建筑电气的节能性设计研究

2021-09-15张斌

石油化工建设 2021年4期

张斌

（山西省工业设备安装集团有限公司山西太原 030032）

建筑电气耗能占建筑整体耗能的80.0%以上[1]，因此，建筑电气耗能问题一直是建筑业关注的重点问题。在建筑工程施工过程中，合理地使用节能技术，不仅可节约建筑成本，而且对行业发展具有促进作用。尽管相关研究早已开展，但由于引进技术水平不足，一直未取得显著成果[2]。为了全面落实低能耗建筑施工，以下展开进一步的设计与研究，以解决电气耗能过高的问题。

1 建筑电气节能方法设计

1.1 电气设备功率损耗量计算

电气设备在运行时内部也会产生相应的功率损耗，包括空载状态下的电流、损耗等[3]。为实现对电气设备的节能性设计，首先需要明确电气设备在运行过程中产生的功率损耗量，其计算公式见式（1）。

式中：△P——电气设备有功功率损耗量；

P——空载状态下的电气设备功率损耗量；

β——在t 时间内电气设备的平均负载系数；

P’——电气设备负载损耗。

式（1）中β 的计算公式见式（2）。

式中：S——某段时间内电气设备的视在功率；

S’——某段时间内电气设备的平均视在功率；

A——电气设备有功电能；

A’——电气设备无功电能。

同时，在计算过程中还需要考虑电气设备的有功功率经济当量和无功功率经济当量，并将其直接计入电气设备的功率损耗量当中。不同类型的电气设备安装方式不同，相应的经济当量也不同[4]。由发电厂母线直配的电气设备经济当量通常在0.02～0.04，二次变压电气设备为0.04～0.08，三次变压电气设备为0.07～0.12。根据公式（1）、（2）及不同电气设备的经济当量，对电气设备在运行过程中产生的功率损耗量进行计算，以为后续节能型设计提供数据依据。

1.2 节能型电气设备选择

在明确不同电气设备的功率损耗量后，为实现建筑电气节能性要求，应尽可能选择节能型电气设备。以三相配电变压装置为例，在GB20048- 2018 中明确规定了三相10kV 电压等级及容量在25～1200kVA 范围内的变压装置能效等级[5]。从第一等级到第三等级，变压装置的节能效果依次降低。其中第一等级变压装置具有最佳节能效果，并且自身运行过程中产生的功率损耗最低，最符合我国建筑电气节能标准。因此，在选择建筑电气设备时时，应当尽可能选择第一等级。对于不同电气设备，其材料选择也在一定程度上影响着整体的节能性。例如在选择变压装置时，软磁金属材料与非晶合金材料相比，后者的性能指标明显更高，并且无论是在导磁、抗腐蚀和电流通过率方面都具有更明显的优势。

在选择照明类电气设备时，应当从环保、寿命、显色性等方面进行综合考虑。当前高效节能的设备以LED 为首选。在相同的条件下，LED 灯与普通白炽灯及其他节能灯相比，在节能功率、环保性、使用寿命上都表现出明显优势。例如，正常功率为2.5W的LED 灯节能功率高达60W，并且不含汞，使用寿命超过20000h，与普通照明设备相比年节约电费达500 元甚至更多[6]。在选择照明设备的同时，还需要确保其与整个建筑内部装修风格协调统一，即在满足节能性后，应从提升建筑内部空间美观角度出发进行综合考虑。在不同建筑中需要进行定向照明或局部照明时，应当尽可能选择更符合实际情况的照明设备配光曲线。

1.3 电气设备布设

在完成对电气设备功率损耗量计算和节能型设备选择后，通过合理的电气设备布设也可以达到节约能耗的目的[7]。以照明设备为例，在布设时应当考虑建筑内部空间整体的进深、开间等因素，及其与地面之间的距离、施工作业距离，以及照明设备相互之间的距离。其次，还需要对照明设备的光源类型进行选择，结合各生产厂家所提供的参考数据指标，对相关布设参数进行设定[8]。最后，对每一个照明设备在建筑内部空间当中的平均照度进行计算。将上述所有获取到的数据，与建筑电气照明设备布设标准进行对比，当所有相关数据与标准数据的偏差都小于±5%时，说明照明设备的布设方案合理，满足照度指标要求[9]。

以某建筑为例，针对该建筑现有照明设备布设情况，以提高节能性为目的，对其进行优化。该建筑内部现有白炽灯和节能灯数量明显多于LED 灯，并且LED灯仅在特殊功能当中使用。该建筑中照明设备的使用位置主要包括大厅、走廊、会议室、客房和外景等。针对该建筑整体特点和照明需要，在大部分日光灯照明区域内，选用LED 灯替代，并设置其功率与原来的日光灯相同。选用TBS562- 2650 型号嵌入式LED 灯，配备T6 三基色直管荧光灯，将其光通量设置为2250lm，并选用电子镇流器设备，其自身功率为4.5W，功率因素大于0.9。完成对照明设备的更换后，最大照度可以达到365.24lx，最小照度为75.23lx，平均照度为271.22lx，能够充分满足该建筑对照明设备提出的各项要求。

建筑内部空间中原始照明方案的分布主要是将中心照明作为重点，逐渐向四周减少照明设备的数量，以此达到照明效果，但由于这种方法并未考虑到靠近墙壁时照明设备的照度条件，布设不合理。针对这一问题，在照明设备布设时，采用将每排灯作为基点，逐渐向四周扩散的方式。在这种布设方式下，照明设备能够实现更加均匀的照度分布。

2 实验论证分析

案例中的建筑共包含6 层，其中地下部分一层，地上部分五层，地下一层为地下停车库。建筑总面积为56240m2，主体部分的地上面积为45210 m2。建筑工程当中的电气施工主要包括机房设备搬迁、UPS 电源、配电系统、冷冻水空调机组、水系统管道、环境监控、弱电智能化等设备的安装调试。以该建筑工程项目的实际数据和电气设计作为实验基础，对该建筑工程正在使用的变压器、照明装置和中央空调等进行节能性设计。建设项目当中的电气设备包括高压开关柜、干式变压器、电压阻燃电缆、配线槽、盘式电缆桥架、信号屏、日光灯、壁灯、落地灯、安全应急灯、地埋灯和装饰霓虹灯等。

选择该建筑项目当中五个不同区域作为实验环境，对区域当中的电气设备进行节能设计，并与传统方法进行对比，结果如表1 所示。

表1 两种电气节能方法能耗对比 kW

由表可见，按照当前能源成本0.52 万元/ kW 的单价计算，新节能方法完成对五个不同区域电气施工后，总能源损耗为15.23kW，共损耗电费约为7.92 万元；而传统节能方法完成对五个不同区域电气施工后，每个区域的能源耗损均超过了10.00kW，总能源损耗为58.78 kW，共损耗电费约30.56 万元。新方法比传统方法节约电费近285.8%。可见，新的节能方法在建筑电气能耗节约方面具有更大的现实意义。