試論建筑電氣設(shè)計中的節(jié)能方式

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　摘要：文章闡述了建筑電氣設(shè)計中的節(jié)能原則、節(jié)能方法，從變壓器容量選擇、功率因數(shù)補償、照明調(diào)光設(shè)備、電動機起動設(shè)備選擇等方面，論述電氣設(shè)計中的幾種節(jié)能方法。

　　關(guān)鍵詞：電氣節(jié)能　變壓器損耗　功率因數(shù)　照明節(jié)能　變頻調(diào)速　軟起動器

　　由于人口的增加，工業(yè)的發(fā)展，生活水平的提高，能源的消耗也就急劇增加，能源危機迫在眉睫。因此，各行各業(yè)提出了節(jié)能的要求，節(jié)約二次能源——電能，也就成為民用建筑電氣設(shè)計的焦點。建筑電氣設(shè)計節(jié)能的原則建筑電氣節(jié)能應(yīng)堅持以下三個原則：

　　1.滿足建筑物的功能

　　即滿足照明的照度、色溫、顯色指數(shù)；滿足舒適性空調(diào)的溫度及新風(fēng)量，也就是舒適衛(wèi)生；滿足上下、左右的運輸通道暢通無阻；滿足特殊工藝要求，如娛樂場所的一些電氣設(shè)施的用電，展廳的工藝照明及電力用電等。

　　2.考慮實際經(jīng)濟效益

　　節(jié)能應(yīng)按國情考慮實際經(jīng)濟效益，不能因為節(jié)能而過高地消耗投資，增加運行費用。而是應(yīng)該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時間內(nèi)用節(jié)能減少下來的運行費用進行回收。

　　3.節(jié)省無謂消耗的能量

　　節(jié)能的著眼點，應(yīng)是節(jié)省無謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是與發(fā)揮建筑物功能無關(guān)的，再考慮采取什么措施節(jié)能。如變壓器的功率損耗，傳輸電能線路上的有功損耗都是無用的能量損耗，又如量大面廣的照明容量，宜采用先進技術(shù)使其能耗降低。

　　因此，節(jié)能措施也應(yīng)貫徹實用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的原則。

　　建筑電氣節(jié)能的途徑

　　1.減少變壓器的有功功率損耗

　　變壓器的有功功率損耗如下式表示：△Pb＝Po＋Pkβ2其中：

　　△Pb——變壓器有功損耗（KW）；

　　Po——變壓器的空載損耗（KW）；

　　Pk——變壓器的有載損耗（KW）；

　　β——變壓器的負(fù)載率。

　　Po部分為空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，是固定不變的部分，大小隨矽鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定。所以，變壓器應(yīng)選用節(jié)能型的，如S9、SL9及SC8等型油浸變壓器或干式變壓器，它們都是采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向矽鋼片，由于"取向"處理，使矽鋼片的磁疇方向接近一致，以減少鐵芯的渦流損耗；45°全斜接縫結(jié)構(gòu)，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。

　　Pk是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，決定于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小，即負(fù)載率β的平方成正比。因此，應(yīng)選用阻值較小的繞組，可采用銅芯變壓器。從Pkβ2用微分求它的極值，在β＝50％處每千瓦的負(fù)載，變壓器的能耗最小。因此，在80年代中期設(shè)計的民用建筑，變壓器的負(fù)載率絕大部分在50％左右，在實際使用中有一半變壓器沒有投入運行，這種做法有的設(shè)計人員一直沿襲至今。但是，這僅是為了節(jié)能，而沒有考慮經(jīng)濟價值。舉下例可看出其不可取的程度。

　　SC3－2000KVA的變壓器，當(dāng)β＝50％時相對于β＝85％時可節(jié)能為P＝16.01×（0.852－0.52）＝7.56KW，按商場最高用電小時計：每天12小時，365天全營業(yè)，則總節(jié)約電能：W＝7.56×12×365＝33113KW.h.按營業(yè)性電價每度0.78元計，則每年節(jié)約：33113×0.78＝25828元。

