建筑電氣設計與安裝的節(jié)能降耗措施分析

陳灼生（福建省龍巖市　364000）

建筑電氣設計與安裝的節(jié)能降耗措施分析

陳灼生
（福建省龍巖市364000）

節(jié)能降耗已成為全社會公民的共識，本文結(jié)合筆者多年電氣設計與安裝施工的實踐，從變壓器的節(jié)能、減少配電線路的損耗、提高供配電系統(tǒng)功率因數(shù)以及照明、電動機的節(jié)能等方面詳細分析闡述了建筑電氣設計與安裝過程中的諸多節(jié)能方法和措施，并進行了總結(jié)，以期實現(xiàn)建筑物的整體節(jié)能。

建筑電氣；設計與安裝；節(jié)能措施

在我國能源的消耗在急劇增加，能源危機已成為當今社會最受矚目的熱點問題之一，為應對氣候變暖和能源需求不斷增長的挑戰(zhàn)，降低CO2排放，提高電氣裝置的電能效率已經(jīng)成為熱門話題，在建筑電氣設計與安裝過程中，是否采取必要的節(jié)能措施已經(jīng)成為電氣設計的成敗的關鍵。因此，電氣節(jié)能措施貫穿建筑工程電氣設計與安裝應用全過程，通過采取必要的電氣節(jié)能措施可以使建筑物電氣設計不斷優(yōu)化，減能降耗，以實現(xiàn)建筑物的整體節(jié)能。

1　變壓器的節(jié)能

變壓器的節(jié)能就是降低其損耗、提高其運行效率，從配電系統(tǒng)生命周期考慮應選用節(jié)能低耗變壓器，因為其空載損耗和負載損耗低，電能效率高，運行費用低，但價格教高。綜合平衡投資與變壓器運行（空耗和負載）損耗之間的關系，變壓器的有功功率損耗可用下式計算：

ΔP=P0+Pkβ2

式中：Δp——變壓器有功損耗，kW；

P0——一變壓器的空載損耗，kW；

Pk——變壓器的短路損耗，kW；

β——變壓器的負載率，%。

P0為空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，其值與鐵芯材質(zhì)和制造工藝有關，而與變壓器的負荷大小無關，所以設計時變壓器應選用節(jié)能型的，如S9、SL9及SC8等油浸變壓器或干式變壓器，它們都是采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向矽鋼片，由于取向處理，使矽鋼片的磁方向接近一致，以減少鐵芯的渦流損耗。45°全斜接縫結(jié)構(gòu)，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。

Pkβ2為短路損耗又稱銅損，取決于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小，即與負載率β的平方成正比。對Pkβ2用微分求它的極值，在β=50%時變壓器的能耗最小，因此在以往設計中變壓器的容量大多按負載率為50%左右選取，以為這樣是最節(jié)能的措施，其實并非如此，因為這僅是從降低變壓器能耗的角度來考慮，而沒有考慮實際的綜合經(jīng)濟效益，由于選用比實際需要大一倍的變壓器，其增加的設備購置費、安裝費等遠大于節(jié)電所省下的電費，為了節(jié)能而取變壓器負載率為50%是得不償失的，通常從綜合經(jīng)濟效益來考慮，變壓器的負載率應在75～85%為宜。為減小變壓器損耗，當需要選用多臺變壓器時，在合理分配負荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺數(shù)。

選定了變壓器臺數(shù)就要依據(jù)工況、季度負荷的不同進行變壓器的切換，即所謂的并聯(lián)經(jīng)濟運行，這里不再為此作管理方面的討論。

2　減少配電線路的損耗

在電氣設計與安裝時，由于線路上存在電阻，有電流流過時，就會產(chǎn)生有功功率損耗。其公式如下：

ΔP=ΔPA+ΔPB+ΔPC=3I2R×103（kW）

式中：I——相電流（A，三相平衡時）；

R——線路電阻（Ω）。

一般在一個工程項目電氣設計中，供配電線路的數(shù)量是很多的，所以線路上的總有功損耗是相當可觀的，減少線路上的能耗必須引起重視。線路電阻R=ρ×L/s，即線路電阻與電阻率ρ成正比，與線路截面S成反比，與線路長度L成正比，因此減少線路的損耗可從以下幾方面入手：

（1）首先應選用電阻率較小的材質(zhì)做導線，即選用銅芯導線，但同時也要貫徹節(jié)約用銅的原則；

（2）其次要盡量減小導線長度，線路盡可能走直線，少走彎路，不走回頭線，以減少來回線路上的電能損失，配電室布置應盡量接近負荷中心，以減少供電距離，配電室處于最佳位置可以減少配電損耗，使得線路壓降最小化，即電能效率最高；

