住宅建筑電氣節(jié)能技術(shù)研究

浙江新東陽建設(shè)集團有限公司 盧 強 呂信超 臨沂市技師學(xué)院 李長軍

在建筑能耗方面，電氣能耗的占比較高，對我國建筑領(lǐng)域節(jié)能減排工作推進帶來了較大的挑戰(zhàn)。為了加快建筑節(jié)能減排工作的推進，相關(guān)單位和設(shè)計人員應(yīng)深入了解住宅建筑的電氣能耗現(xiàn)狀，并采取系統(tǒng)性措施，推動住宅建筑的電氣節(jié)能改造工作，以提升住宅建筑的節(jié)能降碳水平。

1 住宅建筑電氣負荷分類及其節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

住宅建筑供配電系統(tǒng)是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是實現(xiàn)相關(guān)住宅功能的關(guān)鍵項目。要實現(xiàn)節(jié)能目標，相關(guān)單位和設(shè)計人員在工作中應(yīng)當考慮其負荷狀況，以降低電能浪費的問題。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，電力負荷可以分為一級、二級和三級負荷，當前，多數(shù)住宅建筑的主要負荷類型為二級、三級負荷。根據(jù)主要用途，系統(tǒng)地分析對應(yīng)的負荷情況，則可以分為照明負荷和動力負荷兩個主要組成部分。

照明負荷是指相關(guān)建筑中各類照明所產(chǎn)生的負荷，可根據(jù)其具體的位置和功能的差異分為公共區(qū)域照明、消防應(yīng)急照明、指示標志照明等照明類型。其中，公共區(qū)域的照明主要是為了滿足相關(guān)建筑公共區(qū)域內(nèi)的活動而設(shè)置的照明系統(tǒng)，消防應(yīng)急照明則是為了滿足消防需求而設(shè)置的照明系統(tǒng)[1]。這些照明設(shè)備根據(jù)其不同的功能和特點，具有相應(yīng)的功耗和運行狀態(tài)，需要根據(jù)實際需求進行合理配置和控制，以實現(xiàn)節(jié)約能源和提高能源利用效率的目標。動力負荷則是指給排水水泵、電梯、取暖、通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，這些設(shè)備的運行通常需要大量的電力，并且需要根據(jù)不同的使用場景和時間段進行不同的控制。

在進行相關(guān)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)當從上述的正常需求入手，盡可能控制對能源的消耗，提高對電能的整體利用效率。實際工作中，可首先從對照明設(shè)備的優(yōu)化入手，通過降低照明負荷的方式達到節(jié)能的效果。目前，可供選擇的光源類型主要包括普通熒光燈、三基色熒光燈、緊湊型熒光燈和LED 等多種類型，各光源的參數(shù)對比見表1。

表1 常用光源的參數(shù)對比

通過對比可知，LED 光源具有整體經(jīng)濟性更強、光效更好的特點，在使用過程中能夠一定程度地實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。因此，相關(guān)單位在工作中可加強對LED 的推廣力度，并將住宅建筑的公共區(qū)域照明進行LED 化改造，從而充分降低公共區(qū)域的能源消耗水平，提升節(jié)能效果。

其次，針對公共動力負荷進行降低的過程中，可積極采取新能源措施來實現(xiàn)。公共動力負荷在負荷類型劃分的過程中屬于一級負荷，相關(guān)單位可采取常規(guī)電能和新能源共同使用的方式來達成節(jié)能目標。其中，光伏系統(tǒng)是一種有效的新能源措施，可以將其與建筑材料融合，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料，從而實現(xiàn)對太陽輻射的最大限度的吸收，并為住宅建筑的公共動力負荷提供電能保障。在實現(xiàn)過程中，由于住宅建筑的光伏系統(tǒng)要求產(chǎn)生的電能直接就近供給用電設(shè)備，所以在進行建筑設(shè)計時，盡量將逆變器安裝在距離光伏板和蓄電池相對較近的配電井或者配電間。依托可再生能源，可以在一定程度上對當前住宅建筑的公共動力負荷形成分擔(dān)，從而有效地降低對電能的消耗。

2 住宅建筑的變壓器及其節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

作為住宅建筑供配電系統(tǒng)的核心部件，變壓器的能耗相對較高。通過采用變壓器節(jié)能技術(shù)，降低變壓器在運行過程中的能耗水平，對于住宅建筑的節(jié)能發(fā)揮著重要的作用。變壓器的電氣部分主要由繞組和鐵芯兩部分組成，變壓器的功率損耗主要包括有功功率和無功功率損耗。有功功率損耗主要包括空載和短路兩種狀態(tài)下的功率損耗。

