建筑電氣設(shè)計(jì)中節(jié)能措施的探討*

靖 輝 魏立明 陳漸春

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

目前，我國(guó)正面臨著能源緊缺問(wèn)題，而我國(guó)能源消耗又非常高，單位GDP能耗是美國(guó)的3倍，是日本的6倍，因此合理節(jié)約能源并且有效提高能源利用率成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1－2].在全國(guó)總能耗中建筑能耗位于能耗首位約占28%，其中電氣能耗是建筑能耗的重要組成部分之一.因此，建筑電氣節(jié)能技術(shù)的相關(guān)研究成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[3].本文以吉林大學(xué)第四醫(yī)院門診醫(yī)技樓電氣工程設(shè)計(jì)為例，提出建筑電氣節(jié)能措施以及建筑配電設(shè)備節(jié)能技術(shù)優(yōu)選方案.本文所提做法為其它實(shí)際工程的電氣節(jié)能起到一定的指導(dǎo)作用.

1 建筑電氣節(jié)能措施理論研究

建筑電氣系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)從優(yōu)化設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該合理地選擇節(jié)能型變壓器、合理選擇和布置電線電纜、合理確定光源，優(yōu)化配置電動(dòng)機(jī)以達(dá)到建筑電氣節(jié)能的效果.下面就建筑電氣節(jié)能的具體措施進(jìn)行相應(yīng)地討論.

1.1 變壓器節(jié)能措施

變壓器所消耗的電能很大，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，變壓器自身所消耗電能約占全國(guó)所有發(fā)電量的5%[4].所以，如何降低變壓器本身能耗成為建筑電氣節(jié)能中關(guān)注的焦點(diǎn)之一.

通過(guò)降低變壓器負(fù)載率可以節(jié)約變壓器的用電損耗，但會(huì)造成工程投資提高，所以變壓器的節(jié)能措施實(shí)質(zhì)就是降低有功功率損耗提高其運(yùn)行效率.變壓器的有功功率損耗分為兩部分，即空載損耗(簡(jiǎn)稱鐵損)和負(fù)載損耗(簡(jiǎn)稱銅損).

有功功率損耗為:

式中，ΔPb為變壓器有功功率損耗，kW;Po為變壓器鐵損，kW;Pk為變壓器銅損，kW;β為變壓器負(fù)荷率;

鐵損Po由變壓器的渦流和漏磁損耗組成，Po的大小與硅鋼片和鐵心制造工藝有關(guān).銅損Pk為變壓器銅繞組的損耗，為了減小Pk可選用電阻較小的銅繞組.

變壓器的負(fù)荷率為:

式中SN為變壓器額定容量，kVA;S為變壓器運(yùn)行中實(shí)際容量，kVA.

通過(guò)理論證明，當(dāng)負(fù)荷率β等于50%時(shí)變壓器的損耗最小.但是在實(shí)際工程中還應(yīng)考慮變壓器初期投資、日常維護(hù)成本以及使用年限等相關(guān)問(wèn)題來(lái)決定變壓器的負(fù)荷率.由于變壓器絕緣的使用年限為20年，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，變壓器的負(fù)荷率應(yīng)在75% ～85%時(shí)，變壓器的綜合經(jīng)濟(jì)效益最大[5].通過(guò)上面分析選用新型低能耗變壓器和合理選擇變壓器的負(fù)載率，節(jié)能意義十分重大.此外，選擇變壓器臺(tái)數(shù)及容量時(shí)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷情況合理確定，對(duì)初期投資、日常運(yùn)行費(fèi)用、符合與電力負(fù)荷相匹配的變壓器使其高效工作在低耗能區(qū)域內(nèi).目前，我國(guó)推薦使用節(jié)能型變壓器型號(hào)為S11系列(油浸式變壓器)、SC10系列(干式變壓器)以及SH11系列(非晶合金變壓器).

