關(guān)于空調(diào)配電的可靠系數(shù)和電纜截面選擇的探討

張 俊， 王 忠

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，居民生活水平不斷提升，建筑物的用電負(fù)荷也隨之增加。 在我國，建筑能耗約占社會總能耗的四分之一，而在民用建筑中，空調(diào)耗電量占整個(gè)建筑耗電量的比例約40%～60%。 空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行的安全穩(wěn)定不僅對居民生活產(chǎn)生影響，同時(shí)對電氣系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要。 為保證電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，降低空調(diào)設(shè)備的故障率，確保建筑物內(nèi)空調(diào)配電系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、可靠，如何正確選擇空調(diào)配電線路的截面及保護(hù)開關(guān)元件顯得尤為重要。

1 民用建筑中常用空調(diào)系統(tǒng)形式

空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)的簡稱，其主要作用是制冷和制熱。 文獻(xiàn)［2］中將空調(diào)系統(tǒng)按空氣處理設(shè)備的設(shè)置情況、負(fù)擔(dān)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷所用的介質(zhì)等將空調(diào)系統(tǒng)分成不同的類別，同時(shí)也詳細(xì)介紹了各個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的特征和應(yīng)用。 本文主要針對民用建筑中常見的四種空調(diào)系統(tǒng)形式（分體空調(diào)系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)（VRV 系統(tǒng)）、水冷機(jī)組＋空調(diào)末端、風(fēng)冷機(jī)組＋空調(diào)末端）展開論述。

1.1 分體空調(diào)系統(tǒng)

由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)組成，把空調(diào)器分成室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組兩部分，一般是一臺內(nèi)機(jī)對應(yīng)一臺外機(jī)，目前主要是用在小型空間中，如住宅區(qū)域。

1.2 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)

由一臺室外機(jī)通過配管連接兩臺或兩臺以上室內(nèi)機(jī)，室外側(cè)采用水冷或風(fēng)冷換熱形式、室內(nèi)側(cè)采用直接蒸發(fā)換熱形式的一次制冷劑空調(diào)系統(tǒng)。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)目前在中小型建筑和部分公共建筑中應(yīng)用廣泛。

1.3 水冷機(jī)組＋空調(diào)末端系統(tǒng)

由一個(gè)或多個(gè)冷熱源系統(tǒng)及多個(gè)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，通過主機(jī)產(chǎn)生出空調(diào)冷（熱）水，由管路系統(tǒng)輸送至室內(nèi)的各末端裝置，在末端裝置處冷（熱）水與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，從而消除房間空調(diào)冷（熱）負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)制冷、制熱的目的。 該系統(tǒng)通常需配置水冷主機(jī)、水泵、冷卻塔、板式換熱器等設(shè)備，如需提供熱源一般還需設(shè)置鍋爐。 水冷機(jī)組＋空調(diào)末端的形式一般設(shè)置在大型或超大型的建筑內(nèi)。

1.4 風(fēng)冷機(jī)組＋空調(diào)末端系統(tǒng)

此系統(tǒng)與水冷機(jī)組＋空調(diào)末端的形式工作原理大概類似，不同的是：風(fēng)冷機(jī)組是用風(fēng)（空氣）強(qiáng)迫換熱以帶走和吸取熱量， 來產(chǎn)生冷水和熱水，而水冷機(jī)組是用水來冷卻帶走熱量產(chǎn)生冷水，而且因?yàn)轱L(fēng)冷機(jī)組采用熱泵形式，故不需要另外設(shè)置熱源。該系統(tǒng)通常需配置風(fēng)冷熱泵機(jī)組、水泵等設(shè)備，無需設(shè)置冷卻塔和鍋爐房。 但因單臺風(fēng)冷熱泵制冷量限制，故一般適用于中小型的公共建筑等類似場所。

