淺談建筑電氣有效節(jié)能

陳艷艷（廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司）

?

淺談建筑電氣有效節(jié)能

陳艷艷
（廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司）

【摘要】國家對建筑節(jié)能越來越重視，本文對建筑電氣節(jié)能部分幾種措施進(jìn)行分析及介紹，希望通過這些措施的實(shí)施來實(shí)現(xiàn)電氣專業(yè)節(jié)能。

【關(guān)鍵詞】建筑設(shè)備；節(jié)能措施；節(jié)能管理；管道式日光照明

在節(jié)能成為全球能源利用主題的當(dāng)下，為建造綠色建筑而進(jìn)行的節(jié)能設(shè)計(jì)也成為工程建造的重要要求。我國現(xiàn)有400多億m2的房屋建筑面積，99%為高能耗，建筑能耗約為全國能耗的25%～30%，能源利用率只有發(fā)達(dá)國家的30%，所以建筑節(jié)能任重而道遠(yuǎn)。

建筑電氣作為建筑的重要組成部分，從設(shè)計(jì)初始就應(yīng)充分考慮有效的節(jié)能措施。電氣節(jié)能的原則是為：在充分滿足、完善建筑物功能要求的前提下，減少能耗，提高能源利用率，而不是簡化建筑物的功能，降低標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)能的途徑之一是合理配置建筑設(shè)備，并對其進(jìn)行有效、科學(xué)的控制與管理。

電氣節(jié)能的主要技術(shù)措施主要從以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：供配電系統(tǒng)、建筑照明、建筑設(shè)備節(jié)能與計(jì)量管理、新能源技術(shù)的應(yīng)用。

1　供配電系統(tǒng)節(jié)能措施

⑴供電系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠，同一電壓等級的配電級數(shù)高壓不宜多于兩級，低壓不宜多于三級，盡量減少配電級數(shù)增多帶來的電能損耗。通過合理的負(fù)荷計(jì)算，確定變壓器的容量及臺數(shù)，其負(fù)荷率宜控制在70%～85%，使變壓器工作于最佳狀態(tài)。季節(jié)性的用電負(fù)荷如空調(diào)機(jī)組、冷水機(jī)組等，在設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮集中1～2臺變壓器供電，以適應(yīng)非空調(diào)季節(jié)負(fù)荷變化時(shí)能夠靈活投切變壓器，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少由于輕載運(yùn)行造成的不必要電能損耗。

在工程設(shè)計(jì)中，通常是方案階段采用單位指標(biāo)法計(jì)算用電負(fù)荷，施工圖階段根據(jù)用電設(shè)備采用需要系數(shù)法計(jì)算，選定完整個(gè)項(xiàng)目的裝機(jī)容量，再用單位指標(biāo)復(fù)核變壓器容量是否滿足，負(fù)荷率是否合理。但筆者在工作中一直對已投入使用的建筑變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率究竟為多少的問題存在疑惑。因沒有從實(shí)際工程建筑中取得數(shù)據(jù)分析，所以無從得知各項(xiàng)目變壓器的設(shè)計(jì)容量是偏小亦或是富余太多。很巧的是在《建筑電氣》期刊中查閱到由清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心張輝、李一力共同撰寫的《調(diào)整單位建筑面積電氣設(shè)計(jì)容量重要性的研究》一文，里面一些數(shù)據(jù)可供我們參考。

清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心通過分析全國50余座建筑物實(shí)時(shí)監(jiān)測的電耗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有建筑的變壓器運(yùn)行負(fù)荷率均在較低的水平上。通過對實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)建筑物全年總負(fù)荷最大時(shí)，單臺變壓器的負(fù)荷率也只有67.5%；而在用電低谷季節(jié)，單臺變壓器負(fù)荷率在10%～15%的現(xiàn)象比比皆是。

文中選取北京市幾座建筑物實(shí)測變壓器最大負(fù)荷率進(jìn)行說明。表1為文中部分建筑變壓器的臺數(shù)和容量。

表1　

圖1為實(shí)測2009年全年總負(fù)荷最大的情況下，各臺變壓器負(fù)荷率?？梢钥闯?，單臺變壓器負(fù)荷最大時(shí)，變壓器負(fù)荷率最高達(dá)77.5%。然而通過對全年負(fù)荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)量看出，負(fù)荷率達(dá)到77.5%的時(shí)間非常短暫，每次出現(xiàn)的時(shí)間也就在0.5～1小時(shí)之間，全年加起來也就是幾個(gè)小時(shí)。因此，可以認(rèn)為這個(gè)負(fù)荷率對應(yīng)的變壓器容量，就應(yīng)該是我們選取變壓器的額定容量。也就是說，變壓器的節(jié)能潛力理論上可達(dá)22.5%。

