高職院校建筑能耗分析與電氣節(jié)能設(shè)計措施探討

童 凌

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院基本建設(shè)管理處，四川成都611130)

高職院校以工作過程為導(dǎo)向的教學(xué)體系，實驗實訓(xùn)場所多，教學(xué)設(shè)備多，校企合作項目多，校園人員密集，是電能的高消耗區(qū)。在能源問題嚴峻的今天，作為節(jié)能減排倡導(dǎo)者的高職院校來說，應(yīng)該具有更強的能源意識，并更加重視節(jié)能工作的開展。本文主要針對高職院校特點，對校園建筑進行能耗分析，并提出相關(guān)建筑電氣節(jié)能設(shè)計措施。

1 能耗分析

對校園建筑的能耗分析主要從建筑物能耗和供配電系統(tǒng)能耗兩方面來談

1.1 建筑物能耗

1.1.1 冷熱源能耗

冷熱源能耗主要指空調(diào)用電能耗。眾所周知，空調(diào)用電能耗在建筑能耗中占據(jù)最高比例。對于高校校園建筑來說，主要是辦公樓、實驗樓、圖書館、計算機中心、宿舍等場所的分體式空調(diào)用電以及諸如學(xué)術(shù)培訓(xùn)中心、科研綜合樓等高層建筑配置的VRV空調(diào)用電。經(jīng)能耗估算，分體式空調(diào)單臺平均功率為1.5 kW，VRV空調(diào)單臺平均功率為60 kW，根據(jù)實際使用情況，設(shè)年平均運行時間為1000 h，則單臺分體式空調(diào)年耗電量為1 500 kW·h，折合電價約784元(取地區(qū)平均電價0.5224元/kW·h，下同);單臺VRV空調(diào)年耗電量為60 000 kW·h，折合電價約31344元。能耗情況不容樂觀。

造成空調(diào)能耗過高的主要原因是(1)空調(diào)配置不當(dāng)。在房間或區(qū)域內(nèi)配置空調(diào)時，未在施工圖設(shè)計過程中予以準確考慮，配置隨意性大，易造成“小面積，大空調(diào)”等空調(diào)規(guī)格選型過大的問題;(2)使用者節(jié)能意識淡漠，在夏季使用空調(diào)時，往往將空調(diào)制冷溫度調(diào)得很低，或不根據(jù)人員多少對空調(diào)溫度進行及時調(diào)整，在能進行自然通風(fēng)時不采取自然通風(fēng)降溫的方式或在人離開房間后，不關(guān)閉空調(diào)等。(3)缺乏科學(xué)有效的管理手段或因條件限制未能配置先進的控制系統(tǒng)。

1.1.2 照明能耗

作為人員密集的高校教學(xué)性質(zhì)建筑，諸如教學(xué)樓、圖書館閱覽室等，均是用眼的高頻率場所，對于這類建筑，其動力設(shè)備與冷熱源負荷相對較少，主要用電負荷為照明負荷。由于我國高校的照明用電管理大多為開放式的模式，控制手段單一，選用的光源光效不高，照明用電能耗不容樂觀。如一些學(xué)校教學(xué)樓采用按時統(tǒng)一送電的管理方式，加之白天人眼對自然光的敏感性差，即使在自然光充足的情況下，教室的燈依然開啟。再者由于許多學(xué)生節(jié)能意識不高，“長明燈”現(xiàn)象非常突出，下課后，空無一人的教室里燈不關(guān)的情況比比皆是，造成了較大的電能浪費。

根據(jù)我國《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034－2004)對學(xué)校建筑照明功率密度(W/m2)現(xiàn)行值的規(guī)定，單位面積照明功率為11W，按照一棟六層主教學(xué)樓計算，設(shè)建筑面積約為20 000 m2，照明年平均運行時間為1200 h，則年總耗電約為26.4×104kW·h，加上維護成本，折合費用約15萬元。根據(jù)某節(jié)能公司的改造數(shù)據(jù)，此類建筑的節(jié)電空間越為20—30%，因此，照明節(jié)能工作勢在必行。