2 空調(diào)配電的可靠系數(shù)和電纜截面選擇

目前，國內(nèi)市場上各大主流空調(diào)廠家樣本提供的數(shù)據(jù)參數(shù)較多，電氣專業(yè)比較關(guān)心的參數(shù)大多為：額定功率Pn、額定電壓Un、額定電流In、功率因數(shù)cosφ 等。 在提資過程中，暖通專業(yè)會將各類不同空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備功率（額定功率）提給電氣專業(yè)。值得注意的是，該設(shè)備功率僅僅是空調(diào)在額定工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如果遇到非正常、非額定工況的情況，空調(diào)主機(jī)會出現(xiàn)一定時(shí)間的過載（超頻）運(yùn)行狀態(tài)。 若按額定功率、額定電流來配置空調(diào)電纜，會降低空調(diào)配電的安全性，甚至嚴(yán)重影響空調(diào)設(shè)備的正常運(yùn)行。 因此，本文提出空調(diào)配電可靠系數(shù)的概念，在實(shí)際選擇空調(diào)電纜截面時(shí)應(yīng)將計(jì)算電流乘以可靠系數(shù)，然后再選擇合適的保護(hù)開關(guān)和電纜截面。

2.1 空調(diào)配電電纜截面選擇的原則

正確選擇低壓電纜的截面，不僅關(guān)系到配電設(shè)備的安全，還關(guān)系到整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定。 JGJ 16－2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.4.2 節(jié)對低壓配電導(dǎo)體截面的選擇分別從載流量、線路電壓損失、熱穩(wěn)定和機(jī)械強(qiáng)度四個(gè)方面提出了相應(yīng)的要求。 在電氣設(shè)計(jì)中，低壓配電線路會設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施，電纜截面的選擇會和保護(hù)開關(guān)相匹配，這為正確選擇電纜截面提供了有效的辦法。 JGJ 16－2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.6.3 節(jié)從熱穩(wěn)定的角度給出了配電導(dǎo)體的最小截面積。 7.6.5 節(jié)從配電線路過負(fù)荷保護(hù)的角度給出了線路計(jì)算電流、保護(hù)開關(guān)的整定電流、電纜載流量之間的關(guān)系。本文著重從空調(diào)設(shè)備的額定電流（計(jì)算電流）和保護(hù)元件的整定電流的關(guān)系來選擇空調(diào)低壓配電電纜截面，并提出空調(diào)配電電纜選擇的可靠系數(shù)。

2.2 可靠系數(shù)的選取

對于可靠系數(shù)的選擇，本文從空調(diào)樣本的參數(shù)中尋找數(shù)據(jù)支撐。 目前，越來越多的空調(diào)廠家已不再僅僅提供額定功率這一種數(shù)據(jù)，而是會將設(shè)備的最大功率標(biāo)注出來供設(shè)計(jì)師參考。 以國內(nèi)某幾個(gè)廠家的螺桿式水冷機(jī)組主機(jī)樣本數(shù)據(jù)和VRV（風(fēng)冷熱泵型）為例，該樣本中給出了空調(diào)主機(jī)的額定功率（也稱輸入功率）和最大功率（配置功率），如表1～2 所示。

水冷主機(jī)的額定功率和最大功率 表1

VRV 室外機(jī)的額定功率和最大功率 表2

從表1 和表2 可以看出，水冷主機(jī)和VRV 的室外機(jī)都標(biāo)注了兩種功率，即額定功率和最大功率，而且兩種功率從數(shù)值上看相差較大。 額定功率是廠家在額定工況下所測得的理想數(shù)據(jù)，最大功率為廠家經(jīng)測試觀察在實(shí)際運(yùn)行中有可能出現(xiàn)的最大運(yùn)行功率。 以表1 中的水冷機(jī)組為例，樣本中明確規(guī)定了其額定制冷工況包括冷凍水出水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、冷凍水側(cè)污垢系數(shù)、冷卻水側(cè)污垢系數(shù)等，在額定工況下這些條件都必須被滿足，機(jī)組才會工作在額定功率下。 然而在實(shí)際運(yùn)行中會出現(xiàn)各種工況（如環(huán)境溫度升高、系統(tǒng)冷熱負(fù)載變化、設(shè)備操作、人為管理保養(yǎng)不當(dāng)?shù)龋?，都有可能使機(jī)組無法運(yùn)行在額定工況下，機(jī)組出力，會發(fā)生相應(yīng)變化。 尤其是在外界環(huán)境極其不利、冷熱量無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，機(jī)組很可能會自動增加出力，即運(yùn)行在最大功率下來滿足需求。

