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建筑电气节能方案研究与探讨

摘要：随着经济的快速发展，国家对能源的需求越来越大，能源浪费现象也越来越普遍。特别是国内近几十年来兴建了一大批规模庞大的大型公共建筑及住宅小区，其中的不少建筑，不论是在方案论证还是在实施阶段，都没有把节能放在应有的重要位置，长此以往，将会对社会造成较大程度的能源浪费。目前，一些发达国家已逐步建立起具有各自特色的节能建筑评估体系，如英国的 BREEAM(建筑研究院绿色建筑评估体系)，美国 LEED（领导型的能源与环境设计）评估体系等。近年来，中国不断加大节能方能的投入，同时也加快相关法律法规及政策的制定和完善。电气节能是建筑节能中一个不可或缺的重要环节，有必要对电气节能以及建筑节能综合评价指标体系进行更为深入的分析与研究。本文结合电气设计实际，重点从供配电系统的节能、电气设备节能以及智能化节能控制等方面对电气节能的方案进行了研究和探讨。
关键词： 电气节能供配电系统设备节能智能化节能控制
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供配电系统的节能
供配电系统是建筑物电能分配的枢纽，供配电系统的节能与否对整个建筑的节能起到至关重要的作用。在供配电系统的设计过程中，应综合考虑供电距离及分布、用电设备特点等因素，尽量做到系统简单可靠，操作方便。供配电系统的节能主要包括以下几方面：
1）配电线路的节能设计
由于配电线路有电阻，有电流通过时就会产生功率损耗，其公式为：ΔΡ＝3 式中：ΔΡ—三相输电线路的功率损耗（kＷ），Ｉ—线电流（Ａ）；Ｒ—线路相电阻（Ω）.
其中“Ｒ”线路电阻在通过电流不变时，线路长度越长则电阻值越大。在具体工程中，线路上电流一般是不变的，要减少线损，只能减少线路电阻。而线路的电阻Ｒ＝ρＬ/Ｓ，即与导线电阻率ρ、导线长度Ｌ成正比，与导线截面Ｓ成反比。要减少电阻值应从以下几个方面考虑：
（1）尽量选用电阻率ρ较小的导线，如铜芯导线较佳，铝线次之。
（2）尽可能减少导线长度，同时变配电所应尽可能地靠近负荷中心，以减少供电半径。
2）提高供配电系统的功率因数
提高功率因数可以减少线路无功功率的损耗，从而达到节能目的。一般来说，传输有功功率是为了满足建筑物功能所必须的，是基本不变的。而在供配电系统中的某些用电设备（如电动机、变压器、灯具的镇流器及很多家用电器等）都具有电感性，会产生滞后的无功电流，它要从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端，无形中又增加了线路的功率损耗。然而这部分损耗是可以避免的，具体方法有以下几种：
（1）减少用电设备无功损耗，提高用电设备的功率因数。在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备如同步电动机等，电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备（如配有电容补偿的荧光灯）等。
（2）用静电电容器进行无功补偿，电容器可产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流从而达到提高功率因数同时又减少整体无功电流。在具体工程设计中有采用分散就地补偿和高低压柜集中补偿等方式，可根据具体情况具体分析。
节能型电气设备的选择
1）节能型变压器
变压器主要通过减少自身的有功损耗来实现节能。变压器的有功损耗按下式计算：ΔΡ＝
式中：ΔΡ—变压器的有功损耗（kＷ），Ρｏ—变压器的空载损耗（kＷ）；Ρk—变压器的短路损耗（kＷ），β—变压器的负载率.
