論高層建筑電氣節(jié)能的設(shè)計(jì)措施

許冰冰

(福建建工集團(tuán)設(shè)計(jì)分公司，福建 福州 350001)

0 前 言

當(dāng)前，從單位面積的能耗指標(biāo)角度分析，我國(guó)的能耗指標(biāo)是發(fā)達(dá)國(guó)家的2倍以上，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速推進(jìn)，城市人口大量增長(zhǎng)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，為滿(mǎn)足城市海量人口的日常生活和居住需求，大量高層及超高層建筑如雨后春筍般拔地而起；為滿(mǎn)足高層及超高層建筑的居住需求，建筑供配電系統(tǒng)成為建筑中必不可少的分項(xiàng)工程之一。一般情況下，建筑供配電系統(tǒng)可細(xì)分為照明系統(tǒng)和節(jié)能系統(tǒng)兩大類(lèi)，這兩類(lèi)同時(shí)也是節(jié)能降耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵位置。為進(jìn)一步控制建筑能耗指標(biāo)，國(guó)家在建筑節(jié)能方面已經(jīng)陸續(xù)出臺(tái)了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，我國(guó)在建筑電氣節(jié)能方面還有較大的空間和潛力，因此，有必要針對(duì)高層建筑的電氣節(jié)能開(kāi)展針對(duì)性分析，從而顯著降低當(dāng)前的建筑電氣能耗水平。

1 降低輸配電系統(tǒng)線(xiàn)路損耗措施

從輸配端分析，降低輸配電線(xiàn)路的能耗水平是高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部分，同時(shí)也是衡量高層建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)；目前，涉及到供配電線(xiàn)路降耗的常用方式主要有高電壓傳輸、降低無(wú)功功率、控制阻值及降低線(xiàn)路端損耗等。

1)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)方位、負(fù)載大小、輸電距離、輸電線(xiàn)路敷設(shè)形式、用電端特點(diǎn)等因素，優(yōu)化供配電系統(tǒng)的輸出電壓范圍；此外，為了降低故障率，同等條件下應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化供配電系統(tǒng)，相同電壓條件下的配電級(jí)數(shù)不能超過(guò)兩階。

2)考慮到輸電線(xiàn)路的電阻因素，輸電線(xiàn)的能耗在整個(gè)系統(tǒng)中的占比較大，因此，應(yīng)盡可能降低輸電線(xiàn)路的電阻值。輸電線(xiàn)路的能耗計(jì)算公式如下：

ΔP=3I2R×10-3

式中ΔΡ為輸電線(xiàn)路能耗指標(biāo)，kW；I為輸電線(xiàn)路電流值，A；R為輸電線(xiàn)路阻值，Ω。

分析上式可知，在電流I恒定的條件下，電阻R與輸電線(xiàn)長(zhǎng)度呈正比。在實(shí)際使用過(guò)程中，假定用電端電壓恒定，則輸電線(xiàn)的電流近似恒定，因此，若想控制線(xiàn)路的能耗值，則必須選用低阻值輸電線(xiàn)；導(dǎo)線(xiàn)電阻值R與導(dǎo)線(xiàn)材料特性、截面尺寸參數(shù)及導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度相關(guān)。

3)綜上，建議從以下幾方面控制輸電線(xiàn)路的損耗值：①優(yōu)選導(dǎo)線(xiàn)材料，盡可能選用電阻率更低的導(dǎo)線(xiàn)，成本允許的條件下盡可能使用銅芯導(dǎo)線(xiàn)；②優(yōu)化供配電站布置，縮短輸電距離，降低線(xiàn)路損耗，此外，用電端之間可增設(shè)連接線(xiàn)，結(jié)合不同端的負(fù)載情況，控制變壓器停啟，從而控制損耗；③優(yōu)化線(xiàn)路敷設(shè)方式，盡量直線(xiàn)敷設(shè)，如果必須采用環(huán)形布置方式，則應(yīng)使用閉式網(wǎng)代替開(kāi)式網(wǎng)；④輸電線(xiàn)截面參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，建議通過(guò)比選，確定出最合理的截面積指標(biāo)；⑤采用高壓輸配，通常情況下，電壓每提升1%，對(duì)應(yīng)能耗可降低15%以上。

4)無(wú)功電流的存在會(huì)明顯影響變壓器的工作效率，進(jìn)而影響用電端的電壓指標(biāo)，增加輸電網(wǎng)中的能耗指標(biāo)。建議采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，可在保障有功功率分配足量的基礎(chǔ)上，提高無(wú)功功率的優(yōu)化配置，進(jìn)而控制整個(gè)輸電網(wǎng)的損耗規(guī)模，確保電網(wǎng)的輸出電壓滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 減少變壓器的功率損耗措施

