住宅建筑的電氣節(jié)能技術(shù)分析

馬曙光

0 引言

現(xiàn)代城市的大規(guī)模擴(kuò)張使得生產(chǎn)和工業(yè)發(fā)展的能源需求激增，大量的人口集聚也促使能源供求關(guān)系失去平衡，導(dǎo)致能源短缺現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。大量的能源消耗，導(dǎo)致煤炭、石油、天然氣等不可再生資源日漸貧乏，供給關(guān)系發(fā)生了不同程度的變化，制約了社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。盡管我國是一個能源大國，在各種能源的儲備上具有一定的優(yōu)勢，但是人均能源占比較小，并且大量的電力、煤氣等能源消耗促進(jìn)國家層面出臺節(jié)能減排政策和“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略。在建筑行業(yè)，能源的利用率較低，在建造和使用的過程中都存在著能源損失和浪費現(xiàn)象。特別是在電氣電力使用方面，由于長期以來相對落后的建筑節(jié)能技術(shù)，導(dǎo)致我國的住宅建筑大量使用高耗能電力電氣設(shè)備，供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等消耗的電力占居民總用電量的80%以上，因此研究分析住宅建筑中的電氣節(jié)能技術(shù)可以有效緩解目前建筑電力能耗比重過大的問題，從而營造了舒適、健康、綠色的建筑環(huán)境，達(dá)到了降低二氧化碳排放和構(gòu)建綠色可持續(xù)建筑的目的。

1 工程概況

內(nèi)蒙古呼和浩特市某安置房小區(qū)一期位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍，附近已有配套公用設(shè)施，交通便利。項目包含4 棟住宅樓，均為混凝土框剪結(jié)構(gòu)，樓棟地上建設(shè)15 層，地下建設(shè)1 層地下車庫，小區(qū)現(xiàn)有住戶130 戶，每戶建筑面積約98m，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，每個樓棟內(nèi)的電力設(shè)計負(fù)荷為15kW，使用三相線路進(jìn)行公共電，小區(qū)共配備了5 臺總配電箱，住宅性質(zhì)修正系數(shù)為2.5，生活水平修正系數(shù)為0.85，環(huán)境氣候系數(shù)為1.10。正常照明采用LED 光源燈具，比如臥室和餐廳，照度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到150lx 以上，采用吸頂安裝；對于活動頻繁的區(qū)域比如客廳，照度標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到300lx 左右，采用燈帶安裝。小區(qū)住戶空調(diào)一般選用國產(chǎn)變頻節(jié)能空調(diào)，在夏季炎熱季節(jié)，室內(nèi)溫度控制在26℃左右。在通風(fēng)空調(diào)使用過程中采用日常維護(hù)的措施，保持開空調(diào)的正常功能，同時建筑外墻敷設(shè)了保溫隔熱措施，減少夏季冷氣和冬季暖氣的消散，降低空氣設(shè)備的負(fù)荷。

2 住宅建筑的電氣節(jié)能技術(shù)分析

2.1 住宅建筑供配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析

為了更好地對供配電系統(tǒng)進(jìn)行能耗降低，提高能源利用效益，降低不必要的電力浪費，有必要對供配電線路的能源損耗進(jìn)行研究。在目前的供配電線路能源損耗計算中，以等值電阻法為代表的理論計算應(yīng)用較為廣泛，其具體的計算公式如方程（1）～方程（5）所示。

式中，?是建筑電氣使用過程中，供電線路系統(tǒng)消耗的功率能耗； P、 Q分別是供電線路的有功功率損耗、無功功率損耗；、 R分別是供電線路的電流和電阻；U為額度電壓；是供配電線路的結(jié)構(gòu)系數(shù)；m 為總的供配電線路數(shù)目。