（1）Ρｏ作为变压器的空载损耗又称铁损，它是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关，在设计过程中应尽量选择节能型变压器。以10/0.4kV变压器Ｓ7，Ｓ９，Ｓ11为例，它们均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，减少铁芯涡流损耗，４５°全斜度接缝结构使接缝密合性好，减少了漏磁损耗。 S9型与S7相比，空载损耗平均降低10.25%，空载电流降低37.9%，运行费用平均下降18.9%，S11型与S9相比，空载损耗平均降低5%，空载电流降低42.2%，运行费用平均下降12.7%。因此选用空载损耗和空载电流较小的节能型变压器是减小变压器损耗的最有效方式之一。
（2）Ρk是变压器额定负载传输的损耗又称变压器线损，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，并与负荷率平方成正比。因此，在选择变压器时应选用阻值较小的绕组，如铜芯变压器。 用微分求它极值时，是在β＝５０％时每kW的负荷，此时变压器的能耗最小，但在β＝５０％负载率时仅减少变压器的线损，并未减少变压器的铁损，因此也不是最节能的。综合初装费，变压器、高低压柜、土建投资及运行费用，同时考虑适当的预留，变压器最经济节能运行的负载率一般在75％~８５％之间。
（3）在选择变压器容量和台数时，应根据负荷情况，综合考虑投资和年运行费用，对负荷合理分配，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区内。
2） 照明节能设计
照明节能设计指的是在保证不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下，力求减少照明系统中光能的损失，从而最大限度的利用光能，通常的照明节能措施包括以下几种：
（１）充分利用自然光，这是照明节能的重要途径之一。在设计中电气设计人员应与建筑专业密切配合，做到充分合理地利用自然光使之与室内人工照明有机地结合，从而节约人工照明电能。
（２）《建筑照明设计标准》GB50034-2004明确规定了各种场所的照度标准、视觉要求、照明功率密度等，在设计过程中应严格执行，不宜随便提高，要科学有效地控制单位面积灯具安装功率。在满足照明质量的前提下，一般场所应优先采用高效发光的荧光灯，高大厂房及体育馆场的室外照明等一般照明宜采用高压钠灯、金属卤化物灯等高效气体放电光源。
（３）推广使用节能型LED光源以及低能耗性能优的光源用电附件（电子镇流器、节能型电感镇流器等）。LED光源是继卤素灯之后的第四代新型照明光源，它是一种把电能转化为光能的半导体芯片，亮度更高，功率较传统光源更小，环保且寿命更长。
智能化节能控制
1）智能照明控制系统
智能照明控制系统是一个总线形式的标准局域网络，由系统单元，输入单元和输出单元三个部分组成。智能照明控制系统利用时钟管理器根据不同的工况和功能需求设置光照度。用最经济的能耗提供最舒适的照明，同时智能照明控制系统能成功的抑制电网的冲击电压波动及过电压，延长灯具的使用寿命，减小灯具的维护费用。
以图3为例，某办公室长8.4m，宽4.2m，若用传统控制，即用翘板开关控制开关，该办公室采用T8管三基色双管荧光灯，采用电子镇流器，该房间照明总功率共计0.48kW，如果平均每天工作9小时，每天照明耗电4.32KWh。
图1：灯具布置
若采用智能照明控制系统，可以有效节约电能，假设员工八点上班时全部时将灯全部打开；9点天亮了，系统关闭靠窗户的两盏灯；10点天更亮了，系统又关闭中间的两盏灯；到中午12点人员出门午饭休息，将全部灯关闭；14点返回开始上班，天较暗，只开远离外窗的两盏灯，15点再开所有的灯。所有的这些工作均由智能照明控制系统自动执行，无需人为操作。通过技术节能，照明耗电量减小为1.76KWh，节约电能2.56KWh，节电率近60%。对于大型商场、会所、展厅、会议中心等公共建筑，若采用智能照明控制系统，将能有效的减小照明系统的能耗，从而实现电气节能。
2）建筑设备监控系统（BAS）
建筑设备监控系统通过电脑控制程序对建筑物内通风空调、电力、给排水等系统设备进行监视和控制，统一调配所有设备用电负荷，从而实现用电负荷的最优控制，有效节省电能，减少不必要的浪费。以空调系统为例，建筑设备监控系统可根据设置在建筑内各处的传感器所检测的数据，计算出整个建筑实际的冷负荷，与机组的制冷能力进行比较，根据能力的需求控制若干台机组的开启与关闭，从而提高了机组的利用率，减低了能耗。
2、节约人力和运营成本
由于建筑设备监控系统采用电脑集中控制，在投入使用后可以大量减少运行操作人员和设备维护维修人员，节约了人力资源。 建筑物内设备的运行状态始终处于系统的监视之下，建筑设备监控系统可提供设备运行的完整记录，同时可以定期打印出维护、保养的通知单，这样可以保证维护人员按时进行设备保养，从而延长设备的运行寿命，降低了建筑的运行费用，从而达到节能的目的。
结束语 当今社会，节能已经成为一种发展趋势。电力系统作为建筑物的能源供应和分配中心，应该采用环保、节能的方案，为建筑物的节能作出应有的贡献，为社会的可持续的发展贡献力量。电气节能设计是一项系统的工程，我们在整个建筑电气的设计过程中应精心考虑，统筹规划，在满足功能需求的前提下，将节能的思路贯通始终，采取行之有效而又切实可行的节能措施，从而在源头上实现节能的目的。
参考文献：
[1] 李炳华《建筑电气节能技术及技术指南》，中国建筑工业出版社，2011年
[2] 中国航空工业规划设计研究院主编《工业与民用配电设计手册》（第三版），中国电力出版社，2005
[3] 江亿主编，薛志峰等著《超低能耗建筑技术及应用》，中国建筑工业出版社， 2005
[4] 邱罡,张兰英著《中国LED通用照明产业的现状及展望研究报告---中国三星经济研究院》，2012
[5] 徐春霞主编《建筑节能和环保应用技术》，中国电力出版社， 2006[6] 公共建筑节能设计标准(GB50189-2005 ）
[7] 民用建筑电气设计规范(JGJ16-2008）
作者简介
葛鹏（1985-），男，工程师，硕士学位，主要从事铁路电气设计工作

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