高校建筑電氣節(jié)能措施探討

王璽

（遵義醫(yī)學(xué)院貴州遵義　563000）

高校建筑電氣節(jié)能措施探討

王璽

（遵義醫(yī)學(xué)院貴州遵義563000）

近些年，我國教育體制改革不斷深化，高校規(guī)模日益增加。根據(jù)調(diào)查，我國各類高校近3000所，已經(jīng)成為一大能源消耗大戶?！笆晃濉逼陂g，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、教育部就明確提出了高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)的總體節(jié)約目標(biāo)，聯(lián)合出臺了《關(guān)于推進高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)進一步加強高等學(xué)校節(jié)能節(jié)水工作的意見》、《高等學(xué)校校園建筑能耗統(tǒng)計審計公示辦法》等一系列文件。基于此，本文從高校電能使用的情況、特點出發(fā)，站在供配電系統(tǒng)設(shè)計、供配電設(shè)施設(shè)備選型、無功功率補償、照明節(jié)能、可再生能源利用等角度具體分析了高校建筑電氣節(jié)能。

高校建筑；電氣節(jié)能；措施

1　引言

當(dāng)前，隨著世界高等教育大眾化的發(fā)展，高校擴招普遍，校園規(guī)模不斷增大，用電量也迅速增長。高校建筑節(jié)能不僅可為教學(xué)、科研、生活創(chuàng)造良好環(huán)境，還能促進環(huán)境資源可持續(xù)的開發(fā)與利用。因此，高校建筑節(jié)能勢在必行，建設(shè)節(jié)約型校園已成為我國高校發(fā)展重要工作。

2　高校電能使用的情況、特點

2.1高校用電季節(jié)性

由于高校教學(xué)存在寒暑假，因此其建筑能耗也具有顯著的季節(jié)性特征。寒假暑假期間由于學(xué)生放假，學(xué)生宿舍、食堂、教室以及實驗室等能耗明顯下降。但是，此階段往往正是民用住宅和商業(yè)建筑采暖或空調(diào)制冷的用能高峰期，因此在確定高校能源供給計劃時應(yīng)通盤考慮。

2.2高校用電集中性

高校用電時間十分集中，例如：教學(xué)樓的主要用能時間段是8～22點，辦公樓的主要用能時間是8～18點。因此，在對高校建筑進行電氣設(shè)計、管理時，必須統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，特別是注重在用能相對集中時間段的節(jié)能管理。

2.3高校用電性質(zhì)多樣

由于高校內(nèi)存在教學(xué)樓、辦公樓、宿舍樓、實驗室、食堂等多種建筑，涉及暖通、照明、電梯、教學(xué)、實驗設(shè)備等各式用能設(shè)施，囊括了電、熱、天然氣、煤炭等多類能源，這就決定了高校用電性質(zhì)多?；诖?，必須對各種建筑耗能特點、數(shù)量進行分類，以有針對性地加強節(jié)能改造。

2.4高校用電負(fù)荷等級涉及范圍廣

根據(jù)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，近些年我國新建高校涵蓋了民用建筑各類型，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可以將建筑供電負(fù)荷飛分為一、二、三個等級。高校供電負(fù)荷等級涉及范圍十分廣，重要實驗室電源，包括生物制品、培養(yǎng)劑用電等為一級，高層教學(xué)樓客梯、主要通道照明為二級，此外還有部分建筑為三級負(fù)荷。

3　高校建筑電氣節(jié)能措施

3.1從供配電系統(tǒng)設(shè)計節(jié)能

現(xiàn)代高校校園建筑面積普遍較大。教學(xué)樓、實訓(xùn)中心、行政辦公樓、學(xué)生宿舍、生活區(qū)等分布較廣，用電需求、系統(tǒng)供電能力都有所不同。

線路電流無法改變，若想減少線路損耗，關(guān)鍵在減小供配電線路電阻。線路電阻R=P·L/s，因此減少線路的損耗，理論上可以選用電導(dǎo)率小的材質(zhì)做導(dǎo)線、減小導(dǎo)線長度并適當(dāng)增大導(dǎo)線截面面積。為了降低配電網(wǎng)損耗，應(yīng)從接入點附近從電網(wǎng)中取得電源，因為負(fù)載的功率損耗和電網(wǎng)的輸電電壓、負(fù)載電流、有功無功功率和供配電線路的距離有關(guān)。所以，當(dāng)供配電線路距離過長會大大增加線損。當(dāng)輸送電壓和功率因數(shù)均保持不變的條件下，輸送距離增加10%，功率損耗隨之增大10%。我國對10kV/0.4kV配電線路規(guī)定了其合理的輸送距離和容量（見表1）。

