建筑電氣的節(jié)能設計

張晟昊 王小曼 周楓

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的迅速推進，建筑能耗所占的比重越來越大，節(jié)能減排問題得到了社會的高度重視，建筑節(jié)能將成為最有潛力的節(jié)能領域。為使建筑的節(jié)能效果達到最大化，應將建筑節(jié)能在工程設計階段視為重點設計對象。電氣是建筑工程設計的重要專業(yè)之一，電能也是建筑主要消耗的能源之一。在滿足建筑使用要求的前提下，在電氣設計中增加節(jié)約電能損耗的環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)建筑節(jié)能、加強能源管理的有效方法。

本文以某辦公樓設計項目為例，該工程的總建筑面積約14 300m2，地上5層、地下1層，其中地上建筑面積約11 700m2，地下建筑面積約2 600m2。

1 供配電系統(tǒng)及電氣設備的節(jié)能設計

1.1 變電所與變壓器

根據(jù)項目的負荷等級要求及負荷計算，本工程變壓器的設計容量為1 600kVA。在一層設置一座10/0．4kV變電所，變電所的位置靠近負荷中心，供電范圍不超過200m，以節(jié)省輸電材料、降低傳輸過程中的電能損耗。變壓器選用低損耗、低噪聲、接線組別為D,yn11的節(jié)能型干式變壓器。變壓器自帶溫控裝置，其空載損耗和負載損耗不應低于現(xiàn)行國家標準《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》GB 20052中規(guī)定的目標能效限定值及節(jié)能評價值的要求。從市政引來兩路10kV高壓進線至變電所，在變電所內(nèi)設置2臺型號為SCB13-800/10的配電變壓器（每臺容量800kVA，總?cè)萘? 600kVA），采用兩路電源同時工作的方式運行。

1.2 無功補償與諧波治理

補償配電系統(tǒng)的無功功率，提高功率因數(shù)，可擁有以下收益：降低線路有功損耗、增加電網(wǎng)輸送有功功率的能力、提高電壓質(zhì)量等。在變壓器的低壓側(cè)設置無功補償裝置（無功功率集中補償），要求補償后高壓供電進戶處的功率因數(shù)不小于0．9。經(jīng)計算，每臺變壓器的補償容量各為200kVar。補償后，1號變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)達0．92，2號變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)達0．93，都大于0．9，滿足設計要求。在每臺變壓器的低壓側(cè)各安裝一臺容量為200kVar的無功補償柜，且無功補償柜自帶功率因數(shù)控制器，具有自動分步投切的功能。對于容量較大的用電設備，當功率因數(shù)較低且離變電所較遠時，可采用無功功率就地補償?shù)姆绞健?/p>

本工程含有大量的電子信息設備，將產(chǎn)生大量的諧波。諧波會使配電系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了輸電及用電設備的效率。在變壓器的低壓側(cè)設置有源濾波裝置（安裝位置一般在無功補償柜后），以有效治理諧波。此外，對于大型用電設備、大型可控硅調(diào)光設備和電動機變頻調(diào)速控制裝置等諧波含量較大的設備，可在設備配電箱的進線處設置有源濾波器或隔離變壓器，以實現(xiàn)就地的諧波抑制。

1.3 電氣設備的節(jié)能

電動機應采用高效節(jié)能產(chǎn)品，其能效應符合《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》GB18613中的目標能效限定值及節(jié)能評價值的規(guī)定。單臺電梯應具有集選控制、閑時停梯操作、燈光和風扇自動控制等節(jié)能控制措施；多臺電梯集中排列時，應具備按規(guī)定程序集中調(diào)度和控制的群控功能。自動扶梯應具有節(jié)能拖動及節(jié)能控制裝置，在全線各段均空載時應暫?；虻退龠\行。

非消防用途的風機、水泵等設備宜采用變頻調(diào)速控制。由于電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比，當用戶需求的平均流量減少時，可以降低電機轉(zhuǎn)速以減少設備運行能耗，最大限度節(jié)約電能損耗。

2 照明節(jié)能設計

2.1 照明光源與燈具

在照明節(jié)能設計有關(guān)的光源選擇時，應避免選用普通白熾燈，若經(jīng)濟條件允許，宜盡可能采用發(fā)光二極管（LED）燈。LED燈管與熒光燈相比，擁有光效更高、更為節(jié)能、使用壽命更長等優(yōu)點，而且更環(huán)保、不含汞等有害元素。本工程中，辦公室、會議室、設備機房等場所選用熒光燈；走道、樓梯間等無人長期逗留的公共場所，選用發(fā)光二極管(LED)燈。熒光燈應配用電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能電感鎮(zhèn)流器，采用單燈就地補償，使其功率因數(shù)不小于0．90。在滿足眩光限制和配光要求條件下，應選用高效率的燈具。