其中，空載功率主要取決于變壓器的鐵芯材質(zhì)，短路功率則與變壓器的繞組有關(guān)。在空載狀態(tài)下，變壓器繞組不輸出電能，主要是鐵芯中的渦流和磁化損耗所造成的能量損失。在短路狀態(tài)下，變壓器輸出電流大，會導(dǎo)致繞組和鐵芯中的能量損失變得更加顯著。無功功率損耗主要來自變壓器繞組的電阻、電感等阻抗特性，以及負載電流等因素。

這些因素會在電流經(jīng)過繞組時產(chǎn)生電能的損耗，從而導(dǎo)致變壓器的無功功率損耗。為了降低變壓器的功率損耗，需要合理選擇變壓器的鐵芯材質(zhì)和繞組設(shè)計，以及進行有效的負載調(diào)整和無功補償。這樣可以提高變壓器能源利用效率，降低電能損失，進而減少電網(wǎng)負荷和降低能源消耗[2]。

一般來說，變壓器的能耗可以達到系統(tǒng)總能耗的40%以上。因此，適當更換和改造變壓器，對于降低住宅建筑的能耗具有重要意義。住宅建筑用電量往往在冬季和夏季最為集中，尤其是北方地區(qū)冬季負荷增長明顯。有些住宅建筑的用電負荷較低，并且在多數(shù)時間中不會達到變壓器容量的50%。特別是在用電量較低的春秋季節(jié)中，這種情況尤為明顯。上述情況導(dǎo)致變壓器長時間處于低負荷運行狀態(tài)，并進一步增加有功損耗，從而極大地降低配電網(wǎng)的能效。本文推薦以下變壓器節(jié)能方案。

一是選擇新型節(jié)能變壓器。為了提高變壓器的運行效率、降低損耗、節(jié)約能耗，建議在選購變壓器時，應(yīng)重點選擇自適應(yīng)復(fù)合型配電變壓器[3]。該變壓器設(shè)備能夠在不同狀態(tài)下通過調(diào)容開關(guān)來改變其運行模式，實現(xiàn)變壓器容量切換與電壓調(diào)節(jié)，不僅能在滿足電能需求的同時，避免了額外的能耗，提高供電能力，同時在額定負荷下的空載損耗也得到了降低，提升了其運行經(jīng)濟性。此外，在選擇變壓器設(shè)備時，還應(yīng)對設(shè)備本身的特點進行充分分析，以形成更為科學(xué)和合理的設(shè)備選擇方案。

二是合理配置變壓器數(shù)量。除了選擇合適類型的變壓器設(shè)備，相關(guān)單位在進行設(shè)計時還應(yīng)根據(jù)對應(yīng)建筑住宅的實際情況，對變壓器數(shù)量進行合理安排。過去，一些住宅小區(qū)為了滿足能耗需求，采取多臺變壓器的設(shè)置方案，但實際運行中往往達不到設(shè)計預(yù)期，反而增加能耗，缺乏經(jīng)濟性[4]。因此，在后續(xù)改造時，建議相關(guān)單位針對現(xiàn)有的需求進行重新評估，減少變壓器的設(shè)置數(shù)量，以幫助實現(xiàn)能耗的進一步降低。

三是合理把握最小負載功率。根據(jù)當前電力負荷情況，變壓器的負載率為50%時，其負載功耗小。雖然該方法可以將負載功耗控制到最小，但同時也限制了變壓器的經(jīng)濟價值的實現(xiàn)。因此，在實際運行中，建議使用智能監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測變壓器的負載率，根據(jù)實際負載情況合理調(diào)整變壓器數(shù)量，從而確保其負載率維持在恰當?shù)乃?，實現(xiàn)節(jié)約能耗的目的[5]。同時，在實際操作中，可以對變壓器相關(guān)配套設(shè)施進行優(yōu)化，如開關(guān)柜、母線柜等，以提升變壓器的經(jīng)濟性。除此之外，還可以采用電能質(zhì)量控制器等設(shè)備，對變壓器的電能質(zhì)量進行監(jiān)測，以確保電能的有效利用，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

