大型商业综合体电气设计中的节能技术措施分析

吴 先 哲

(华东建筑设计研究院总院, 上海 200002)

0 引 言

随着各种新技术的发展,用电设备在现代建筑工程中的占比正在不断的上升,同时也伴随着电气能耗的不断上升,因此电气节能将是评价电气设计优劣的重要参数之一。只有在设计中考虑采用节能技术,才能够促进降低电气设备运行能耗。电气节能技术的核心目标是降低电气设备的电能消耗,从而降低碳排放,提高电力设备的能源利用效率,同时采用多种新能源综合利用满足节能目的。为此,将节能技术有机渗入电气设计中,是现代建筑电气工程的重要研究内容。

本文根据江苏省南京市某金融综合体超高层项目的设计经验,分别从变压器、照明、空调控制系统3个角度来讨论节能设计在建筑电气设计领域中的应用。

1 建筑变压器电气节能设计

1.1 变压器参数及功率损耗

变压器是整个供配电系统最核心的设备。在不能影响负荷正常运行的基础之上,将变压器的损耗控制在合理范围内是变压器节能设计的主要目标。变压器在全过程中会产生各种损耗,主要包括生产过程中产生的损耗与投入运行时的电力损耗,而随着项目规模越来越大,变压器数量越多,末端负荷波动越来越大,在一个综合体项目中变压器数量可多达30个。因此,变压器节能设计正在扮演着愈发重要的角色。只要降低变压器运行所产生的能耗,就能够极大地降低建筑运行电力能耗。铁损、铜损、电介质损耗和杂散损耗是变压器的主要损耗,铁损耗的计算公式为

PFe=Pb+PIb=KBfBnm+KIf2B2m

式中: Pb——磁滞损耗;

PIb——涡流损耗;

f——电源频率;

KB——材料系数;

KI——材料系数;

Bm——铁芯的最大刺痛密度;

n——磁滞系数。

铜损耗的计算公式为[1]

式中: I1——一次侧负荷电流;

I2——二次侧负荷电流;

r1——一次侧线圈的电阻;

r2——二次侧线圈的电阻。

1.2 变压器的选择

为了尽可能实现变压器的节能运行,首先要根负荷计算选择合适的变压器容量,从而实现全面减低运行过程中的电能损耗。前期设计时需要根据建筑电气不同的业态标准,进行准确的负荷估算,通常在变压器负荷计算时,需考虑变压器的最佳合理负载率,同时变压器宜根据不同的业态分开设置在不同变电所内。变压器应选择节能环保型、低损耗、低噪声、接线组别为Dyn11的SCB13型及以上电力变压器,并自带温控器和强迫通风装置,且能效值不应低于标准GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中能效标准的二级节能评价值[2]。变压器节能参数如表1所示。

表1 变压器节能参数

1.3 变压器经济运行设计

提高变压器运行的经济性,在保证电力设备得到正常供电的基础上,降低变压器的电力损耗是变压器经济运行设计的主要目标,从而提高变压器电力能源的使用效率,具体可以通过以下几种方式实现:

(1) 变压器温/湿度控制。温/湿度是影响变压器运行实际效果的重要指标,通常情况下变压器的温升范围为80～100 ℃,在该温度范围内变压器能够保持最佳的运行状态,从而能够保证电力能源使用效率,且变压器的运行需要在相对干燥的条件下。因此,为了提高变压器运行的经济性,需要做好变压器运行环境的温度和干湿度调控。

(2) 抑制变压器谐波。谐波会导致变压器受到影响发生损坏,而一旦变压器出现故障或损坏,就会产生大量的维护成本与其他经济损失,所以抑制谐波可以降低谐波对变压器运行的影响,例如可以通过采用Dyn11的方式作为变压器的连接组别,使绕组内形成谐波环流,从而可以控制谐波来提高变压器运行的经济性。

