民用建筑电气节能设计相关措施

摘要：本文从民用建筑电气设计中影响节能的几个主要方面阐述了节能理念和节能措施。

关键词：变压器 线路损耗  无功功率补偿 照明节能

能源是人类生活中最重要的资源，是关于我们现实和未来生存发展的最基本、最核心的动力问题。目前，我国正处于国民经济快速发展时期，中国经济高速增长的必要支撑条件之一是能源需求的巨幅增长，这对于我们这个能源资源人均拥有量大大低于世界平均水平的国家来说是一个不可承受之重。所以我们有权利也有责任在设计工作中认真考虑节能问题，并把节约电能放在首位。

近年来，国家及相关部门已经深切认识到节能问题的重要性和紧迫性，建筑节能工作已经全面展开并不断深化，建筑节能技术不断进步，建筑节能的设计标准也在不断的完善。而且随着社会的发展和进步，公众节能的意识不断增强，节能的理念也越来越为更多的人所接受。

建筑节能实际上是一项十分艰巨而复杂的工作，它甚至比某些建筑智能化系统的应用更为困难。因此，要想在建筑节能方面有所收获的话就要对其进行系统、全面和综合的分析、研究、实践。

建筑电气节能的设计原则

（1）适用性原则

所谓的适用性原则就是在满足为建筑物内的良好的人工环境提供必要的能源，为建筑设备提供必须的动力，为用电设施提供可靠的负荷容量等条件的情况下，优化供配电设计，从而促进电能的合理化运用。也就是说不能因为节能而影响建筑物的整体功能。要保证建筑物照明的照度、色度及显色指数;要满足建筑物舒适卫生的良好环境;满足各处运输通道的畅通无阻等等。

（2）节约性原则

所谓的节约性原则就是指在电气节能设计中要充分考虑到实际的经济效益，不能因为节能而过高的消耗投资，增加运行费用。而是要科学合理的选用节能设备和材料，爭取实现用较低的投资得到最大的经济效益。使因节能而增加的投资可以在最短的时间内用节能减少下来的运行费用收回。

（3）节能性原则

所谓节能性原则就是要节省无谓消耗的能量。首先要找出哪些地方的能量消耗是与发挥建筑物的功能无关的，在考虑采取什么措施节约能源。如着眼于电气设备自身的电能消耗、变压器的功能损耗、传输线上的电能损耗等方面，节能设计应该把握“满足功能、经济合理、技术先进的原则”。

近年来，由于国家经济的高速增长，电力供应也越来越紧张，每年的用电高峰，供电缺口都在增大，而且我国发电所使用的主要能源是不可再生的煤，不仅对环境污染同时也不够节约能源。所以，各行各业提出了节能的要求，节约二次能源——电能，也就成为民用建筑电气中重点，本人认为在民用建筑中可以从以下几点的应用来贯彻节能措施：

1、选择更先进更节能的配电变压器

随着市场经济的发展和科技的不断进步，新材料新工艺的广泛应用，新的低损耗配电变压器先后开发成功，尽管配电变压器已是高效率的设备，但由于数量的巨大和空载耗电的固定性，变压器效率即使有微小的改进也能获得相当大的能源节约和减少温室气体的排放，因此其本身存在巨大的节能潜力.现在在我国应用的较多的主要有油浸式变压器，干式变压器，箱式变压器等。

1.1 油浸式变压器：国家从1999年起国家规定淘汰并停止生产S7系列油浸式配电变压器，2001年在S9基础上我国又开发出S11系列变压器，使空载损耗进一步降低。S11型变压器适应范围广，性能水平优于S9，节约能源，与S9变压器比，它的空载损耗平均降低百分之三十，空载电流平均下降百分之七十，而且噪音水平也下降了，减少了城市的噪音污染。

1.2 干式变压器：近年随着高层及大中型建筑的增多，以前用量较少的干式变压器因为它的结构简单，维护方便，安全性能好等优点已得到很大发展。目前SC9型为国内干式新型节能变压器，损耗比老产品大大降低，比老SC8干式变压器空载损耗平均降低百分之八十七，负载损耗平均降低百分之十，另外变压器的噪音水平也明显降低。

1.3 箱式变压器：箱式变压器即为高低压预制式变电站，由变压器制造厂生产。因为占地面积较小而且就近设于负荷中心，可降低线损，也属于节能变压器，现在在民用住宅小区中应用非常多。

