基于等效负荷计算的建筑电气设计及优化研究

潘耀

摘要： 等效负荷计算是建筑电气设计中为电路设计提供准确的电通量， 以确定供电线路、 供电设备及建筑用电器有效、 安全运行的方法， 该方法可对不同用电单元进行有效规划。基于此， 本文以具体的住宅项目为例， 深入分析了以二项式法为基本方式的计算方法， 同时对建筑电气设计方案中的各个环节进行了等效负荷计算。结果表明， 利用等效负荷计算确定设计方案的优劣并进行优化是一种有效的方式。

关键词： 等效负荷； 二项式法； 优化； 设计

DOI：10.12433/zgkjtz.20240553

一、 工程案例及电气设计方案

（一）工程概况

该建筑为多层电梯楼房， 建筑占地424m2， 共5層， 楼高为19.4m。其中， 地下1层， 设计为停车场； 1～5层均为商品房， 采用一梯两户设计， 共10家用户。本方案将为该建筑提供全面的电气设计方案， 确保每家都能够安全、 便捷地使用电力资源。

（二）建筑电气设计方案

从建筑的供电需求来看， 主要用电单元包括电梯、 供水系统、 消防弱点系统、 公共区域照明、 空调系统以及用户入户供电需求， 具体设计方案如下：

1.电梯

该建筑共有1部电梯， 选用可靠的低压电梯， 可满足5层高度的输送要求。电梯设有紧急控制面板， 以便在紧急情况下控制电梯。

2.供水系统

该建筑设有一套供水系统， 以市政自来水或水源热泵系统作为水源。供水系统将分为两个独立的管道， 分别为主管道和支管道， 主管道将直接连接市政自来水管网， 支管道则将从水源热泵系统中获取水。供水系统中还设有一套独立的净水器， 以确保供水水质的安全与纯净。

3.消防弱电系统

该建筑设有一套消防弱电系统， 包括火灾自动报警系统、 消防控制中心、 消防电源及其配电系统等。消防控制中心将与其他智能化系统相连， 以实现整个建筑的联动控制。消防弱电系统还包括一套自动喷水灭火系统， 以确保建筑内的消防安全。

4.公共区域照明及空调系统

该建筑设有一套公共区域空调系统， 采用变频多联机组或VRV热泵系统。空调系统将根据季节及室内外温度差异， 自动调节空调的运行速度， 以确保室内环境的舒适性与节能性。

5.用户用电需求

该建筑共有10家用户， 每户配备1个三相电表和1个单相电表。电表均采用IC卡预付费方式， 用户可通过智能手机应用程序实时查看用电数据， 并进行远程控制。此外， 每户还设有1个墙面开关， 由用户自行控制。

6.安全措施

电梯设有紧急控制面板， 以便在紧急情况下控制电梯。消防弱电系统设有自动喷水灭火系统， 以确保建筑内的消防安全， 火灾自动报警系统与其他智能化系统相连， 以实现整个建筑的联动控制。

二、 建筑电气设计方案中的等效负荷计算

（一）建筑电气等效负荷的计算方法

等效负荷计算方法有三种， 分别是需要系数法、 利用系数法及二项式法。需要系数法是指在实际的计算过程中， 根据设备的使用情况将其分类， 然后根据日常用电需求进行负荷计算， 该方法可根据实际情况调节需要系数的大小， 尽可能地反映实际电气需要； 利用系数法是指在进行电气计算时， 根据需要进行负荷计算的不同回路， 对元件分类。然后， 再利用系数表， 对不同的元件组合计算。最后， 把所有元件组合计算， 从而得到等效负荷； 二项式法则是将每个元件用二项式表示， 根据相关公式进行计算。二项式有两个线性独立的系数， 一个是电流的平方系数， 另一个是电压的平方系数。因此， 可以将电压和电流分别作为一次和二次项， 根据二项式法则计算。这种方法具有简单、 易于理解等优点， 在计算中常常被采用。