1.2 建筑照明節(jié)能措施

(1)合理選擇光源和燈具.以下簡(jiǎn)要介紹幾種主要光源的選用原則及適用范圍.各種節(jié)能電光源的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 各種節(jié)能電光源的技術(shù)指標(biāo)

(2)合理確定照明控制方式.照明的控制方式對(duì)于照明節(jié)能起到非常重要的作用.在進(jìn)行照明設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該充分利用天然光;對(duì)于可以關(guān)斷部分的支路通過(guò)控制手段，使其白天關(guān)斷夜晚開(kāi)啟而不影響其正常使用功能.根據(jù)不同時(shí)刻需求以及可視性分區(qū)控制，在給定時(shí)間和地點(diǎn)控制照明提供的照度有效地節(jié)能.建筑的走廊、樓梯間、門廳等公共場(chǎng)所的照明，宜采用集中控制并且按照建筑使用條件和天然采光狀況采取分區(qū)、分組控制;體育館、影劇院、候機(jī)廳等公共場(chǎng)所應(yīng)采用集中控制，并且按照需要采取調(diào)光或降低照度的控制措施;旅館的每間(套)客房應(yīng)設(shè)置節(jié)能控制型總開(kāi)關(guān);居住建筑有天然采光的樓梯間、過(guò)道的照明，除應(yīng)急照明外，宜采用節(jié)能自熄開(kāi)關(guān);每個(gè)照明開(kāi)關(guān)所控光源數(shù)不宜太多，房間或場(chǎng)所裝設(shè)有兩列或多列燈具時(shí)，宜按有關(guān)規(guī)范要求分組控制.

1.3 電動(dòng)機(jī)的節(jié)能措施

在建筑電氣中動(dòng)力系統(tǒng)的能耗也是主要能耗之一，而動(dòng)力系統(tǒng)中主要是電動(dòng)機(jī)消耗電力，因此降低電動(dòng)機(jī)的電能損耗應(yīng)從電動(dòng)機(jī)的自身進(jìn)行考慮.其主要方法為提高電動(dòng)機(jī)工作效率和功率因數(shù).選擇電動(dòng)機(jī)類型時(shí)必須正確掌握負(fù)荷特性，弄清所帶負(fù)荷是連續(xù)的還是斷續(xù)的.如果為連續(xù)負(fù)荷要了解電動(dòng)機(jī)的輸出功率是否與各種負(fù)荷相匹配，如果是風(fēng)機(jī)和泵等平方遞減負(fù)荷特性，在輕載時(shí)打開(kāi)風(fēng)門和閥門，采用調(diào)速電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行可以節(jié)約電能.如果是斷續(xù)負(fù)荷時(shí)，要了解輕負(fù)荷時(shí)能否停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或運(yùn)行中能否把多余的能量釋放出來(lái).如果即使輕負(fù)荷時(shí)也不能停止電動(dòng)機(jī)的工作，則應(yīng)考慮采用交流變頻調(diào)速裝置 .在民用建筑中動(dòng)力負(fù)荷主要是風(fēng)機(jī)和水泵類電機(jī)，所以對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵采取節(jié)能措施具有很好的實(shí)用意義.水泵的工作特點(diǎn)是其流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，當(dāng)流量減少一半時(shí)采用調(diào)速方法將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半，則此時(shí)電動(dòng)機(jī)的軸功率只是額定功率1/8，對(duì)于需要變流量運(yùn)行的水泵采用調(diào)速技術(shù)可大幅度降低能耗.目前，變頻調(diào)速是一種高效能調(diào)速方式，可以在保持正常轉(zhuǎn)差率下運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速.同時(shí)，可以在低速運(yùn)行時(shí)使電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩不變，起到節(jié)能降耗目的.相對(duì)于初期投資而言，采用軟起動(dòng)器是另一種節(jié)能措施，軟起動(dòng)器是按起動(dòng)時(shí)間逐步調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角以控制電壓的變化.由于電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)完畢后則全壓投入運(yùn)行.軟起動(dòng)器也可采用測(cè)速反饋、電壓負(fù)反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制晶閘管導(dǎo)通角以達(dá)到轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化.軟起動(dòng)器通常用在電動(dòng)機(jī)容量較大、又需要頻繁起動(dòng)的水泵設(shè)備中及附近用電設(shè)備對(duì)電壓的穩(wěn)定要求較高的場(chǎng)合.