综上所述，目前适合国内需求的节能产品是S9型及S11型配电变压器，有防火要求的地方，可采用环氧树脂浇注的干式变压器，住宅小区多为箱式变压器。而配电变压器的节能原理主要体现在减少变压器的有功功率损耗 变压器的有功功率损耗如下式表示：△Pb=Po+Pkβ2其中：△Pb——变压器有功损耗（KW）;Po——变压器的空载损耗（KW）;Pk——变压器的有载损耗（KW））;β——变压器的负载率。Po部分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，是固定不变的部分，大小随矽钢片的性能及铁芯制造工艺而定。所以，变压器应选用节能型的，如S9、及SC9等型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，使矽钢片的磁畴方向接近一致，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。 Pk是传输功率的损耗，即变压器的线损，决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，即负载率β的平方成正比。因此，应选用阻值较小的绕组，可采用铜芯变压器。从Pkβ2用微分求它的极值，在β=50%处每千瓦的负载，变压器的能耗最小。因此，在80年代中期设计的民用建筑，变压器的负载率绝大部分在50%左右，在实际使用中有一半变压器没有投入运行，这种做法有的一直沿袭至今。但是，这仅是为了节能，而没有考虑经济价值。举下例可看出其不可取的程度。SC3-2000KVA的变压器，当β=50%时相对于β=85%时可节能为P=16.01×（0.852-0.52）=7.56KW，按商场最高用电小时计：每天12小时，365天全营业，则总节约电能：W=7.56×12×365=33113KW·h。按营业性电价每度0.78元计，则每年节约：33113×0.78=25828元。按每千瓦的初装费投资：2000KVA变压器应是大型民用建筑，必然双电源进线，则初装费每KVA为2240元，每年节能省下的电费只能提供（25828/2240=11.53）11.53KVA的初装费。还有988.5KVA的初装费，加上由于加大变压器容量而多付的变压器价格，由于变压器增加而使出线开关柜、母联柜增加引起的设备购置费，安装上述设备使土建面积增加而引起的土建费用，这是笔相当可观的投资，还没有计及折旧维护等费用。由此可见，取变压器负载率为50%是得不偿失的。

事实上50%负载率仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此也不是最节能的措施。计及初装费、变压器、低压柜、土建的投资及各项运行费用，又要使变压器在使用期内预留适当的容量，变压器的负载率应在75%～85%为宜。这样也可以做到物尽其用，因为变压器绝缘的使用年限满负荷计为20年，20年后可能有更好的变压器问世，这样就可以有机会更换新的设备，才能使该建筑总趋技术领先地位。为减小变压器损耗，当容量大而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，选用大容量的变压器。例如需要装机容量为2000KVA，可选2台1000KVA，不选4台500KVA。因为选用前者可节能：△P=4×（1.6+4.44）-2×（2.45+7.45）=4.36KW（全按β=100%计，同等条件，SC3变压器）。

2、减少线路上的能量损耗

在一个工程中，线路左右上下纵横交错，小工程线路全长不下万米，大工程更是不计其数，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。 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：△P=3IΦ2R×10-3KW） 式中：IΦ——相电流（A） R——线路电阻（Ω）。

线路上的电流是不能改变的，要减少线路损耗，只有减小线路电阻。线路电阻R=P×L/s，即线路电阻与电导P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应从以下几方面入手。①应选用电导率较小的材质做导线。②减小导线长度。③增大导线截面。

3、采用合适的无功补偿装置，提高功率因素

3.1选择合理无功补偿方式。目前，民用建筑设计中，绝大部分采用变压器低压侧集中补偿，这种做法仅减少了区域变电站至用户处的高压线路上的无功传输，提高了用户处的功率因数，可以不受或少受供电局局的罚款。而对用户，无功仍由变压器低压母线经传输线路输送到各用戶点，低压线路上的无功传输并没有减少，那么无功补偿也就达不到节能的目的。在民用建筑中应改变电容器集中安装的做法，对容量超过10KW的风机、水泵、传送带等电动机端设置就地补偿装置，空调主机及冷冻泵等常在其附近设专用变配电所，可以集中补偿，但若供电距离超过20m时也最好采用就地补偿。这样才能使线路上的无功传输减少，达到节能目的。

