建筑電氣節(jié)能技術(shù)分析

張 健 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

隨著科技進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種用電設(shè)備快速增加，面對(duì)全球日益嚴(yán)峻的能源供應(yīng)形勢(shì)，積極做好電氣設(shè)備的節(jié)能尤為重要，可為社會(huì)提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益。作為電氣設(shè)計(jì)人員，應(yīng)有相關(guān)的責(zé)任和義務(wù)，對(duì)電氣節(jié)能從設(shè)計(jì)源頭做好把控，本文就此提出一些相關(guān)的措施供同行交流討論。

1 供電電壓選擇

ΔP＝3I2R=3P2R/U2COSφ，式中，ΔP為三相輸電線路的功率損耗；P為線路輸送的有功功率；U為線電壓；I為線電流；COSφ為電力線路輸送負(fù)荷的功率因數(shù)。根據(jù)上式可知，輸電線路的損耗同供電電壓的平方成反比，在輸送功率及功率因數(shù)不變的情況下，供電電壓降低一半，輸電線路功率損耗增至4倍。因此對(duì)于工程中使用的電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)狀況選擇220V/380，以及6/10kV高壓電機(jī)等。

2 降低配電變壓器損耗

變壓器的損耗主要包括空載損耗、負(fù)載損耗、介質(zhì)損耗和雜散損耗，由于后兩者值較小，通常不考慮?？蛰d損耗：主要是鐵芯損耗，包括磁滯損耗和渦流損耗，俗稱鐵損，其值與鐵芯的磁通密度、材料特性、厚度、形狀、工藝等因素相關(guān)。只要變壓器投入運(yùn)行，維持勵(lì)磁，就會(huì)產(chǎn)生鐵損，鐵損接近于固定值，不論負(fù)荷大小、有無(wú)，該損耗都將發(fā)生。負(fù)載損耗：主要指由于負(fù)載電流在線圈內(nèi)發(fā)生的損耗，故稱為“銅損”，其值與負(fù)荷率的平方成正比。降低變壓器損耗的措施主要有以下幾點(diǎn)。

①選擇高效、低損耗的節(jié)能變壓器。如選擇非晶合金變壓器，以1600kVA電工鋼帶干式變壓器為例，查閱《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》（GB20052-2020）可知傳統(tǒng)10/0.4kV，1600kVA干式變壓器能效等級(jí)為二級(jí)時(shí)的空載損耗約1665W，非晶合金干式變壓器能效等級(jí)為二級(jí)時(shí)空載損耗約645W。非晶合金干式變壓器的空載損耗比電工鋼帶干式變壓器少1020W，一年可節(jié)省電能損耗1020Wx8760h=8935kW·h，20年累計(jì)節(jié)電20x8935=178704kW·h，按商業(yè)電價(jià)0.8元/kW·h計(jì)算，則20年可節(jié)省電費(fèi)142963元，節(jié)省的電費(fèi)比非晶合金干式變價(jià)格和同容量的鋼帶式變壓器價(jià)格要高得多，20年后必然會(huì)有更先進(jìn)更節(jié)能的產(chǎn)品來(lái)替代，因此建議變壓器優(yōu)先選擇至少二級(jí)能效的非晶合金干式變壓器。

②設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合理的變壓器容量。因負(fù)載損耗和負(fù)荷率的平方成正比，負(fù)荷率降低會(huì)使負(fù)載損耗大幅下降，有利于節(jié)能。然而過(guò)低的負(fù)荷率將加大變壓器容量及其設(shè)備費(fèi)，同時(shí)增加空載損耗，應(yīng)進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。此外，還要考慮負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性，以及不同行業(yè)、不同負(fù)荷性質(zhì)等多種因素對(duì)變壓器負(fù)荷率的影響。故在綜合考慮用戶負(fù)荷的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證變壓器在75%～85%負(fù)荷率

③宜在變電所內(nèi)設(shè)置偶數(shù)臺(tái)變壓器，變壓器之間兩兩聯(lián)絡(luò)；符合率不高且滿足負(fù)荷等級(jí)要求情況下可切除其中一臺(tái)變壓器，對(duì)于容量較大的季節(jié)性負(fù)荷宜采用專用變壓器供電便于不用時(shí)切除，以減少空載損耗。