1.1.3 實驗實訓(xùn)動力設(shè)備用電能耗

根據(jù)高職院校的教學(xué)體系，所開設(shè)的實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)課程較多，校企聯(lián)合項目多，實驗實訓(xùn)場所安裝了較多的動力設(shè)備和特種設(shè)備，此類場所也是建筑電氣設(shè)計的重點和難點。在方案設(shè)計階段，使用部門一般根據(jù)使用需求，提供設(shè)備清單。設(shè)計人員也按照清單提供的最大負荷考慮設(shè)計容量，但按這種方式計算出的負荷往往不準確。在實際工作中，許多進場設(shè)備與清單參數(shù)并不一致，某些特殊設(shè)備如焊接類設(shè)備，屬于斷續(xù)工作制性質(zhì)，由于功能設(shè)計時諸如暫載率等參數(shù)不明確，導(dǎo)致負荷計算過大，再如對設(shè)備的功能性使用要求不明，實際使用時同時使用概率偏低，均導(dǎo)致負荷計算不準確。而計算負荷的選擇失當(dāng)影響了后續(xù)設(shè)計工序，如導(dǎo)致設(shè)備、線纜選擇不當(dāng)?shù)?，既加重了成本，對?jié)能也不利。再如，以汽車鈑金噴漆類實訓(xùn)場所為例，該類場所所涉及的設(shè)備眾多，如烤漆房、干磨機、空壓機、保護焊機、切割機、烤燈、調(diào)漆臺等等，設(shè)備功率差異大，三相、單相制設(shè)備均有，容易造成三相負荷分配不均衡，產(chǎn)生一系列問題。

1.2 供配電系統(tǒng)能耗

1.2.1 變壓器損耗

變壓器作為供配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其損耗包括有功功率損耗和無功功率損耗。

式中:ΔP為變壓器有功功率損耗(kW);P0為空載損耗，鐵損(kW);PK為短路損耗，銅損(kW);β為變壓器負載率;SC為計算負荷的視在容量(kVA);SN為變壓器的額定容量(kVA);

變壓器的無功損耗也由兩部分組成，一部分是變壓器空載時，主磁通勵磁電流造成的無功損耗。另一部分是由變壓器負荷電流在一次、二次繞組電抗上產(chǎn)生的無功損耗。其公式為:

式中:ΔQ為變壓器無功功率損耗(kVar);Q0為空載損耗，鐵損(kVar);QK為短路損耗，銅損(kVar);β為變壓器負載率。

1.2.2 供配電系統(tǒng)線路損耗

電能在傳輸過程中，由于線路自身電阻，所產(chǎn)生的損耗稱為線路損耗。其有功損耗計算公式為

式中:ΔP為三相供配電線路的有功功率功率損耗(kW);I為線路相電流(A);R為線路電阻(Ω)。

當(dāng)輸送功率與電壓不變時，功率損耗主要取決于線路電阻值，線路越長電阻值越高。學(xué)校建筑供配電方式一般采用放射式為主，放射式與樹干式結(jié)合的方式，由于用電點多，線路較長，線路損耗問題不容忽視。

有功損耗由兩部分構(gòu)成，其一為空載損耗，也稱鐵損，它是變壓器主磁通在鐵芯中產(chǎn)生的有功損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成。鐵損只與鐵芯材料和制造工藝有關(guān)，而與負荷大小無關(guān)。另一部分是短路損耗，也稱銅損，它是變壓器負荷電流在一次繞組和二次繞組的電阻中產(chǎn)生的有功損耗，與負荷電流的平方成正比。變壓器有功損耗的計算公式為:

2 電氣節(jié)能設(shè)計措施

2.1 冷熱源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

2.1.1 空調(diào)設(shè)備的選型與布置

根據(jù)我國強制性國家標準《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》(GB 12021.3－2010)相關(guān)規(guī)定，校園建筑所選擇的空調(diào)器必須達到國家2級能效標準要求，并加強使用過程中對設(shè)備的維護管理，嚴格禁止使用淘汰產(chǎn)品或不滿足相關(guān)規(guī)范的高能耗產(chǎn)品。在布置室外機時，應(yīng)將設(shè)備設(shè)置在進風(fēng)通暢、排風(fēng)不回流的地方，以保證室外機的制冷量(制熱量)。

