低碳社区电气化工程实施与管理探索

王建华　张亮亮　左三军

【摘要】为应对低碳经济趋势，针对新兴社区的低碳化建设已成必然趋势。在此背景下，传统社区惯用的电气化工程实施方案已不能适应低碳型社区要求。新形势下，低碳社区电气化工程的实施要求协调新能源供能系统。本文着眼于以地缘热泵系统供能的低碳社区，基于网架结构选型与设备选型两方面，提出电气化工程的实施方法。本文的研究，旨在助力低碳社區的电气化工程实施与管理实践。

【关键词】低碳，建设，实施，管理.

1 低碳及低碳型社区

全球气候变化迫切要求世界各国加强协作，严格控制CO2排放，1997 年底，为对发达国家温室气体排放量予以限制，抑制全球变暖，《联合国气候变化框架公约》第三次缔约方大会通过了《京都议定书》，并于2005 年 2 月正式生效。这可谓人类历史上第一次从立法的角度对温室气体的排放予以限制。自此，“低碳”问题便成为人类生产与生活的核心话题，它所涵盖的意思有两层：第一层，降低以二氧化碳为主的温室气体排放；第二层，减少利用可生成温室气体的一次能源，诸如煤、油等无法再生的传统能源。从上述两个层面的问题来看，第二层面的问题应是最根本问题。伴随这一问题的产生，全世界都在关注低碳经济的实现途径。

“低碳型”社区缘起于“社区低碳化”的全新理念。传统能源碳排放率较高且不可再生；对比之下，新能源既环保又可再生，新、旧能源之间的替换就成为社区低碳化的一个实现途径。目前，世界公认的潜力颇大的新能源替代传统能源的技术就是基于地源热泵的制冷/采暖技术。其原理是对地下土壤庞大的蓄冷（热）能力予以利用：夏天向建筑物内转移地下冷量；冬天则向建筑物内转移地下土壤的热量，并按年度形成冷热循环。当下，欧美国家的各类商务楼与居民住宅已在大面积使用这一技术，我国这一技术使用虽不广泛，但也在积极建设基于地源热泵采暖的“低碳型社区”。

2 低碳型社区电气化工程建设的主要意义

2.1我国经济可持续发展的客观需要

诚然，我国经济正高速增长，但是，伴随此形势，我国能耗增长也异常加快，统计表明，在目前世界能耗国排名中，中国列于第二位。与此同时，就目前来看，煤炭仍旧主导着国内能源消费结构，由此而引发的环保、能源供应同经济发展的矛盾也愈来愈不容回避。当前，我国城镇化进程愈发加快，可以预测，住宅仍将是城镇人口增长的迫切需求，并持续相当长的一段时间。《2020年中国居民居住目标预测研究报告》指出，就城镇住房建筑面积这一指标来看，预计到2020年将达35m2/人。可见，未来一段时间内，我国住宅年增量较大。基于此，基于我国的可持续发展的角度，低碳型社区的节能减排效益不可谓不大。

2.2解决现有供电问题的需要

国民经济的飞跃发展带动着国民生活水平日益攀升，随之而来的便是各类电器走进普通社区，进入普通百姓家庭，与此同时，顺势而增的便是社区居民用电量与用电负荷。此外，数字化社会改变了人们的生活方式，也提高了普通居民住宅对供电可靠性的要求。现阶段，普通居民社区配电网多参照经验设计建设，常见的问题一是供电容量不足、二是接线模式有欠合理、三是电能质量不高，等等。其实，这正是因未基于长远发展的角度将居民社区的电气化工程纳入低碳化社区建设范畴予以规划，才导致上述问题不断滋生。而低碳化社区电气化工程建设的初衷正是本着低碳运行的原则，从长远角度出发，规划、配置电网系统。可见，低碳型社区电气化工程是解决现有供电问题的根本需要。

3 低碳型社区电气化工程建设所要面临的主要问题

就目前来看，我国低碳型社区的电气化工程建设并非一蹴而就，作为系统性工程，期间需要面临或可能发生如下问题：

首先，传统能源与新能源的并用问题。对于低碳型社区来说，能否兼用太阳能、地热等新能源与燃气、电等传统能源是首要需要解决的问题。

其次，电气系统与新能源的协调问题。低碳型社区电气化工程建设的另一问题，也是建设要点就是如何协调电气系统与新能源，使后者能够在新型电气系统中充分发挥其能源供给作用。就其协调性的具体体现来看，应以两方面作为主要考虑：首先要考虑的是为节约电气系统投资额，应将新能源所代替的用能从负荷预测内扣除；而为确保供给可靠电源，其次要考虑的就是新能源系统的基本供电需求。