表1　線路輸送距離與輸送容量

因此，高校供配電系統(tǒng)應(yīng)盡量簡單可靠，同一電壓等級變配電級數(shù)需少于兩級，適宜采用10/0.4kV電壓等級配電，再結(jié)合校園各區(qū)用電要求，合理確定供配電系統(tǒng)，可采用10kV電壓等級線路直接供電到負(fù)荷中心，輸送容量和距離均應(yīng)滿足上表要求。

3.2從供配電設(shè)施設(shè)備的選型節(jié)能

3.2.1變壓器的選型

變壓器的選型應(yīng)遵從以下幾個原則：

（1）準(zhǔn)確計算負(fù)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(fù)荷相匹配的變壓器，并對根據(jù)負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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》（JGJ16-2008）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）由于高校實驗室存在較多的大功率動力設(shè)備，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。

3.2.2供配電線纜的選擇

由于校園建筑供配電系統(tǒng)線路損耗問題嚴(yán)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R=ρLS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(fù)荷計算一定要準(zhǔn)確，避免因負(fù)荷計算失當(dāng)導(dǎo)致計算電流偏差而造成浪費。

3.3無功功率補償

無功電源和有功電源一樣，同樣保證著電能的質(zhì)量。電力系統(tǒng)運行時應(yīng)保證無功平衡，否則，系統(tǒng)電壓將會降低，功率因數(shù)也會隨之下降。負(fù)荷的有功功率保持不變的條件下，提高其功率因數(shù)，可以減少所需的無功功率，進而減少通過供配電線路和變壓器的損耗和電能損失。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電網(wǎng)線損約70%實在10/0.4kV配電系統(tǒng)中損耗的，而無功功率大約50%消耗在用戶方面，剩余的約50%左右消耗在電網(wǎng)損耗上，對用戶端來說，應(yīng)就地安裝無功補償設(shè)備。

對于高校來說，其中大量使用單相負(fù)荷，容易造成三相負(fù)載的不平衡。由于調(diào)節(jié)補償無功的采樣信號取自任意一相，從而造成未檢測的兩相容易形成欠補償或過補償。對于三相不平衡以及單相配電系統(tǒng)，可以采用分相電容自動補償?shù)霓k法，通過調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進行相應(yīng)補償，不影響其他相，故不會產(chǎn)生欠補償和過補償。

3.4照明節(jié)能

3.4.1燈具選擇

場所的不同，燈具選擇標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異，具體如下：

（1）教學(xué)樓、實驗樓、圖書館。教學(xué)樓、實驗樓、圖書館具體可以分為兩類區(qū)域：一是功能照明區(qū)域，如：教室、實驗室、閱覽室等等；二是非功能照明區(qū)域，如：門廳、走廊、電梯間等等。其中，功能照明區(qū)域，目前多數(shù)使用“T8直管型熒光燈+電子鎮(zhèn)流器”，據(jù)調(diào)查1盞40W與20W普通T8熒光燈光通量約分別為2500lm和1025lm，1盞28W與13W普通T5熒光燈光通量約分別為2600lm和1100lm。因此，T5熒光燈可完全替代T8熒光燈，在確保室內(nèi)照度的同時，令照明系統(tǒng)功率密度下降約25～30%，具有顯著的節(jié)能效果。因此，建議選用“T5直管型熒光燈+電子鎮(zhèn)流器”。非功能照明區(qū)域，建議選用LED燈具或是U型緊湊節(jié)能燈。

（2）食堂、學(xué)生宿舍等區(qū)域，由于此類區(qū)域照度要求不高，因此建議使用LED燈具。

（3）室外照明區(qū)域。據(jù)調(diào)查，我國不少高校在室外照明區(qū)域使用的是大功率金鹵燈，但是其發(fā)光效率偏低，能耗高?；诖?，推薦使用LED泛光燈，其泛光燈發(fā)光效率達600～700lm/W，遠高于金屬鹵化物燈，在滿足照度需要的基礎(chǔ)上，可減少室外照明能耗。此外，隨著清潔能源的廣泛應(yīng)用，校園道路照明燈還可選用天陽能+風(fēng)能供電，以進一步實現(xiàn)環(huán)保與節(jié)能。

3.4.2優(yōu)化照明控制方式

（1）圖書館照明系統(tǒng)控制方式。圖書館的主要功能區(qū)為閱讀區(qū)，為了保證自然光得以充分利用，需對照明系統(tǒng)配電線路進行優(yōu)化設(shè)計，采用“感光控制系統(tǒng)+紅外感應(yīng)控制系統(tǒng)”，即：靠窗閱覽區(qū)使用感光照明，可根據(jù)區(qū)域照度自動調(diào)節(jié)燈具開啟的數(shù)量，如圖1所示；內(nèi)部帶卡位閱覽區(qū)使用紅外感應(yīng)，若是卡位無人，則燈具自動關(guān)閉，若是卡位有人，則會開啟燈具，如圖2所示。

