建筑电气设计与安装的节能降耗措施分析

陈灼生（福建省龙岩市　364000）

建筑电气设计与安装的节能降耗措施分析

陈灼生
（福建省龙岩市364000）

节能降耗已成为全社会公民的共识，本文结合笔者多年电气设计与安装施工的实践，从变压器的节能、减少配电线路的损耗、提高供配电系统功率因数以及照明、电动机的节能等方面详细分析阐述了建筑电气设计与安装过程中的诸多节能方法和措施，并进行了总结，以期实现建筑物的整体节能。

建筑电气；设计与安装；节能措施

在我国能源的消耗在急剧增加，能源危机已成为当今社会最受瞩目的热点问题之一，为应对气候变暖和能源需求不断增长的挑战，降低CO2排放，提高电气装置的电能效率已经成为热门话题，在建筑电气设计与安装过程中，是否采取必要的节能措施已经成为电气设计的成败的关键。因此，电气节能措施贯穿建筑工程电气设计与安装应用全过程，通过采取必要的电气节能措施可以使建筑物电气设计不断优化，减能降耗，以实现建筑物的整体节能。

1　变压器的节能

变压器的节能就是降低其损耗、提高其运行效率，从配电系统生命周期考虑应选用节能低耗变压器，因为其空载损耗和负载损耗低，电能效率高，运行费用低，但价格教高。综合平衡投资与变压器运行（空耗和负载）损耗之间的关系，变压器的有功功率损耗可用下式计算：

ΔP=P0+Pkβ2

式中：Δp——变压器有功损耗，kW；

P0——一变压器的空载损耗，kW；

Pk——变压器的短路损耗，kW；

β——变压器的负载率，%。

P0为空载损耗又称铁损，它是由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材质和制造工艺有关，而与变压器的负荷大小无关，所以设计时变压器应选用节能型的，如S9、SL9及SC8等油浸变压器或干式变压器，它们都是采用优质冷轧取向矽钢片，由于取向处理，使矽钢片的磁方向接近一致，以减少铁芯的涡流损耗。45°全斜接缝结构，使接缝密合性好，以减少漏磁损耗。

Pkβ2为短路损耗又称铜损，取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，即与负载率β的平方成正比。对Pkβ2用微分求它的极值，在β=50%时变压器的能耗最小，因此在以往设计中变压器的容量大多按负载率为50%左右选取，以为这样是最节能的措施，其实并非如此，因为这仅是从降低变压器能耗的角度来考虑，而没有考虑实际的综合经济效益，由于选用比实际需要大一倍的变压器，其增加的设备购置费、安装费等远大于节电所省下的电费，为了节能而取变压器负载率为50%是得不偿失的，通常从综合经济效益来考虑，变压器的负载率应在75～85%为宜。为减小变压器损耗，当需要选用多台变压器时，在合理分配负荷的情况下，尽可能减少变压器的台数。

选定了变压器台数就要依据工况、季度负荷的不同进行变压器的切换，即所谓的并联经济运行，这里不再为此作管理方面的讨论。

2　减少配电线路的损耗

在电气设计与安装时，由于线路上存在电阻，有电流流过时，就会产生有功功率损耗。其公式如下：

ΔP=ΔPA+ΔPB+ΔPC=3I2R×103（kW）

式中：I——相电流（A，三相平衡时）；

R——线路电阻（Ω）。

一般在一个工程项目电气设计中，供配电线路的数量是很多的，所以线路上的总有功损耗是相当可观的，减少线路上的能耗必须引起重视。线路电阻R=ρ×L/s，即线路电阻与电阻率ρ成正比，与线路截面S成反比，与线路长度L成正比，因此减少线路的损耗可从以下几方面入手：

（1）首先应选用电阻率较小的材质做导线，即选用铜芯导线，但同时也要贯彻节约用铜的原则；

（2）其次要尽量减小导线长度，线路尽可能走直线，少走弯路，不走回头线，以减少来回线路上的电能损失，配电室布置应尽量接近负荷中心，以减少供电距离，配电室处于最佳位置可以减少配电损耗，使得线路压降最小化，即电能效率最高；

（3）要适当增大导线截面，对于比较长的线路，除满足截流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面，再加大一级导线截面，所增加的费用为w，由于节约能耗而减少的年运行费用为W，则W/w为回收年限，若回收年限为几个月或一、两年，则应加大一级导线截面。

3　提高供配电系统的功率因数

提高系统的功率因数，减少无功在线路上传输，即减少配电线路的热损耗，可达到节能的目的。

上述线路损耗的公式变换后可得下列计算式：

ΔP=3I2R×103=3RP2/U2cos2φ×103（kW）

式中：U——线电压（V）；

P——有功功率（kW）；

cosφ——功率因数。

由该式可看出线路上的损耗是与功率因数成正比的，功率因数越低线路上的损耗越高，反之，功率因数越高线路上的损耗越低，可见提高系统功率因数可以减少线路损耗。同样上述变压器有功损耗计算式可写成：

ΔP=P0+（P2/Sncosφ）2Pk

式中：P——变压器的输出功率（kW）；

Sn——变压器的额定容量（kVA）；

cosφ——功率因数。

可见提高系统功率因数亦可以减少变压器损耗。提高系统功率因数的措施有以下几种：

3.1提高设备的自然功率因数

在工艺条件许可时采用功率因数较高的同步电动机来代替异步电动机，设计中对空载率大于50%的电动机和电焊机采用空载自停控制装置；荧光灯可采用高次谐波系数低于15%的电子镇流器：采用电感镇流器的气体放电灯，单灯安装电容器等，都可使自然功率因数提高到0.85～0.95。