第三，低损耗设计问题。低碳运行是低碳型社区对其电气系统的根本要求，因此，在考虑低碳型社区的电气系统实施方案时，必须基于低损耗这一原则进行设计。需要指出的是，目前，国内住宅增量虽大，但整体入住率并不高，更有甚者，有些住宅仅作为度假性质，因此，低碳型社区电气系统实施过程中所要考虑的另一问题就是基于住宅入住率攀升较缓这一特点，使变压器空载损耗尽可能降低。

4 低碳型社区电气化工程的实施与管理要点

基于低碳型社区对电气化工程施工的客观需要，同时立足于低碳型社区电气化工程实施可能存在的问题，笔者以为，应重点着眼于以下环节做好工程实施与管理：

4.1低碳型网架结构的选择

4.1.1变电室布点与供电半径选择

（1）开关站

选择与设置开关站可谓低碳型网架架构选择的要点之一。开关站解决的问题一是高压变电站所存在的低压仓位量匮乏问题、二是同路径的电缆数量过多问题，等等。因此，低碳型社区中，应在负荷中心设置开关站，同时简化其接线，比较惯用的做法一是利用单母线将接线分段，同时在分段处设置开关，2回进线；二是变电站相同但母线不同，抑或变电站不同的母线，遵循N-1原则，6-10回出线，环网（或辐射）供配电站。此外，对于低碳型住宅区来说，所选择的开关站应具备配变功能，一方面是出于经济用地的考虑，另一方面则是使其环境的影响尽可能降低。而开关站的负荷容量则要参照单回进线所允许的安全容量酌情设定，这是因为，后者是前者的直接影响与决定因素。

（2）配电站

配电站变压器的容量如何确定，需要参照一定的趋势进行选择：一是尽可能缩减低压电线路长度、二是降低线损，确保居民户电压质量、三是小容量与多布点，除此之外，还要考虑到土地的经济使用，将对环境的影响降至最低，并做好站点数的合理掌控。通常，变压器容量以250-800 kVA的选择居多，当地块负荷密度过大时，应考虑将变压器容量酌情加大，此时，可以选择的容量一是1000 kVA、二是1250kVA。与此同时，一般情况下，应選择2台变压器（当住宅是多层性质，或没有配备消防设备与电梯时，箱变供电则是更好的选择），遵循N-1原则，应在规定值内选择变压器最高负载。此外，出于节能考虑，低碳型社区电气化工程实施过程中应确保最小化电网有功耗损。

4.1.2网架架构选择

（1）连接方式

传统电气化工程常用的连接方式是开关站加箱变单环网无低压联络，其特点是同时运行全部箱变而不计居民入住率与总负荷水平。当下，新兴低碳型社区愈来愈多，其入住率渐渐攀升，但建成之初一般无法远景负荷。与此同时，部分城市新兴社区入住率有限，这就使变压器遵照远景容量投运时，其负载率也相当低，由此造成严重损耗浪费。所以，对低碳型社区而言，其电力系统的网架架构更适合选择的连接方式是开关站加箱变环网低压联络。对比传统接连方式，如不计可能产生的较大投资，此方式增加的虽仅有低压联络，但其灵活性大大提升，哪怕负荷率低于10个百分点，借由1-2台箱变的投运确保经济运行也是可以实现的。与此同时，10kV线路出现故障时，对故障点的隔离与电源的切换则可借由开、合环网开关来实现。

（2）变压器运行方式

若要使变压器运行得更为经济，必须最小化其总有功功率损耗。对于变压器而言，其有功功率损耗有两个组成部分：一是空载损耗、二是负载损耗；而其无功功率损耗常常关系到其结构。电气工程施工多比较超前，通常情况下，投产前期的新建社区负荷并不大，基于此，同时结合配变建设要求，可将低碳型社区配变建为型号与容量一样、彼此相邻的变压器房。同时，为不对原设计要求产生影响，确保安全、灵活与易操作，并降低损耗，应将其运行方式设为n-1。

4.1.3低压电路供电形式

对供电回路降阻可谓环形电路区别其他电路的最大优点，其终端电路最大阻抗只有放射式同截面导线总阻抗的25%，回路损耗相对较低，且接地故障电流更大，可更灵敏地保护电器。对比供电方式，终端环形电路同环形供电干线的差异点要多于其共同点：首先，后者所选用的防护电器有两个，而前者只有一个；其次，后者可连成环，且允许断开，而后者则必须连成环形（电路并联）；第三，后者供电出现分支，且其长度超过3m时，需增设防护电器，而前者只有当分支线使环形电路导体截面发生改变时，才需增设防护电器。鉴于上述分析，在低碳型社区的电气化系统中，应选择供电可靠性与安全性更高的环形低压配电系统。这一供电形式可使同截面上的树干式供电干线增加为环形，从而便于其各自承担相应的全部负荷。