2.1.2 最大限度利用室外新風(fēng)

應(yīng)根據(jù)建筑維護構(gòu)造特點，采用節(jié)能的通風(fēng)設(shè)備，最大限度利用室外新風(fēng)進行自然冷卻。在春秋季過渡季節(jié)，為便于利用低溫室外空氣供冷，在暖通設(shè)計時，應(yīng)注意設(shè)置足夠的新風(fēng)通道以便直接將室外新風(fēng)引入室內(nèi)。在能夠進行自然通風(fēng)時，宜開啟外窗，盡量采用引室外自然新風(fēng)，以熱壓、風(fēng)壓通風(fēng)方式實現(xiàn)無組織換氣。

2.1.3 改進管理，配置空調(diào)控制系統(tǒng)

在工作中加強設(shè)備運行管理，有條件時，應(yīng)配置空調(diào)控制系統(tǒng)，對建筑物內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化控制。如在設(shè)置VRV空調(diào)系統(tǒng)的公共區(qū)域，應(yīng)根據(jù)人流量，分高峰、中峰、低峰時段對空調(diào)開啟數(shù)量及風(fēng)速進行調(diào)節(jié)，在無人時，應(yīng)關(guān)閉空調(diào);在演講廳、圖書館閱覽室、階梯教室等重點區(qū)域，宜根據(jù)使用者數(shù)量及分布情況，調(diào)節(jié)空調(diào)風(fēng)速，并根據(jù)使用時間及時對空調(diào)進行啟閉控制。對辦公場所，可在夏季設(shè)定空調(diào)制冷溫度下限，如不得低于26℃等管理措施。可采取行政化管理機制強化節(jié)能管理成果。

2.2 照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

學(xué)校是典型的教學(xué)建筑聚集區(qū)，也是用眼頻率極高的場所。在營造一個健康、高效的的光環(huán)境的同時，還應(yīng)在設(shè)計時，采取相應(yīng)措施，降低照明能耗。主要有以下一些措施:

2.2.1 確定合理的照度值水平

在照明設(shè)計中，照度值的確定是一個十分重要的工作，關(guān)系到照明功率等后續(xù)參數(shù)的計算與確定，選擇合理的照度值有利于照明能耗控制的實現(xiàn)。一旦選擇錯誤，不僅影響設(shè)計效果，而且會造成能源浪費。在實際設(shè)計工作中，應(yīng)根據(jù)建筑空間性質(zhì)，按照相關(guān)規(guī)范與設(shè)計標準，結(jié)合經(jīng)濟條件確定。教學(xué)樓、圖書館、實驗樓、辦公樓等建筑應(yīng)按照《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034－2004)的要求進行照度值選取，校園廣場、道路等區(qū)域可參照《城市道路照明設(shè)計標準》(CJJ 45－2006)的相關(guān)要求選取。

2.2.2 充分利用天然光

在《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034－2004)第6.2條中，對充分利用天然光以實現(xiàn)照明節(jié)能做了相關(guān)規(guī)定及建議。主要有:房間的采光系數(shù)或采光窗地面積比應(yīng)符合《建筑采光設(shè)計標準》(GB/T 50033)的規(guī)定。有條件時，宜隨室外天然光的變化自動調(diào)節(jié)人工照明照度宜利用各種導(dǎo)光和反光裝置將天然光引入室內(nèi)進行照明;宜利用太陽能作為照明能源。

在進行設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)建筑物朝向、結(jié)構(gòu)、造型等客觀因素，與建筑裝飾專業(yè)充分配合，充分利用天然光照明，做到自然照明與人工照明的最佳結(jié)合。這是照明節(jié)能的最佳模式，也是綠色照明思想的體現(xiàn)。