3 住宅建筑的供配電線纜及其節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

住宅建筑中，低壓供配電線纜也是進行節(jié)能措施應(yīng)用的重要項目。隨著現(xiàn)代住宅建筑的不斷發(fā)展，電纜抵抗耗損所導(dǎo)致的能源浪費日益凸顯。因此，在進行節(jié)能改造過程中，需要采取有效的措施來降低供配電線纜的能量損失。從實際情況來看，在現(xiàn)階段的建筑電氣系統(tǒng)之中，低壓電纜的電能輸送必然會有一部分以熱量的形式耗散，這一部分能量即為相關(guān)供配電線纜的功率損耗。而功率損耗的影響因素則是電流和導(dǎo)線電阻，其中電流受到相關(guān)電纜連接的負載情況的影響，在工程中隨著負載的確定，可有效地明確電流值。

而導(dǎo)線電阻則與其自身的材質(zhì)、截面、輸送距離等息息相關(guān)，在工程施工中，隨著對電纜導(dǎo)體材質(zhì)、距離、負荷位置等數(shù)據(jù)的明確，可以掌握到其具體的電阻值。這些數(shù)據(jù)可以用來準確計算相關(guān)導(dǎo)線的功率損耗。例如，在某棟住宅的設(shè)計中，使用了3×2.5銅芯低壓電纜，總長度約為1000m。采用內(nèi)部敷設(shè)的措施，電阻值約為0.916Ω/km，計算電流為7.5A，預(yù)計導(dǎo)線的損耗約為1.54kWh。當然，隨著人們生活水平的提高，使用的導(dǎo)線類型也越來越多樣化，因此不同導(dǎo)線在使用過程中的損耗值也不盡相同，但不同線纜使用過程中產(chǎn)生的損耗總和，卻是不容忽視的內(nèi)容[6]。

為了減少低壓輸電線路損耗程度，節(jié)能改造可以從以下兩個方面采取措施：降低輸變電及配電電纜長度及其阻值。一是減少電纜長度。應(yīng)盡可能讓變電所或變電站處于住宅建筑供配電系統(tǒng)的負荷中心，這樣供配電線纜到達任何負荷位置的距離都是相對較短的?？s短供電半徑，可顯著降低供配電線纜投資和線路損耗。實際配置中，供電半徑應(yīng)控制在100～150m 以內(nèi)以取得最佳降損效果。

二是降低線纜電阻。線纜截面是影響電阻的關(guān)鍵因素，在選擇電纜截面時，應(yīng)根據(jù)實際情況進行選擇。合理的選擇可以避免后續(xù)改造，降低線纜成本（見表2）。綜上所述，對于住宅建筑的能耗控制，必須系統(tǒng)地掌握電纜整體能耗情況和經(jīng)濟性。每年因線纜造成的能耗損失較大，如果不能進行充分和合理的控制，將極大地提高住宅能耗水平。因此，節(jié)能改造措施必須科學(xué)、合理，可通過減少線纜長度和降低線纜電阻等措施來實現(xiàn)節(jié)能目標。

表2 兩種電纜的選擇方法及節(jié)能效果對比

4 住宅建筑的其他節(jié)能技術(shù)及措施的應(yīng)用

除了從正常照明、變壓器使用和選擇、電纜改造入手外，還可以從以下方面進行提高能效和減少能耗方面著手：一是選用高效設(shè)備：使用高效的能源設(shè)備、節(jié)能燈等，可以降低建筑總能耗，此外在安裝并正確使用傳感器、節(jié)流閥等設(shè)備的情況下，也能實現(xiàn)預(yù)期的節(jié)能效果。

二是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計：通過對各種系統(tǒng)進行優(yōu)化，比如通過增加溫控觸點、改善通風(fēng)、通風(fēng)增加空氣流量以及系統(tǒng)溫度、濕度、風(fēng)速和壓力的控制，可以減少浪費和耗能，從而提高能效。

三是采用新技術(shù)：如利用太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能或地下水能等，在合適的地點安裝適當?shù)难b置產(chǎn)生清潔的、可再生的能源，以降低傳統(tǒng)燃料的使用和污染排放。同時，使用數(shù)字化自動化智能化的系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測和管理能源使用狀況，降低建筑能耗。

四是教育培訓(xùn)：通過加強對建筑能耗的科普宣傳、開展教育培訓(xùn)和推廣先進的節(jié)能技術(shù)，營造全民參與節(jié)能社會氛圍，進一步推動能源消費方式的轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)語

降低建筑能耗是未來建筑發(fā)展的必然要求。根據(jù)以上分析，可以從多方面入手，采取綜合措施，降低建筑能耗，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。