（二）基于二次项算法的等效负荷计算校对

二项式法是一种通过计算多项式在特定条件下的值来求解的方法。用二项式法计算全部系统的等效负荷， 可分为两个部分， 即日常负荷和瞬时负荷， 计算包括如下内容：

1.对系统的日常负荷进行等效计算

日常负荷主要是指电路联通后， 无论电器是否使用， 线路运行自身会存在一定的负荷， 一般被称为日常负荷或待机负荷。计算中， 由于电路两端的电压可以被看作一个定值， 即220V民用一般电压， 在等效负荷的计算中仅需要求解系统本身的等效阻抗， 而后利用式1求解。

[w=U2RR=23Ui/Z] 式（1）

对式（1）进行求解， 可得到系统的日常负荷计算公式2：

[w=3U2Z2Ui] 式（2）

式（2）中， [w]为日常负荷； [R]为等效阻抗； [U]为电压常量； [Ui]为电源系统内阻； [Z]为电网总阻抗。将案例中的相关参数带入式（2）， 求得其日常负荷为2.67kW。

2.对系统的瞬时负荷进行等效计算

二项式法的基本思路是根据问题的要求， 列出多项式来表示问题的解， 找出满足该多项式条件的系统， 从而确定该系统的等效负荷。在建筑电气设计中， 由于不同电器与用电单元的实际功率存在较大差异， 且启停时间与使用高峰多存在不同， 需要利用二项式的方式对绝大部分系统负荷进行等效计算， 具体的公式如下：

[x=C2nn-1bn-11+C2nn-1bn-12···+C2nn-1bn-1n]

式（3）

式（3）中， [x]表示各个系统的等效负荷； [Cn]表示负荷首项为[Cn]、 公比为[n-1]的等比数列； b1、 b2...bn分别表示各个系统的等效负荷。

需要分别计算不同用电项目的瞬时负荷， 同时给出高峰时段， 如果高峰时段出现重合部分， 则需要加权运算其最大瞬时负荷， 如果未出现重合部分， 则选择最大瞬时负荷进行计算。

从案例出发， 假设供水系统的功率等级为4kW， 公共区域空调系统的功率等级为6kW， 电梯和停车场电梯的功率等级未知， 可以使用一个普通电梯的功率等级作为参考， 系统的总功率等级为14kW。需要计算各个系统的日常负荷和瞬时功率需求。假设每天用电高峰期的功率需求为8kW， 非高峰期的功率需求为4kW， 瞬时功率需求为20kW。因此， 全部系统的日常负荷和瞬时负荷分别为16kW和20kW。接下来， 使用二项式法计算全部系统的等效负荷。将各个系统的等效负荷设为x， 则有： Eeq=2.67+x； 带入计算后全部系统的等效负荷最大值为68.67kW。

三、 建筑电气设计中存在的问题与优化措施

通过计算等效负荷发现， 现有建筑电气设计中存在问题， 具体表现及优化措施如下：

（一）用户负荷分配过低

用户负荷按照峰值为4.3kW的等效负荷进行分配， 在日常情况下能够满足用户需求， 但在冬季电采暖补充或夏季空调使用时， 可能会存在负荷不足的风险。尤其是近年来家用电器日益普及且种类繁多， 根据经验， 仅常态电器（冰箱、 热水器、 净水机等24h待机）的等效负荷便在0.4kw左右。为此， 入户的负荷应有所增加。

针对该问题， 在电气设计的优化方案中， 将用户等效负荷提高到6kW， 主要通过重新规划线路、 提高用线标准的方式予以实现。一方面， 除了一楼公共空间安装集中式空调外， 其他楼层均采用自然通风的方式， 照明及消防传感器弱电系统的负载需求相对较小； 另一方面， 楼道内的照明一般为夜间使用， 此时家庭内的电气负荷并非高峰时期， 在错峰的条件下形成等效负荷共享， 不会额外增加建筑负荷， 可实现节能的效果。