3.2设置无功补偿电容器

由于感抗产生滞后的无功，电容器产生的是超前的无功，两者可以相互抵消，因此设置无功补偿电容器，可以提高系统功率因数。无功补偿电容器装置设计应采取高、低压电容器补偿相结合，即变压器和高压用电设备的无功功率由高压电容器来补偿，其余的无功功率则需按经济合理的原则对高、低压电容器进行分配；分散与集中补偿相结合，对距变配电所较远且无功功率较大的采用就地补偿，对用电设备集中的地方采用成组补偿，其他的无功功率则在变配电所内集中补偿；固定与自动补偿相结合，即最小运行方式下的无功功率采有固定补偿，经常变动的负荷采用自动补偿。

4　照明的节能措施

照明在电气工程中所占的比例是很大的，照明节能的潜力也很大，在设计与安装中应从下列几方面着手：

4.1采用高效光源

在工程实际应用中如何合理地选择光源，应根据工程的具体性质、使用的场所、人员的视觉要求、照明的数量和质量来确定。照明光源的选择主要考虑以下几个要素：光效、色温、显色指数、光源寿命和价格。在民用建筑中，主要应用的光源有白炽灯、荧光灯、HID灯，现在随着照明技术的发展，还有一些新的光源也逐渐得到应用，如光纤照明、LED等等。在工业建筑等工程应用中，按工作场所的条件，采用不同种类的高效光源，可降低电能消耗，节约能源。在灯具悬挂比较高的场所，如高大厂房、露天工作场所、一般照明和道路照明，应采用高压钠灯、金属卤化物灯或外镇流荧光灯；在灯具悬挂比较低的场所，宜采用荧光灯或小功率高压钠灯，不宜采用白炽灯：白炽灯过去用得最广泛，因为它便宜，安装维护简单，但它致命的弱点是发光率太低，因此目前常被各种发光率高，光色好，显色性能优异的新光源取代，例如紧凑型荧光灯，它是替代自炽灯的最理想光源。虽然从一次性投资来看是要高出一些，但从长远的效果来看，即从灯具的寿命、灯具的能耗来看，其综合效益比白炽灯要好许多。

4.2减少开灯时间

充分利用自然光，这是照明节能的重要途径之一，在设计中电气设计人员应多与建筑专业配合，建筑物尽量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面积，应将门窗开大，采用透光率较好的玻璃门窗，做到充分合理地利用自然光使之与室内人工照明有机地结合，从而大大节约了人工照明电能。改进灯具控制方式，采用各种节能型开关或装置也是一种行之有效节电方法。根据照明使用特点可采取分区控制灯光或适当增加照明开关点。每个照明开关所控制灯的数量不宜过多；对大型厂房照明设计宜采取分区控制方式，这样可增加照明分支回路控制灵活性，使不需要照明的地方不亮灯，有利节电；对于民用建筑中卧房、病房、客房等床头灯可采用调光开关，高级客房采用节电开关，公共场所及室外照明可采用程序控制或光电、声控开关，走道、楼梯等人员短暂停留的公共场所采用节能自熄开关。尽量采用调光器、定时开关、节电开关等控制照明，室外照明最好采用光电自控装置。

4.3减少供电线路损失

照明电源线路应尽量采用三相四线制供电，以减少电压损失，在设计安装时应尽量使三相照明负荷对称，以免影响照明灯的发光效率：除为了安全采用36V以下照明灯外，应尽量采用较高电压的照明灯；采用高效节能的灯用电器附件，用节能电感镇流器和电子镇流器取代传统的高能耗电感镇流器，在采用气体放电光源较多的场所，应采用补偿电容器提高功率因数。

5　电动机节能措施

电动机在电气安装工程中的应用是相当广泛的，其用电量亦占据总用电量的大部分，认真做好电动机的节能工作具有非常重要的意义。在设计应用时宜采用高效率的电动机，应根据负荷特性合理选择电动机，轻载电动机采取降压运行，并根据情况对电动机采取无功就地补偿，以减少线路由于输送超前无功而引起的有功损耗外，还应减少电机轻载和空载运行。由于需要对电动机进行调速的场合应采用变频调速器，变频节能原理有以下几点：

5.1变频节能

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从N1到N2时，其电机轴功率（P）的变化关系如下：P2/P1=（N2/N1）3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

5.2动态调整节能

迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有5000次/s的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

5.3通过变频自身的V/F功能节电

在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

5.4变频自带软启动节能

在电机全压启动时，由于电机的启机力矩需要，要从电网吸收7倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可采用电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速；中击，延长了设备的使用寿命。

5.5提高功率因数节能

电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感受抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC-DC-AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。由此可见，采用变频器可提高电机效率，达到节能的目的。

另一种节能方式是采用软起动器，软起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，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，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到速度随负载的变化而变化。它可用在电动机容量较大，又需要频繁起动的设备，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超过三倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但它是采可控制硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热、通风措施完善。其价格比变频器便宜，在水泵中的大容量电动机的控制设备中可以应用。

6　结语

综上所述，在建筑电气节能设计与安装过程中除采取以上几个方面的措施和方法外，还应贯彻实用可靠、经济合理、技术先进的原则，并做好以下几点：①应保证满足功能要求，不能为了节能而随意降低指标从而达不到客户的使用要求；②要考虑实际经济效益，不能因为节能而过高地消耗投资，增加运行费用，而是应该让增加的部分投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收；④节能的着眼点应是节省无谓消耗的能量，如变压器的功率损耗，传输电能线路上的有功损耗都是无用的能量损耗，宜采用先进技术使其能耗降低；④需要考虑再生能源，如风能和太阳能等分布式电源，寻求再生能源的利用是世界能源界追求的大趋势。

[1]葛大麟.低压电气装置电能效率.建筑电气，2011，11.

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2015-1-20