　　按每千瓦的初裝費投資：2000KVA變壓器應(yīng)是大型民用建筑，必然雙電源進線，則初裝費每KVA為2240元，每年節(jié)能省下的電費只能提供（25828／2240＝11.53）11.53KVA的初裝費。還有988.5KVA的初裝費，加上由于加大變壓器容量而多付的變壓器價格，由于變壓器增加而使出線開關(guān)柜、母聯(lián)柜增加引起的設(shè)備購置費，安裝上述設(shè)備使土建面積增加而引起的土建費用，這是筆相當(dāng)可觀的投資，還沒有計及折舊維護等費用。由此可見，取變壓器負(fù)載率為50％是得不償失的。

　　事實上50％負(fù)載率僅減少了變壓器的線損，并沒有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節(jié)能的措施。計及初裝費、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項運行費用，又要使變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜萘?，變壓器的?fù)載率應(yīng)在75％～85％為宜。這樣也可以做到物盡其用，因為變壓器絕緣的使用年限滿負(fù)荷計為20年，20年后可能有更好的變壓器問世，這樣就可以有機會更換新的設(shè)備，才能使該建筑總趨技術(shù)領(lǐng)先地位。

　　為減小變壓器損耗，當(dāng)容量大而需要選用多臺變壓器時，在合理分配負(fù)荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺數(shù)，選用大容量的變壓器。例如需要裝機容量為2000KVA，可選2臺1000KVA，不選4臺500KVA.因為選用前者可節(jié)能：△P＝4×（1.6＋4.44）－2×（2.45＋7.45）＝4.36KW（全按β＝100％計，同等條件，SC3變壓器）。

　　在變壓器選擇中，能掌握好上述三點原則，即滿足了節(jié)約能源，又經(jīng)濟合理的原則。

　　減少線路上的能量損耗

　　由于線路上存在電阻，有電流流過時，就會產(chǎn)生有功功率損耗。其公式如下：△P＝3IΦ2R×10－3（KW）

　　式中：IΦ——相電流（A）

　　R——線路電阻（Ω）

　　例如，在L＝100m的VV－3×50＋2×25的電纜上傳輸60KW，cosφ＝0.8的電能，其有功損耗量，可由以下步驟求得：IΦ＝60×103／（×380×0.8）＝113.6A

　　芯線溫度70℃的50mm2銅芯線每公里電阻R0＝0.44，則R＝0.1×0.44＝0.044（Ω）

　　△P＝3×113.62×0.044×10－3＝1.704KW

　　從以上可看到，線路上的功率損耗相當(dāng)于每6m的線路上安一個100W的燈泡。

　　在一個工程中，線路左右上下縱橫交錯，小工程線路全長不下萬米，大工程更是不計其數(shù)，所以線路上的總有功損耗是相當(dāng)可觀的，減少線路上的能耗必須引起設(shè)計重視。

　　線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R＝P×L／s，即線路電阻與電導(dǎo)P成正比，與線路截面S成反比，與線路長度L成正比，因此減少線路的損耗應(yīng)從以下幾方面入手。

　　應(yīng)選用電導(dǎo)率較小的材質(zhì)做導(dǎo)線。銅芯最佳，但又要貫徹節(jié)約用銅的原則。因此，在負(fù)荷較大的二類、一類建筑中采用銅導(dǎo)線，在三類或負(fù)荷量較小的建筑中采用鋁芯導(dǎo)線。

　　減小導(dǎo)線長度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導(dǎo)線長度；其次，低壓線路應(yīng)不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失；第三，變壓器盡量接近負(fù)荷中心，以減少供電距離，當(dāng)建筑物每層平面在10000m2左右時，至少要設(shè)兩個變配電所，以減少干線的長度；第四，在高層建筑中，低壓配電室應(yīng)靠近豎井，而且由低壓配電室提供給每個豎井的干線，不至于產(chǎn)生支線沿著干線倒送的現(xiàn)象。亦即低壓配電室與豎井位置的布局上應(yīng)使線路都分向前送，盡可能減少回頭輸送電能的支線。