4.1.4导线截面

通常，配电线路电能损耗有两方面因素决定：一是电流、二是线路阻抗。通常的电气工程，其线路电流以恒定不变居多，如此一来，降低线损的主要方式就是想方设法降低线路阻抗。因此，需要考虑的一是一铜芯导线与铝线等电阻率小的导线作为优先选择；二是尽力降低导线长度，优选直线线路，低压配电中的“回头路”应尽力避免；三是变电所要力争贴靠负荷中心，以降低供电半径；四是使导线截面积加大。针对较长线路来说，应基于热稳定、载流量等要求，加大一级线截面。如此一来，所增加的线路成本，也会因节约能耗而使年运行成本整体降低，而这恰恰符合低碳型社区电气化建设的一般要求。

4.2选择低碳型变配电设备

4.2.1变电设备选择

由诞生至今，电力变压器已有百余年历史。当下，常见的电能由发电站输出至输入给终端用户累计需经过的变压器最低为3级，最高可达5级。变压器自身效率并不低，然而，其数量与容量也不小，所以总损耗不可谓不大。统计表明，国内发电总量中，仅电网线损就约占7.5个百分点，而电网线损的近1/3比例则被配电变压器损耗占据。计算表明，每降I个百分点的损耗，电能的年节约量就会相当可观，所以，给变压器降损可谓较好的节能措施之一，也势在必行。而从变压器节能效果来看，非晶合金型更强。目前，国内市场的非晶合金型变压器以三类为主：一是非晶合金干式、二是非晶合金油浸式、三是非晶合金组合式。对比同类、同容量的Se系列，非晶合金型空载损耗降幅达75%，且其总拥有成本比S9型变压器低10个百分点。据测算，S9型与非晶合金型价格比约是1：1.3，5年内即可收回其价差，后者的超低损耗收益由第6年便可开始显现。基于此，本文认为，为长远考虑，低碳型社区也应选择安装非晶合金型变压器。

4.2.2照明设备选择

统计表明，全国用电总量的12%被照明用电所占据，且以高效节能灯具替代白炽灯，照明系统的电量节约可达80%；加之节能优化设计，照明配电系统将具有巨大的节电潜能。因此，选低碳型社区的照明设备选择应将节能思想与技术充分运用其中，应在满足作业面视觉要求与确保照明质量的基础上，尽可能降低光能损失。首先，充分利用自然光，使之有机结合室内人工照明，以便能够使人工照明电能大降。其次，不可随意降低或提高照度标准，确保单位面积灯具的安装功率，基于满足照明质量这一前提，优先将高效发光与紧凑型荧光灯在普通居民房间使用，而社区广场、停车场等室外照明则应优选高效气体放电光源，诸如金属卤化物灯与高压钠灯，等等。第三，优选低能耗光源用电附件，并以下列为主：一是电子镇流器、二是节能型电感镇流器、三是电子变压器、四是电子触发器、等等，公共建筑场所用荧光灯优选无功补偿型，而紧凑型荧光灯则应以电子镇流器作为最优选择，气体放电灯则应优选电子触发器。最后，多选各类节能型装置（或开关），对灯具控制方式予以改善。以照明使用特点为依据，不妨选择的方法一是分区控制灯光法、二是照明开关点酌情增加法。通常，床头灯、高级客房、室外照明与公共场所、过道与楼梯等可分别选择调光开关、节电钥匙开关、光电（或程控）开关、节能自熄开关。

4.2.3电力电缆选择

出于低碳运行与节能的考虑，低碳社区电力电缆比较适宜的选择是“节能抗老化通风式室内低压电力电缆”，这种电缆是在传统社区惯用的低压电缆的基础上，增加了节能考虑而设计的。它由四部分组成：一是塑料统包层、二是分包内绝缘层、三是铜芯线、四是填料。分包内绝缘层里面包裹的就是铜芯线，这当中，增设于分包内绝缘层之外的是通风塑料管，而分包外绝缘层则罩于其外；填料处于塑料统包层和分包外绝缘层中间，通风塑料管一端与微型抽风机相互外接。投入使用过程中，微型抽风机一并运行，可将电缆热量向外抽出，确保其常温运行，免于老化，进而节能并延长使用年限。

参考文献：

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[5]张龙. 智能建筑的电气“低碳”技术[J].中国建设报.2014.1.21：6

作者简介：

1王建华，籍贯河南信阳，1978年12月生人，工作单位，国网河南信阳供电公司

2张亮亮，籍贯河南息县1980年04月生人，工作单位，国网河南息县供电公司。

3左三军，籍贯湖北广水，1980年09月，工作单位，国网河南息县供电公司