圖1　感光控制系統(tǒng)

圖2　紅外感應(yīng)控制系統(tǒng)

（2）教學(xué)樓、實驗樓照明系統(tǒng)控制方式。教學(xué)樓、實驗樓主要功能區(qū)為教室與實驗室，建議對其照明系統(tǒng)配電線進改造，使用與教學(xué)課時相關(guān)聯(lián)的“定時控制+感光控制”；對于實習(xí)室，容易出現(xiàn)學(xué)生數(shù)量少而教室照明燈全開的情況，出現(xiàn)照明能耗嚴(yán)重的問題，建議使用“定時控制+計數(shù)照明”控制系統(tǒng)，合理控制燈具數(shù)量。

（3）教師辦公樓照明系統(tǒng)控制方式。教師辦公樓主要功能區(qū)為辦公室，多數(shù)采用的是群控方式，無法根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)燈具開啟數(shù)量，導(dǎo)致電能的浪費。對此，可使用分區(qū)控制系統(tǒng)，以控制燈具開啟數(shù)量，實現(xiàn)照明能耗的有效降低。

（4）食堂、學(xué)生宿舍照明系統(tǒng)控制方式。食堂、學(xué)生宿舍人員的停留時間和人數(shù)比較固定，只需采用傳統(tǒng)分區(qū)手動控制，加強運行管理即可實現(xiàn)照明能耗的降低。

3.5加強可再生能源的利用

我國地處北半球，南北從北緯4～52.5°，東西自東經(jīng)73～ 135°。全國各地的年太陽輻射總量為931～2334kWh/m，中值為1633kWh/m，太陽能資源豐富，應(yīng)予以充分利用。

（1）自然光光導(dǎo)照明。該照明裝置自20世紀(jì)80年代末得以流行，主要是利用采光裝置聚集室外自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)由特殊導(dǎo)光裝置強化和高效傳輸后，由系統(tǒng)底部漫射裝置將自然光線均勻?qū)胧覂?nèi)任何需要光線的地方，可完全電能照明，是一種綠色健康、節(jié)能環(huán)保的新型照明產(chǎn)品。從黎明到黃昏，甚至是雨天或陰天，該照明系統(tǒng)導(dǎo)入室內(nèi)的光線都十分充足。當(dāng)前，我國已掌握此技術(shù)，在上海同濟大學(xué)、清華大學(xué)節(jié)能示范樓等項目中均取得了成功應(yīng)用。

（2）太陽能光伏電源系統(tǒng)。太陽能光伏電源系統(tǒng)主要組成部分包括太陽能光伏電池組件、控制器、蓄電池、逆變器、燈具等等，根據(jù)運行方式可將其分為獨立系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中，獨立系統(tǒng)白天太陽能發(fā)電多余部分使用蓄電池進行儲存，在滿足夜間用電需求同時，還可作為災(zāi)害時期后備電源；并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)白天太陽能發(fā)電可送回電網(wǎng)，夜間使用，不足部分由電網(wǎng)提供。選用太陽能光伏電源系統(tǒng)時，需充分考慮工程所在地的太陽能資源狀況與工程投資情況，年日照時數(shù)若是小于2200h則不宜采用。

4　結(jié)語

總之，為了提升高校建筑電氣系統(tǒng)的節(jié)能效果，設(shè)計人員在開展電氣系統(tǒng)設(shè)計工作時，不但要分析電氣系統(tǒng)裝置的節(jié)能效果，同時也需要分析其經(jīng)濟性、安全性以及可靠性，選用高效系統(tǒng)設(shè)備，科學(xué)制定供配電方案，在提升其環(huán)保節(jié)能性的同時，獲取更多的經(jīng)濟效益以及社會效益。

[1]陳健弘，韓寧，楊波.建筑電氣節(jié)能技術(shù)與方案若干問題的探討[J].電氣應(yīng)用，2013（02）：156～157.

[2]許煒.建筑電氣節(jié)能措施探討[J].湖南農(nóng)機，2012，38（11）：250～251.

[3]張紹秋.建筑電氣技術(shù)節(jié)能措施的探討[J].河北企業(yè)，2012（10）：83～85.

TU85

A

1673-0038（2015）48-0109-03

2015-11-12

王璽（1984-），男，漢族，中級建筑電氣工程師，碩士，主要從事建筑電氣建筑管理工作。