（二）总等效负荷有待优化

建筑电气负荷的总量是否能满足后续使用以及具备扩展功能， 是衡量电气设计水平的关键性要素之一。基于此， 在等效负荷计算的模式下， 对案例建筑的年用电高峰进行预测， 具体结果如图1所示。从图1中不难发现， 用电高峰出现在夏季和冬季的一定时期， 主要原因在于空调与采暖补充设备的使用。从用电特征来看， 夏季高峰用电负荷相对较低， 但持续时间较长， 冬季采暖的等效负载相对更高， 但持续时间较短， 这一情况与空调及采暖设备之间的负载差异有关。当前的电气设計方案很难满足冬季用电高峰， 且在夏季用电高峰中也会形成持续性压力。

针对这一情况， 需要对建筑进行负荷扩容， 但按照国家建筑节能的相关要求， 直接增加建筑的总等效负荷不符合绿色建筑与节能建筑的标准及要求。基于此， 本项目在进行总负荷优化的过程中， 采取负荷并接的方式， 原因主要有两个方面： 其一， 建筑在用电高峰时虽然超出了一定的总设计负荷， 但超出部分并不多， 利用并联的方式将建筑中的不同负荷功能进行独立设计， 可有效满足高峰时段的需求； 其二， 地下停车场日常用电负荷较低， 但具有较高的扩展需求， 尤其是在我国大力推进新能源汽车的普及过程中， 新建筑的电气设计应为充电桩的建设提供充足的负荷支持， 利用独立并联设计的方式对地下停车场的电气负荷进行设计， 有助于这一目标的达成； 其三， 分别设计地下空间与地上建筑之间的电气负荷， 有效保障建筑总体负荷的利用率， 并保障建筑的电气安全， 同时不增加建筑的总负荷量， 是一种有效的方式。

基于上述三方面的原因， 本项目在电气设计优化的过程中将地下空间的充电桩部分进行了并联设计， 与建筑自身的电气设计并行， 将空余的负荷作为等效负荷补充到建筑用电高峰时段， 从而形成有效的负荷保障。具体的设计方案如图2所示。

（三）等效负荷冗余过少

等效负荷仅能针对建筑的主要用电设备进行计算， 无法涵盖全部的负荷量。这一情况造成建筑在部分非等效负荷计算范围内的电器需要错峰使用， 或造成部分临时性电气设备无法使用， 使后续的扩展效果受到局限。在电气设计完成后， 线路总装的过程中应按照10%～20%的比例预留等效负荷冗余， 以实现扩容及未来扩展空间预留的效果。

在实际的优化过程中， 本工程采取两种方式进行扩容。其一是预留了部分临时电力接口， 分布在园区内部、 建筑公共空间外壁以及停车场内， 允许总等效负荷为3kW， 通过电气井内空气开关进行控制， 在公共区域清洁或其他需要时启用， 日常时段为关闭状态； 其二是按照不同的用电需求预留冗余空间， 总等效负荷为10kW。其中， 供水系统冗余2kW， 消防系统冗余5kW， 照明及空调系统冗余3kW， 用户用电需求通过户内扩容， 不再进行冗余预留。

四、 总结

本研究以具体的住宅案例为例， 探讨了等效负荷计算方式在电气设计中的应用与优化。首先， 对项目案例进行了基本介绍， 并概括了电气设计的若干环节与具体方案； 其次， 以等效负荷中的二项式法为基本工具， 在介绍具体的计算方法的基础上， 对电气方案的等效负荷进行计算； 最后， 从计算结果与实践经验的角度提出了当前电气设计中存在的问题， 并给出了优化方案。

参考文献：

[1]于嵌.建筑电气安全设计和节能设计要点[J].四川水泥，2023（05）： 163-165.

[2]张峰，丁津津，王江权，鲍海，王子恒.基于阻抗式电气距离的配电负荷中心计算方法[J].自动化技术与应用，2023（04）： 64-66+86.

[3]姚冬平.探析等效负荷计算在建筑电气设计中的应用[J].建材与装饰，2020（17）： 72+74.

[4]周玉娟，李凯.基于等效负荷矩法的城市综合体建筑配变电所选址优化研究与实践[J].现代建筑电气，2019（04）： 1-4.