民用建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)相關(guān)措施

摘要：本文從民用建筑電氣設(shè)計(jì)中影響節(jié)能的幾個(gè)主要方面闡述了節(jié)能理念和節(jié)能措施。

關(guān)鍵詞：變壓器 線路損耗 ?無(wú)功功率補(bǔ)償 照明節(jié)能

能源是人類生活中最重要的資源，是關(guān)于我們現(xiàn)實(shí)和未來(lái)生存發(fā)展的最基本、最核心的動(dòng)力問(wèn)題。目前，我國(guó)正處于國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的必要支撐條件之一是能源需求的巨幅增長(zhǎng)，這對(duì)于我們這個(gè)能源資源人均擁有量大大低于世界平均水平的國(guó)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可承受之重。所以我們有權(quán)利也有責(zé)任在設(shè)計(jì)工作中認(rèn)真考慮節(jié)能問(wèn)題，并把節(jié)約電能放在首位。

近年來(lái)，國(guó)家及相關(guān)部門已經(jīng)深切認(rèn)識(shí)到節(jié)能問(wèn)題的重要性和緊迫性，建筑節(jié)能工作已經(jīng)全面展開并不斷深化，建筑節(jié)能技術(shù)不斷進(jìn)步，建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的完善。而且隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，公眾節(jié)能的意識(shí)不斷增強(qiáng)，節(jié)能的理念也越來(lái)越為更多的人所接受。

建筑節(jié)能實(shí)際上是一項(xiàng)十分艱巨而復(fù)雜的工作，它甚至比某些建筑智能化系統(tǒng)的應(yīng)用更為困難。因此，要想在建筑節(jié)能方面有所收獲的話就要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)、全面和綜合的分析、研究、實(shí)踐。

建筑電氣節(jié)能的設(shè)計(jì)原則

（1）適用性原則

所謂的適用性原則就是在滿足為建筑物內(nèi)的良好的人工環(huán)境提供必要的能源，為建筑設(shè)備提供必須的動(dòng)力，為用電設(shè)施提供可靠的負(fù)荷容量等條件的情況下，優(yōu)化供配電設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)電能的合理化運(yùn)用。也就是說(shuō)不能因?yàn)楣?jié)能而影響建筑物的整體功能。要保證建筑物照明的照度、色度及顯色指數(shù);要滿足建筑物舒適衛(wèi)生的良好環(huán)境;滿足各處運(yùn)輸通道的暢通無(wú)阻等等。

（2）節(jié)約性原則

所謂的節(jié)約性原則就是指在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中要充分考慮到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，不能因?yàn)楣?jié)能而過(guò)高的消耗投資，增加運(yùn)行費(fèi)用。而是要科學(xué)合理的選用節(jié)能設(shè)備和材料，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)用較低的投資得到最大的經(jīng)濟(jì)效益。使因節(jié)能而增加的投資可以在最短的時(shí)間內(nèi)用節(jié)能減少下來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用收回。

（3）節(jié)能性原則

所謂節(jié)能性原則就是要節(jié)省無(wú)謂消耗的能量。首先要找出哪些地方的能量消耗是與發(fā)揮建筑物的功能無(wú)關(guān)的，在考慮采取什么措施節(jié)約能源。如著眼于電氣設(shè)備自身的電能消耗、變壓器的功能損耗、傳輸線上的電能損耗等方面，節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)該把握“滿足功能、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的原則”。

近年來(lái)，由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，電力供應(yīng)也越來(lái)越緊張，每年的用電高峰，供電缺口都在增大，而且我國(guó)發(fā)電所使用的主要能源是不可再生的煤，不僅對(duì)環(huán)境污染同時(shí)也不夠節(jié)約能源。所以，各行各業(yè)提出了節(jié)能的要求，節(jié)約二次能源——電能，也就成為民用建筑電氣中重點(diǎn)，本人認(rèn)為在民用建筑中可以從以下幾點(diǎn)的應(yīng)用來(lái)貫徹節(jié)能措施：

1、選擇更先進(jìn)更節(jié)能的配電變壓器

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，新材料新工藝的廣泛應(yīng)用，新的低損耗配電變壓器先后開發(fā)成功，盡管配電變壓器已是高效率的設(shè)備，但由于數(shù)量的巨大和空載耗電的固定性，變壓器效率即使有微小的改進(jìn)也能獲得相當(dāng)大的能源節(jié)約和減少溫室氣體的排放，因此其本身存在巨大的節(jié)能潛力.現(xiàn)在在我國(guó)應(yīng)用的較多的主要有油浸式變壓器，干式變壓器，箱式變壓器等。

