建筑機(jī)械設(shè)備電氣工程自動化供配電節(jié)能控制分析

豐 嘯

山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 262500

0 引言

建筑物中設(shè)計(jì)有多重類型的電氣機(jī)械設(shè)備,傳統(tǒng)的人工控制模式未能充分利用電能,導(dǎo)致能耗偏高。在供配電設(shè)計(jì)中,一方面應(yīng)降低變壓器、電力線纜等設(shè)備本體的能耗,另一方面則是廣泛應(yīng)用電氣自動化技術(shù),實(shí)現(xiàn)電氣機(jī)械設(shè)備智能化控制,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的?；诖?本文以某五星級酒店為例,探討基于機(jī)械設(shè)備電氣工程自動化的供配電節(jié)的設(shè)計(jì)與控制及引入智能化控制模式,提出相關(guān)設(shè)計(jì)方案,結(jié)果顯示設(shè)備能耗顯著降低。

1 工程背景及能耗特點(diǎn)分析

1.1 工程背景

某五星級酒店分為地上和地下2個部分,地上部分的建筑面積達(dá)到4.2萬m2,地下部分的建筑面積約為0.9萬m2,其總高度為44.8 m,屬于高層建筑。酒店負(fù)荷等級分為3個級別,門廳、客房、廚房、餐廳、健身房按照一級負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì),鍋爐、空調(diào)系統(tǒng)以及洗衣房的動力設(shè)備按照二級負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì),其他電氣機(jī)械設(shè)備均屬于三級負(fù)荷。

1.2 能耗特點(diǎn)

該酒店在設(shè)計(jì)建造階段充分評估了同類建筑工程的電氣設(shè)備能耗特點(diǎn),統(tǒng)計(jì)分析空調(diào)、照明、電梯、通風(fēng)、設(shè)備的能耗情況。表1為同類酒店項(xiàng)目電氣機(jī)械設(shè)備的能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1可知,照明、設(shè)備、電氣、通風(fēng)的能耗隨時間的變化較小,基本呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢,而空調(diào)設(shè)備的能耗與時間存在一定的關(guān)聯(lián),5—9月的能耗明顯高于其他月份。

表1 典型酒店工程電氣機(jī)械設(shè)備能耗分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位:kW·h/m2

2 基于機(jī)械設(shè)備電氣工程自動化的供配電節(jié)能設(shè)計(jì)與控制

2.1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1.1 負(fù)荷計(jì)算

供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要取決于酒店的負(fù)荷水平,可分別根據(jù)建筑功能區(qū)域和電氣機(jī)械設(shè)備統(tǒng)計(jì)負(fù)荷指標(biāo)。從功能分區(qū)的角度看,酒店大堂、宴會廳、游泳池、高級客房、普通客房的負(fù)荷水平較高,分布在80～160 VA/m2。電氣機(jī)械設(shè)備包括冷凍水泵、冷卻水泵、電梯、送排風(fēng)機(jī)、空調(diào)以及洗衣設(shè)備等,其負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。對所有的設(shè)備容量進(jìn)行求和,結(jié)果記為P,則無功功率Q=P·tanφ,其中φ為功率因數(shù)的正切角,tan為正切函數(shù)[1]。將酒店總負(fù)荷記為S,則S的計(jì)算方法為:

表2 酒店建筑項(xiàng)目主要電氣機(jī)械設(shè)備負(fù)荷指標(biāo)

(1)

2.1.2 供配電節(jié)能設(shè)計(jì)方案

1)變壓器系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案。變壓器自身能耗以及變壓器的安裝位置能夠影響供配電系統(tǒng)的整體能耗水平。變壓器安裝在變電所內(nèi),為了降低線路損耗,應(yīng)盡可能將變電所設(shè)置在各類負(fù)荷的幾何中心處,以減少線路總長度[2]。然而,實(shí)際情況下的線路分布通常具有不規(guī)則性。綜合考慮能耗控制和噪聲控制的情況下,將變電所設(shè)置在酒店地下室一層,變壓器數(shù)量共計(jì)4臺,每2臺為1組。地下室與各個負(fù)荷點(diǎn)的距離較近,有利于控制線路損失。

