建筑電氣設(shè)計中節(jié)能降耗措施探討
——以沙北實驗學(xué)校為例

李建平，黃向陽

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

國務(wù)院《十三五節(jié)能減排綜合工作方案》中明確提出了節(jié)能減排的發(fā)展理念，住建部也相應(yīng)發(fā)布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。建筑能耗在社會總能耗中占很大的比重，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國建筑能耗約占全社會總能耗的 27.5%，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑能耗所占比率將會呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢[1-2]。建筑電氣系統(tǒng)的能耗是建筑能耗中的重要組成部分，主要包括供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電氣設(shè)備等方面的能耗。近幾年，我國電力工程事業(yè)的逐漸發(fā)展，對電力資源的需求量愈加增大，致使我國整體的電力資源越來越緊缺。電氣行業(yè)作為一個能源消耗嚴重、投入成本較高且存在一定環(huán)境污染的產(chǎn)業(yè)，節(jié)能減耗已經(jīng)成為了長效發(fā)展的必然趨勢。因此，為了有效緩解能源緊張、實現(xiàn)節(jié)能減排，加強電氣工程節(jié)能化設(shè)計已成為我國現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域電氣工程發(fā)展建設(shè)的重要目標[3];依托于建筑節(jié)能設(shè)計，可對節(jié)能環(huán)保理念進行有效實踐，協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)人與自然的和諧相處[4]。

荊州市沙北實驗學(xué)校作為新建學(xué)校，計劃在全校范圍均按照湖北省綠色示范校園標準進行建設(shè)，采取供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計、照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計、采用新型電氣設(shè)備、光伏發(fā)電、地下室采用自然光導(dǎo)光管系統(tǒng)等措施，減少能源資源的消耗，從而解決我國能源資源不足和浪費問題，為我國節(jié)能減排總體目標服務(wù)。

1 工程與設(shè)計概況

1.1 工程概況

沙北實驗學(xué)校位于湖北省荊州市沙北片區(qū)，學(xué)校選址區(qū)位條件優(yōu)良，與城市控規(guī)預(yù)留的公園綠地及景觀水系毗鄰，用地面積為 49 707.89 m2，建設(shè)54班九年制完全學(xué)校。學(xué)校由1座4層小學(xué)部教學(xué)綜合樓、1座5層中學(xué)部教學(xué)綜合樓、1座2層食堂報告廳體育館綜合樓、負一層地下停車場組成。總建筑面積為 41 970 m2，其中地上建筑面積為 26 470 m2，地下停車場建筑面積為 15 500 m2。該建筑結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑耐火等級為二級。作為新建學(xué)校，沙北實驗學(xué)校計劃建設(shè)成為湖北省荊州市九年制完全學(xué)校的綠色校園示范工程。

1.2 電氣設(shè)計概述

本工程電氣專業(yè)上的設(shè)計內(nèi)容包括 10 kV/0.4 kV 變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明及動動系統(tǒng)、建筑物防雷接地及安全措施、安防系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等。

1)10 kV/0.4 kV 變配電系統(tǒng)。由于教學(xué)樓與地下車庫管理的要求不同，本項目在小學(xué)部一層和地下車庫分別設(shè)置變配電室,由附近津鄉(xiāng)大道上市政開閉所分別引來1路 10 kV 高壓電源，提供本工程地上建筑和地下車庫的正常負荷用電。

變配電室設(shè)置 10 kV 中置式高壓開關(guān)柜，按無人值守標準進行設(shè)計，選用微機綜合繼電保護裝置，方便、可靠地構(gòu)成變電站自動化系統(tǒng)，以達到調(diào)控聯(lián)網(wǎng)、遙控、遙測的技術(shù)目的。其中地上變配電室設(shè)2臺 800 kVA 的變壓器，負責(zé)承擔(dān)地面上建筑小學(xué)部、中學(xué)部、食堂報告廳體育館、附屬門房、校園景觀照明等負荷用電,其總負荷 1 561.5 kW，計算容量為 1 269.5 kVA。地下室的變配電室設(shè)置1臺 800 kVA 變壓器，負責(zé)承擔(dān)地下車庫負荷用電,其總負荷 627.8 kW，計算容量為 562 kVA。

2) 柴油發(fā)電機系統(tǒng)。為保證本項目的一、二級負荷要求，設(shè)置1臺 550 kW 柴油發(fā)電機作為備用電源。

3)光伏發(fā)電系統(tǒng)。本工程在小學(xué)部、中學(xué)部屋頂部分屋面設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，補充校園用電。