2.2.3 選用高效光源、低損耗鎮(zhèn)流器以及高效燈具

在光源選擇時，除合理運用配光曲線的同時，選擇高效、節(jié)能的光源十分必要，針對不同性質(zhì)場所，選擇相適應(yīng)的高效光源。對于教學(xué)樓、圖書館等公共區(qū)域，選擇建議采用T8(有條件選擇T5)型直管細管型三基色熒光燈，該光源顯色性好、光效高、且節(jié)能效果明顯，且應(yīng)帶有電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。若建筑物配置有智能照明控制系統(tǒng)，則應(yīng)廣泛采用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器。對于學(xué)生宿舍則建議采用居住性節(jié)能燈，如U型、H型、O型、2D型等。若經(jīng)濟條件許可，還可選用LED光源，該光源光線質(zhì)量好、光效高、壽命長、能耗低，節(jié)能潛力大，是近年來被逐步認可的綠色光源。

教學(xué)樓教室燈具宜選取非對稱光分布，光效比不低于75%的開啟式配照型配光燈具;對于圖書館閱覽室、報告廳等高大空間場所，其天棚反射比高，可采用半間接照明燈具。

2.2.4 改進控制方式，配置智能化的照明控制系統(tǒng)

可改進傳統(tǒng)的燈具控制模式，如在公共區(qū)域如樓梯間、走道等，建議采用聲、光控、延時控制或紅外開關(guān)等。針對校園建筑特點，若有條件建議配置智能照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可與BAS系統(tǒng)實現(xiàn)集成，通過光照度傳感器、紅外傳感器、聲波傳感器等探測裝置，固定于墻面或演講臺的控制面板以及無線遙控等設(shè)施，根據(jù)被控區(qū)域照度水平、人員存在狀態(tài)對區(qū)域內(nèi)照明設(shè)備進行自動啟閉、調(diào)節(jié)等操作，實現(xiàn)最佳光環(huán)境的營造，能顯著的降低照明用電能耗，節(jié)電率可高達近30%。

2.3 實驗、實訓(xùn)樓/實習(xí)車間節(jié)能設(shè)計

2.3.1 準確確定計算負荷

在對此類建筑物進行電氣設(shè)計時，首先應(yīng)盡可能明確用電設(shè)備，特別是大功率用電設(shè)備與特種工作制設(shè)備(如點焊機、對焊機、桁吊等)，應(yīng)請設(shè)備供應(yīng)商做好設(shè)備的工藝性設(shè)計或提供明確的安裝使用要求，避免對設(shè)計質(zhì)量造成影響。在進行電氣設(shè)計時，準確的計算負荷，特別是對功率因數(shù)和同時性系數(shù)的選取尤為重要，避免因負荷計算不準確造成配電設(shè)備與線纜選型過大，造成浪費，建議采用需要系數(shù)法進行計算，還應(yīng)注意三相負載的平衡。

2.3.2 優(yōu)化動力設(shè)備控制方式

根據(jù)使用需求，對電動機進行控制系統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化動力設(shè)備控制方式。如根據(jù)設(shè)備性質(zhì)及工作順序進行分組，設(shè)置合理的末級出線點，減少線纜、橋架耗量，設(shè)置群組開關(guān)控制箱;正確選擇電動機起動方式與運行方式，如降壓啟動，加裝變頻裝置等，并考慮動力設(shè)備無功功率補償?shù)木偷赝肚械取?/p>

2.4 供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

2.4.1 對配電點合理布置

在設(shè)計配電點位置時，變配電所(間)、配電柜(箱)應(yīng)盡量靠近負荷中心，配電間應(yīng)盡量靠近強電井，以縮短配電半徑減少線路損耗，一般來說低壓線路供電線路不宜超過200 m。通過對配電點的合理布置，可降低線路損耗并提高運行可靠性。