(3) 设计时配变电所及电气竖井尽量靠近负荷中心。

(4) 变电所低压侧进行无功补偿自动调节,减少线路损耗及功率因数不低于0.95。为减小高次谐波对补偿电容的影响,提高供电质量,延长电容使用寿命,补偿电容采用串联消谐电抗器方案。

(5) 在变电所设置电力监控系统,优化管理电能并提供管理的便利性,实时监控电能的各种参数,合理调配电能。

2 照明电气节能设计

民用建筑中有大量的照明点位,尤其对于地下室面积占比较大的大型综合体项目,如某南京综合体项目,总建筑面积为40万m2,地下室面积可以达13万m2。由于缺乏使用自然光源的条件,地下室的照明必须通过电力光源来实现,对电能的消耗占据着很大比重,所以照明节能设计是建筑电气节能设计的重要部分。通过选择合理的光源、节能布置和智能控制,能够有效降低照明系统的电力能源消耗,从而促进建筑整体电力设备能源消耗降低。

照明的电能消耗量主要和时间、效率、线损有关:

P=(Ps+P1+Pr)T

Ps=F/η

F=EKSN/Mη

式中: P——设备的电能消耗量;

Pr——照明设备的损耗;

Pl——配电线路的损耗;

T——照明设备使用时间;

F——灯具光通量;

η——灯具发光效率;

E——灯具最小照度;

K——减光补偿系数;

S——所计算的房间面积;

N——照明器数量;

M——照明光通量利用系数。

2.1 光源选择

光源是灯光的核心部件,随着科技的发展,光源正在向着更低能耗,更高光通量的趋势发展,选择高效的光源是建筑照明系统节能设计的首要环节。建筑内部的光源主要可以分为自然光源与电力光源,电力光源又可以分为白炽灯、LED等不同类型,不同的光源在光照强度和能源消耗方面有很大的区别。

(1) 建筑照明系统光源选择应该尽量选择自然光源,通过合理的采光设计,减少人工照明灯具的使用。

(2) 建筑内的光源选择需要尽量选择节能灯泡,例如LED灯具或T5荧光灯及高频电子镇流器,以提高功率因数。相比于传统的白炽灯,LED等节能灯具能够在保证光照强度的同时降低电力能源消耗,且使用寿命有很大的提高。

(3) 建筑内部不同功能分区需要采用不同的光源,以满足该功能分区的实际照明需求为主要目标,通过不同光源的设计,能够使照明系统的电力能源消耗更加合理。

(4) 通过采用光伏发电技术,降低电力能源消耗,以太阳能清洁能源为照明系统提供电力支持。不同光源指标如表2所示。

表2 不同光源指标

由此可见,LED光源的发光效率占有很大的优势,目前越来越多的项目都在用LED光源代替传统光源。

2.2 节能布置及智能控制设计

在照明系统的节能布置方面,需要对建筑内部的照明系统进行全局规划,确保照明系统的能源利用率达到最高,从而降低不必要的能源消耗。首先,针对建筑内部不同分区采用不同的分散、集中、手动、自动照明系统控制模式,在一些公共空间内加入声控技术、光控技术以及振动控制技术,当该分区有照明需求时照明系统会自动启动,当照明需求结束后会自动关闭照明点位,从而能够实现照明智能控制,能够有效避免照明灯常亮的问题。建筑方案设计时,可提前和建筑师沟通,部分区域顶部设置玻璃采光以充分利用自然光采光。此外,灯具整体发光效率也受制于其周围反射材料的影响,反射效率为49%～93%,选择高反射效率的材料能够大大提高灯具的发光能效。同时,照明配电箱应该尽量在设计时考虑靠近负荷中心,条件允许的情况下采用三相供电,这样线损相比单相可以减少40%以上。若工程预算充足,可考虑设置照明节电器,其可通过动态监测电压、电流、功率、输入/输出来维持总谐波含量恒定,从而延长照明设备的使用寿命。除此之外,随着智能控制技术的快速发展,智能照明的应用为建筑照明节能技术提供很大的发展空间,使其在自动开启和关闭的基础上,能够对亮度等进行调节,从而进一步优化照明系统的电力能源消耗结构,同时还能够选择不同的电力来源,例如在太阳能蓄电池电能储存丰富的情况下优先使用蓄电池中的电能,当太阳能蓄电池所存储电力能源不能满足实际照明时自动切换到电力系统中,进而实现能源消耗结构优化[3]。