這個(gè)課題的調(diào)研，雖然樣本量小不足以支持結(jié)論，但筆者認(rèn)為，對設(shè)計(jì)工作中考慮變壓器容量選擇和節(jié)能是一個(gè)指導(dǎo)方向。同時(shí)，筆者也堅(jiān)持，對能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和反饋意義重大，應(yīng)有更多這樣的信息反饋給設(shè)計(jì)工作者。

⑵減少線路損耗是配電線路設(shè)計(jì)合理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)。由于配電線路有電阻，有電流通過時(shí)就會產(chǎn)生功率損耗，其公式為：

式中：

P——三相輸電線路的功率損耗（kW）

I——線電流（A）

R——線路相電阻（Ω）

ρ——導(dǎo)線的電阻率（Ω.m）

L——長度（m）

S——導(dǎo)線截面積（m2）

其中“R”線路電阻在通過電流不變時(shí)，線路長度越長則電阻值越大。電網(wǎng)輸送電能時(shí)產(chǎn)生的功率損耗與線路長短、線阻大小及電流量有關(guān)。工程設(shè)計(jì)中降低配電線路的損耗有以下途徑：①合理確定電氣功能用房的位置，變壓器盡量接近負(fù)荷中心，以減少供電半徑；避免配電線路迂回，減少低壓側(cè)線路長度。②對于較長的線路，在滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護(hù)配合及電壓降的要求下，可加大一級導(dǎo)線截面。

圖1　

另外，筆者在設(shè)計(jì)工作中總結(jié)出，對于平時(shí)、消防時(shí)共用的負(fù)荷，其雙電源的配電總箱通過合理的分配用電負(fù)荷，可以調(diào)整線路中的電流，從而實(shí)現(xiàn)減少線路損耗的目的。

圖2的配電方式為1APE1箱所接回路均為末端設(shè)備的主用配電線路，1APE2箱的配出線路為備用回路。在主用電源1APE1箱線路正常情況下，1APE2箱不投入，1APE1箱進(jìn)線回路上的電流Ic=Pc/Ucosφ，從上一級配電箱至1APE1箱的線路損耗為P=3·Ic2R·10-3。

圖3的配電方式為1APE1箱一半回路為末端設(shè)備的主用回路，一半回路為備用回路，1APE2箱回路的主備用關(guān)系與1APE1箱相應(yīng)對調(diào)。在線路正常情況下，假設(shè)每回負(fù)載容量相同，則1APE1、1APE2箱均帶50%的負(fù)荷。較圖2的配電方式，圖31APE1、1APE2箱進(jìn)線回路上的電流I=Ic，從上一級配電箱至1APE1、2箱的線路總損耗為2·P=2［3·（1/2Ic）2·R·10-3）］=（3·Ic2R·10-3）。

可以看出，圖3配電方式的線路損耗為圖2的一半。因此，筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)工作中，若是相似的配電情況，應(yīng)考慮采用圖3的負(fù)荷分配方式更為合理。

⑶提高供配電系統(tǒng)功率因數(shù)，可以減少線路無功功率的損耗，從而達(dá)到節(jié)能目的。主要方法有提高自然功率因數(shù)和人工補(bǔ)償改善功率因數(shù)兩種。合理選擇電動機(jī)的容量，接近滿載運(yùn)轉(zhuǎn)；限制感應(yīng)電動機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)；正確選擇變壓器容量，提高其負(fù)荷率等均是從設(shè)備上，屬于提高自然功率因數(shù)。人工補(bǔ)償在民用建筑設(shè)計(jì)中通常靜電電容器補(bǔ)償，這個(gè)普遍都能達(dá)到節(jié)能要求。

圖2　

圖3　

2　照明系統(tǒng)節(jié)能措施

除中央空調(diào)外，照明是建筑物又一能耗大戶，耗電量約占20%～25%。照明節(jié)能就是在保證不降低作業(yè)面視覺要求、不降低照明質(zhì)量的前提下，力求減少照明系統(tǒng)中光能的損失，從而最大限度地利用光能。設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下幾個(gè)方面考慮實(shí)現(xiàn)：①正確合理確定光源、燈具、附件；②合理的照度值及功率密度值的確定；③根據(jù)建筑的功能、照明使用特點(diǎn)定制控制方式；④充分考慮自然光、太陽能等新能源、新技術(shù)產(chǎn)品的利用。

《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013中對光源、燈具等做了推薦和限制。限制白熾燈的應(yīng)用，推薦使用細(xì)管直管型三基色熒光燈，金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、發(fā)光二極管等。使用低能耗性能優(yōu)的光源附件，如電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器、電子觸發(fā)器等。