1.4 電力電纜節(jié)能措施

由于電力電纜的損耗占輸入電能4%左右，影響其損耗的原因主要有供電方式和各導(dǎo)線的截面積，所以，在電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮負(fù)荷用電性質(zhì)，負(fù)荷容量以及供電距離等眾多因素.由于電纜上存在電阻，所以當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率損耗，因此在工程中應(yīng)減少導(dǎo)線長(zhǎng)度;線路鋪設(shè)時(shí)應(yīng)盡量走直線避免彎路及回頭路，以減少導(dǎo)線長(zhǎng)度;變壓器供電中心應(yīng)盡量靠近工程負(fù)荷中心，低壓線路供電半徑應(yīng)小于150 m為宜，并且在合理情況下線路越短越好.建筑物每層在1萬(wàn)m2左右時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置兩個(gè)變電所，另外低壓配電室應(yīng)盡量靠近電氣豎井，不要產(chǎn)生倒送電的情況.單相用電設(shè)備應(yīng)均勻接在三相供電系統(tǒng)以降低電網(wǎng)中三相不平衡度，供電網(wǎng)絡(luò)的電壓損失率應(yīng)盡量小于2%.對(duì)于線路較長(zhǎng)的在滿足載流量、導(dǎo)熱性、保護(hù)配合及電壓損失所選定的截面的情況下，宜適當(dāng)增加導(dǎo)線截面，但也應(yīng)考慮增加導(dǎo)線截面所增加的造價(jià)成本，所以應(yīng)在技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面進(jìn)行合理比較，以確定其導(dǎo)線截面大小.

2 建筑電氣工程節(jié)能實(shí)例分析

2.1 工程概況

本工程為吉林大學(xué)第四醫(yī)院門診醫(yī)技樓電氣工程設(shè)計(jì)，其規(guī)劃建設(shè)用地面積為66219 m2，建筑面積為133475.76 m2，建筑高度為43.5 m，防火設(shè)計(jì)建筑分類為一類高層建筑，構(gòu)件耐火等級(jí)地上一級(jí)，地下一級(jí).地下二層為停車庫(kù)(戰(zhàn)時(shí)地下二層為二等人員掩蔽所).

2.2 電氣節(jié)能措施

本工程從市政引進(jìn)二路獨(dú)立10 kV(來(lái)自不同電網(wǎng))電纜線路供電.兩路10 kV高壓電源同時(shí)受電.選用1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，主用功率為1200 kW作為第三路電源.當(dāng)某一路市政10 kV電源停電、故障斷電，均可從變配電室的自動(dòng)互投開(kāi)關(guān)ATS處拾取柴油發(fā)電機(jī)的延時(shí)啟動(dòng)信號(hào)，送至柴油發(fā)電機(jī)房，信號(hào)延時(shí)最長(zhǎng)15 s(可調(diào))自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組.當(dāng)市電恢復(fù)后，自動(dòng)恢復(fù)市電供電，柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)冷卻延時(shí)后，自動(dòng)停機(jī).當(dāng)8臺(tái)變壓器中任意一臺(tái)故障時(shí)，也可手動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組.高壓為單母線分段運(yùn)行方式，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，平時(shí)兩路電源同時(shí)分列運(yùn)行，當(dāng)一路電源檢修或故障時(shí)，另一路電源應(yīng)供全部二級(jí)及以上負(fù)荷用電.

