大型商業(yè)綜合體電氣設(shè)計中的節(jié)能技術(shù)措施分析

吳 先 哲

(華東建筑設(shè)計研究院總院, 上海 200002)

0 引 言

隨著各種新技術(shù)的發(fā)展,用電設(shè)備在現(xiàn)代建筑工程中的占比正在不斷的上升,同時也伴隨著電氣能耗的不斷上升,因此電氣節(jié)能將是評價電氣設(shè)計優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。只有在設(shè)計中考慮采用節(jié)能技術(shù),才能夠促進降低電氣設(shè)備運行能耗。電氣節(jié)能技術(shù)的核心目標是降低電氣設(shè)備的電能消耗,從而降低碳排放,提高電力設(shè)備的能源利用效率,同時采用多種新能源綜合利用滿足節(jié)能目的。為此,將節(jié)能技術(shù)有機滲入電氣設(shè)計中,是現(xiàn)代建筑電氣工程的重要研究內(nèi)容。

本文根據(jù)江蘇省南京市某金融綜合體超高層項目的設(shè)計經(jīng)驗,分別從變壓器、照明、空調(diào)控制系統(tǒng)3個角度來討論節(jié)能設(shè)計在建筑電氣設(shè)計領(lǐng)域中的應用。

1 建筑變壓器電氣節(jié)能設(shè)計

1.1 變壓器參數(shù)及功率損耗

變壓器是整個供配電系統(tǒng)最核心的設(shè)備。在不能影響負荷正常運行的基礎(chǔ)之上,將變壓器的損耗控制在合理范圍內(nèi)是變壓器節(jié)能設(shè)計的主要目標。變壓器在全過程中會產(chǎn)生各種損耗,主要包括生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的損耗與投入運行時的電力損耗,而隨著項目規(guī)模越來越大,變壓器數(shù)量越多,末端負荷波動越來越大,在一個綜合體項目中變壓器數(shù)量可多達30個。因此,變壓器節(jié)能設(shè)計正在扮演著愈發(fā)重要的角色。只要降低變壓器運行所產(chǎn)生的能耗,就能夠極大地降低建筑運行電力能耗。鐵損、銅損、電介質(zhì)損耗和雜散損耗是變壓器的主要損耗,鐵損耗的計算公式為

PFe=Pb+PIb=KBfBnm+KIf2B2m

式中: Pb——磁滯損耗;

PIb——渦流損耗;

f——電源頻率;

KB——材料系數(shù);

KI——材料系數(shù);

Bm——鐵芯的最大刺痛密度;

n——磁滯系數(shù)。

銅損耗的計算公式為[1]

式中: I1——一次側(cè)負荷電流;

I2——二次側(cè)負荷電流;

r1——一次側(cè)線圈的電阻;

r2——二次側(cè)線圈的電阻。

1.2 變壓器的選擇

為了盡可能實現(xiàn)變壓器的節(jié)能運行,首先要根負荷計算選擇合適的變壓器容量,從而實現(xiàn)全面減低運行過程中的電能損耗。前期設(shè)計時需要根據(jù)建筑電氣不同的業(yè)態(tài)標準,進行準確的負荷估算,通常在變壓器負荷計算時,需考慮變壓器的最佳合理負載率,同時變壓器宜根據(jù)不同的業(yè)態(tài)分開設(shè)置在不同變電所內(nèi)。變壓器應選擇節(jié)能環(huán)保型、低損耗、低噪聲、接線組別為Dyn11的SCB13型及以上電力變壓器,并自帶溫控器和強迫通風裝置,且能效值不應低于標準GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》中能效標準的二級節(jié)能評價值[2]。變壓器節(jié)能參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器節(jié)能參數(shù)