1.1 油浸式變壓器：國(guó)家從1999年起國(guó)家規(guī)定淘汰并停止生產(chǎn)S7系列油浸式配電變壓器，2001年在S9基礎(chǔ)上我國(guó)又開發(fā)出S11系列變壓器，使空載損耗進(jìn)一步降低。S11型變壓器適應(yīng)范圍廣，性能水平優(yōu)于S9，節(jié)約能源，與S9變壓器比，它的空載損耗平均降低百分之三十，空載電流平均下降百分之七十，而且噪音水平也下降了，減少了城市的噪音污染。

1.2 干式變壓器：近年隨著高層及大中型建筑的增多，以前用量較少的干式變壓器因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，安全性能好等優(yōu)點(diǎn)已得到很大發(fā)展。目前SC9型為國(guó)內(nèi)干式新型節(jié)能變壓器，損耗比老產(chǎn)品大大降低，比老SC8干式變壓器空載損耗平均降低百分之八十七，負(fù)載損耗平均降低百分之十，另外變壓器的噪音水平也明顯降低。

1.3 箱式變壓器：箱式變壓器即為高低壓預(yù)制式變電站，由變壓器制造廠生產(chǎn)。因?yàn)檎嫉孛娣e較小而且就近設(shè)于負(fù)荷中心，可降低線損，也屬于節(jié)能變壓器，現(xiàn)在在民用住宅小區(qū)中應(yīng)用非常多。

綜上所述，目前適合國(guó)內(nèi)需求的節(jié)能產(chǎn)品是S9型及S11型配電變壓器，有防火要求的地方，可采用環(huán)氧樹脂澆注的干式變壓器，住宅小區(qū)多為箱式變壓器。而配電變壓器的節(jié)能原理主要體現(xiàn)在減少變壓器的有功功率損耗 變壓器的有功功率損耗如下式表示：△Pb=Po+Pkβ2其中：△Pb——變壓器有功損耗（KW）;Po——變壓器的空載損耗（KW）;Pk——變壓器的有載損耗（KW））;β——變壓器的負(fù)載率。Po部分為空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，是固定不變的部分，大小隨矽鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定。所以，變壓器應(yīng)選用節(jié)能型的，如S9、及SC9等型油浸變壓器或干式變壓器，它們都是采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向矽鋼片，由于“取向”處理，使矽鋼片的磁疇方向接近一致，以減少鐵芯的渦流損耗;45°全斜接縫結(jié)構(gòu)，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。 Pk是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，決定于變壓器繞組的電阻及流過(guò)繞組電流的大小，即負(fù)載率β的平方成正比。因此，應(yīng)選用阻值較小的繞組，可采用銅芯變壓器。從Pkβ2用微分求它的極值，在β=50%處每千瓦的負(fù)載，變壓器的能耗最小。因此，在80年代中期設(shè)計(jì)的民用建筑，變壓器的負(fù)載率絕大部分在50%左右，在實(shí)際使用中有一半變壓器沒(méi)有投入運(yùn)行，這種做法有的一直沿襲至今。但是，這僅是為了節(jié)能，而沒(méi)有考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值。舉下例可看出其不可取的程度。SC3-2000KVA的變壓器，當(dāng)β=50%時(shí)相對(duì)于β=85%時(shí)可節(jié)能為P=16.01×（0.852-0.52）=7.56KW，按商場(chǎng)最高用電小時(shí)計(jì)：每天12小時(shí)，365天全營(yíng)業(yè)，則總節(jié)約電能：W=7.56×12×365=33113KW·h。按營(yíng)業(yè)性電價(jià)每度0.78元計(jì)，則每年節(jié)約：33113×0.78=25828元。按每千瓦的初裝費(fèi)投資：2000KVA變壓器應(yīng)是大型民用建筑，必然雙電源進(jìn)線，則初裝費(fèi)每KVA為2240元，每年節(jié)能省下的電費(fèi)只能提供（25828/2240=11.53）11.53KVA的初裝費(fèi)。還有988.5KVA的初裝費(fèi)，加上由于加大變壓器容量而多付的變壓器價(jià)格，由于變壓器增加而使出線開關(guān)柜、母聯(lián)柜增加引起的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，安裝上述設(shè)備使土建面積增加而引起的土建費(fèi)用，這是筆相當(dāng)可觀的投資，還沒(méi)有計(jì)及折舊維護(hù)等費(fèi)用。由此可見，取變壓器負(fù)載率為50%是得不償失的。