3.2 提高设备的自然功率因数，以减少对超前无功的需求。可采用功率因数较高的同步电动机;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，这就可减少系统高、低压线路传输的超前无功功率。 由于感抗产生的是滞后的无功，可采用电容器补偿，因为电容器产生的是超前的无功，两者可以相互抵消，即Q=QL-QC，因此无功补偿，可以提高功率因数，因而也减小了无功的需求

减少自然无功、无功补偿及补偿装置的安装地点，就可以实现合理的选择无功补偿方式而达到节能的目的。

4、照明节能

据统计，我国照明用电量已占总用量的10%～12%。按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。2019年国家正式实施《建筑照明设计标准》（GB50034-2019）该标准不仅有“照明节能”，同时整个标准都贯穿了绿色照明的宗旨和理念。该标准要求了设计着运用科学合理的设计方法，正确选用优质和高效的照明器材，以及合理的配电系统，控制方式获得更好的节能效果。

4.1充分利用天然光源

照明节能工程中的一个较为主要的内容是如何充分利用天然光源。随着人们对能源和环境保护的日益关注，建筑物中如何充分利用天然光源来节约照明用电已引起广泛重视。天然光源是取之不尽、用之不竭的能源。在照明节能的实施工程中，应当充分加以利用，制定建筑物的采光标准，确定采光方式，将采光方式，将采光和照明有机地结合起来。白天尽可能地利用天然光源，使建筑物内获得稳定的光照条件。同时，室内引入阳光，既能大大节约照明能耗，亦有助于提高室内温度，对于降低建筑能耗也具有重要的现实意义。

4.2采用高效节能光源

在满足照明质量的前提下，应选用细管径直管荧光灯、紧凑型荧光灯。对灯具悬挂位置较高的场所的一般照明，宜采用高压钠灯、金属卤化物灯或镇流高压荧光汞灯，其综合费用低、视觉质量高，同时也节约能源。除特殊情况外，不宜采用管形卤钨灯及大功率普通白炽灯，灯具悬挂位置较低的场所照明宜采用荧光灯。

4.3根据照明部位的灯光布置形式和环境条件

选择合适的照明控制方式房间有多列灯具时，按与侧窗平行控制;生产场所按车间、工段、工序分组控制;电化教室、会议室、报告厅等场所，按靠近或远离讲台分组控制。建筑科技的飞速发展，让灯具的控制方式更加个性化、人性化、智能化，例如，人体感应或动静感应开关，智能化面板开关等新的控制方式逐步进入到我们的身边。

选择优质的电光源科学的选用电光源是照明节电的首要工作：节能的电光源发光效率要高，使得每瓦电（W）发出更多光通量（Lm）。白炽灯泡发光效率一般为7～20Lm/W，其寿命一般为1000h，特殊的为2000h;单端的紧凑型荧光灯（俗称节能灯）其光通量一般为50Lm/W，采用一只9W寿命3000～5000h的节能灯完全可以替代40W的白炽灯泡;双端直管荧光灯T12型的光通量为55 Lm/W，寿命为3000～5000h，而现在的T5型则达到90～110 Lm/W，寿命可达8000～10000h.所以T12，T10甚至T8型的荧光灯都应该淘汰，不但可以节约大约50%的电能，还会改善灯光的显色性。除以上光源外，还有高强气体放电灯，如高压钠灯、金属卤化物灯、无极灯、发光二极管和半导体照明灯等，科学技术的发展，电光源也层出不穷。

选择节电的照明电器配件在各种气体放电光源中均需要有电器配件：例如镇流器，旧的T12荧光灯其电感镇流器要消耗其20%的电能，40W灯，其镇流器耗电约8W;而节能的电感镇流器则耗电小于10%，更节能的电子镇流器，则只耗电其2～3%，也是一笔不小的节电措施。

安装照明系统节电器：目前国内外都大力推广照明节电器，在现在照明系统上加装节电控制设备。国内市场上的照明节能设备很多，其中照明控制节电装置所占比例最大。

合理利用太阳能：太阳能作为最环保又节电的能源其利用前景是非常可观的，目前有些住宅小区和公共建筑的庭院照明，景观照明和楼梯间的公共照明已经采用了这种技术，在道路照明上也有应用。它主要是根据光电效应把太阳能直接变成电能供照明使用，目前常用的硅太阳能电池就属于这类换能部件，它的换能效率可达百分之十三到百分之二十。

作者简介：

王怿鹏（1987- ），本科，工学学士，电气工程师，电气自动化工程师，建筑智能化工程师，研究方向：民用建筑电气设计、建筑智能化系统设计。