2.2 照明節(jié)能設計的評價指標

照明的節(jié)能設計應考慮提高整個照明系統(tǒng)的效率，且不應以損失照度和照明質(zhì)量。照明節(jié)能應采用一般照明的功率密度值(LPD)作為評價指標，應符合現(xiàn)行國家標準《建筑照明設計標準》GB50034中的相關(guān)要求。

本工程的照明設計參數(shù)見表1。

2.3 照明控制方式

設計合理的照明控制方式可以使照明節(jié)能效果達到最大化。本工程中，辦公室和會議室等場所的照明采用翹板開關(guān)進行分區(qū)、分組控制。走廊、樓梯間和電梯廳等公共場所的照明采用集中控制方式，并選用聲光控開關(guān)控制，在無人時或夜間自動熄滅，以節(jié)約電能。

在條件允許的情況下，可將走廊、樓梯間、電梯廳等公共場所的照明采用智能照明控制系統(tǒng)進行控制。該系統(tǒng)的優(yōu)點包括：集中管理、減少人為浪費；自動調(diào)光、充分利用自然光、保持照度一致性和延長燈具壽命等[1]。

3 建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)能通過對公共建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸?shù)仁侄螌崟r采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)公共建筑能耗在線監(jiān)測和動態(tài)分析功能。同時，通過對多種實時和歷史的能耗數(shù)據(jù)和變化趨勢的統(tǒng)計、對比和分析，幫助管理者發(fā)現(xiàn)和解決能源消耗方式和結(jié)構(gòu)中存在的問題，從而有針對性地對能源消耗過程和方式進行改善、調(diào)整和優(yōu)化，提高能源使用效率。該系統(tǒng)能為建筑的科學用能管理、節(jié)能診斷、能源審計等提供準確可靠的數(shù)據(jù)信息。

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)由計量裝置、數(shù)據(jù)采集器、傳輸網(wǎng)絡、能耗采集服務器、能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件等組成[2]。能耗監(jiān)測系統(tǒng)主機房可與建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)的機房合用，以便進行綜合管理。

表1 照明設計參數(shù)

本項目的主要能源種類包括電、水、燃氣。電能是建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中主要監(jiān)測的能源之一，應采用電子式電能計量裝置測量和記錄。本項目電能的種類按用途可分為照明插座電耗（室內(nèi)照明插座、公共區(qū)域照明、室外景觀照明等）、空調(diào)系統(tǒng)電耗（冷水機組、新風機組、分體式空調(diào)等）、動力系統(tǒng)電耗（電梯、水泵等）和特殊電耗（電子信息機房、廚房、洗衣房等）。在設計低壓配電系統(tǒng)時，應在變壓器低壓側(cè)分別用不同的配電干線將不同種類的電耗進行分開配電、自成系統(tǒng)。將電子式電能計量裝置分別安裝在照明插座、空調(diào)、動力、特殊電耗的配電干線回路上，以及變壓器的低壓出線側(cè)，以實現(xiàn)電能的分項計量。其中，變壓器的低壓出線側(cè)裝設的電能計量裝置應具有測量有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)功能的電力質(zhì)量分析儀表。

在市政給水管網(wǎng)的引入總管、一層廚房餐廳的供水管處裝設數(shù)字式水表；在市政供氣管網(wǎng)的引入總管、一層廚房餐廳的供氣管處裝設數(shù)字式燃氣表。

同時，采用RS485網(wǎng)絡將各測量儀表接入串口服務器，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡（以太網(wǎng)、光纖、無線等）與監(jiān)控中心的能耗監(jiān)測服務器相連。能耗監(jiān)測服務器裝有能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件，軟件具有對能耗數(shù)據(jù)的采集、處理、分析等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 能耗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

4 結(jié)論

在我國，城市中的大部分建筑是我國能源消耗的大戶，建筑電氣設計人員應熟練掌握建筑節(jié)能的專業(yè)知識，在工程設計階段應重視建筑節(jié)能，不斷學習節(jié)能領域最新的國家規(guī)范。通過對供配電系統(tǒng)、電氣設備、照明系統(tǒng)的節(jié)能設計，可有效減少電能損耗、提高能源利用效率；通過設置建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，可為建筑的科學用能管理、節(jié)能診斷提供重要依據(jù)。