　　增大導(dǎo)線截面。首先，對于比較長的線路，除滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導(dǎo)線截面，所增加的費用為M，由于節(jié)約能耗而減少的年運行費用為m，則M／m為回收年限，若回收年限為幾個月或一、二年，則應(yīng)加大一級導(dǎo)線截面。一般而言，導(dǎo)線截面小于70mm2，線路長度超過100m的增加一級導(dǎo)線截面比較容易實現(xiàn)上述條件。其次，利用某些季節(jié)性負(fù)荷的線路，這些用戶不用時，可提供給常期用戶作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調(diào)風(fēng)機、風(fēng)機盤管與照明、電開水等計費相同的負(fù)荷，集中在一起，采用同一干線供電，既可便于用一個火警命令切除非消防用電，又可在春秋兩季空調(diào)不用時，使同樣大的干線截面?zhèn)鬏斴^小的電流，從而減小了線路損耗，這就相當(dāng)于充分利用了季節(jié)負(fù)荷的線路。

　　在設(shè)計中，認(rèn)真落實上述三條措施，就可減少線路上的能量損耗，達到了線路節(jié)能的目的。

　　提高系統(tǒng)的功率因數(shù)

　　提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無功在線路上傳輸，以達到節(jié)能的目的。

　　線路損耗的公式展開后得下列計算式：

　　△P＝3IΦ2R×10－3＝（RP2／UL2＋RQ2／UL2）10－3（KW）

　　式中：UL——線電壓（V）

　　P——有功功率（KW）

　　Q——無功功率（KVar）

　　前項RP2／UL2為線路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項RQ2／UL2為線路上傳輸無功功率而引起的功率損耗。有功功率是滿足建筑物功能所必須的，因此是不可變的。系統(tǒng)中的用電設(shè)備，如電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會產(chǎn)生滯后的無功，需要從系統(tǒng)中引入超前的無功相抵消，這樣超前的無功功率就從系統(tǒng)經(jīng)高、低壓線路傳輸?shù)接秒娫O(shè)備，在線路上就產(chǎn)生了有功損耗，而這部分損耗是可以想辦法改變的，其措施有以下幾種。

　　提高設(shè)備的自然功率因數(shù)，以減少對超前無功的需求，可采用功率因數(shù)較高的同步電動機；熒光燈可采用高次諧波系數(shù)低于15％的電子鎮(zhèn)流器；采用電感鎮(zhèn)流器的氣體放電燈，單燈安裝電容器等，都可使自然功率因數(shù)提高到0.85～0.95，這就可減少系統(tǒng)高、低壓線路傳輸?shù)某盁o功功率。

　　由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無功，可采用電容器補償，因為電容器產(chǎn)生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q＝QL－QC，因此無功補償，可以提高功率因數(shù)，因而也減小了無功的需求量。

　　無功補償裝置應(yīng)就地安裝，實行就地補償，這樣才能使線路上的無功傳輸減少，達到節(jié)能的目的。

　　目前，民用建筑設(shè)計中，絕大部分采用變壓器低壓側(cè)集中補償，這種做法僅減少了區(qū)域變電站至用戶處的高壓線路上的無功傳輸，提高了用戶處的功率因數(shù)，可以不受或少受電業(yè)局的罰款。而對用戶，無功仍由變壓器低壓母線經(jīng)傳輸線路輸送到各用戶點，低壓線路上的無功傳輸并沒有減少，那么無功補償也就達不到節(jié)能的目的。

　　在日本，東京電力公司的法規(guī)規(guī)定?容量達0.75KW的電動機端，都要安裝30μF的靜電電容器，以減少由于線路上傳輸無功而引起的有功損耗。在我國即將頒布的《工業(yè)與民用供電設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定?"容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)又長期使用的用電設(shè)備的無功負(fù)荷宜單獨就地補償，……".