（3）要適當增大導線截面，對于比較長的線路，除滿足截流量、熱穩(wěn)定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導線截面，所增加的費用為w，由于節(jié)約能耗而減少的年運行費用為W，則W/w為回收年限，若回收年限為幾個月或一、兩年，則應加大一級導線截面。

3　提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)

提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無功在線路上傳輸，即減少配電線路的熱損耗，可達到節(jié)能的目的。

上述線路損耗的公式變換后可得下列計算式：

ΔP=3I2R×103=3RP2/U2cos2φ×103（kW）

式中：U——線電壓（V）；

P——有功功率（kW）；

cosφ——功率因數(shù)。

由該式可看出線路上的損耗是與功率因數(shù)成正比的，功率因數(shù)越低線路上的損耗越高，反之，功率因數(shù)越高線路上的損耗越低，可見提高系統(tǒng)功率因數(shù)可以減少線路損耗。同樣上述變壓器有功損耗計算式可寫成：

ΔP=P0+（P2/Sncosφ）2Pk

式中：P——變壓器的輸出功率（kW）；

Sn——變壓器的額定容量（kVA）；

cosφ——功率因數(shù)。

可見提高系統(tǒng)功率因數(shù)亦可以減少變壓器損耗。提高系統(tǒng)功率因數(shù)的措施有以下幾種：

3.1提高設備的自然功率因數(shù)

在工藝條件許可時采用功率因數(shù)較高的同步電動機來代替異步電動機，設計中對空載率大于50%的電動機和電焊機采用空載自停控制裝置；熒光燈可采用高次諧波系數(shù)低于15%的電子鎮(zhèn)流器：采用電感鎮(zhèn)流器的氣體放電燈，單燈安裝電容器等，都可使自然功率因數(shù)提高到0.85～0.95。

3.2設置無功補償電容器

由于感抗產(chǎn)生滯后的無功，電容器產(chǎn)生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，因此設置無功補償電容器，可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)。無功補償電容器裝置設計應采取高、低壓電容器補償相結(jié)合，即變壓器和高壓用電設備的無功功率由高壓電容器來補償，其余的無功功率則需按經(jīng)濟合理的原則對高、低壓電容器進行分配；分散與集中補償相結(jié)合，對距變配電所較遠且無功功率較大的采用就地補償，對用電設備集中的地方采用成組補償，其他的無功功率則在變配電所內(nèi)集中補償；固定與自動補償相結(jié)合，即最小運行方式下的無功功率采有固定補償，經(jīng)常變動的負荷采用自動補償。

4　照明的節(jié)能措施

照明在電氣工程中所占的比例是很大的，照明節(jié)能的潛力也很大，在設計與安裝中應從下列幾方面著手：

4.1采用高效光源

在工程實際應用中如何合理地選擇光源，應根據(jù)工程的具體性質(zhì)、使用的場所、人員的視覺要求、照明的數(shù)量和質(zhì)量來確定。照明光源的選擇主要考慮以下幾個要素：光效、色溫、顯色指數(shù)、光源壽命和價格。在民用建筑中，主要應用的光源有白熾燈、熒光燈、HID燈，現(xiàn)在隨著照明技術的發(fā)展，還有一些新的光源也逐漸得到應用，如光纖照明、LED等等。在工業(yè)建筑等工程應用中，按工作場所的條件，采用不同種類的高效光源，可降低電能消耗，節(jié)約能源。在燈具懸掛比較高的場所，如高大廠房、露天工作場所、一般照明和道路照明，應采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈或外鎮(zhèn)流熒光燈；在燈具懸掛比較低的場所，宜采用熒光燈或小功率高壓鈉燈，不宜采用白熾燈：白熾燈過去用得最廣泛，因為它便宜，安裝維護簡單，但它致命的弱點是發(fā)光率太低，因此目前常被各種發(fā)光率高，光色好，顯色性能優(yōu)異的新光源取代，例如緊湊型熒光燈，它是替代自熾燈的最理想光源。雖然從一次性投資來看是要高出一些，但從長遠的效果來看，即從燈具的壽命、燈具的能耗來看，其綜合效益比白熾燈要好許多。

