建筑电气设计中节能措施的探讨*

2013-08-17魏立明陈渐春

吉林建筑大学学报 2013年4期

靖辉魏立明陈渐春

(吉林建筑大学电气与电子信息学院，长春 130118)

目前，我国正面临着能源紧缺问题，而我国能源消耗又非常高，单位GDP能耗是美国的3倍，是日本的6倍，因此合理节约能源并且有效提高能源利用率成为我国经济能否持续发展的重要因素之一[1－2].在全国总能耗中建筑能耗位于能耗首位约占28%，其中电气能耗是建筑能耗的重要组成部分之一.因此，建筑电气节能技术的相关研究成为研究的重点内容之一[3].本文以吉林大学第四医院门诊医技楼电气工程设计为例，提出建筑电气节能措施以及建筑配电设备节能技术优选方案.本文所提做法为其它实际工程的电气节能起到一定的指导作用.

1 建筑电气节能措施理论研究

建筑电气系统的节能应从优化设计为切入点，在设计阶段就应该合理地选择节能型变压器、合理选择和布置电线电缆、合理确定光源，优化配置电动机以达到建筑电气节能的效果.下面就建筑电气节能的具体措施进行相应地讨论.

1.1 变压器节能措施

变压器所消耗的电能很大，据有关资料统计，变压器自身所消耗电能约占全国所有发电量的5%[4].所以，如何降低变压器本身能耗成为建筑电气节能中关注的焦点之一.

通过降低变压器负载率可以节约变压器的用电损耗，但会造成工程投资提高，所以变压器的节能措施实质就是降低有功功率损耗提高其运行效率.变压器的有功功率损耗分为两部分，即空载损耗(简称铁损)和负载损耗(简称铜损).

有功功率损耗为:

式中，ΔPb为变压器有功功率损耗，kW;Po为变压器铁损，kW;Pk为变压器铜损，kW;β为变压器负荷率;

铁损Po由变压器的涡流和漏磁损耗组成，Po的大小与硅钢片和铁心制造工艺有关.铜损Pk为变压器铜绕组的损耗，为了减小Pk可选用电阻较小的铜绕组.

变压器的负荷率为:

式中SN为变压器额定容量，kVA;S为变压器运行中实际容量，kVA.

通过理论证明，当负荷率β等于50%时变压器的损耗最小.但是在实际工程中还应考虑变压器初期投资、日常维护成本以及使用年限等相关问题来决定变压器的负荷率.由于变压器绝缘的使用年限为20年，根据实际工程经验表明，变压器的负荷率应在75% ～85%时，变压器的综合经济效益最大[5].通过上面分析选用新型低能耗变压器和合理选择变压器的负载率，节能意义十分重大.此外，选择变压器台数及容量时应根据负荷情况合理确定，对初期投资、日常运行费用、符合与电力负荷相匹配的变压器使其高效工作在低耗能区域内.目前，我国推荐使用节能型变压器型号为S11系列(油浸式变压器)、SC10系列(干式变压器)以及SH11系列(非晶合金变压器).

1.2 建筑照明节能措施

(1)合理选择光源和灯具.以下简要介绍几种主要光源的选用原则及适用范围.各种节能电光源的主要技术指标如表1所示.

表1 各种节能电光源的技术指标

(2)合理确定照明控制方式.照明的控制方式对于照明节能起到非常重要的作用.在进行照明设计的时候应该充分利用天然光;对于可以关断部分的支路通过控制手段，使其白天关断夜晚开启而不影响其正常使用功能.根据不同时刻需求以及可视性分区控制，在给定时间和地点控制照明提供的照度有效地节能.建筑的走廊、楼梯间、门厅等公共场所的照明，宜采用集中控制并且按照建筑使用条件和天然采光状况采取分区、分组控制;体育馆、影剧院、候机厅等公共场所应采用集中控制，并且按照需要采取调光或降低照度的控制措施;旅馆的每间(套)客房应设置节能控制型总开关;居住建筑有天然采光的楼梯间、过道的照明，除应急照明外，宜采用节能自熄开关;每个照明开关所控光源数不宜太多，房间或场所装设有两列或多列灯具时，宜按有关规范要求分组控制.

1.3 电动机的节能措施

在建筑电气中动力系统的能耗也是主要能耗之一，而动力系统中主要是电动机消耗电力，因此降低电动机的电能损耗应从电动机的自身进行考虑.其主要方法为提高电动机工作效率和功率因数.选择电动机类型时必须正确掌握负荷特性，弄清所带负荷是连续的还是断续的.如果为连续负荷要了解电动机的输出功率是否与各种负荷相匹配，如果是风机和泵等平方递减负荷特性，在轻载时打开风门和阀门，采用调速电动机在低速运行可以节约电能.如果是断续负荷时，要了解轻负荷时能否停止电动机的运行或运行中能否把多余的能量释放出来.如果即使轻负荷时也不能停止电动机的工作，则应考虑采用交流变频调速装置 .在民用建筑中动力负荷主要是风机和水泵类电机，所以对风机和水泵采取节能措施具有很好的实用意义.水泵的工作特点是其流量与转速成正比，扬程与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，当流量减少一半时采用调速方法将电动机转速降低一半，则此时电动机的轴功率只是额定功率1/8，对于需要变流量运行的水泵采用调速技术可大幅度降低能耗.目前，变频调速是一种高效能调速方式，可以在保持正常转差率下运转，实现无级调速.同时，可以在低速运行时使电动机输出最大转矩不变，起到节能降耗目的.相对于初期投资而言，采用软起动器是另一种节能措施，软起动器是按起动时间逐步调节晶闸管的导通角以控制电压的变化.由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕后则全压投入运行.软起动器也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制晶闸管导通角以达到转速随负载的变化而变化.软起动器通常用在电动机容量较大、又需要频繁起动的水泵设备中及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合.

