基于等效負(fù)荷計(jì)算的建筑電氣設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

潘耀

摘要： 等效負(fù)荷計(jì)算是建筑電氣設(shè)計(jì)中為電路設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的電通量， 以確定供電線路、 供電設(shè)備及建筑用電器有效、 安全運(yùn)行的方法， 該方法可對不同用電單元進(jìn)行有效規(guī)劃?；诖?， 本文以具體的住宅項(xiàng)目為例， 深入分析了以二項(xiàng)式法為基本方式的計(jì)算方法， 同時(shí)對建筑電氣設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了等效負(fù)荷計(jì)算。結(jié)果表明， 利用等效負(fù)荷計(jì)算確定設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣并進(jìn)行優(yōu)化是一種有效的方式。

關(guān)鍵詞： 等效負(fù)荷； 二項(xiàng)式法； 優(yōu)化； 設(shè)計(jì)

DOI：10.12433/zgkjtz.20240553

一、 工程案例及電氣設(shè)計(jì)方案

（一）工程概況

該建筑為多層電梯樓房， 建筑占地424m2， 共5層， 樓高為19.4m。其中， 地下1層， 設(shè)計(jì)為停車場； 1～5層均為商品房， 采用一梯兩戶設(shè)計(jì)， 共10家用戶。本方案將為該建筑提供全面的電氣設(shè)計(jì)方案， 確保每家都能夠安全、 便捷地使用電力資源。

（二）建筑電氣設(shè)計(jì)方案

從建筑的供電需求來看， 主要用電單元包括電梯、 供水系統(tǒng)、 消防弱點(diǎn)系統(tǒng)、 公共區(qū)域照明、 空調(diào)系統(tǒng)以及用戶入戶供電需求， 具體設(shè)計(jì)方案如下：

1.電梯

該建筑共有1部電梯， 選用可靠的低壓電梯， 可滿足5層高度的輸送要求。電梯設(shè)有緊急控制面板， 以便在緊急情況下控制電梯。

2.供水系統(tǒng)

該建筑設(shè)有一套供水系統(tǒng)， 以市政自來水或水源熱泵系統(tǒng)作為水源。供水系統(tǒng)將分為兩個(gè)獨(dú)立的管道， 分別為主管道和支管道， 主管道將直接連接市政自來水管網(wǎng)， 支管道則將從水源熱泵系統(tǒng)中獲取水。供水系統(tǒng)中還設(shè)有一套獨(dú)立的凈水器， 以確保供水水質(zhì)的安全與純凈。

3.消防弱電系統(tǒng)

該建筑設(shè)有一套消防弱電系統(tǒng)， 包括火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、 消防控制中心、 消防電源及其配電系統(tǒng)等。消防控制中心將與其他智能化系統(tǒng)相連， 以實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑的聯(lián)動(dòng)控制。消防弱電系統(tǒng)還包括一套自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)， 以確保建筑內(nèi)的消防安全。

4.公共區(qū)域照明及空調(diào)系統(tǒng)

該建筑設(shè)有一套公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)， 采用變頻多聯(lián)機(jī)組或VRV熱泵系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)將根據(jù)季節(jié)及室內(nèi)外溫度差異， 自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的運(yùn)行速度， 以確保室內(nèi)環(huán)境的舒適性與節(jié)能性。

5.用戶用電需求

該建筑共有10家用戶， 每戶配備1個(gè)三相電表和1個(gè)單相電表。電表均采用IC卡預(yù)付費(fèi)方式， 用戶可通過智能手機(jī)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)查看用電數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此外， 每戶還設(shè)有1個(gè)墻面開關(guān)， 由用戶自行控制。

6.安全措施

電梯設(shè)有緊急控制面板， 以便在緊急情況下控制電梯。消防弱電系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)， 以確保建筑內(nèi)的消防安全， 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與其他智能化系統(tǒng)相連， 以實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑的聯(lián)動(dòng)控制。