3 降低線路損耗

電能在導(dǎo)線上傳輸時(shí)由于有電阻的存在，因此會(huì)產(chǎn)生功率損耗。降低線路損耗的措施主要有：選用電阻率較小的材質(zhì)電纜，如選用銅導(dǎo)體纜；加大導(dǎo)線截面；供電線路敷設(shè)盡量走最短路徑。由ΔP＝3I2R可知，線路損耗ΔP和導(dǎo)體的電阻成正比，R=ρL/S，因此在傳輸功率不變時(shí)，線路損耗與其電阻率ρ、長(zhǎng)度L成正比，與截面S成反比。因此可適當(dāng)加大導(dǎo)線截面以降低線路損耗，適當(dāng)加大截面積所增加的電線、電纜等成本費(fèi)用一般在項(xiàng)目的使用周期內(nèi)均可以完全收回，同時(shí)適當(dāng)增加大導(dǎo)體截面除降低線損外，對(duì)安全用電、提高用電可靠性和滿足后期的負(fù)荷增長(zhǎng)都十分有利。其次因?yàn)殂~導(dǎo)體電阻率低，應(yīng)優(yōu)先選用銅導(dǎo)體供電。不過(guò)在架空電力線路上，不光要考慮傳輸還要考慮桿塔荷載等，銅導(dǎo)體由于質(zhì)量大，且價(jià)格貴，鋁導(dǎo)體相此時(shí)對(duì)于銅導(dǎo)體有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此在架空電力線路宜采用鋁導(dǎo)體。

4 提高系統(tǒng)功率因數(shù)

根據(jù)ΔP(三相輸電線路損耗)＝3I2R=3P2R/U2COSφ，在系統(tǒng)有功功率P一定的情況下COSφ越高，功率損耗ΔP越小，所以提高系統(tǒng)功率因數(shù)、減少無(wú)功功率在線路上的傳輸，可減少線路損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。提高系統(tǒng)功率因數(shù)可以采用提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)和在設(shè)備端或配電房?jī)?nèi)集中裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的方法。

5 降低諧波含量

信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，隨之產(chǎn)生的影響就是導(dǎo)致波形畸變，產(chǎn)生不同程度的高次諧波，諧波電流加大了相導(dǎo)體電流增加了線路損耗，包括對(duì)變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的損耗。可采取如下方式減少諧波電流：

①減少選用25W及以下LED燈和熒光燈照明光源的使用。目前在家庭、辦公場(chǎng)所以及學(xué)校等建筑中仍存在大量25W及以下LED燈和熒光燈照明光源的情況，應(yīng)予改變。

②選用低諧波的照明燈和其他用電設(shè)備，總諧波含有率不應(yīng)超過(guò)30%。

③在配電房?jī)?nèi)設(shè)置有源濾波裝置。

6 降低電動(dòng)機(jī)能耗

據(jù)相關(guān)資料查得，全國(guó)用電量的約2/3是電動(dòng)機(jī)所消耗，可見(jiàn)降低電動(dòng)機(jī)損耗，提高電動(dòng)機(jī)效率，對(duì)節(jié)能意義非常重大。降低電動(dòng)機(jī)能耗的措施主要有：

①選用高效節(jié)能型電動(dòng)機(jī)：高效電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果很顯著，特別是年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、電動(dòng)機(jī)功率較大、負(fù)荷率較高的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用；

②合理選擇電動(dòng)機(jī)功率，在滿足傳動(dòng)要求的條件下，使負(fù)荷率處于較高的水平；

③對(duì)于變化范圍較大的負(fù)荷，宜采用變頻調(diào)速方式。

7 照明系統(tǒng)節(jié)能

照明用電的使用非常廣泛，一般工程的照明(含普通插座)系統(tǒng)的用電負(fù)荷約占總用電負(fù)荷的35%～40%。因照明節(jié)能的措施比較多且簡(jiǎn)單易行，因此照明節(jié)能有非常大的空間。照明節(jié)能可采用如下措施：