1.4 电力电缆节能措施

由于电力电缆的损耗占输入电能4%左右，影响其损耗的原因主要有供电方式和各导线的截面积，所以，在电气设计中应充分考虑负荷用电性质，负荷容量以及供电距离等众多因素.由于电缆上存在电阻，所以当有电流通过时会产生功率损耗，因此在工程中应减少导线长度;线路铺设时应尽量走直线避免弯路及回头路，以减少导线长度;变压器供电中心应尽量靠近工程负荷中心，低压线路供电半径应小于150 m为宜，并且在合理情况下线路越短越好.建筑物每层在1万m2左右时应考虑设置两个变电所，另外低压配电室应尽量靠近电气竖井，不要产生倒送电的情况.单相用电设备应均匀接在三相供电系统以降低电网中三相不平衡度，供电网络的电压损失率应尽量小于2%.对于线路较长的在满足载流量、导热性、保护配合及电压损失所选定的截面的情况下，宜适当增加导线截面，但也应考虑增加导线截面所增加的造价成本，所以应在技术性与经济性两个方面进行合理比较，以确定其导线截面大小.

2 建筑电气工程节能实例分析

2.1 工程概况

本工程为吉林大学第四医院门诊医技楼电气工程设计，其规划建设用地面积为66219 m2，建筑面积为133475.76 m2，建筑高度为43.5 m，防火设计建筑分类为一类高层建筑，构件耐火等级地上一级，地下一级.地下二层为停车库(战时地下二层为二等人员掩蔽所).

2.2 电气节能措施

本工程从市政引进二路独立10 kV(来自不同电网)电缆线路供电.两路10 kV高压电源同时受电.选用1台柴油发电机组，主用功率为1200 kW作为第三路电源.当某一路市政10 kV电源停电、故障断电，均可从变配电室的自动互投开关ATS处拾取柴油发电机的延时启动信号，送至柴油发电机房，信号延时最长15 s(可调)自动启动柴油发电机组.当市电恢复后，自动恢复市电供电，柴油发电机组经冷却延时后，自动停机.当8台变压器中任意一台故障时，也可手动启动柴油发电机组.高压为单母线分段运行方式，中间设联络开关，平时两路电源同时分列运行，当一路电源检修或故障时，另一路电源应供全部二级及以上负荷用电.

23/0.4 kV低压侧采用单母线分段接线，共分五组十段母线，每组内两段主母线手动互投.8台变压器分4组，每两台分列运行.在每段低压母线上设应急母线段，在两路市电均失电的情况下保证一级负荷供电.自投时应自动断开非重要负荷，以保证变压器正常负载率上.低压主进开关与联络开关之间设三锁两钥匙机械联锁和电气联锁，任何情况下只能合其中的两个开关.正常情况下每段应急母线的电源分别引自相应段的低压主母线;各段的应急母线引自应急柴油发电机组出线回路.当各组母线中的任一组之两路市电均失电时，均在15 s内起动应急发电机组.应急备用母线段将自动(或手动)切换到相应的应急发电机组出线回路供电.应急发电机供电回路与市电供电回路之间设电气和机械联锁.本工程为一座变电所，位于地下一层，接近负荷中心，并与各分区电气竖井距离最近.本工程设备(铭牌)容量约为17783.5 kW，总有功功率7113.4 kW，无功功率3240.96 kVAR，视在功率7816.9 kVA，总无功功率补偿容量为5335.05 kVAR，补偿前功率因数为0.8，补偿后功率因数为0.91，本工程同时需用系数0.4，变压器的负载率为72%.根据以上数据根据选择设置8台SC(B)10型环氧树脂绝缘干式电力变压器及高低压配电装置，此变压器为节能型变压器故选用此变压器型号.其中4台为照明变压器，两台为动力变压器，两台为医疗设备变压器，本楼变压器容量为8台9700 kVA，电压均为10/0.4 kV.变压器带 IP 30保护罩，冷却方式采用强制风冷式.控制室内各设中央信号屏一台和直流电源屏二台，防护等级为IP 30.柴油发电机室装设1台全自动应急柴油发电机组，机组容量均为1200 kW，电压为380/220 V.机房内设有发电机并机屏，出线柜.考虑长时间停电应在室外预留油管以便柴油机组加油.

本工程对走廊、楼梯间等公共场所照明采用i－bus智能制(或按时间设置控制自动开启、关闭);现场设智能照明控制控制面板，由管理人员控制，达到方便管理、节能目的.诊室、办公等处的照明采用就地设置照明开关控制;室外照明的控制纳入建筑设备监控系统统一管理;护理单元过道和病房设“夜间照明”，由护士站统一控制.空调系统采用传感器控制，达到节能要求，热风幕等设备应用热传感器实现节能控制，风机水泵等设备采用变频节能控制.电气照明节能措施如表2所示.