4)供配電系統(tǒng)。從變配電室的低壓配電柜引來220/380 V 電源，供本建筑設(shè)備用電,同時從本建筑柴油發(fā)電機房引來 380 V 電源作為二級負荷的備用電源。當(dāng)市電停電時，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)ATSE自動切換，自備電源 30 s 內(nèi)對一、二級負荷供電，以確保供電的可靠性。本工程重要設(shè)備的低壓配電線路,采用放射與樹干混合配電方式。

5)照明及動力系統(tǒng)。地上建筑每層照明用電從相應(yīng)樓層照明配電箱引來，動力用電從動力配電柜引來。照明照度值和照明功率密度值應(yīng)符合《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034—2013)的相關(guān)要求。

6)建筑物防雷接地及安全措施。地上主要建筑物采取二類防雷，采用?12熱鍍鋅圓鋼沿屋面敷設(shè)，作為避雷帶；利用建筑物的鋼筋混凝土柱子內(nèi)2根?16(或柱對角4根?12)以上主筋通長焊接、綁扎作為引下線；利用建筑物基礎(chǔ)底梁上的上下兩層鋼筋通長焊接形成的基礎(chǔ)接地網(wǎng)。本工程的配電系統(tǒng)接地型式采用TN-S系統(tǒng)，采用聯(lián)合接地方式,利用建筑基礎(chǔ)內(nèi)主鋼筋作為接地極,要求接地電阻≤1 Ω。

7)安防系統(tǒng)。為了保證安全，在小學(xué)部安防室設(shè)監(jiān)控主機，負責(zé)學(xué)校安全防范，在教室內(nèi)及走道公共部位設(shè)監(jiān)控。

8)綜合布線系統(tǒng)。在小學(xué)部一層設(shè)弱電機房，主要承接市政引來的數(shù)據(jù)光纖和通訊光纖；分配信息至學(xué)校各建筑物。本項目自通信機房引出語音和數(shù)據(jù)線纜,采用二級星型拓撲結(jié)構(gòu)的綜合布線系統(tǒng)，相關(guān)樓層內(nèi)設(shè)19英寸標準機架為樓層配線架,通信機房主配線架引至樓層配線架的數(shù)據(jù)支干線采用多模光纖,語音支干線采用大對數(shù)銅纜，由樓層配線架引至各數(shù)據(jù)或語音信息插座采用六類非屏蔽UTP。

9)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。在小學(xué)部一層消防控制室內(nèi)設(shè)消防集中報警系統(tǒng)、消防電源監(jiān)控系統(tǒng)和電氣火災(zāi)報警系統(tǒng)，實現(xiàn)火災(zāi)報警及聯(lián)動控制。

2 建筑電氣工程設(shè)計階段的節(jié)能降耗措施

2.1 供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

在設(shè)計階段，本工程變配電室盡量設(shè)置在負荷中心，減少低壓側(cè)線路長度，降低線路損耗。變配電室分別設(shè)于小學(xué)部和地下車庫。配電時，單相負荷盡可能均衡地分配在三相上，使三相負荷保持基本平衡，最大相負荷不宜超過三相負荷平均值的115%，最小相負荷不宜小于三相負荷平均值的85%。本工程的生活水泵、大容量空調(diào)系統(tǒng)等長期運行電動機采用變頻調(diào)速控制。利用天正電氣軟件進行設(shè)計計算，計算供應(yīng)整個建筑電力所需的供電線路，并且做到供電的合理性，在保證電線能夠承受運行負荷的前提下，有效減少線路功率損失及電壓降。在變壓器低壓側(cè)設(shè)置成套靜電電容器自動補償裝置,以低壓集中補償形式使高壓側(cè)功率因數(shù)提高到0.9以上，減少無功損耗。優(yōu)化供配電系統(tǒng)、線路設(shè)計能夠有效實現(xiàn)節(jié)能降耗。本工程地上設(shè)置2臺 800 kVA 的變壓器，根據(jù)季節(jié)進行調(diào)配運行，在春秋季空調(diào)等大用電設(shè)備不使用時，可停用1臺變壓器，避免變壓器空載損耗，從而節(jié)約能耗。管理上設(shè)置電費計量，在變電所設(shè)高壓計量裝置,由供電部門負責(zé)；低壓部分各棟建筑物分照明和動力系統(tǒng)分開設(shè)置，從而保證照明質(zhì)量，避免動力運行對照明質(zhì)量的影響，并且照明和動力分別設(shè)置智能計量電表，用于日常計量管理考核，達到節(jié)約用電目的。

2.2 照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

照明節(jié)能設(shè)計在建筑電氣節(jié)能設(shè)計階段有著重要地位，直接影響到整個建筑耗能。在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮到電氣設(shè)備節(jié)能性、適宜性。本工程照明設(shè)計符合《建筑照明設(shè)計標準》(GB50034—2013)中規(guī)定的照度標準、照度均勻度、統(tǒng)一眩光值、色溫、顯色指示、照明功率密度值等相關(guān)要求。本設(shè)計的場所的照明功率密度限值不大于GB50034—2013中目標值的要求，其中教室照明功率密度值LDP計算值為 4.4 W/m2，明顯小于規(guī)范要求的現(xiàn)行值 9 W/m2。