二、 建筑電氣設(shè)計(jì)方案中的等效負(fù)荷計(jì)算

（一）建筑電氣等效負(fù)荷的計(jì)算方法

等效負(fù)荷計(jì)算方法有三種， 分別是需要系數(shù)法、 利用系數(shù)法及二項(xiàng)式法。需要系數(shù)法是指在實(shí)際的計(jì)算過程中， 根據(jù)設(shè)備的使用情況將其分類， 然后根據(jù)日常用電需求進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算， 該方法可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)需要系數(shù)的大小， 盡可能地反映實(shí)際電氣需要； 利用系數(shù)法是指在進(jìn)行電氣計(jì)算時(shí)， 根據(jù)需要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的不同回路， 對元件分類。然后， 再利用系數(shù)表， 對不同的元件組合計(jì)算。最后， 把所有元件組合計(jì)算， 從而得到等效負(fù)荷； 二項(xiàng)式法則是將每個(gè)元件用二項(xiàng)式表示， 根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。二項(xiàng)式有兩個(gè)線性獨(dú)立的系數(shù)， 一個(gè)是電流的平方系數(shù)， 另一個(gè)是電壓的平方系數(shù)。因此， 可以將電壓和電流分別作為一次和二次項(xiàng)， 根據(jù)二項(xiàng)式法則計(jì)算。這種方法具有簡單、 易于理解等優(yōu)點(diǎn)， 在計(jì)算中常常被采用。

（二）基于二次項(xiàng)算法的等效負(fù)荷計(jì)算校對

二項(xiàng)式法是一種通過計(jì)算多項(xiàng)式在特定條件下的值來求解的方法。用二項(xiàng)式法計(jì)算全部系統(tǒng)的等效負(fù)荷， 可分為兩個(gè)部分， 即日常負(fù)荷和瞬時(shí)負(fù)荷， 計(jì)算包括如下內(nèi)容：

1.對系統(tǒng)的日常負(fù)荷進(jìn)行等效計(jì)算

日常負(fù)荷主要是指電路聯(lián)通后， 無論電器是否使用， 線路運(yùn)行自身會(huì)存在一定的負(fù)荷， 一般被稱為日常負(fù)荷或待機(jī)負(fù)荷。計(jì)算中， 由于電路兩端的電壓可以被看作一個(gè)定值， 即220V民用一般電壓， 在等效負(fù)荷的計(jì)算中僅需要求解系統(tǒng)本身的等效阻抗， 而后利用式1求解。

[w=U2RR=23Ui/Z] 式（1）

對式（1）進(jìn)行求解， 可得到系統(tǒng)的日常負(fù)荷計(jì)算公式2：

[w=3U2Z2Ui] 式（2）

式（2）中， [w]為日常負(fù)荷； [R]為等效阻抗； [U]為電壓常量； [Ui]為電源系統(tǒng)內(nèi)阻； [Z]為電網(wǎng)總阻抗。將案例中的相關(guān)參數(shù)帶入式（2）， 求得其日常負(fù)荷為2.67kW。

2.對系統(tǒng)的瞬時(shí)負(fù)荷進(jìn)行等效計(jì)算

二項(xiàng)式法的基本思路是根據(jù)問題的要求， 列出多項(xiàng)式來表示問題的解， 找出滿足該多項(xiàng)式條件的系統(tǒng)， 從而確定該系統(tǒng)的等效負(fù)荷。在建筑電氣設(shè)計(jì)中， 由于不同電器與用電單元的實(shí)際功率存在較大差異， 且啟停時(shí)間與使用高峰多存在不同， 需要利用二項(xiàng)式的方式對絕大部分系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行等效計(jì)算， 具體的公式如下：

[x=C2nn-1bn-11+C2nn-1bn-12···+C2nn-1bn-1n]

式（3）

式（3）中， [x]表示各個(gè)系統(tǒng)的等效負(fù)荷； [Cn]表示負(fù)荷首項(xiàng)為[Cn]、 公比為[n-1]的等比數(shù)列； b1、 b2...bn分別表示各個(gè)系統(tǒng)的等效負(fù)荷。

需要分別計(jì)算不同用電項(xiàng)目的瞬時(shí)負(fù)荷， 同時(shí)給出高峰時(shí)段， 如果高峰時(shí)段出現(xiàn)重合部分， 則需要加權(quán)運(yùn)算其最大瞬時(shí)負(fù)荷， 如果未出現(xiàn)重合部分， 則選擇最大瞬時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