1.3 變壓器經(jīng)濟運行設(shè)計

提高變壓器運行的經(jīng)濟性,在保證電力設(shè)備得到正常供電的基礎(chǔ)上,降低變壓器的電力損耗是變壓器經(jīng)濟運行設(shè)計的主要目標,從而提高變壓器電力能源的使用效率,具體可以通過以下幾種方式實現(xiàn):

(1) 變壓器溫/濕度控制。溫/濕度是影響變壓器運行實際效果的重要指標,通常情況下變壓器的溫升范圍為80～100 ℃,在該溫度范圍內(nèi)變壓器能夠保持最佳的運行狀態(tài),從而能夠保證電力能源使用效率,且變壓器的運行需要在相對干燥的條件下。因此,為了提高變壓器運行的經(jīng)濟性,需要做好變壓器運行環(huán)境的溫度和干濕度調(diào)控。

(2) 抑制變壓器諧波。諧波會導致變壓器受到影響發(fā)生損壞,而一旦變壓器出現(xiàn)故障或損壞,就會產(chǎn)生大量的維護成本與其他經(jīng)濟損失,所以抑制諧波可以降低諧波對變壓器運行的影響,例如可以通過采用Dyn11的方式作為變壓器的連接組別,使繞組內(nèi)形成諧波環(huán)流,從而可以控制諧波來提高變壓器運行的經(jīng)濟性。

(3) 設(shè)計時配變電所及電氣豎井盡量靠近負荷中心。

(4) 變電所低壓側(cè)進行無功補償自動調(diào)節(jié),減少線路損耗及功率因數(shù)不低于0.95。為減小高次諧波對補償電容的影響,提高供電質(zhì)量,延長電容使用壽命,補償電容采用串聯(lián)消諧電抗器方案。

(5) 在變電所設(shè)置電力監(jiān)控系統(tǒng),優(yōu)化管理電能并提供管理的便利性,實時監(jiān)控電能的各種參數(shù),合理調(diào)配電能。

2 照明電氣節(jié)能設(shè)計

民用建筑中有大量的照明點位,尤其對于地下室面積占比較大的大型綜合體項目,如某南京綜合體項目,總建筑面積為40萬m2,地下室面積可以達13萬m2。由于缺乏使用自然光源的條件,地下室的照明必須通過電力光源來實現(xiàn),對電能的消耗占據(jù)著很大比重,所以照明節(jié)能設(shè)計是建筑電氣節(jié)能設(shè)計的重要部分。通過選擇合理的光源、節(jié)能布置和智能控制,能夠有效降低照明系統(tǒng)的電力能源消耗,從而促進建筑整體電力設(shè)備能源消耗降低。

照明的電能消耗量主要和時間、效率、線損有關(guān):

P=(Ps+P1+Pr)T

Ps=F/η

F=EKSN/Mη

式中: P——設(shè)備的電能消耗量;

Pr——照明設(shè)備的損耗;

Pl——配電線路的損耗;

T——照明設(shè)備使用時間;

F——燈具光通量;

η——燈具發(fā)光效率;

E——燈具最小照度;

K——減光補償系數(shù);

S——所計算的房間面積;

N——照明器數(shù)量;

M——照明光通量利用系數(shù)。

2.1 光源選擇

光源是燈光的核心部件,隨著科技的發(fā)展,光源正在向著更低能耗,更高光通量的趨勢發(fā)展,選擇高效的光源是建筑照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的首要環(huán)節(jié)。建筑內(nèi)部的光源主要可以分為自然光源與電力光源,電力光源又可以分為白熾燈、LED等不同類型,不同的光源在光照強度和能源消耗方面有很大的區(qū)別。

(1) 建筑照明系統(tǒng)光源選擇應該盡量選擇自然光源,通過合理的采光設(shè)計,減少人工照明燈具的使用。

(2) 建筑內(nèi)的光源選擇需要盡量選擇節(jié)能燈泡,例如LED燈具或T5熒光燈及高頻電子鎮(zhèn)流器,以提高功率因數(shù)。相比于傳統(tǒng)的白熾燈,LED等節(jié)能燈具能夠在保證光照強度的同時降低電力能源消耗,且使用壽命有很大的提高。