　　陜西省"三電辦"在1989年就規(guī)定"10KV及以上的異步電動機，負(fù)荷較穩(wěn)定的應(yīng)采用就地補償，……".我國目前生產(chǎn)的自愈式靜電電容器的最小容量為3KVar，可以使7.5KW及以上的電動機無功獲得就地補償。

　　為什么常提到負(fù)荷平穩(wěn)的電動機可采用就地補償，因為負(fù)荷變動時電機端電壓也變化，使電容器沒有放完電又充電，這時電容器會產(chǎn)生無功浪涌電流，使電機易產(chǎn)生過電壓而損壞。因此，斷續(xù)負(fù)載，如電梯、自動扶梯、自動步行道等不應(yīng)在電動機端加裝補償電容器；另外，如星三角起動的異步電動機也不能在電動機端加裝補償電容器，因為它起動過程中有開路閉路瞬時轉(zhuǎn)換，使電容器在放電瞬間又充電，也會使電機過電壓而損壞。

　　在民用建筑中應(yīng)改變電容器集中安裝的做法，對容量超過10KW的風(fēng)機、水泵、傳送帶等電動機端設(shè)置就地補償裝置，空調(diào)主機及冷凍泵等常在其附近設(shè)專用變配電所，可以集中補償，但若供電距離超過20m時也最好采用就地補償。

　　電動機就地補償裝置的接線有二種方式，一是并接在熱元件的一次線后，熱元件的整定電流應(yīng)按補償后的電機工作電流計，這種接線適合新安裝的電機；另一種是裝補償電容器在接觸器主接點之后，熱元件一次線圈之前，熱元件的整定電流就不計補償?shù)挠绊?，這適合于進行改造的電機接線，這樣做可使電容器與電動機一起投切。

　　處理好上述三部分，即減少自然無功、無功補償及補償裝置的安裝地點，就可以實現(xiàn)合理的選擇無功補償方式而達到節(jié)能的目的。

　　照明部分的節(jié)能

　　因為照明用量大而面廣，因此，照明節(jié)能的潛力很大，應(yīng)從下列幾方面著手：

　　采用高效光源。白熾燈過去用得最廣泛，因為它便宜，安裝維護簡單，它致命的弱點是發(fā)光率太低，因此目前常被各種發(fā)光率高，光色好，顯色性能優(yōu)異的新光源取代。表1列出了各種光源每W的光通量?Lm?。從表中可以看出低壓鈉燈和高壓鈉燈的發(fā)光率最高，但由于色溫低，光色偏暖，顯色指數(shù)在40～60之間，顏色失真度大，只能在路燈或廣場照明用，其中顯色指數(shù)在60的高顯色性鈉燈可與汞燈組成混合燈，用于工廠及體育館照明，這也是量大面廣的照明部分；發(fā)光率很高的金屬鹵化物燈，三基色熒光燈及稀土金屬熒光燈，由于色溫范圍廣，自3200K～4000K，光色選擇性好，顯色指數(shù)又高，可達80～95，顏色失真度小，尤其金屬鹵化物燈對人的皮膚顯色性特別好，因此除用作商場、展廳的照明外，還廣泛用在車站的候車室、碼頭的候船室、航空港的候機樓以及舞臺的燈光照明等；一般熒光燈及稀土金屬熒光燈可用在寫字樓、住宅的照明；熒光高壓汞燈、自整流高壓汞燈、鈉燈及三者組合的混光燈常用于生產(chǎn)廠房的照明。盡量不用或少用白熾燈，只有在局部藝術(shù)照明或防止高頻光譜照射的古董字畫照明中才使用，雖然它光色好，顯色指數(shù)最高，但達不到節(jié)能的目的。

　　建筑物盡量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面積，應(yīng)將門窗開大，采用透光率較好的玻璃門窗，以達到充分利用自然光的目的。凡是可以利用自然光的這部分的照明，可采用按照度標(biāo)準(zhǔn)檢測現(xiàn)場照度，進行燈光自動調(diào)節(jié)。