從案例出發(fā)， 假設(shè)供水系統(tǒng)的功率等級為4kW， 公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的功率等級為6kW， 電梯和停車場電梯的功率等級未知， 可以使用一個(gè)普通電梯的功率等級作為參考， 系統(tǒng)的總功率等級為14kW。需要計(jì)算各個(gè)系統(tǒng)的日常負(fù)荷和瞬時(shí)功率需求。假設(shè)每天用電高峰期的功率需求為8kW， 非高峰期的功率需求為4kW， 瞬時(shí)功率需求為20kW。因此， 全部系統(tǒng)的日常負(fù)荷和瞬時(shí)負(fù)荷分別為16kW和20kW。接下來， 使用二項(xiàng)式法計(jì)算全部系統(tǒng)的等效負(fù)荷。將各個(gè)系統(tǒng)的等效負(fù)荷設(shè)為x， 則有： Eeq=2.67+x； 帶入計(jì)算后全部系統(tǒng)的等效負(fù)荷最大值為68.67kW。

三、 建筑電氣設(shè)計(jì)中存在的問題與優(yōu)化措施

通過計(jì)算等效負(fù)荷發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)有建筑電氣設(shè)計(jì)中存在問題， 具體表現(xiàn)及優(yōu)化措施如下：

（一）用戶負(fù)荷分配過低

用戶負(fù)荷按照峰值為4.3kW的等效負(fù)荷進(jìn)行分配， 在日常情況下能夠滿足用戶需求， 但在冬季電采暖補(bǔ)充或夏季空調(diào)使用時(shí)， 可能會(huì)存在負(fù)荷不足的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是近年來家用電器日益普及且種類繁多， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 僅常態(tài)電器（冰箱、 熱水器、 凈水機(jī)等24h待機(jī)）的等效負(fù)荷便在0.4kw左右。為此， 入戶的負(fù)荷應(yīng)有所增加。

針對該問題， 在電氣設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案中， 將用戶等效負(fù)荷提高到6kW， 主要通過重新規(guī)劃線路、 提高用線標(biāo)準(zhǔn)的方式予以實(shí)現(xiàn)。一方面， 除了一樓公共空間安裝集中式空調(diào)外， 其他樓層均采用自然通風(fēng)的方式， 照明及消防傳感器弱電系統(tǒng)的負(fù)載需求相對較??； 另一方面， 樓道內(nèi)的照明一般為夜間使用， 此時(shí)家庭內(nèi)的電氣負(fù)荷并非高峰時(shí)期， 在錯(cuò)峰的條件下形成等效負(fù)荷共享， 不會(huì)額外增加建筑負(fù)荷， 可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

（二）總等效負(fù)荷有待優(yōu)化

建筑電氣負(fù)荷的總量是否能滿足后續(xù)使用以及具備擴(kuò)展功能， 是衡量電氣設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵性要素之一?；诖耍?在等效負(fù)荷計(jì)算的模式下， 對案例建筑的年用電高峰進(jìn)行預(yù)測， 具體結(jié)果如圖1所示。從圖1中不難發(fā)現(xiàn)， 用電高峰出現(xiàn)在夏季和冬季的一定時(shí)期， 主要原因在于空調(diào)與采暖補(bǔ)充設(shè)備的使用。從用電特征來看， 夏季高峰用電負(fù)荷相對較低， 但持續(xù)時(shí)間較長， 冬季采暖的等效負(fù)載相對更高， 但持續(xù)時(shí)間較短， 這一情況與空調(diào)及采暖設(shè)備之間的負(fù)載差異有關(guān)。當(dāng)前的電氣設(shè)計(jì)方案很難滿足冬季用電高峰， 且在夏季用電高峰中也會(huì)形成持續(xù)性壓力。