在照明控制中，本工程的門廳、大空間等建筑內(nèi)照明按建筑使用條件和天然采光狀況采取分區(qū)、分組控制措施；公共的場所，如走廊、樓梯間等照明采用集中智能控制和聲光節(jié)能控制；教室等場所，遠離窗戶和靠近窗戶的燈采取分區(qū)控制，在自然光滿足要求時，關(guān)閉靠近窗戶的燈具，從而有效控制燈具的照明，在保證正常使用前提下，達到節(jié)能目的。

2.3 采用新型電氣設(shè)備節(jié)能設(shè)計

合理選擇變壓器在變壓器選擇的過程中，要降低銅耗、鐵耗和諧波，從而降低變壓器能耗。因此必須選擇合適的變壓器，進而確保建筑電氣設(shè)計節(jié)能降耗。本工程小學(xué)部設(shè)置2臺SCB13-10/0.4 kV 800 kVA 干式電力變壓器，地下車庫采用1臺SCB13-10/0.4 kV 800 kVA 干式電力變壓器，變壓器聯(lián)結(jié)組別為D,Yn11Ud=6%，帶IP31防護外殼，自帶排風(fēng)機及溫控保護裝置，此變壓器能效等級達到2級標準，其空載損耗和負載損耗低。

采用LED節(jié)能燈具本工程照明燈具采用高光效光源LED燈具，其光通量大、光源的能效應(yīng)符合相關(guān)能效標準的節(jié)能評價值。在達到相同的照度前提下，本工程采用LED燈 14 W/支代替?zhèn)鹘y(tǒng)熒光燈 36 W/支，對比如下。

采用傳統(tǒng)熒光燈照明，其功率為：

P=NP=(96+17+16+748)×36+(573+462+78+19)×2×36+48×3×36+25×3×36=113.07 kW

本工程現(xiàn)采用LED燈照明，其功率為：

P=NP=(96+17+16+748)×14+(573+462+78+19)×2×14+48×3×14+25×3×14=35.04 kW

其照明功率節(jié)約 78.03 kW。

地下車庫共有430個停車位，其中50個為電動汽車停車位，并設(shè)有50個電動汽車充電樁，用于電動汽車停放及充電使用，這樣不僅節(jié)約能源，同時可減少汽車尾氣對環(huán)境的污染。

為了有效利用自然光，地下車庫采用自然光導(dǎo)光管系統(tǒng)，地下車庫上方為運動場，運動場周邊設(shè)置了多個采光點，采用威盧克斯導(dǎo)光管系統(tǒng)，將不同角度的自然光折射進入到導(dǎo)光管內(nèi)部，再借由導(dǎo)光管的反射內(nèi)壁將光導(dǎo)入到地下室空間，可以幫助地下室獲得自然光的照射，作為白天補充照明，不管是引導(dǎo)還是釋放自然光都不存在電力方面的消耗，因此可在白天為地下室提供部分無電照明；晚上,地下車庫的燈光經(jīng)過導(dǎo)光管照射到地面的運動場，補充地面景觀照明，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏建筑一體化技術(shù)的使用能夠降低建筑的電力消耗。光伏發(fā)電可以對供電峰值實現(xiàn)自動化調(diào)解與控制，保證電網(wǎng)具有更突出的穩(wěn)定性和安全性。光伏發(fā)電不僅環(huán)?？沙掷m(xù)，而且具備白天蓄電和晚間供電的功能，可顯著減縮成本。本工程在小學(xué)部和中學(xué)部部分屋頂裝設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機容量為 146.575 kWP，光伏白天所發(fā)電能為學(xué)校優(yōu)先使用，發(fā)電不足或晚上不發(fā)電時由市電作為學(xué)校的補充用電。146.575 kWP 光伏電站年發(fā)電量約17萬度，按學(xué)校用電電價0.57元/度計算，則年收益約15萬元。

3 結(jié) 語

荊州市沙北實驗學(xué)校采用供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計、照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計,采用新型電氣設(shè)備、地下室采用自然光導(dǎo)光管系統(tǒng)等措施，起到節(jié)電降低能耗的作用；利用光伏發(fā)電提供能量來源，既可減少能源資源的消耗，又避免了因燃料燃燒發(fā)電所帶來的環(huán)境污染問題。以上節(jié)能措施，不僅有利于節(jié)能減排發(fā)展策略的貫徹落實，還能夠有效解決我國現(xiàn)階段電力能源緊缺問題，達到電氣工程在運行過程中節(jié)能減耗的目的。