建筑电气节能技术分析

2021-11-12安徽省建筑设计研究总院股份有限公司安徽合肥230000

安徽建筑 2021年9期

张健（安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230000）

随着科技进步，社会经济的迅速发展，各种用电设备快速增加，面对全球日益严峻的能源供应形势，积极做好电气设备的节能尤为重要，可为社会提供巨大的经济效益。作为电气设计人员，应有相关的责任和义务，对电气节能从设计源头做好把控，本文就此提出一些相关的措施供同行交流讨论。

1 供电电压选择

ΔP＝3I2R=3P2R/U2COSφ，式中，ΔP为三相输电线路的功率损耗；P为线路输送的有功功率；U为线电压；I为线电流；COSφ为电力线路输送负荷的功率因数。根据上式可知，输电线路的损耗同供电电压的平方成反比，在输送功率及功率因数不变的情况下，供电电压降低一半，输电线路功率损耗增至4倍。因此对于工程中使用的电动机应根据配电系统状况选择220V/380，以及6/10kV高压电机等。

2 降低配电变压器损耗

变压器的损耗主要包括空载损耗、负载损耗、介质损耗和杂散损耗，由于后两者值较小，通常不考虑。空载损耗：主要是铁芯损耗，包括磁滞损耗和涡流损耗，俗称铁损，其值与铁芯的磁通密度、材料特性、厚度、形状、工艺等因素相关。只要变压器投入运行，维持励磁，就会产生铁损，铁损接近于固定值，不论负荷大小、有无，该损耗都将发生。负载损耗：主要指由于负载电流在线圈内发生的损耗，故称为“铜损”，其值与负荷率的平方成正比。降低变压器损耗的措施主要有以下几点。

①选择高效、低损耗的节能变压器。如选择非晶合金变压器，以1600kVA电工钢带干式变压器为例，查阅《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052-2020）可知传统10/0.4kV，1600kVA干式变压器能效等级为二级时的空载损耗约1665W，非晶合金干式变压器能效等级为二级时空载损耗约645W。非晶合金干式变压器的空载损耗比电工钢带干式变压器少1020W，一年可节省电能损耗1020Wx8760h=8935kW·h，20年累计节电20x8935=178704kW·h，按商业电价0.8元/kW·h计算，则20年可节省电费142963元，节省的电费比非晶合金干式变价格和同容量的钢带式变压器价格要高得多，20年后必然会有更先进更节能的产品来替代，因此建议变压器优先选择至少二级能效的非晶合金干式变压器。

②设计时应选择合理的变压器容量。因负载损耗和负荷率的平方成正比，负荷率降低会使负载损耗大幅下降，有利于节能。然而过低的负荷率将加大变压器容量及其设备费，同时增加空载损耗，应进行全面的技术经济分析。此外，还要考虑负荷计算的准确性，以及不同行业、不同负荷性质等多种因素对变压器负荷率的影响。故在综合考虑用户负荷的情况下，设计时尽量保证变压器在75%～85%负荷率

③宜在变电所内设置偶数台变压器，变压器之间两两联络；符合率不高且满足负荷等级要求情况下可切除其中一台变压器，对于容量较大的季节性负荷宜采用专用变压器供电便于不用时切除，以减少空载损耗。

3 降低线路损耗

电能在导线上传输时由于有电阻的存在，因此会产生功率损耗。降低线路损耗的措施主要有：选用电阻率较小的材质电缆，如选用铜导体缆；加大导线截面；供电线路敷设尽量走最短路径。由ΔP＝3I2R可知，线路损耗ΔP和导体的电阻成正比，R=ρL/S，因此在传输功率不变时，线路损耗与其电阻率ρ、长度L成正比，与截面S成反比。因此可适当加大导线截面以降低线路损耗，适当加大截面积所增加的电线、电缆等成本费用一般在项目的使用周期内均可以完全收回，同时适当增加大导体截面除降低线损外，对安全用电、提高用电可靠性和满足后期的负荷增长都十分有利。其次因为铜导体电阻率低，应优先选用铜导体供电。不过在架空电力线路上，不光要考虑传输还要考虑杆塔荷载等，铜导体由于质量大，且价格贵，铝导体相此时对于铜导体有相对的优势，因此在架空电力线路宜采用铝导体。

