谈住宅建筑电气节能设计

王亮

【摘要】如何有效的进行建筑电气节能设计，以便能够大幅度降低电能消耗逐渐成为人们关注的焦点。笔者站在电气设计的角度，根据供配电系统的构成形式，分别从变压器节能设计、配电线路节能设计、照明节能设计、电器设备节能设计这几个方面进行了论述。

【关键词】电气工程 节能设计 降低电能消耗

1、引言

根据国家统计局网站公布《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年全国房屋新开工面积为17.96亿平方米，其中住宅新开工面积为12.49亿平方米。住宅建筑总量依然增长迅猛，如何有效的进行建筑电气节能设计，以便能够大幅度降低电能消耗逐渐成为人们关注的焦点。根据供配电系统的构成形式，分别从变压器节能设计、配电线路节能设计、节能设计、电器设备节能设计这几个方面进行论述。

2、电气节能设计

2.1变压器的节能设计

变压器损耗包括有功功率和无功功率损耗两部分。其中有功损耗又分为铁损和铜损，铁损与变压器的铁心材质有关，铜损与负荷电流平方成正比。有功损耗计算式为△P=P0+β?PK（其中△P为有功功率损耗，P0为铁损，β为负载率，PK为铜损）；变压器的无功损耗由两部分组成，一部分是励磁电流即空载电流造成的空载无功损耗，它与铁芯有关；另一部分无功损耗指一、二次绕组的无功漏磁电抗损耗，其大小与负载电流平方成正比。无功损耗计算式为△Q=Q0+β?QK（其中△Q为无功功率损耗，Q0为空载无功损耗，β为负载率，QK为无功漏磁电抗损耗）。

变压器产品由第一代热轧硅钢片变压器发展至第二代冷轧硅钢片变压器，第三代低损耗节能变压器，第四代非晶合金铁心变压器，变压器铁损和空载无功损耗逐代下降。根据计算负荷容量，选择负载率，当正常使用时变压器负载率低于30%时，变压器损失率会很高（变压器损失率为变压器损失与变压器输入功率之比），可能会出现“大马拉小车”的情况，需要通过变压器损耗计算比较小一级同类型变压器，选择损耗最小的变压器；当负载率大于80%时，同样通过变压器损耗计算比较大一级同类型变压器，选择损耗最小的变压器。由此可知选择节能变压器，合理选择负载率，可以降低变压器损耗，使得变压器更为节能。

2.2配电线路的节能设计

配电线路损耗△P1=3P?RL/（U?cos?φ）（其中△P1为配电线路损耗，P为计算负荷，R为线缆单位长度电阻，L为线缆长度，U为系统额定电压，cosφ为功率因数）。

由于铝芯线缆电阻率约为铜芯线缆的1.6倍，在线缆相同截面时，铜芯线缆单位长度电阻R值更小。当变配电室的位置接近负荷中心时，供电半径小，可以使得负荷中心线缆长度L值变小，反之则相反；在供电负荷中有很多感性设备，它们使得配电系统功率因数cosφ变小，从而增加了配电线路损耗，在住宅建筑中这些感性设备主要是一些满足住宅建筑功能的被套电气装置，我们一般采用配电室集中设置无功补偿装置的措施来提高功率因数cosφ。

2.3照明节能设计

当前照明节能所遵循的原则是必须保证有足够的照明数量和质量的前提下，尽可能地做到节约照明用电，这是照明节能的正确原则。利用高效照明电器产品替代低效照明电器产品，如在满足相同照度要求时，所使用的LED照明灯具功率低于一般荧光节能灯具，LED照明灯具的使用寿命更长。在无人长时间停留的场所，如楼梯间和地下室走道等场所，采用自动控制型灯具，可以有效降低照明灯具用电总量；还应充分利用天然光的方式，如适当增大开窗面积，小区道路灯具采用太阳能供電灯具，达到节能的效果。