事實(shí)上50%負(fù)載率僅減少了變壓器的線損，并沒(méi)有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節(jié)能的措施。計(jì)及初裝費(fèi)、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用，又要使變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜萘?，變壓器的?fù)載率應(yīng)在75%～85%為宜。這樣也可以做到物盡其用，因?yàn)樽儔浩鹘^緣的使用年限滿負(fù)荷計(jì)為20年，20年后可能有更好的變壓器問(wèn)世，這樣就可以有機(jī)會(huì)更換新的設(shè)備，才能使該建筑總趨技術(shù)領(lǐng)先地位。為減小變壓器損耗，當(dāng)容量大而需要選用多臺(tái)變壓器時(shí)，在合理分配負(fù)荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺(tái)數(shù)，選用大容量的變壓器。例如需要裝機(jī)容量為2000KVA，可選2臺(tái)1000KVA，不選4臺(tái)500KVA。因?yàn)檫x用前者可節(jié)能：△P=4×（1.6+4.44）-2×（2.45+7.45）=4.36KW（全按β=100%計(jì)，同等條件，SC3變壓器）。

2、減少線路上的能量損耗

在一個(gè)工程中，線路左右上下縱橫交錯(cuò)，小工程線路全長(zhǎng)不下萬(wàn)米，大工程更是不計(jì)其數(shù)，所以線路上的總有功損耗是相當(dāng)可觀的，減少線路上的能耗必須引起重視。 由于線路上存在電阻，有電流流過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗。其公式如下：△P=3IΦ2R×10-3KW） 式中：IΦ——相電流（A） R——線路電阻（Ω）。

線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R=P×L/s，即線路電阻與電導(dǎo)P成正比，與線路截面S成反比，與線路長(zhǎng)度L成正比，因此減少線路的損耗應(yīng)從以下幾方面入手。①應(yīng)選用電導(dǎo)率較小的材質(zhì)做導(dǎo)線。②減小導(dǎo)線長(zhǎng)度。③增大導(dǎo)線截面。

3、采用合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高功率因素

3.1選擇合理無(wú)功補(bǔ)償方式。目前，民用建筑設(shè)計(jì)中，絕大部分采用變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償，這種做法僅減少了區(qū)域變電站至用戶處的高壓線路上的無(wú)功傳輸，提高了用戶處的功率因數(shù)，可以不受或少受供電局局的罰款。而對(duì)用戶，無(wú)功仍由變壓器低壓母線經(jīng)傳輸線路輸送到各用戶點(diǎn)，低壓線路上的無(wú)功傳輸并沒(méi)有減少，那么無(wú)功補(bǔ)償也就達(dá)不到節(jié)能的目的。在民用建筑中應(yīng)改變電容器集中安裝的做法，對(duì)容量超過(guò)10KW的風(fēng)機(jī)、水泵、傳送帶等電動(dòng)機(jī)端設(shè)置就地補(bǔ)償裝置，空調(diào)主機(jī)及冷凍泵等常在其附近設(shè)專用變配電所，可以集中補(bǔ)償，但若供電距離超過(guò)20m時(shí)也最好采用就地補(bǔ)償。這樣才能使線路上的無(wú)功傳輸減少，達(dá)到節(jié)能目的。

3.2 提高設(shè)備的自然功率因數(shù)，以減少對(duì)超前無(wú)功的需求?？刹捎霉β室驍?shù)較高的同步電動(dòng)機(jī);熒光燈可采用高次諧波系數(shù)低于15%的電子鎮(zhèn)流器;采用電感鎮(zhèn)流器的氣體放電燈，單燈安裝電容器等，都可使自然功率因數(shù)提高到0.85～0.95，這就可減少系統(tǒng)高、低壓線路傳輸?shù)某盁o(wú)功功率。 由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無(wú)功，可采用電容器補(bǔ)償，因?yàn)殡娙萜鳟a(chǎn)生的是超前的無(wú)功，兩者可以相互抵消，即Q=QL-QC，因此無(wú)功補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，因而也減小了無(wú)功的需求

減少自然無(wú)功、無(wú)功補(bǔ)償及補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)合理的選擇無(wú)功補(bǔ)償方式而達(dá)到節(jié)能的目的。

4、照明節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)照明用電量已占總用量的10%～12%。按照我國(guó)提出的“中國(guó)綠色照明工程”，照明節(jié)電已成為節(jié)能的重要方面。2019年國(guó)家正式實(shí)施《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2019）該標(biāo)準(zhǔn)不僅有“照明節(jié)能”，同時(shí)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都貫穿了綠色照明的宗旨和理念。該標(biāo)準(zhǔn)要求了設(shè)計(jì)著運(yùn)用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，正確選用優(yōu)質(zhì)和高效的照明器材，以及合理的配電系統(tǒng)，控制方式獲得更好的節(jié)能效果。