對于變壓器設(shè)備選型問題,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,配電變壓器的長期工作負(fù)載應(yīng)控制在85%以下。該酒店2組變壓器執(zhí)行不同的任務(wù),一組為季節(jié)性的電氣機(jī)械設(shè)備供電,主要為空調(diào);另一組為常規(guī)的電氣設(shè)備供電,包括照明、給水、通風(fēng)等設(shè)備。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果,季節(jié)性負(fù)荷采用2臺1 250 kVA的變壓器,常規(guī)負(fù)荷采用2臺1 000 kVA的變壓器,4臺設(shè)備均屬于SCRBH-15系列,該系列變壓器為節(jié)能油浸式變壓器,具有良好的低損耗運(yùn)行能力,能夠促進(jìn)供配電系統(tǒng)節(jié)能控制。

2)電源設(shè)計(jì)方案。該酒店電源分為市電電源和自備電源。市電電源為10 kV高壓線路,共設(shè)置2路,每路均能完全負(fù)載酒店的所有負(fù)荷。從市政開關(guān)柜引出10 kV供電電源,經(jīng)酒店變壓器降壓后,引出400 V低壓線路。酒店自備電源為UPS和1 200 kVA的柴油發(fā)電機(jī),UPS的短時供電時長可達(dá)到30 min以上,柴油發(fā)電機(jī)能夠替代1組變壓器電源,啟動后10 s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)供電。

2.1.3 電纜計(jì)算與選型

在供配電系統(tǒng)中,電力電纜可產(chǎn)生一定的線損失,導(dǎo)致能耗水平偏高,并且隨著運(yùn)行時間的不斷延長,線損失呈現(xiàn)出累積效應(yīng)[3]。通過嚴(yán)格的理論計(jì)算,能夠?yàn)殡姎鈾C(jī)械設(shè)備配置更為合理的電纜,從而降低線損。以下通過低壓電纜選型,論證電力線纜的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。

1)配電系統(tǒng)短路電流計(jì)算。當(dāng)配電系統(tǒng)處于最大負(fù)荷水平時,假設(shè)其0.4 kV出線側(cè)母線發(fā)生短路,此時應(yīng)計(jì)算相應(yīng)的短路電流,以確保電纜可承載的電流上限。短路容量基準(zhǔn)值SB取100 MVA,B、C兩相的電壓為UB=UC=0.4 kV。則0.4 kV線路在短路情況下的基準(zhǔn)電流計(jì)算方法為:

(2)

式中:SB為B點(diǎn)負(fù)荷;UB為B點(diǎn)電壓;IB為B相的基準(zhǔn)電流,計(jì)算結(jié)果為144.34 kA。

1組變壓器由2臺設(shè)備組成,變壓器阻抗的計(jì)算方法為:

(3)

式中:XT1和XT2分別為同一組中2臺變壓器的阻抗;Ud為變壓器短路阻抗百分值,取值為6%;Sbe為變壓器額定容量,取值為1 000 kVA。將以上參數(shù)代入式(3),求得XT1=6 Ω。

每千米電纜的電抗值記為X01,取值為0.08 Ω/km,變電站0.4 kV電纜的長度記為L,取值為50 m,則低壓出線側(cè)的線路阻抗計(jì)算方法為:

(4)

式中:XL1、XL2為同一組中2臺變壓器低壓出線的阻抗值,計(jì)算結(jié)果為XL1=0.63 Ω。變壓器10 kV線路最大短路容量記為Soc,取值為300 MVA,其阻抗XS=SB/Soc=0.33 Ω。整個系統(tǒng)的阻抗按照式(5)進(jìn)行計(jì)算。

Xtol=XS+(XT1+XL1)//(XT2+XL2)

(5)

式中:Xtol為系統(tǒng)總阻抗;符號“//”表示并聯(lián)電阻求總電阻運(yùn)算。將各參數(shù)代入式中,Xtol=3.62 Ω。

0.4 kV低壓側(cè)母線出口短路電流Id=IB/Xtol=144.34/3.62=39.87 kA。0.4 kV低壓側(cè)短路沖擊電流的峰值記為Ich,則該指標(biāo)的計(jì)算方法為:

(6)

式中:Kch為沖擊系數(shù),取值為1.3,Ich=71.77 kA。0.4 kV側(cè)短路電流最大有效值的計(jì)算方法見式(7)。

(7)

式中:Itol為短路全電流最大有效值,計(jì)算結(jié)果為43.45 kA。

2)電纜選型結(jié)果。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,0.4 kV低壓線路的型號為ZR-YJV22-0.6/1 kV,該電纜的載流量可達(dá)到2.74 kA,最大允許電流為102.9 kA,大于沖擊電流峰值。并且該電纜的載流量略大于設(shè)計(jì)值,有利于降低線損。

2.2 電氣自動化供配電能耗管理平臺應(yīng)用

2.2.1 照明設(shè)備供配電自動化控制設(shè)計(jì)

1)照明智能控制流程。照明設(shè)備在酒店能耗中的占比較高,僅次于空調(diào)系統(tǒng)。該酒店在照明管理中引入自動化、智能化的控制模式,整體的控制流程為:系統(tǒng)初始化—設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)并發(fā)送控制指令—判斷是否開啟智能控制模式—如果接收到相關(guān)指令,則開啟智能控制模式—燈具智能供配電[4]。

2)照明智能控制實(shí)現(xiàn)方案。在智能控制中引入照度傳感器、紅外傳感器,型號分別為IL/50-1、IR/50-1.A、IR/50-2.A,由傳感器感應(yīng)照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),將信號傳輸至智能照明控制器,再經(jīng)過時鐘控制模塊、調(diào)光控制器、開關(guān)控制器,作用于現(xiàn)場設(shè)備。開關(guān)控制器決定燈具是否開啟或者關(guān)閉,調(diào)光控制器用于調(diào)節(jié)照度,時鐘控制器用于調(diào)節(jié)照明時長[5]。

2.2.2 空調(diào)系統(tǒng)供配電自動化控制設(shè)計(jì)

酒店采用中央空調(diào)系統(tǒng),由冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、空調(diào)主機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管組成。中央空調(diào)系統(tǒng)支持自動控制模式,由變頻器、水泵機(jī)組、溫度檢測裝置、PLC控制器、A/D模塊、D/A模塊組成。操作人員可通過計(jì)算機(jī)人機(jī)界面選擇是否開啟自動控制模式,并實(shí)時監(jiān)測能耗水平。供配電系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互,空調(diào)系統(tǒng)的各種智能測控儀表經(jīng)過RS485總線與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互。可見,計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是自動化控制的核心,能夠?qū)崿F(xiàn)供配電系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備、水泵的協(xié)同控制,進(jìn)而降低運(yùn)行能耗。

3 節(jié)能效果分析

3.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

采用自動化智能控制模式后,對比傳統(tǒng)運(yùn)行模式,得到該酒店空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能數(shù)據(jù),如表3所示。顯然,該酒店空調(diào)系統(tǒng)采用自動化控制模式后,供配電系統(tǒng)的運(yùn)行總能耗明顯下降。

表3 酒店空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能數(shù)據(jù) 單位:kW·h

3.2 照明系統(tǒng)節(jié)能效果分析

以酒店總統(tǒng)客房、高級客房和普通客房的節(jié)電效果為分析對象,對比傳統(tǒng)手動控制模式和智能照明控制模式運(yùn)行1周的用電量,結(jié)果如表4所示。從表4可知,采用智能供配電模式后,3類客房照明系統(tǒng)的能耗水平明顯下降。

表4 酒店客房節(jié)能數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

由本文分析可知,為實(shí)現(xiàn)建筑供配電系統(tǒng)的節(jié)能控制,可采取2條實(shí)施路徑。①針對變壓器、電力線纜等供配電設(shè)施,應(yīng)制定節(jié)能設(shè)計(jì)方案,如降低線損、采用節(jié)能型變壓器。②對空調(diào)、照明、通風(fēng)等電氣機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)自動化、智能化的控制模式,可實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的低功耗運(yùn)行。