2.4电器设备节能设计

电器设备节能主要是从采用交流接触器节电技术，采用高效率电机，采用变频调速技术这几方面实现的。电机效率为输出功率与输入功率的比值，效率越高的电机，电机损耗约低，所以高效电机更节能。对于水泵风机需要调速的，采用改变风门或阀门的开度进行控制，效率很低，而采用变频调速控制，当流量减小时，所需功率近乎流量的3次方大幅下降，效率更高。

3、实例论述

例如乌鲁木齐某房地产项目，建筑总面积为17385平方米，总户数131户，地上十八层，其中三至十八层为住宅，建筑高度56米。

由两路10KV电线（分别来自不同区域电站）引下电缆，直埋入户，作为该建筑高压用电，低压侧电压为380V。在该建筑负一层设置变配电室，减少供电半径，集中设置自动无功功率补偿装置，提高功率因数至cosφ为0.93，并且至用电点的供电线路均采用铜芯线缆从而减少线路损耗。

该建筑计算总负荷Pc为950KW，需要系数取Kx为0.7，同时系数Kl为0.8。经计算总有功功率Pe=Pc*Kx*Kl=950*0.7*0.8=532KW，总视在功率Sc=Pe/cosφ=532/0.93=572KVA。

根据总视在功率，采用两台容量Sn为400KVA干式变压器供电，负荷平均分配，各变压器负载率为β=Sc/2*Sn=572/（2*400）=72%。

如果采用SCB11-400KVA（10/0.4KV）第三代新型节能变压器，根据设备资料，该变压器铁损P0为0.85KW，铜损PK为3.9KW，空载电流I0为1.8%，阻抗电压Uk为4.0%。

计算可得单台SCB11-400KVA型变压器空载无功损耗Q0=I0*Sn=1.8%*400=7.2Kvar， 无功漏磁电抗损耗QK=Uk*Sn=4.0%*400=16Kvar，变压器有功损耗△P1=P0+β?PK=0.85+72%?*3.9=2.87KW，无功损耗△Q1=Q0+β?QK=7.2+72%?*16=16.1Kvar

如果采用SH15-400KVA（10/0.4KV） 第四代非晶合金铁心变压器，该变压器铁损P0为0.2KW，铜损PK为4.3KW，空载电流I0为0.5%，短路阻抗Uk为4.0%。

计算可得单台SH15-400型变压器空载无功损耗Q0=I0*Sn=0.5%*400=2Kvar，无功漏磁电抗损耗QK=Uk*Sn=4.0%*400=16Kvar，变压器有功损耗△P2=P0+β?PK=0.2+72%?*4.3=2.6KW，无功损耗△Q2=Q0+β?QK=2+72%?*16=10.9Kvar。

根据比较，采用SH15-400KVA型非晶合金铁心变压器比SCB11型变压器有功损耗降低了△P1-△P2=0.27KW，无功损耗降低了△Q1-△Q2=5.2Kvar，所以采用SH15-400变压器比SCB11-400更节能，只从节能角度考虑，应采用2台SH15-400变压器为该建筑供电。

该建筑其他电气节能方面的措施有，在楼梯间及负一层无人长时间停留的场所采用自熄式控制灯具，所有灯具采用节能LED灯具，减少电能消耗。该建筑中所有电机采用高效率型电机，需要流量控制的水泵采用变频调速控制，大容量接触器控制方式采用直流控制。

4、结论

在节能减排的社会大背景下，如何高效利用能源是人类一直追寻的课题。在当代人的生产和生活中，电能的使用无处不在。通过住宅建筑电气节能设计，可以分别从变压器、配电线路、照明、电器设备几个方面有效降低电能损耗，从而达到对电能的节约和高效利用。

5、参考文献

[1]中国航空工业规划设计研究院等，工业和民用配电设计手册（第三版），北京：中国电力出版社，2005。

[2]《钢铁企业电力设计手册》委员会，钢铁企业电力设计手册，北京：冶金工业出版社，1996.

[3]北京照明学会照明设计专业委员会，照明设计手册（第二版），北京：中国电力出版社，2006。