4.2減少開燈時間

充分利用自然光，這是照明節(jié)能的重要途徑之一，在設計中電氣設計人員應多與建筑專業(yè)配合，建筑物盡量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面積，應將門窗開大，采用透光率較好的玻璃門窗，做到充分合理地利用自然光使之與室內(nèi)人工照明有機地結(jié)合，從而大大節(jié)約了人工照明電能。改進燈具控制方式，采用各種節(jié)能型開關或裝置也是一種行之有效節(jié)電方法。根據(jù)照明使用特點可采取分區(qū)控制燈光或適當增加照明開關點。每個照明開關所控制燈的數(shù)量不宜過多；對大型廠房照明設計宜采取分區(qū)控制方式，這樣可增加照明分支回路控制靈活性，使不需要照明的地方不亮燈，有利節(jié)電；對于民用建筑中臥房、病房、客房等床頭燈可采用調(diào)光開關，高級客房采用節(jié)電開關，公共場所及室外照明可采用程序控制或光電、聲控開關，走道、樓梯等人員短暫停留的公共場所采用節(jié)能自熄開關。盡量采用調(diào)光器、定時開關、節(jié)電開關等控制照明，室外照明最好采用光電自控裝置。

4.3減少供電線路損失

照明電源線路應盡量采用三相四線制供電，以減少電壓損失，在設計安裝時應盡量使三相照明負荷對稱，以免影響照明燈的發(fā)光效率：除為了安全采用36V以下照明燈外，應盡量采用較高電壓的照明燈；采用高效節(jié)能的燈用電器附件，用節(jié)能電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器取代傳統(tǒng)的高能耗電感鎮(zhèn)流器，在采用氣體放電光源較多的場所，應采用補償電容器提高功率因數(shù)。

5　電動機節(jié)能措施

電動機在電氣安裝工程中的應用是相當廣泛的，其用電量亦占據(jù)總用電量的大部分，認真做好電動機的節(jié)能工作具有非常重要的意義。在設計應用時宜采用高效率的電動機，應根據(jù)負荷特性合理選擇電動機，輕載電動機采取降壓運行，并根據(jù)情況對電動機采取無功就地補償，以減少線路由于輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應減少電機輕載和空載運行。由于需要對電動機進行調(diào)速的場合應采用變頻調(diào)速器，變頻節(jié)能原理有以下幾點：

5.1變頻節(jié)能

為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當電機轉(zhuǎn)速從N1到N2時，其電機軸功率（P）的變化關系如下：P2/P1=（N2/N1）3，由此可見降低電機轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。

5.2動態(tài)調(diào)整節(jié)能

迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設有5000次/s的測控輸出功能，始終保持電機的輸出高效率運行。

5.3通過變頻自身的V/F功能節(jié)電

在保證電機輸出力矩的情況下，可自動調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流，達到節(jié)能狀態(tài)。

5.4變頻自帶軟啟動節(jié)能

在電機全壓啟動時，由于電機的啟機力矩需要，要從電網(wǎng)吸收7倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可采用電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速；中擊，延長了設備的使用壽命。

5.5提高功率因數(shù)節(jié)能

電動機由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感受抗作用。對電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C-DC-AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗。由此可見，采用變頻器可提高電機效率，達到節(jié)能的目的。

另一種節(jié)能方式是采用軟起動器，軟起動器設備是按起動時間逐步調(diào)節(jié)可控硅的導通角，以控制電壓的變化。由于電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此起動平穩(wěn)，起動完畢則全壓投入運行。軟起動器也可采用測速反饋、電壓負反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導通角，以達到速度隨負載的變化而變化。它可用在電動機容量較大，又需要頻繁起動的設備，以及附近用電設備對電壓的穩(wěn)定要求較高的場合。因為它從起動到運行，其電流變化不超過三倍，可保證電網(wǎng)電壓的波動在所要求的范圍內(nèi)。但它是采可控制硅調(diào)壓，正弦波未導通部分的電能全部消耗在可控硅上，不會返回電網(wǎng)。因此，它要求散熱、通風措施完善。其價格比變頻器便宜，在水泵中的大容量電動機的控制設備中可以應用。

6　結(jié)語

綜上所述，在建筑電氣節(jié)能設計與安裝過程中除采取以上幾個方面的措施和方法外，還應貫徹實用可靠、經(jīng)濟合理、技術先進的原則，并做好以下幾點：①應保證滿足功能要求，不能為了節(jié)能而隨意降低指標從而達不到客戶的使用要求；②要考慮實際經(jīng)濟效益，不能因為節(jié)能而過高地消耗投資，增加運行費用，而是應該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時間內(nèi)用節(jié)能減少下來的運行費用進行回收；④節(jié)能的著眼點應是節(jié)省無謂消耗的能量，如變壓器的功率損耗，傳輸電能線路上的有功損耗都是無用的能量損耗，宜采用先進技術使其能耗降低；④需要考慮再生能源，如風能和太陽能等分布式電源，尋求再生能源的利用是世界能源界追求的大趨勢。

[1]葛大麟.低壓電氣裝置電能效率.建筑電氣，2011，11.

TU85

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1673-0038（2015）06-0067-03

2015-1-20