3 空调系统电气节能设计

空调系统在整个机电系统里占比极大,尤其是在大型商业综合体项目中,大型冷却塔、冷却水泵、冷冻机组、一次冷冻水泵、二次冷冻水泵、空调箱、新风机组等设备在运行过程中会产生大量的能源消耗,同时还会产生一定的空气污染物。空调系统是建筑节能设计的核心关键环节,可以通过电气自动化控制技术控制冷热源等各种空调设备来实现能源的有效利用。

3.1 暖通散热风机节能设计方面

在暖通系统中,散热风机是其重要的组件,其会产生大量的电能损耗,为此具备通过相应的节能措施来提高风机的能效空间。以中央空调系统节能改造方案为例,采用分级温差控制的方式对其暖通散热风机的运行进行调整,在冷却塔进出口位置,各自安装一个温度传感器,实时测量温度,并通过信号反馈来控制风机的开启数量。风机开启数量随着水温温度升高自动增加,随着水温降低而自动减少,从而达到节省电能的目的。温度感应器的探头设置在冷却塔进出水管的表面,能够更加准确地反映实时水温[4]。散热风机节能改造前后的实际参数如表3所示。

表3 散热风机节能改造前后的实际参数

经过对冷却塔风机的改造,加入了散热风机水温实时检测技术以及相关的自动化控制技术,相比于改造前的电力能源消耗有了很大幅度的降低。由此可见,对空调系统冷却塔风机的改造,能够全面提高空调系统节能效率,是建筑电气节能设计中的关键环节。类似的方案还包括为冷冻、冷却水系统以及集分水器系统的监控,根据预先编排的程序和整体供冷暖的要求,按照现场实际测温点来控制冷热源系统的工作状态。

3.2 变频调控设计

变频节能技术是指在建筑内部空间的空调系统负荷需求出现变化时,通过变频节能技术能够对空调系统的冷水机组、风机组以及水泵机组等进行调节,根据外部温度变化选择最为合适的功率,使空调系统的运行功率能够与外部环境相匹配,从而使空调系统能够在最优运行功率下运行[5]。以建筑中央空调系统为例,中央空调的运行热负载一般会低于设计参数一定数值,一般情况下冷冻水的设计温度会在5 ℃左右,水泵在全功率运行的状态会产生不必要的能量消耗,从而使水泵所输送的能量高于当前所需要的能量。将变频调节技术加入到冷冻水泵系统中,冷冻水泵所输送的能量能够根据当前环境所需温度进行变频调节,从而使其不会长期处于最大运行功率状态,而是根据所需能量对冷冻水泵的能量输送进行调节,使水泵在低功率状态下运行,能够降低电力能源的消耗,还能够根据室内实际温度将制冷调节为当前所需的最佳温度,从而为居住者创造一个良好的温度环境,提高居住者的舒适度,有利于建筑长远可持续发展。变频空调由于压缩机频率是改变的,所以其耗电量是以制冷(热)季节耗电量/制冷(热)季节时间来计算的[6]。

4 结 语

本文从多个方面对节能技术在建筑电气设计中的应用进行了阐述,根据多年的项目经验,分别针对变压器、照明和空调控制系统3个方面进行了节能优化的考量,希望能够对我国建筑工程行业起到一定的借鉴和帮助作用。绿色建筑是未来长期的发展趋势,随着新能源科学技术的快速发展,未来将会有越来越多的方法可以实现节能降耗,促进我国绿色建筑更好的建设和发展。