;Iφ為相電流;R為線路電阻。線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路的電阻R=ρL/S，電阻與電阻率ρ、導(dǎo)線長度L成正比，與導(dǎo)線截面S成反比。要減少電阻損耗應(yīng)從以下幾個方面考慮:

1)減小導(dǎo)線長度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導(dǎo)線長度;其次，低壓線路應(yīng)不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失;第三，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電距離。2)配電線路選用電阻率ρ較小的導(dǎo)線，盡量采用銅芯線，不采用鋁芯線。3)增大導(dǎo)線截面。首先，對于比較長的線路，除滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導(dǎo)線截面，所增加的費用為M，由于節(jié)約能耗而減少的年運行費用為m，則M/m為回收年限，若回收年限為幾個月或一兩年，則應(yīng)加大一級導(dǎo)線截面。

3 動力節(jié)能

3.1 風(fēng)機節(jié)能

和平國際大酒店風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)，按充分考慮最大需求風(fēng)量，進行風(fēng)機風(fēng)量、功率選配，在實際運行中，當實際需求風(fēng)量較小時，可通過調(diào)低轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機的軸功率減小，從而使風(fēng)機運行電耗大幅度降低。

3.2 生活水泵節(jié)能

和平國際大酒店共用6臺生活泵，一區(qū)生活泵，兩用一備，7.5 kW;二區(qū)生活泵，兩用一備，15 kW;三區(qū)生活泵，兩用一備，18.5 kW，生活泵全部采用變頻技術(shù)，用單臺變頻器控制多臺水泵。

1)水泵開始工作:樓宇用水不多，1號泵電機處地變頻器電源運行，2號泵處于停止狀態(tài)1。2)用水量增加:變頻器輸出頻率上升。當1號泵電機轉(zhuǎn)速達到最高輸出頻率時，表示一臺水泵不能滿足用水需求。通過控制系統(tǒng)使1號泵電源從變頻轉(zhuǎn)換到工頻供電。與此同時，變頻器啟動2號泵電機狀態(tài)2。3)用水量減少時:變頻器輸出降至設(shè)定值，表示一臺泵可以滿足系統(tǒng)用水需求。通過控制系統(tǒng)使1號泵停止，而2號泵仍由變頻器供電狀態(tài)3。4)用水量再增加:變頻器輸出頻率上升至設(shè)定頻率時，采用一臺泵工作不能滿足要求，通過控制系統(tǒng)使2號泵電機電源從變頻器轉(zhuǎn)換到工頻供電，而變頻器啟動1號泵電源狀態(tài)4。若用水量再度減少，變頻器輸出降至設(shè)定值時，2號泵停止，1號泵電機仍由變頻器供電，又回到初始狀態(tài)1，如此循環(huán)往復(fù)而實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓供水，同時節(jié)約了能源。

3.3 中央空調(diào)節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計，目前中央空調(diào)能耗占建筑總能耗的50%左右，而在一些大城市，中央空調(diào)用電量占了城市總用電量的三成左右，因此減少中央空調(diào)能耗是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要一環(huán)。中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程，是一個不斷進行熱交換的能量轉(zhuǎn)換過程，其中，冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制，便是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時是按現(xiàn)場最大冷量需求量并留有一定的余量來考慮的，其冷卻泵、冷凍泵按單臺設(shè)備的最大工況設(shè)計，然而在實際使用中大部分時間，冷卻泵、冷凍泵都工作在非滿載狀態(tài)下，因此造成了能量的大大浪費。和平國際大酒店使用的冷凍水泵為三用一備，55 kW;冷卻水泵為三用一備，110 kW，均采用變頻控制系統(tǒng)，利用溫度傳感器采集冷凍、冷卻水的出水和回水溫度，當出水與回水間溫差較小時，適當減少電動機轉(zhuǎn)速，減少水流量;當溫差較大時，電機轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，帶走更多的熱量，其可在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下，使冷凍、冷卻水泵根據(jù)負荷的變化做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，從而達到節(jié)電目的，其節(jié)電率通常達20%以上。

4 照明節(jié)能

4.1 照度及功率密度

照明設(shè)計時，嚴格執(zhí)行GB 50034-2004建筑照明設(shè)計標準所對應(yīng)的照度及功率密度值等要求，且建筑物照度標準值應(yīng)從節(jié)能角度考慮，按實際需求來選擇照度標準值的高低，不宜追求或攀比高照度水平。

4.2 照明光源

使用高效、節(jié)能光源，熒光燈選用T8熒光燈和三基色熒光燈，配電子鎮(zhèn)流器，燈具效率不低于70%。

4.3 客房節(jié)能鑰匙開關(guān)

一房一卡，利用鑰匙開關(guān)進行節(jié)能取電，真正做到客房內(nèi)用電設(shè)備客人來時取電，走時斷電。

4.4 智能照明控制

和平國際大酒店在酒店大堂、餐廳、多功能廳等，辦公樓的辦公區(qū)、走廊采用分布式智能照明控制，使照明系統(tǒng)工作在全自動狀態(tài)，系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)定的若干基本狀態(tài)進行工作，這些狀態(tài)會按預(yù)先設(shè)定的時間互相自動切換。如酒店大堂:客人進出較多的時段，調(diào)出迎賓場景，打亮大堂的全部回路燈光，方便客人進出，客人進出較少時段，調(diào)出節(jié)能場景，調(diào)暗部分回路燈光，操作可由現(xiàn)場智能控制面板就地控制，也可由中央監(jiān)控計算機控制;辦公樓走廊:采用自動照明控制，正常工作時間全開，非工作時間改為減光照明，節(jié)假日無人時可以只亮少量燈，各出入口處有手動控制開關(guān)，可根據(jù)需要手動控制就地?zé)艟叩拈_關(guān)，可采用紅外移動控制方式，人來開燈，人離開后延時關(guān)閉。

5 結(jié)語

節(jié)能降耗是國家的基本國策，在建筑工程電氣設(shè)計時應(yīng)大力推廣和實施國家的節(jié)能方針，在充分滿足建筑物的功能要求的前提下，通過合理配置建筑設(shè)備，并對其進行有效、科學(xué)的控制與管理，減少能源消耗，提高能源利用率。

[1]中國建筑標準設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能專篇——電氣[Z］.2007.

[2]李宏毅，金 磊.建筑工程電氣節(jié)能[M］.北京:中國電力出版社，2004.

[3]沈 濤.照明節(jié)能探討[J］.山西建筑，2010，36(12):236-237.