將方程式（1）以等效電阻率 R進(jìn)行換算，如方程式（2）所示。

可得線路等效電阻率 R

式中，S為供配電系統(tǒng)的總額定功率；S 為總視在功率；S為第i 條供配電系統(tǒng)的視在功率；K 為負(fù)荷系數(shù)。

以同樣的計算方法，可以得到變壓器等效電阻率 R，如方程（5）所示。

式中，?P為變壓器的短路功率損耗，m為變壓器的總數(shù)目。在住宅建筑中，變壓器在供配電系統(tǒng)中具有十分重要的作用，但是受到控制方式的影響，變壓器往往沒有采取有效的節(jié)能措施，導(dǎo)致其電力能源消耗占到供配電系統(tǒng)總能耗的45%以上，在材質(zhì)的選擇上，普通的住宅建筑一般選擇S9 型變壓器，而在一些老舊小區(qū)中使用的是更為落后的S7 型變壓器。對小區(qū)的變壓器在秋季和冬季的變壓器負(fù)荷率進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 住宅建筑秋冬季節(jié)變壓器負(fù)荷率隨時間的變化曲線

從圖1 中可以明顯看出，小區(qū)冬季的變壓器負(fù)荷率明顯大于秋季的變壓器負(fù)荷率，且在18:00～24:00 時間段內(nèi)，春季和秋季的變壓器負(fù)荷率均呈現(xiàn)明顯峰值。

通過仿真分析軟件對小區(qū)的變壓器的節(jié)能效果進(jìn)行優(yōu)化，將三相負(fù)荷效果設(shè)置為3 個等級，分別30kW、60kW 和90kW，以研究電流隨著時間的變化情況，計算結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，初始階段，三相電流的幅值變化存在明顯差異，按三相負(fù)荷功率從大到小的順序依次減小，具有電流不平衡現(xiàn)象。SADT 在時間約2.185s 處自動換相，換相后三相電流幅值開始趨于一致，有效地改善了配電網(wǎng)中的三相不平衡電流。

圖2 變壓器不同初始負(fù)荷在變相前后的電流曲線

2.2 住宅建筑照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析

無論是公共建筑還是住宅建筑，居民對于建筑空間的照明都具有顯著的需求，這不僅是為了營造良好的視覺環(huán)境的需要，而且也是創(chuàng)造舒適居住空間，為居民提供一個放松健康的生活環(huán)境的需要。照明系統(tǒng)是住宅建筑中能耗的重要組成部分，其比例可以達(dá)到建筑總能耗的25%左右，造成建筑照明系統(tǒng)能耗高的主要原因就是我國大部分的小區(qū)建筑沒有配備節(jié)能控制設(shè)備，同時在設(shè)計階段，對照度指標(biāo)的設(shè)計不夠合理，甚至在城區(qū)的住宅建筑中選用了最大日功率為1800w 的照明設(shè)備，造成光源的電力消耗過大、光效偏低、照明質(zhì)量下降。

在住宅建筑的照明系統(tǒng)節(jié)能中，為保證照明效果，需要從照明的亮度分布、照度均勻度、光線的顯色性和眩光控制水平4 個方面進(jìn)行分析。在亮度分布上，人在建筑空間中的感受與活動區(qū)域的亮度和相鄰環(huán)境的亮度差異有關(guān)，當(dāng)活動區(qū)域的亮度明顯大于周邊環(huán)境時，人的視覺就會更加集中，因此照明系統(tǒng)的節(jié)能實現(xiàn)時，可以控制活動區(qū)域與非活動區(qū)域的亮度差異，避免非活動區(qū)域電力能源的消耗；在照度的均勻性上，是指在空間上能夠提供照度均勻的亮度，這可以通過調(diào)節(jié)光源的間距和空間布置達(dá)到光線趨于均勻的目的，同時使用寬配光的光源也能改善光源照度的平衡，在電氣節(jié)能過程中應(yīng)考慮到照明河北由于使用年限增長導(dǎo)致的光效降低、照度均勻性下降；在光源的顯色性方面，光照射在物體上反射不同的顏色，同時光源由于發(fā)出的光譜頻段不同也會表現(xiàn)出不同顏色，這些顏色不僅影響人的視覺，也會影響人的心理，在相同的照度條件先，不同的顏色光源給使用者的視覺和心理感受不同，比如低色溫往往給人以溫馨放松的暗示，而高色溫則給人以熱烈且沉重的感覺；在光源的眩光控制水平方面，由于強(qiáng)光源給使用者視覺神經(jīng)系統(tǒng)造成的沖擊引起的，在不同的環(huán)境中應(yīng)根據(jù)使用目的選用不同能耗的照明系統(tǒng)，以降低對居民身體健康的危害。