(3) 建筑內(nèi)部不同功能分區(qū)需要采用不同的光源,以滿足該功能分區(qū)的實際照明需求為主要目標,通過不同光源的設(shè)計,能夠使照明系統(tǒng)的電力能源消耗更加合理。

(4) 通過采用光伏發(fā)電技術(shù),降低電力能源消耗,以太陽能清潔能源為照明系統(tǒng)提供電力支持。不同光源指標如表2所示。

表2 不同光源指標

由此可見,LED光源的發(fā)光效率占有很大的優(yōu)勢,目前越來越多的項目都在用LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源。

2.2 節(jié)能布置及智能控制設(shè)計

在照明系統(tǒng)的節(jié)能布置方面,需要對建筑內(nèi)部的照明系統(tǒng)進行全局規(guī)劃,確保照明系統(tǒng)的能源利用率達到最高,從而降低不必要的能源消耗。首先,針對建筑內(nèi)部不同分區(qū)采用不同的分散、集中、手動、自動照明系統(tǒng)控制模式,在一些公共空間內(nèi)加入聲控技術(shù)、光控技術(shù)以及振動控制技術(shù),當該分區(qū)有照明需求時照明系統(tǒng)會自動啟動,當照明需求結(jié)束后會自動關(guān)閉照明點位,從而能夠?qū)崿F(xiàn)照明智能控制,能夠有效避免照明燈常亮的問題。建筑方案設(shè)計時,可提前和建筑師溝通,部分區(qū)域頂部設(shè)置玻璃采光以充分利用自然光采光。此外,燈具整體發(fā)光效率也受制于其周圍反射材料的影響,反射效率為49%～93%,選擇高反射效率的材料能夠大大提高燈具的發(fā)光能效。同時,照明配電箱應該盡量在設(shè)計時考慮靠近負荷中心,條件允許的情況下采用三相供電,這樣線損相比單相可以減少40%以上。若工程預算充足,可考慮設(shè)置照明節(jié)電器,其可通過動態(tài)監(jiān)測電壓、電流、功率、輸入/輸出來維持總諧波含量恒定,從而延長照明設(shè)備的使用壽命。除此之外,隨著智能控制技術(shù)的快速發(fā)展,智能照明的應用為建筑照明節(jié)能技術(shù)提供很大的發(fā)展空間,使其在自動開啟和關(guān)閉的基礎(chǔ)上,能夠?qū)α炼鹊冗M行調(diào)節(jié),從而進一步優(yōu)化照明系統(tǒng)的電力能源消耗結(jié)構(gòu),同時還能夠選擇不同的電力來源,例如在太陽能蓄電池電能儲存豐富的情況下優(yōu)先使用蓄電池中的電能,當太陽能蓄電池所存儲電力能源不能滿足實際照明時自動切換到電力系統(tǒng)中,進而實現(xiàn)能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]。

3 空調(diào)系統(tǒng)電氣節(jié)能設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)在整個機電系統(tǒng)里占比極大,尤其是在大型商業(yè)綜合體項目中,大型冷卻塔、冷卻水泵、冷凍機組、一次冷凍水泵、二次冷凍水泵、空調(diào)箱、新風機組等設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量的能源消耗,同時還會產(chǎn)生一定的空氣污染物?？照{(diào)系統(tǒng)是建筑節(jié)能設(shè)計的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié),可以通過電氣自動化控制技術(shù)控制冷熱源等各種空調(diào)設(shè)備來實現(xiàn)能源的有效利用。