針對這一情況， 需要對建筑進(jìn)行負(fù)荷擴(kuò)容， 但按照國家建筑節(jié)能的相關(guān)要求， 直接增加建筑的總等效負(fù)荷不符合綠色建筑與節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)及要求?；诖?， 本項(xiàng)目在進(jìn)行總負(fù)荷優(yōu)化的過程中， 采取負(fù)荷并接的方式， 原因主要有兩個(gè)方面： 其一， 建筑在用電高峰時(shí)雖然超出了一定的總設(shè)計(jì)負(fù)荷， 但超出部分并不多， 利用并聯(lián)的方式將建筑中的不同負(fù)荷功能進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)， 可有效滿足高峰時(shí)段的需求； 其二， 地下停車場日常用電負(fù)荷較低， 但具有較高的擴(kuò)展需求， 尤其是在我國大力推進(jìn)新能源汽車的普及過程中， 新建筑的電氣設(shè)計(jì)應(yīng)為充電樁的建設(shè)提供充足的負(fù)荷支持， 利用獨(dú)立并聯(lián)設(shè)計(jì)的方式對地下停車場的電氣負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)， 有助于這一目標(biāo)的達(dá)成； 其三， 分別設(shè)計(jì)地下空間與地上建筑之間的電氣負(fù)荷， 有效保障建筑總體負(fù)荷的利用率， 并保障建筑的電氣安全， 同時(shí)不增加建筑的總負(fù)荷量， 是一種有效的方式。

基于上述三方面的原因， 本項(xiàng)目在電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中將地下空間的充電樁部分進(jìn)行了并聯(lián)設(shè)計(jì)， 與建筑自身的電氣設(shè)計(jì)并行， 將空余的負(fù)荷作為等效負(fù)荷補(bǔ)充到建筑用電高峰時(shí)段， 從而形成有效的負(fù)荷保障。具體的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

（三）等效負(fù)荷冗余過少

等效負(fù)荷僅能針對建筑的主要用電設(shè)備進(jìn)行計(jì)算， 無法涵蓋全部的負(fù)荷量。這一情況造成建筑在部分非等效負(fù)荷計(jì)算范圍內(nèi)的電器需要錯(cuò)峰使用， 或造成部分臨時(shí)性電氣設(shè)備無法使用， 使后續(xù)的擴(kuò)展效果受到局限。在電氣設(shè)計(jì)完成后， 線路總裝的過程中應(yīng)按照10%～20%的比例預(yù)留等效負(fù)荷冗余， 以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容及未來擴(kuò)展空間預(yù)留的效果。

在實(shí)際的優(yōu)化過程中， 本工程采取兩種方式進(jìn)行擴(kuò)容。其一是預(yù)留了部分臨時(shí)電力接口， 分布在園區(qū)內(nèi)部、 建筑公共空間外壁以及停車場內(nèi)， 允許總等效負(fù)荷為3kW， 通過電氣井內(nèi)空氣開關(guān)進(jìn)行控制， 在公共區(qū)域清潔或其他需要時(shí)啟用， 日常時(shí)段為關(guān)閉狀態(tài)； 其二是按照不同的用電需求預(yù)留冗余空間， 總等效負(fù)荷為10kW。其中， 供水系統(tǒng)冗余2kW， 消防系統(tǒng)冗余5kW， 照明及空調(diào)系統(tǒng)冗余3kW， 用戶用電需求通過戶內(nèi)擴(kuò)容， 不再進(jìn)行冗余預(yù)留。

四、 總結(jié)

本研究以具體的住宅案例為例， 探討了等效負(fù)荷計(jì)算方式在電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與優(yōu)化。首先， 對項(xiàng)目案例進(jìn)行了基本介紹， 并概括了電氣設(shè)計(jì)的若干環(huán)節(jié)與具體方案； 其次， 以等效負(fù)荷中的二項(xiàng)式法為基本工具， 在介紹具體的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上， 對電氣方案的等效負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算； 最后， 從計(jì)算結(jié)果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的角度提出了當(dāng)前電氣設(shè)計(jì)中存在的問題， 并給出了優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]于嵌.建筑電氣安全設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].四川水泥，2023（05）： 163-165.

[2]張峰，丁津津，王江權(quán)，鮑海，王子恒.基于阻抗式電氣距離的配電負(fù)荷中心計(jì)算方法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2023（04）： 64-66+86.

[3]姚冬平.探析等效負(fù)荷計(jì)算在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2020（17）： 72+74.

[4]周玉娟，李凱.基于等效負(fù)荷矩法的城市綜合體建筑配變電所選址優(yōu)化研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代建筑電氣，2019（04）： 1-4.