優(yōu)先選用節(jié)能低損耗變壓器能夠大幅壓低輸電線(xiàn)路上的損耗值，一方面能夠提高變壓器的工作效率，另一方面能夠大幅壓縮輸電成本，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。在變壓器選型過(guò)程中應(yīng)明確以下基本原則。

1)優(yōu)先使用損耗指標(biāo)低、工作效率高的變壓器，推薦型號(hào)有S9、SL9、SC8幾種，按照工作原理有干式和油浸式兩種。高效變壓器的鋼片采用硅合成鋼，同時(shí)外加45°斜向接縫，能夠顯著降低變壓器內(nèi)因鐵芯渦流而導(dǎo)致的損耗。

2)盡量使用繞阻值小的變壓器，以降低繞阻上的能量損耗。在成本允許的情況下，優(yōu)先使用銅線(xiàn)作為繞阻材料，以降低電流通過(guò)繞阻時(shí)產(chǎn)生的熱量。高層及超高層等對(duì)防火要求級(jí)別更高的建筑，應(yīng)優(yōu)先選用干式變壓器，常用型號(hào)有SG10、SG11、SC6幾類(lèi)。為了穩(wěn)定輸出電壓，變壓器應(yīng)具備調(diào)壓功能呢。

3 電動(dòng)機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)措施

電機(jī)在高層建筑中的應(yīng)用非常普遍，尤其在通風(fēng)系統(tǒng)和電梯升降系統(tǒng)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電機(jī)能耗占高層建筑各類(lèi)電氣設(shè)備總能耗量的比重超過(guò)65%，因此，做好電機(jī)設(shè)備的節(jié)能降耗對(duì)于優(yōu)化整個(gè)建筑內(nèi)的電氣節(jié)能降耗工作具有決定性意義。

1)合理選定電機(jī)類(lèi)型。若想提高電機(jī)的能耗，就必須提高電機(jī)有效功率的占比，故應(yīng)先確定電機(jī)的裝機(jī)容量，本著高效節(jié)能的基本原則，應(yīng)選取容量達(dá)標(biāo)的高效電機(jī)，對(duì)于異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子應(yīng)優(yōu)先使用鼠籠型。

2)選用變頻電機(jī)。隨著電機(jī)頻率控制技術(shù)的快速發(fā)展，變頻電機(jī)已成為節(jié)能電機(jī)的典范，變頻電機(jī)在傳統(tǒng)恒頻電機(jī)基礎(chǔ)上增加了閉環(huán)頻率控制系統(tǒng)，當(dāng)外部負(fù)載響應(yīng)變化時(shí)，電機(jī)可根據(jù)負(fù)載工況調(diào)整轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載與轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)匹配。建筑電氣領(lǐng)域使用的變頻電機(jī)通常采用SCR(晶閘管)和GTR兩種變頻系統(tǒng)。

3)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。當(dāng)電機(jī)的電感指標(biāo)過(guò)大時(shí)，會(huì)影響輸電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，輸電網(wǎng)電壓變化會(huì)反作用于電機(jī)，進(jìn)而影響電機(jī)的工作效率。故可使用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)提高輸電網(wǎng)的功率因子值，具體可通過(guò)增設(shè)濾波設(shè)備或并聯(lián)電容予以改善。

4 照明的節(jié)能設(shè)計(jì)措施

照明系統(tǒng)是高層建筑中不可或缺的重要電氣組成部分，在進(jìn)行建筑電氣照明設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分考慮建筑的結(jié)構(gòu)及采光特點(diǎn)，做好節(jié)能設(shè)計(jì)，廣泛采用玻璃、采光井等設(shè)施發(fā)揮天然光源的照明作用，從而分擔(dān)室內(nèi)電氣照明負(fù)載，進(jìn)而達(dá)到建筑照明的節(jié)能降耗目的。

1)廣泛推廣節(jié)能光源的普及應(yīng)用：①照明設(shè)施應(yīng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能燈具100%覆蓋，節(jié)能燈不僅亮度好、能耗低且安裝維護(hù)便捷，具備廣泛推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)；②根據(jù)場(chǎng)所特點(diǎn)和照明需求，選擇不同類(lèi)型的節(jié)能燈具，如果照明場(chǎng)所對(duì)燈光的失真度、亮度、色彩等要求沒(méi)有嚴(yán)格要求，則可優(yōu)先選用成本低廉的鈉燈，鈉燈的節(jié)能效率較高，色彩偏暖，顯色指數(shù)不超過(guò)60，完全能夠滿(mǎn)足公共區(qū)域的照明需求；③為滿(mǎn)足大型場(chǎng)館內(nèi)的照明需求，應(yīng)優(yōu)先選用高亮度鈉燈，或可在場(chǎng)所內(nèi)配合一定比例的汞燈，以提高照度；④對(duì)于火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、汽車(chē)站等特殊公共場(chǎng)合，為滿(mǎn)足燈光的保真度，應(yīng)優(yōu)先選用失真度小、顯色指數(shù)更高的鹵素?zé)?；⑤目前，?guó)內(nèi)在建筑照明燈具的選擇方面更趨科學(xué)、合理，能夠根據(jù)不同場(chǎng)合的功能特點(diǎn)選擇不同類(lèi)型的光源，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，二者的匹配性還存在一定的差距。