　　對氣體放電燈，采用燈光無級自動調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)燈絲從而達到調(diào)光的目的。但其代價太高，每套36W的燈管需要增加2000元～3000元的投資，而節(jié)省下來的電能，其電價是有限的，因為這僅在白天日照強時（一般在上午10時到下午3～4點鐘　這段時間內(nèi)）可減少一點人工照明，每支燈充其量節(jié)能25％，每天按12小時計，每年按365天計，則節(jié)省運行費用：

　　m＝36×0.25×12×365×0.78×10－3＝30.7元

　　所以增加控制的投資需要2000～3000／30.7＝65～97年才能回收，這是沒有實用意義的。在工作照明中采用這種調(diào)光方案是不可取的。它只適宜用于特殊條件下，如氣象臺、導(dǎo)航站等小面積控制室，要求室內(nèi)的照度與室外自然光自然協(xié)調(diào)的環(huán)境，才可采用這種調(diào)光設(shè)備。另外，這種調(diào)光設(shè)備用于稀土金屬熒光燈，其頻閃效應(yīng)使人眼不易接受。對于可以充分利用自然光而且需要調(diào)光的場合，可采用分組分片自動開停的控制方案，雖然會有突變過程，但不會影響視力，也不會影響人的情緒，是可取的方式。

　　對長期需要開停，但又要按人流的多少自動調(diào)整照度的場合，在增加投資不多的情況下，對熒光燈可利用調(diào)壓的方式，固定幾級調(diào)節(jié)，如北京地鐵采用澳大利亞的調(diào)光設(shè)備就是如此。

　　熒光燈采用調(diào)電壓調(diào)光，其節(jié)能效果并不顯著。因為，氣體放電燈的發(fā)光是靠離子在高電壓下產(chǎn)生碰撞，達到一定能級而使熒光粉發(fā)光，因此光通量并不與電壓成正比，電壓下降10％，光通量差不多下降30％～40％，電壓下降30％，燈會全熄。因此，氣體放電燈采用調(diào)壓方式調(diào)光，在實際工程中也很少采用。

　　照明節(jié)能中，除了滿足照度、光色、顯色指數(shù)外，應(yīng)采用高效光源及高效燈具，對能利用自然光部分的燈具或可變照度的照明采用成組分片的自動控制開停方式，可達到照明節(jié)能的效果。

　　電動機在運行過程中的節(jié)能

　　在建筑電氣中的電動機都是與暖通、水道、建筑等工種的設(shè)備配套的，由設(shè)備制造廠商統(tǒng)一供應(yīng)的。因此，其節(jié)能措施只能貫徹在運行過程中，除了上述的用就地補償電容器以減少線路由于輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應(yīng)減少電機輕載和空載運行。因為，在這種情況下，電機的效率是很低的，消耗的電能并不與負(fù)載的下降成正比。采用變頻調(diào)速器，使其在負(fù)載下降時，采用變頻的方式，自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其與負(fù)載的變化相適應(yīng)。采用這種方式，可提高電機在輕載時的效率，達到節(jié)能的目的。但是，這種設(shè)備的價格仍偏高，因此在應(yīng)用中受到一定的限制。另一種節(jié)能方式是采用軟起動器，軟起動器設(shè)備是按起動時間逐步調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，以控制電壓的變化。由于電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此起動平穩(wěn)，起動完畢，則全壓投入運行。此設(shè)備也可采用測速反饋、電壓負(fù)反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導(dǎo)通角，以達到速度隨負(fù)載的變化而變化。它可用在電動機容量較大，又需要頻繁起動的設(shè)備，以及附近用電設(shè)備對電壓的穩(wěn)定要求較高的場合。因為它從起動到運行，其電流變化不超過三倍，可保證電網(wǎng)電壓的波動在所要求的范圍內(nèi)。但它是采用可控硅調(diào)壓，正弦波未導(dǎo)通部分的電能全部消耗在可控硅上，不會返回電網(wǎng)。因此，它要求散熱、通風(fēng)措施完善。其價格比變頻器便宜，在水泵系統(tǒng)中的大容量電動機的控制設(shè)備中可以應(yīng)用。

　　民用建筑的節(jié)能潛力很大，應(yīng)在設(shè)計中精心考慮。但是在選用節(jié)能的新設(shè)備上，應(yīng)具體了解其原理、性能、效果，從技術(shù)、經(jīng)濟上進行比較后，再選定節(jié)能設(shè)備，以達到真正節(jié)能的目的。