4 提高系统功率因数

根据ΔP(三相输电线路损耗)＝3I2R=3P2R/U2COSφ，在系统有功功率P一定的情况下COSφ越高，功率损耗ΔP越小，所以提高系统功率因数、减少无功功率在线路上的传输，可减少线路损耗，达到节能的目的。提高系统功率因数可以采用提高系统的自然功率因数和在设备端或配电房内集中装设无功补偿设备的方法。

5 降低谐波含量

信息技术的发展带来了电子设备的广泛应用，随之产生的影响就是导致波形畸变，产生不同程度的高次谐波，谐波电流加大了相导体电流增加了线路损耗，包括对变压器、电动机等设备的损耗。可采取如下方式减少谐波电流：

①减少选用25W及以下LED灯和荧光灯照明光源的使用。目前在家庭、办公场所以及学校等建筑中仍存在大量25W及以下LED灯和荧光灯照明光源的情况，应予改变。

②选用低谐波的照明灯和其他用电设备，总谐波含有率不应超过30%。

③在配电房内设置有源滤波装置。

6 降低电动机能耗

据相关资料查得，全国用电量的约2/3是电动机所消耗，可见降低电动机损耗，提高电动机效率，对节能意义非常重大。降低电动机能耗的措施主要有：

①选用高效节能型电动机：高效电动机节能效果很显著，特别是年运行时间长、电动机功率较大、负荷率较高的情况下，应优先选用；

②合理选择电动机功率，在满足传动要求的条件下，使负荷率处于较高的水平；

③对于变化范围较大的负荷，宜采用变频调速方式。

7 照明系统节能

照明用电的使用非常广泛，一般工程的照明(含普通插座)系统的用电负荷约占总用电负荷的35%～40%。因照明节能的措施比较多且简单易行，因此照明节能有非常大的空间。照明节能可采用如下措施：

首先是照度标准方面应按照《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）规定设计，各房间或场所的照明功率密度应满足《建筑照明设计标准》第6.3节规定的现行值的要求。

其次在设计中应选择高效灯具及节能型光源。如满足控制眩光条件和必要的舒适性要求条件下，应优先选用开启式直接照明灯具；按照房间的室形指数，选择相适应的灯具配光；有漫反射罩的灯具，应采用高透光率材料；尽可能选择三基色T5、T8荧光管或LED灯具。

再有就是采用合适的照明控制方式节能。如道路照明应设置按自然光照度和时间自动控制；景观照明按规定的亮度和时间开启、关闭，并按平日、假日、重大节假日自动或手动调节亮度和点灯范围；人流量较少的楼梯间、走廊、地下车库、卫生间及类似场所装设红外感应节能自熄开关，需注意人员流动频繁的楼梯间、走廊等则不宜装设，否则会导致开关频繁动作，实现不了节能目的还容易损坏设备，浪费投资。现在大部分公共建筑都设计了智能照明系统，对于公共区域的照明节能确实有良好的效果，但对于此系统的设置需要进行合理的评估，只有在工程达到一定体量时才建议做，较小的项目其初始投资在系统的使用寿命周期内无法回收，得不偿失。

最后可采用自然光与人工照明有机结合，可利用各种导光和反光装置将天然光引入室内进行照明；距离电源点较远的路灯，宜采用太阳能光伏供电。

8 降低交流接触器能耗

交流接触器虽然使用的场合很多，但是因为成本低，电磁吸合线圈一般只有几十伏安，因此设计人员一般不考虑其损耗。放到全社会范围看，接触器就不是一个小数目了，如果把这些损耗全部加起来，则总量还是非常大的。根据《交流接触器能效限定值及能效等级》（GB21518-2008）查得，额定电流32A的接触器吸持功率在1级能效时为0.5VA，在2级能效时为8.3VA，在3级能效时为13.9A，由此可以看出，1级能效同3级能效的吸持功率相差很大。

不管采用多节能的电气设备，合理的系统设计尤为关键，如对于能耗采用分类分项计量系统，以便于发现耗能情况，更有效监管节能。在做方案时就应该将变电所提供给建筑专业，让变配电所的选取尽可能处在负荷中心，来减少电能在线路上的损耗。在高层建筑中，配电室应尽量靠近电井，对于大型的公建应根据平面情况设置多个电井。尤其可以考虑太阳能光伏电源系统，风力发电系统等可再生能源的利用。