進(jìn)一步分析，由于功率和電流之間成正比關(guān)系，因此額定功率對應(yīng)的是計(jì)算電流，而最大功率則對應(yīng)最大電流。 將最大功率除以額定功率，即可對應(yīng)得到最大電流和計(jì)算電流的比值，這個(gè)比值即本文提出的可靠系數(shù)，該系數(shù)是在選擇空調(diào)配電電纜時(shí)應(yīng)放大的倍數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)將計(jì)算電流按照這個(gè)比值放大去選擇電纜和保護(hù)開關(guān)，可以有效保證空調(diào)主機(jī)在非額定工況，即最大功率運(yùn)行下，電纜能有效承載其電流，不至于出現(xiàn)因電纜截面選擇過小而發(fā)熱、保護(hù)開關(guān)動作等情況。 將表1 和表2 中的最大功率除以額定功率，可得到相應(yīng)的可靠系數(shù)，如表3 所示。

空調(diào)主機(jī)配電電纜選擇的可靠系數(shù) 表3

空調(diào)主機(jī)可靠系數(shù)（從圖1）可以看出，12 個(gè)機(jī)組的可靠系數(shù)的取值范圍為1.19 ～1.35，其中水冷機(jī)組的可靠系數(shù)均小于1.3，VRV 室外機(jī)的可靠系數(shù)波動稍大，但仍在1.3 附近。 因此，當(dāng)沒有具體的樣本數(shù)據(jù)或者不了解具體主機(jī)的相應(yīng)參數(shù)時(shí)，建議取Kk＝1.3，若為VRV 室外機(jī)則可根據(jù)實(shí)際情況稍作調(diào)整，但不應(yīng)小于1.3。

圖1 空調(diào)主機(jī)可靠系數(shù)

2.3 空調(diào)配電電纜截面的選擇

對于單臺的空調(diào)主機(jī)（水冷、風(fēng)冷、VRV 室外機(jī)）配電，應(yīng)先根據(jù)式（1）設(shè)備功率來計(jì)算空調(diào)設(shè)備的計(jì)算電流。

式中，Ij為計(jì)算電流； Pj為設(shè)備功率（額定功率）；Un為空調(diào)設(shè)備的額定工作電壓； cosφ 為空調(diào)設(shè)備的功率因數(shù)。

考慮到空調(diào)配電干線的安全性，引入可靠系數(shù)，則最大計(jì)算電流計(jì)算如式（2）。

Ijmax＝Kk·Ij（2）

式中，Ijmax為最大計(jì)算電流；Kk為可靠系數(shù)。

根據(jù)GB 50054－2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中的6.3.3 節(jié)：過負(fù)荷保護(hù)電器的動作特性，應(yīng)符合公式（3）的要求。

IB≤In≤IZ（3）

式中，IB為回路計(jì)算電流，A；In為熔斷器熔體額定電流或斷路器額定電流或整定電流，A；IZ為導(dǎo)體允許持續(xù)載流量，A。

因此，在選擇空調(diào)配電干線時(shí)，需將Ijmax代入公式（3）中的IB，以此來選擇合適的保護(hù)開關(guān)和配電導(dǎo)體。

3 案例分析

某南方辦公大樓建筑面積約2.3 萬m2，空調(diào)形式采用VRV＋水源熱泵兩種形式。 通過觀察并記錄業(yè)主采購的主機(jī)銘牌，相應(yīng)數(shù)據(jù)如表4 所示。