2)科學(xué)選取照明方式：①以建筑結(jié)構(gòu)的功能定位為基準(zhǔn)，科學(xué)選取照明方式，常用的照明組織形式有一般形式、組合形式及局部形式三大類(lèi)；②光源類(lèi)型方面應(yīng)優(yōu)先選擇壽命長(zhǎng)、能耗低的光源；③做好光源與組合方式的相互協(xié)調(diào)配合，充分發(fā)揮光源性能，進(jìn)而控制單位面積內(nèi)的能耗指標(biāo)；④常規(guī)的工民建室內(nèi)照明可使用發(fā)光效果更好，能效更低的LED燈，室外公共照明則可使用高低壓鈉燈或鹵素?zé)舻葰怏w光源。

3)優(yōu)化燈光照明的控制端：從建筑照明節(jié)能的全過(guò)程角度分析，除了做好照明光源選取、照明組織形式優(yōu)化等工作外，還應(yīng)優(yōu)化照明的控制端，通過(guò)科學(xué)控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。優(yōu)化燈光照明的控制主要有以下方法：①改變統(tǒng)一化的控制方式，根據(jù)場(chǎng)所內(nèi)的功能分區(qū)情況，實(shí)現(xiàn)分區(qū)差異化控制，此外，應(yīng)結(jié)合天然光線(xiàn)的亮度變化情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整室內(nèi)照明設(shè)施的亮度，保證照明控制系統(tǒng)能夠在特點(diǎn)的時(shí)間和特定的區(qū)域點(diǎn)亮；②廣泛推廣節(jié)能開(kāi)關(guān)的使用，例如，可在賓館、酒店等公共場(chǎng)所設(shè)置鑰匙開(kāi)關(guān)，在客臥室等區(qū)域布置亮度可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)；③樓梯間、廊道等自然采光充分的地區(qū)，應(yīng)布置聲控開(kāi)關(guān)。

5 未來(lái)電氣設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)的展望

1)在今后的建筑電氣節(jié)能化設(shè)計(jì)及改造實(shí)踐中，關(guān)鍵要聚焦新技術(shù)、新材料、廣泛推廣新能源，充分利用好太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源；此外，應(yīng)充分考慮建筑結(jié)構(gòu)墻體的保溫性能，通過(guò)加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)密封性以間接降低通風(fēng)制冷、制熱設(shè)備的能耗量。

2)在建筑結(jié)構(gòu)的電梯升降系統(tǒng)中應(yīng)廣泛推廣智能控制系統(tǒng)，加強(qiáng)智能化設(shè)計(jì)水平。例如，在大型公共場(chǎng)所的電動(dòng)步梯上增設(shè)自動(dòng)休眠系統(tǒng)，在無(wú)人或人員較少的情況下，步梯可保持低功率運(yùn)行，一旦人流量達(dá)到觸發(fā)值，則步梯可自動(dòng)進(jìn)入全負(fù)載狀態(tài)；對(duì)于布置有多個(gè)直梯的建筑，可依靠智能系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到電梯節(jié)能降耗的目的。

3)加速輸電線(xiàn)路主材的更新?lián)Q代頻率，廣泛推廣新材料的應(yīng)用普及程度，切實(shí)降低電能在傳輸過(guò)程中的損耗量。

4)在建筑電氣各類(lèi)部件的選擇應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)盡可能選用綠色、低碳材料，降低部件在制造和使用過(guò)程中對(duì)外界環(huán)境的污染程度。

6 結(jié) 論

綜上所述，伴隨我國(guó)城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，大量人口涌入城市，城市能源消耗量面臨前所未有的壓力，為實(shí)現(xiàn)建筑電氣的低耗、可持續(xù)發(fā)展，建筑電氣的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)理念逐步深入人心，這對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑電氣的節(jié)能降耗目的無(wú)疑是至關(guān)重要的一步。因此，在開(kāi)展建筑電氣的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，必須以建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，以降低能耗為基本原則，通過(guò)輸配電系統(tǒng)的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)、照明系統(tǒng)的優(yōu)化配置等方式，切實(shí)達(dá)到建筑電氣節(jié)能降耗的既定目標(biāo)要求；此外，還應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)新材料、新工藝的研發(fā)支持力度，提出新的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)方案，以最大程度發(fā)揮建筑電氣節(jié)能效果。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著全社會(huì)節(jié)能降耗意識(shí)的不斷深化，建筑電氣的節(jié)能降耗效果和益處還將進(jìn)一步凸顯。

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