故宫博物院用电节能措施的研究

陈 旭

(故宫博物院,北京 100009)

1 概述

我国各行各业的发展都离不开电能，它直接关系各个行业发展的稳定性，博物馆行业也不例外，充足、稳定的供电，是博物馆良好、有序开放的基础，是文物妥善保存的前提。目前，随着中国经济的快速发展，用电需求的增加，我国电力行业的供应能力不足，电力资源变得紧张，可持续发展、节能减排已成为中国经济发展的主旋律[1]。

1961年经国务院批准，故宫博物院被定为全国第一批重点文物保护单位，它是世界上现存规模最大、保存最为完整的木质结构古建筑，被联合国教科文组织列为“世界文化遗产”。近年，故宫博物院各项事业不断发展，开放面积大幅增加，服务设施逐渐完善，各类展览不断推陈出新，呈多样化发展，同时，整体电能消耗也在不断增加。对故宫博物院来说，降低电能损耗能够有效缓解电力资源紧张产生的压力，同时也能提高用电效率、节省相关费用，故用电节能工作的开展显得十分必要。本文结合故宫博物院供用电和电能消耗现状，对用电节能措施进行研究，提出供电合理化建议和管理措施建议。

2 故宫供用电及电能消耗现状

故宫博物院属于特大型博物馆建筑，占地面积约为72万m2，东西宽753 m，南北长961 m，有大小宫殿70多座，房屋9 000余间，具有用电面积大，用电建筑多的特点。目前，故宫整体供电主要依靠东、西两个高压配电室，分别建设于故宫东半部和西半部。故宫属于古建筑群，内部均为砖木结构，在防火等级方面，并不符合高压配电室对建筑的要求；故宫内部建筑较为密集，配电室选址时较难深入负荷中心，增加了低压侧的供电半径；故宫采取院落型建筑方式，院落彼此相邻，受限于院落的地上、地下条件及周围建筑，低压电缆路由经常会绕道敷设，进一步增加了供电半径，甚至超出合理供电半径；另外，由于各个院落或区域功能划分和用电量不同，常需单独敷设低压电缆，以致低压电缆数量较多。电缆每月电能损耗计算公式如下：

(1)

式中：W——每月电能损耗，kWh/月;

I——电流，A;

R——电缆阻值，Ω/km；

NP——电缆芯数，根;

L——电缆长度，km;

T——每月用电时间，h。

由公式可知，电缆电能损耗与电缆长度、阻值均成正比，如供电电缆较长，势必会增加电缆的电能损耗，且故宫低压电缆数量较多，大大增加了损耗[2]。

另外，变压器的电能损耗在整个配电系统中也占有非常大的比例。目前，故宫东、西配电室的变压器为SCB10系列干式变压器，生产安装于10多年前，相比现在的新型变压器，节能技术相对落后。

近年故宫博物院电能消耗情况如表1所示，可以看出，故宫电能消耗巨大，且随着近年的不断发展，用电量整体呈上涨趋势。

表1 故宫博物院近年电能消耗情况 kWh

配电系统中不必要的电能损耗不仅降低了电能的传输效率，而且增加了供电成本，如通过技术手段和管理措施，提高电能传输率和利用率，那么对减少故宫博物院的运行成本，降低发电能源的消耗都是有极大帮助的。

3 用电节能措施及优化策略

3.1 供电合理化

1)配电设备的改造和优化。

变压器损耗包含有功损耗和无功损耗，在变压器选型、设计中，如果仅仅关注有功损耗，则难以良好的控制损耗[2]。改造配电设备时，应合理选用新型节能型变压器。首先，新型节能变压器可以降低铁损和铜损，SCB13系列干式变压器铁损比SCB10系列降低30%，铜损也能降低10%[3]，大大提高传输效率，而且具有体积小、重量轻、便于安装、维护方便、运行经济节能等优点；其次，新型变压器可以针对故宫博物院昼夜负荷落差大这种情况，自由调节运行负荷，实现对电能损耗的有效控制，在用电高峰期提高负荷，能够保证电能传输的更加稳定，在用电低峰期调低负荷，能够降低线路的传输消耗，尽量将负荷率控制在75%左右以满足变压器的经济运行条件。

在电力系统的配电线路中，会存在大量的无功电流，导致配电线路中的能量损耗不断增加，严重降低了变压器利用率，影响用户电压[1]。在更新变压器时，还应配套更新无功补偿装置，使用电容器对变压器和高压用电设备的无功功率进行补偿，提高功率因数和电网质量，最大限度地降低由于无功电流而导致的损耗。如果用电设备距离较远，且设备比较分散，可权衡设备投资成本和节能费用，选择性的使用就地补偿的方法。

2)供电线路的优化。

故宫博物院低压电缆数量较多，电缆敷设距离较长，增加了电缆电能损耗，且电缆过长还会产生电压降，降低电网运行的稳定性，严重者还可能影响用电设备，造成电气事故。在供电线路设计和改造中，可通过深入研究故宫地上、地下建筑结构，在保护文物古建的基础上，合理设计电缆路由，减少电缆敷设长度，降低电能损耗的同时还能减少电缆投资费用；另外，还可以通过降低电缆阻值的方式控制电缆损耗，电缆阻值计算公式如下：

(2)

其中，ρ为电阻率;S为电缆横截面积，m2。

由式(2)可知，电缆的阻值与电阻率成正比，与横截面积成反比。在电缆设计选型过程中，常根据发热条件选型，虽然节约了初期投资费用，避免了电缆发热产生的损耗，但未考虑到长期运行后电缆电阻产生损耗，此部分产生的电能费用可能更高；如按照经济电流选型，虽然增加电缆横截面积，提高了初期投资，但降低了电缆电阻产生的损耗，随着使用时间的增加，初期增加的投资费用可在几年内收回。以下为三条供电线路的电缆选型及运行情况对比[3]，如表2所示。

表2 电缆选型及运行情况对比

故宫博物院用电时间集中在7:30～17:30，按照北京市城区非居民电价收费标准(京发改[2019]758号)，综合考虑峰谷平电价计费时段，平均电价取1.05元/kWh，根据式(1)，3条线路在不同电缆选型方式下，能耗对比如表3所示。

在线路1中，按经济电流型选型比发热条件选型的初期投资多8 132元，但每月电能损耗减少165.72元，约4.2年就能收回初期增加的投资；同理，线路2中，约6.7年能收回初期增加的投资；线路3中，约10年能收回初期增加的投资。

表3 电缆选型及电能损耗对比

综上，在设计阶段，应综合考虑电缆型号、电缆路由、电缆费用、负载情况、使用年限等，在满足使用需求的前提下，合理选择电缆截面，减少电能损耗，降低总体费用，提升经济效益。

3.2 电能管理系统的建设

科学化管理是用电节能的重要手段之一，合理使用电能管理系统可以提高电能利用率、降低运维费用、减少能源消耗。通过记录分析每个区域的负荷、损耗等数据，可以在电缆更新、电气设备改造时，提供可靠的数据支持，挖掘更多节能潜力，使设施设备选型更加合理。另外，数据的记录与分析，还可以得出各区域随时间变化的用电规律，对于用电异常的区域，可以安排检查，分析原因，避免由于设备忘关、电气故障等原因产生的电能损耗。

4 结语

本文分析故宫博物院供用电和电能消耗现状，针对供配电系统及日常管理，提出用电节能方面的合理化建议和措施，并通过计算及数据对比，论证了供电线路优化方案的合理性。建议古建筑、文物保护单位的技术人员在电气改造时，灵活、合理运用节能降耗方法，最大限度减少资源的浪费，提升经济效益。