某辦公樓VRV 室外機(jī)的銘牌數(shù)據(jù) 表4

表4 中數(shù)據(jù)表明：從銘牌上的數(shù)據(jù)可得到各主機(jī)配電可靠系數(shù)，該可靠系數(shù)均小于1.3。 為了驗(yàn)證上文提出的可靠系數(shù)取1.3 的正確性，筆者分別調(diào)取了上述機(jī)組的最大運(yùn)行電流數(shù)據(jù)，通過與計(jì)算電流的對比，得出空調(diào)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中的可靠系數(shù)。 以空調(diào)主機(jī)在額定工況下，根據(jù)額定功率、電壓、功率因數(shù)為0.9 計(jì)算得出的計(jì)算電流數(shù)據(jù)、設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的最大電流數(shù)據(jù)以及運(yùn)行的可靠系數(shù)，如表5 所示。

某辦公樓VRV 室外機(jī)＋水源熱泵的實(shí)際可靠系數(shù) 表5

表5 的數(shù)據(jù)顯示，各機(jī)組的計(jì)算電流和實(shí)際最大電流相差較大，實(shí)際可靠系數(shù)為實(shí)際最大電流和計(jì)算電流的比值。 從表5 中可以看出，7 個(gè)機(jī)組的配電可靠系數(shù)均在1.2～1.32 之間，最大值為1.32，最小值為1.25，均在1.3 左右上下波動。 將實(shí)際可靠系數(shù)和可靠系數(shù)參考值1.3 對比可以得到其波動百分比，如表5 中第5 列所示，比值在－3.8%～＋1.5%之間。 和表4 中的理論可靠系數(shù)相比，差別不大。 這表明本文提出的1.3 的可靠系數(shù)具有一定的合理性。

對于實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)最大運(yùn)行功率這種現(xiàn)象有多方面的原因，一方面是由于室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)負(fù)荷率配比不相等。 在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師通常會根據(jù)建筑物的建筑面積、建筑功能等因素選擇一定冷量的室外機(jī)，而室內(nèi)機(jī)會根據(jù)建筑物室內(nèi)空間的布局來配置，由于建筑空間布局的多樣性和復(fù)雜性，很容易出現(xiàn)室內(nèi)機(jī)配置的冷量超過室外機(jī)的狀況。 在炎熱的夏季，當(dāng)室內(nèi)機(jī)全部開啟時(shí)，將可能會出現(xiàn)過載（超頻）狀態(tài)，且這種狀態(tài)很可能是長時(shí)間存在。 其次，對于放置在室外的主機(jī)，由于室外的惡劣環(huán)境，如氣溫、濕度等往往達(dá)不到機(jī)組所要求的額定工況，因此也很容易出現(xiàn)機(jī)組為了維持出力而功耗增大的情況。 對于采用傳統(tǒng)水冷機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)，雖然主機(jī)放置在環(huán)境相對較好的機(jī)房內(nèi)，但是冷卻塔通常放在屋頂空曠區(qū)域，從機(jī)房到冷卻塔的長距離很有可能使冷凍水、冷卻水的溫度達(dá)不到額定工況的要求，在額定制冷量的要求下，機(jī)組極有可能增加功耗來滿足出力要求。 同樣，在過渡季節(jié)，由于建筑物所要求的冷量減小，機(jī)組通常不會滿開，但是也有可能出現(xiàn)在卸載一臺主機(jī)后，剩余主機(jī)冷量達(dá)不到要求而使機(jī)組不得不過載運(yùn)行的狀況。

綜上，為確?？照{(diào)機(jī)組在上述非額定工況、非正常情況下的安全運(yùn)行，電氣專業(yè)在選擇空調(diào)低壓電纜截面時(shí)，宜考慮一個(gè)可靠系數(shù)，將計(jì)算電流放大，然后選擇相應(yīng)的保護(hù)開關(guān)和導(dǎo)體。 從上述表格和圖表顯示，選取1.3 作為可靠系數(shù)基本能滿足要求，且符合實(shí)際情況。

4 結(jié)束語

本文提出空調(diào)配電的可靠系數(shù)，并將額定計(jì)算電流乘以該可靠系數(shù)用于選擇保護(hù)開關(guān)和相應(yīng)導(dǎo)體，為空調(diào)配電安全提供保障。 通過調(diào)取某工程VRV 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并闡述了相應(yīng)原因，進(jìn)而驗(yàn)證筆者提出的1.3 的可靠系數(shù)有其合理性，能在一定程度上對今后類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考借鑒。