首先是照度標(biāo)準(zhǔn)方面應(yīng)按照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）規(guī)定設(shè)計(jì)，各房間或場(chǎng)所的照明功率密度應(yīng)滿足《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.3節(jié)規(guī)定的現(xiàn)行值的要求。

其次在設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇高效燈具及節(jié)能型光源。如滿足控制眩光條件和必要的舒適性要求條件下，應(yīng)優(yōu)先選用開(kāi)啟式直接照明燈具；按照房間的室形指數(shù)，選擇相適應(yīng)的燈具配光；有漫反射罩的燈具，應(yīng)采用高透光率材料；盡可能選擇三基色T5、T8熒光管或LED燈具。

再有就是采用合適的照明控制方式節(jié)能。如道路照明應(yīng)設(shè)置按自然光照度和時(shí)間自動(dòng)控制；景觀照明按規(guī)定的亮度和時(shí)間開(kāi)啟、關(guān)閉，并按平日、假日、重大節(jié)假日自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度和點(diǎn)燈范圍；人流量較少的樓梯間、走廊、地下車庫(kù)、衛(wèi)生間及類似場(chǎng)所裝設(shè)紅外感應(yīng)節(jié)能自熄開(kāi)關(guān)，需注意人員流動(dòng)頻繁的樓梯間、走廊等則不宜裝設(shè)，否則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不了節(jié)能目的還容易損壞設(shè)備，浪費(fèi)投資?，F(xiàn)在大部分公共建筑都設(shè)計(jì)了智能照明系統(tǒng)，對(duì)于公共區(qū)域的照明節(jié)能確實(shí)有良好的效果，但對(duì)于此系統(tǒng)的設(shè)置需要進(jìn)行合理的評(píng)估，只有在工程達(dá)到一定體量時(shí)才建議做，較小的項(xiàng)目其初始投資在系統(tǒng)的使用壽命周期內(nèi)無(wú)法回收，得不償失。

最后可采用自然光與人工照明有機(jī)結(jié)合，可利用各種導(dǎo)光和反光裝置將天然光引入室內(nèi)進(jìn)行照明；距離電源點(diǎn)較遠(yuǎn)的路燈，宜采用太陽(yáng)能光伏供電。

8 降低交流接觸器能耗

交流接觸器雖然使用的場(chǎng)合很多，但是因?yàn)槌杀镜停姶盼暇€圈一般只有幾十伏安，因此設(shè)計(jì)人員一般不考慮其損耗。放到全社會(huì)范圍看，接觸器就不是一個(gè)小數(shù)目了，如果把這些損耗全部加起來(lái)，則總量還是非常大的。根據(jù)《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》（GB21518-2008）查得，額定電流32A的接觸器吸持功率在1級(jí)能效時(shí)為0.5VA，在2級(jí)能效時(shí)為8.3VA，在3級(jí)能效時(shí)為13.9A，由此可以看出，1級(jí)能效同3級(jí)能效的吸持功率相差很大。

不管采用多節(jié)能的電氣設(shè)備，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，如對(duì)于能耗采用分類分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)，以便于發(fā)現(xiàn)耗能情況，更有效監(jiān)管節(jié)能。在做方案時(shí)就應(yīng)該將變電所提供給建筑專業(yè)，讓變配電所的選取盡可能處在負(fù)荷中心，來(lái)減少電能在線路上的損耗。在高層建筑中，配電室應(yīng)盡量靠近電井，對(duì)于大型的公建應(yīng)根據(jù)平面情況設(shè)置多個(gè)電井。尤其可以考慮太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等可再生能源的利用。

9 結(jié)束語(yǔ)

電氣節(jié)能設(shè)計(jì)是在充分滿足工程的基本功能以及相關(guān)工藝的要求下，減少能源的損耗，不是靠降低工程的功能標(biāo)準(zhǔn)來(lái)降低能耗，同樣也不能單純地為節(jié)能而節(jié)能增加無(wú)謂的投資，只有合理全面地做好多方面的措施，才能做到真正的節(jié)能。