3.1 暖通散熱風機節(jié)能設(shè)計方面

在暖通系統(tǒng)中,散熱風機是其重要的組件,其會產(chǎn)生大量的電能損耗,為此具備通過相應的節(jié)能措施來提高風機的能效空間。以中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案為例,采用分級溫差控制的方式對其暖通散熱風機的運行進行調(diào)整,在冷卻塔進出口位置,各自安裝一個溫度傳感器,實時測量溫度,并通過信號反饋來控制風機的開啟數(shù)量。風機開啟數(shù)量隨著水溫溫度升高自動增加,隨著水溫降低而自動減少,從而達到節(jié)省電能的目的。溫度感應器的探頭設(shè)置在冷卻塔進出水管的表面,能夠更加準確地反映實時水溫[4]。散熱風機節(jié)能改造前后的實際參數(shù)如表3所示。

表3 散熱風機節(jié)能改造前后的實際參數(shù)

經(jīng)過對冷卻塔風機的改造,加入了散熱風機水溫實時檢測技術(shù)以及相關(guān)的自動化控制技術(shù),相比于改造前的電力能源消耗有了很大幅度的降低。由此可見,對空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔風機的改造,能夠全面提高空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效率,是建筑電氣節(jié)能設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。類似的方案還包括為冷凍、冷卻水系統(tǒng)以及集分水器系統(tǒng)的監(jiān)控,根據(jù)預先編排的程序和整體供冷暖的要求,按照現(xiàn)場實際測溫點來控制冷熱源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.2 變頻調(diào)控設(shè)計

變頻節(jié)能技術(shù)是指在建筑內(nèi)部空間的空調(diào)系統(tǒng)負荷需求出現(xiàn)變化時,通過變頻節(jié)能技術(shù)能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)的冷水機組、風機組以及水泵機組等進行調(diào)節(jié),根據(jù)外部溫度變化選擇最為合適的功率,使空調(diào)系統(tǒng)的運行功率能夠與外部環(huán)境相匹配,從而使空調(diào)系統(tǒng)能夠在最優(yōu)運行功率下運行[5]。以建筑中央空調(diào)系統(tǒng)為例,中央空調(diào)的運行熱負載一般會低于設(shè)計參數(shù)一定數(shù)值,一般情況下冷凍水的設(shè)計溫度會在5 ℃左右,水泵在全功率運行的狀態(tài)會產(chǎn)生不必要的能量消耗,從而使水泵所輸送的能量高于當前所需要的能量。將變頻調(diào)節(jié)技術(shù)加入到冷凍水泵系統(tǒng)中,冷凍水泵所輸送的能量能夠根據(jù)當前環(huán)境所需溫度進行變頻調(diào)節(jié),從而使其不會長期處于最大運行功率狀態(tài),而是根據(jù)所需能量對冷凍水泵的能量輸送進行調(diào)節(jié),使水泵在低功率狀態(tài)下運行,能夠降低電力能源的消耗,還能夠根據(jù)室內(nèi)實際溫度將制冷調(diào)節(jié)為當前所需的最佳溫度,從而為居住者創(chuàng)造一個良好的溫度環(huán)境,提高居住者的舒適度,有利于建筑長遠可持續(xù)發(fā)展。變頻空調(diào)由于壓縮機頻率是改變的,所以其耗電量是以制冷(熱)季節(jié)耗電量/制冷(熱)季節(jié)時間來計算的[6]。

4 結(jié) 語

本文從多個方面對節(jié)能技術(shù)在建筑電氣設(shè)計中的應用進行了闡述,根據(jù)多年的項目經(jīng)驗,分別針對變壓器、照明和空調(diào)控制系統(tǒng)3個方面進行了節(jié)能優(yōu)化的考量,希望能夠?qū)ξ覈ㄖこ绦袠I(yè)起到一定的借鑒和幫助作用。綠色建筑是未來長期的發(fā)展趨勢,隨著新能源科學技術(shù)的快速發(fā)展,未來將會有越來越多的方法可以實現(xiàn)節(jié)能降耗,促進我國綠色建筑更好的建設(shè)和發(fā)展。