從表1 中的對比中可以看出，緊湊型熒光燈的光源功效最小，為65lm·W，LED 光源的功效最大，為150lm·W，普通熒光燈和三基色熒光燈的功效基于兩者之間，分別為75 lm·W、90 lm·W；在顯色指數(shù)方面，緊湊型熒光燈的顯色指數(shù)最大，為90，而LED 光源的顯色指數(shù)最小，為65，三基色熒光燈和緊湊型熒光燈的顯色指數(shù)介于兩者之間；在使用周期上，LED 光源遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三種照明設(shè)備，大于50 000h，且可控性上也表現(xiàn)優(yōu)異。因此在住宅建筑的照明系統(tǒng)的配備上，應(yīng)優(yōu)先選用LED 光源。

表1 住宅建筑不同類型照明光源的能耗和功效對比

2.3 住宅建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析

為了更好地對住宅建筑的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)分析，在現(xiàn)有的計算方法中，SIM 法（模擬歸納法）具有邊界條件少、輸入?yún)?shù)少、計算準(zhǔn)確等優(yōu)點，它通過對大量的實際發(fā)生數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、歸納、驗算得到相應(yīng)的計算結(jié)論，計算過程簡單，計算的通風(fēng)空調(diào)能耗與實際偏差較小，客廳空調(diào)電力消耗E和臥室能源消耗E的具體計算公式分別如方程（6）、方程（7）所示。

式中，S 代表客廳或臥室的面積，ρ 代表空調(diào)的使用率，T 代表溫度，EER 代表客廳或臥室的空調(diào)額度能效比。

圖3 為基于SIM 法的臥室空調(diào)能耗、客廳空調(diào)能耗隨著時間的變化曲線，從圖中可以看出，小區(qū)住宅的空調(diào)使用時間較為集中，在0:00～18:00 時間段內(nèi)，空調(diào)的能耗均低于0.05kWh，而在18:00～22:00 時間段為客廳的空調(diào)能耗高峰期；在18:00～4:00 時間段為臥室的空調(diào)能耗高峰期。在實際空調(diào)節(jié)能中，可以在空調(diào)使用高峰段通過調(diào)整方程（5）、方程（6）中的參數(shù)達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的效果。

圖3 小區(qū)住宅建筑空調(diào)能耗隨時間的變化曲線

3 結(jié)論

以內(nèi)蒙古呼和浩特市某安置房小區(qū)一期工程為研究對象，從供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)3 個方面展開電氣節(jié)能技術(shù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）小區(qū)冬季的變壓器負(fù)荷率明顯大于秋季的變壓器負(fù)荷率，且在18:00～24:00 時間段內(nèi)，春季和秋季的變壓器負(fù)荷率均呈現(xiàn)明顯峰值。基于等值電阻法對變壓器進(jìn)行優(yōu)化，有效地改善了配電網(wǎng)中的三相不平衡電流；

（2）在住宅建筑的照明系統(tǒng)的配備上，LED 光源具有較好的光源功效、使用周期和可控制性，應(yīng)優(yōu)先選用作為照明節(jié)能手段；

（3）基于SIM 法的臥室空調(diào)能耗、客廳空調(diào)能耗進(jìn)行計算，并在空調(diào)使用高峰時段通過調(diào)整方程（5）、方程（6）中的參數(shù)達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的效果。