照明功率密度值是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，用功率密度值來評價(jià)照明設(shè)計(jì)的合理性，在國際上也是一種較為先進(jìn)可行的節(jié)能措施。在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)照明場所的使用性質(zhì)確定照度標(biāo)準(zhǔn)，選用高效光源和燈具，避免過渡使用裝飾性燈光效果。

以充分利用自然光為原則來定制照明控制方式，工程設(shè)計(jì)中常是通過燈具平行外窗分組控制；多燈具的房間控制開關(guān)不少于兩個(gè)；采用各種接點(diǎn)開關(guān)如延時(shí)開關(guān)、調(diào)光開關(guān)、智能自控系統(tǒng)等幾種方式達(dá)到節(jié)能控制需求。此外，對于體育場、館，大型多功能廳宴會廳等特殊功能的建筑場所，可根據(jù)使用特點(diǎn)，預(yù)設(shè)多個(gè)場景照明方案。

日光照明技術(shù)是利用自然光能解決白天照明而節(jié)能的有效方法，是新能源技術(shù)應(yīng)用的典型實(shí)例。筆者在2011年參與設(shè)計(jì)的南安市某住宅節(jié)能示范小區(qū)項(xiàng)目，在其地下車庫的部分區(qū)域就采用了管道式日光照明裝置。與景觀布置相結(jié)合，在室外地坪上與設(shè)置采光罩收集自然光，通過光導(dǎo)管向下傳導(dǎo)，透過光線漫射器，將自然光引入室內(nèi)。與電光源照明系統(tǒng)結(jié)合使用，能靈活滿足場所內(nèi)的照度需求。對室內(nèi)運(yùn)動場、體育館等建筑可推薦使用。

圖4為該小區(qū)日光管道照明裝置安裝完成后地面及地下室的實(shí)景圖片。

圖4　

管道式日光照明裝置適用性強(qiáng)，節(jié)能無污染，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排的一項(xiàng)值得關(guān)注的新能源技術(shù)。

3　建筑設(shè)備節(jié)能與計(jì)量管理

空調(diào)系統(tǒng)是建筑設(shè)備中占用能耗最多的系統(tǒng)，其特點(diǎn)是設(shè)備多，控制規(guī)律復(fù)雜。通過設(shè)置空調(diào)自控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)集中管理，遠(yuǎn)程控制，自校正變參量溫度控制，提高舒適的，末端設(shè)置冷量分戶計(jì)量，若某房間冷量使用超標(biāo)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，更加節(jié)能運(yùn)行。

照明部分應(yīng)根據(jù)建筑的特點(diǎn)及經(jīng)常使用情況，在照明系統(tǒng)內(nèi)加入智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制，人體感應(yīng)控制，照度感應(yīng)控制，手動/自動控制照明系統(tǒng)，通過智能照明控制，實(shí)現(xiàn)“人走燈滅”和按需開關(guān)等的綠色照明。

同時(shí)對各類設(shè)備的能耗要做到分項(xiàng)計(jì)量，照明插座、動力、空調(diào)和特殊用電單獨(dú)計(jì)量。并對各子項(xiàng)能耗進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，建立建筑設(shè)備能源消耗的指標(biāo)體系，通過集成管理系統(tǒng)，對采集的各類設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成綜合設(shè)備管理、維護(hù)計(jì)劃、能源用量、節(jié)能運(yùn)行等方面，提升管理水平，減少能源損耗。

4　新能源技術(shù)的應(yīng)用

所謂“新能源技術(shù)”并非新的科學(xué)技術(shù)，只是對民用建筑而言近年來為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、建造綠色建筑而開始采用的一些技術(shù)，如太陽能光伏發(fā)電、日光照明技術(shù)等。據(jù)粗淺了解，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在民用建筑中使用時(shí)，成本造價(jià)過高，不能產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)生的電能效益與其系統(tǒng)造價(jià)嚴(yán)重脫節(jié)，故在民用建筑中未能廣泛推廣。文中第二點(diǎn)提及的日光照明裝置屬于日光照明技術(shù)中的被動式日光照明裝置，較主動式光纖集光照明裝置，管道式日光照明裝置基本不涉及能耗，加之成本較低，充分體現(xiàn)了建筑節(jié)能的理念，建議推廣。

5　結(jié)束語

根據(jù)建筑物的特性和使用功能，合理利用能源，提高能源效率，建立完善的計(jì)量管理制度，是為建筑電氣有效節(jié)能舉措，需要設(shè)計(jì)工作者從項(xiàng)目伊始就充分考慮，使綠色建筑的理念落到實(shí)際。●

【參考文獻(xiàn)】

［1］福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DBJ/T 13-158-2012，福建省公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］張輝，李一力.調(diào)整單位建筑面積電氣設(shè)計(jì)容量重要性的研究［J］.建筑電氣，2010，（6）：11-15.