2.4.2 變壓器選型

變壓器的選型應(yīng)遵從以下幾個原則:(1)準確計算負荷，合理確定變壓器容量，并綜合考慮初始投資與運行維護費用，選擇容量與負荷相匹配的變壓器，并對根據(jù)負荷的分布情況、所供建筑物性質(zhì)情況、對變壓器設(shè)置位置、出線回路等作出合理設(shè)計，使其運行于高效低耗區(qū)。(2)選擇節(jié)能型變壓器，在選擇變壓器時候，應(yīng)選擇高效率、低損耗、抗沖擊、噪音低、節(jié)能效果好的節(jié)能產(chǎn)品。為使變壓器處于最經(jīng)濟節(jié)能運行狀態(tài)，其負載率宜在75% ～85%之間，并不應(yīng)超過85%。宜選用鐵芯材料采用具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)冷軋取向硅鋼片制造的變壓器，其渦流損耗與漏磁損耗低，節(jié)能效果顯著。(3)由于校園負荷種類多，照明設(shè)備多，單相、三相設(shè)備分布廣，因此諧波及三相負荷不平衡問題突出，根據(jù)我國《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ 16－2008)等相關(guān)規(guī)范，配電變壓器宜選用D，ynll接線組別的變壓器。(4)由于高職院校的實驗實訓(xùn)樓等實踐性教學(xué)場所大功率動力設(shè)備多，且有大起動電流設(shè)備存在，為避免此類設(shè)備工作時對計算機中心、教學(xué)樓等場所造成影響，對此類建筑物宜采用專設(shè)變壓器供電。綜上，本著綜合考慮校園建筑的特點和節(jié)約成本的原則，建議選用SCB型干式變壓器。

2.4.3 合理選擇供配電線纜，降低線損，節(jié)約投資

由于校園建筑供配電系統(tǒng)線路損耗問題嚴重，除選擇合理配電點以減小線路長度外，選擇電阻率較小的線纜也很有必要。根據(jù)電阻值公式可知，線路電阻與截面成反比，對于較長的線路，在滿足載流量、熱穩(wěn)定性、允許電壓降要求所選定的截面外，可適當(dāng)再加大一級導(dǎo)線的截面，這樣可延長線纜的使用壽命，減少線路的損耗。將線路損耗減少以及維護費用降低與線路截面增大所產(chǎn)生的費用相權(quán)衡，仍不失為一技術(shù)經(jīng)濟可行的設(shè)計方案。

在進行導(dǎo)線、電纜截面選擇時，首先應(yīng)根據(jù)線路敷設(shè)環(huán)境，滿足機械強度要求。在確定截面時，一般采用按發(fā)熱條件，即根據(jù)線纜載流量進行選擇，這就要求負荷計算一定要準確，避免因負荷計算失當(dāng)導(dǎo)致計算電流偏差而造成浪費。

2.4.4 無功功率補償設(shè)計

降低供配電系統(tǒng)無功功率可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)cos，功率因數(shù)的提高可降低負荷電流，以便在選擇設(shè)備型號與線纜截面縮小一級，以節(jié)省成本和降低維護費用。由于線損與功率因數(shù)有關(guān)，提高cos還可降低線路損耗。具體措施有:

(1)減少用電設(shè)備的無功功耗，在設(shè)計選型時，盡量選擇功率因數(shù)高的設(shè)備。如選擇高功率因數(shù)電動機，運行時使其保持較高的負載率，并盡量減少空載運行時間。有條件時，在實訓(xùn)動力設(shè)備選擇時，考慮同步電動機替代異步電動機。合理選擇變壓器規(guī)格型號，避免長期輕載運行導(dǎo)致 cos降低。

(2)采用靜電電容器進行無功功率補償，提高功率因數(shù)。一般采用就地補償和低壓集中補償?shù)脑O(shè)計方式。

3 結(jié)束語

在各高職院校校園規(guī)模逐步擴大的同時，能耗及能源投資問題突出，從節(jié)能角度來看，節(jié)能潛力巨大，任務(wù)艱巨。在進行校園建筑設(shè)計工作時，建筑電氣設(shè)計應(yīng)提前介入，根據(jù)高職院校校園建筑物性質(zhì)及特點，對負荷情況進行認真查勘。在設(shè)計過程中，應(yīng)加強節(jié)能理念的貫徹，綜合空間環(huán)境、安全性、可靠性、使用功能、建設(shè)投資等多種因素，確定科學(xué)、合理、高效、節(jié)能的設(shè)計方案，使高職院校節(jié)能工作的開展得到技術(shù)保證。

[1]GB 50034－2004建筑照明設(shè)計標準[S]

[2]GB/T 50378－2006綠色建筑評價標準[S]

[3]JGJ16－2008民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S]

[4]雍靜.供配電系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003

[5]吳偉光.供配電和照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計[J].建筑電氣，2008(6)