23/0.4 kV低壓側(cè)采用單母線分段接線，共分五組十段母線，每組內(nèi)兩段主母線手動(dòng)互投.8臺(tái)變壓器分4組，每?jī)膳_(tái)分列運(yùn)行.在每段低壓母線上設(shè)應(yīng)急母線段，在兩路市電均失電的情況下保證一級(jí)負(fù)荷供電.自投時(shí)應(yīng)自動(dòng)斷開(kāi)非重要負(fù)荷，以保證變壓器正常負(fù)載率上.低壓主進(jìn)開(kāi)關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)之間設(shè)三鎖兩鑰匙機(jī)械聯(lián)鎖和電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能合其中的兩個(gè)開(kāi)關(guān).正常情況下每段應(yīng)急母線的電源分別引自相應(yīng)段的低壓主母線;各段的應(yīng)急母線引自應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組出線回路.當(dāng)各組母線中的任一組之兩路市電均失電時(shí)，均在15 s內(nèi)起動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組.應(yīng)急備用母線段將自動(dòng)(或手動(dòng))切換到相應(yīng)的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組出線回路供電.應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電回路與市電供電回路之間設(shè)電氣和機(jī)械聯(lián)鎖.本工程為一座變電所，位于地下一層，接近負(fù)荷中心，并與各分區(qū)電氣豎井距離最近.本工程設(shè)備(銘牌)容量約為17783.5 kW，總有功功率7113.4 kW，無(wú)功功率3240.96 kVAR，視在功率7816.9 kVA，總無(wú)功功率補(bǔ)償容量為5335.05 kVAR，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.8，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.91，本工程同時(shí)需用系數(shù)0.4，變壓器的負(fù)載率為72%.根據(jù)以上數(shù)據(jù)根據(jù)選擇設(shè)置8臺(tái)SC(B)10型環(huán)氧樹(shù)脂絕緣干式電力變壓器及高低壓配電裝置，此變壓器為節(jié)能型變壓器故選用此變壓器型號(hào).其中4臺(tái)為照明變壓器，兩臺(tái)為動(dòng)力變壓器，兩臺(tái)為醫(yī)療設(shè)備變壓器，本樓變壓器容量為8臺(tái)9700 kVA，電壓均為10/0.4 kV.變壓器帶 IP 30保護(hù)罩，冷卻方式采用強(qiáng)制風(fēng)冷式.控制室內(nèi)各設(shè)中央信號(hào)屏一臺(tái)和直流電源屏二臺(tái)，防護(hù)等級(jí)為IP 30.柴油發(fā)電機(jī)室裝設(shè)1臺(tái)全自動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組容量均為1200 kW，電壓為380/220 V.機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有發(fā)電機(jī)并機(jī)屏，出線柜.考慮長(zhǎng)時(shí)間停電應(yīng)在室外預(yù)留油管以便柴油機(jī)組加油.

本工程對(duì)走廊、樓梯間等公共場(chǎng)所照明采用i－bus智能制(或按時(shí)間設(shè)置控制自動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉);現(xiàn)場(chǎng)設(shè)智能照明控制控制面板，由管理人員控制，達(dá)到方便管理、節(jié)能目的.診室、辦公等處的照明采用就地設(shè)置照明開(kāi)關(guān)控制;室外照明的控制納入建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理;護(hù)理單元過(guò)道和病房設(shè)“夜間照明”，由護(hù)士站統(tǒng)一控制.空調(diào)系統(tǒng)采用傳感器控制，達(dá)到節(jié)能要求，熱風(fēng)幕等設(shè)備應(yīng)用熱傳感器實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備采用變頻節(jié)能控制.電氣照明節(jié)能措施如表2所示.

表2 本工程照明所選光源

3 結(jié)論

本文以吉林大學(xué)第四醫(yī)院門診醫(yī)技樓建設(shè)工程為依托，從變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)以及照明系統(tǒng)4個(gè)方面研究了建筑電氣的節(jié)能問(wèn)題.通過(guò)節(jié)能分析，確定了建筑用電設(shè)備的選型和最佳運(yùn)行方式，提出了切實(shí)可行的節(jié)能方案，對(duì)其他新建建筑的電氣節(jié)能具有指導(dǎo)作用.

[1]劉惠萍，張一鳴.電氣設(shè)計(jì)中節(jié)能問(wèn)題[J].建筑節(jié)能，2007，35(4):31 －34.

[2]陳 彪.節(jié)能技術(shù)在建筑電氣中的應(yīng)用[J].建筑科學(xué)，2008(22):59－60.

[3]李 軍.建筑電氣設(shè)計(jì)與節(jié)能[J].福建建設(shè)科技，2012(3):43－45.

[4]江 蓉.綠色工業(yè)建筑電氣設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2011(10):47－51.

[5]黃寶勝.建筑電氣照明節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2012(4):93－95.