4.1充分利用天然光源

照明節(jié)能工程中的一個(gè)較為主要的內(nèi)容是如何充分利用天然光源。隨著人們對(duì)能源和環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，建筑物中如何充分利用天然光源來(lái)節(jié)約照明用電已引起廣泛重視。天然光源是取之不盡、用之不竭的能源。在照明節(jié)能的實(shí)施工程中，應(yīng)當(dāng)充分加以利用，制定建筑物的采光標(biāo)準(zhǔn)，確定采光方式，將采光方式，將采光和照明有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。白天盡可能地利用天然光源，使建筑物內(nèi)獲得穩(wěn)定的光照條件。同時(shí)，室內(nèi)引入陽(yáng)光，既能大大節(jié)約照明能耗，亦有助于提高室內(nèi)溫度，對(duì)于降低建筑能耗也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2采用高效節(jié)能光源

在滿足照明質(zhì)量的前提下，應(yīng)選用細(xì)管徑直管熒光燈、緊湊型熒光燈。對(duì)燈具懸掛位置較高的場(chǎng)所的一般照明，宜采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈或鎮(zhèn)流高壓熒光汞燈，其綜合費(fèi)用低、視覺(jué)質(zhì)量高，同時(shí)也節(jié)約能源。除特殊情況外，不宜采用管形鹵鎢燈及大功率普通白熾燈，燈具懸掛位置較低的場(chǎng)所照明宜采用熒光燈。

4.3根據(jù)照明部位的燈光布置形式和環(huán)境條件

選擇合適的照明控制方式房間有多列燈具時(shí)，按與側(cè)窗平行控制;生產(chǎn)場(chǎng)所按車間、工段、工序分組控制;電化教室、會(huì)議室、報(bào)告廳等場(chǎng)所，按靠近或遠(yuǎn)離講臺(tái)分組控制。建筑科技的飛速發(fā)展，讓燈具的控制方式更加個(gè)性化、人性化、智能化，例如，人體感應(yīng)或動(dòng)靜感應(yīng)開關(guān)，智能化面板開關(guān)等新的控制方式逐步進(jìn)入到我們的身邊。

選擇優(yōu)質(zhì)的電光源科學(xué)的選用電光源是照明節(jié)電的首要工作：節(jié)能的電光源發(fā)光效率要高，使得每瓦電（W）發(fā)出更多光通量（Lm）。白熾燈泡發(fā)光效率一般為7～20Lm/W，其壽命一般為1000h，特殊的為2000h;單端的緊湊型熒光燈（俗稱節(jié)能燈）其光通量一般為50Lm/W，采用一只9W壽命3000～5000h的節(jié)能燈完全可以替代40W的白熾燈泡;雙端直管熒光燈T12型的光通量為55 Lm/W，壽命為3000～5000h，而現(xiàn)在的T5型則達(dá)到90～110 Lm/W，壽命可達(dá)8000～10000h.所以T12，T10甚至T8型的熒光燈都應(yīng)該淘汰，不但可以節(jié)約大約50%的電能，還會(huì)改善燈光的顯色性。除以上光源外，還有高強(qiáng)氣體放電燈，如高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、無(wú)極燈、發(fā)光二極管和半導(dǎo)體照明燈等，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電光源也層出不窮。

選擇節(jié)電的照明電器配件在各種氣體放電光源中均需要有電器配件：例如鎮(zhèn)流器，舊的T12熒光燈其電感鎮(zhèn)流器要消耗其20%的電能，40W燈，其鎮(zhèn)流器耗電約8W;而節(jié)能的電感鎮(zhèn)流器則耗電小于10%，更節(jié)能的電子鎮(zhèn)流器，則只耗電其2～3%，也是一筆不小的節(jié)電措施。

安裝照明系統(tǒng)節(jié)電器：目前國(guó)內(nèi)外都大力推廣照明節(jié)電器，在現(xiàn)在照明系統(tǒng)上加裝節(jié)電控制設(shè)備。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的照明節(jié)能設(shè)備很多，其中照明控制節(jié)電裝置所占比例最大。

合理利用太陽(yáng)能：太陽(yáng)能作為最環(huán)保又節(jié)電的能源其利用前景是非常可觀的，目前有些住宅小區(qū)和公共建筑的庭院照明，景觀照明和樓梯間的公共照明已經(jīng)采用了這種技術(shù)，在道路照明上也有應(yīng)用。它主要是根據(jù)光電效應(yīng)把太陽(yáng)能直接變成電能供照明使用，目前常用的硅太陽(yáng)能電池就屬于這類換能部件，它的換能效率可達(dá)百分之十三到百分之二十。

作者簡(jiǎn)介：

王懌鵬（1987- ），本科，工學(xué)學(xué)士，電氣工程師，電氣自動(dòng)化工程師，建筑智能化工程師，研究方向：民用建筑電氣設(shè)計(jì)、建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。