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2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings需要系数法应用探讨张 力(北京市建筑设计研究院有限公司,北京 100045)摘要 从需要系数法的定义出发,分析影响需要系数的主要因素,列举使用需要系数法的常见错误,提出正确使用需要系数法的具体方法,并给出具体计算示例。强调应区分不同类型民用建筑,并提出相应的负荷系数、需要系数和同时系数,对比国外负荷计算方法,探讨改进和完善需要系数法的思路。关键词 需要系数法;需要系数;同时系数;负荷系数;安全系数;各种类型建筑;大数据中图分类号:TU852文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0085-05Discussion on Application of Demand Coefficient MethodZhang Li(Beijing Institute of Architectural Design Co.,Ltd,Beijing 100045,China)Abstract:Starting from the definition of the demand coefficient method,this paper analyzes the mainfactors affecting the demand coefficient,enumerates the common mistakes in using the demand coefficientmethod,puts forward the specific methods for correctly using the demand coefficient method,and givesspecific calculation examples.It is emphasized that different types of civil buildings should bedistinguished,the corresponding load coefficient,demand coefficient and simultaneous coefficient shouldbe put forward,the load calculation methods abroad should be compared,and the idea of improving andperfecting the demand coefficient method should be discussed.Keywords:demand coefficient method;demand coefficient;simultaneous coefficient;load factor;safetyfactor;various types of buildings;big data作者简介:张力,教育建筑与产业发展研究院设计总监,教授级高级工程师,Email:2766267356 。0引言 需要系数法来源于前苏联确定工业企业电气负荷暂行导则(王厚余,何耀辉译,中国工业出版社,1965),是最主要的电力负荷计算方法,广泛应用于工业与民用配电设计中。但民用建筑配电设计中利用需要系数法进行变配电所负荷计算时,往往出现理论计算值大于实际使用值,造成变压器容量过大、空载率高的情况出现。据统计,很多民用建筑的变压器负荷率在用电高峰时低于 30%,在非用电高峰时低于 10%。探讨需要系数法的原理及正确的使用方法,改进和完善需要系数法,提高计算的准确性,可以有效提高变压器的运行负载率;减少开关电缆的用量;对于节能减排、实现绿色低碳的建筑设计有重要意义。1需要系数法概述1.1 需要系数法定义“需要系数法源于负荷曲线分析。设备功率乘以需要系数得出需要功率;多组负荷相加时,再逐级乘以同时系数。”这种求计算负荷的方法就是需要系数法。其计算公式(仅列出有功功率)为:用电设备组的计算有功功率Pc=KKdPe(1)配电干线或车间变电站的计算有功功率Pc=K(KdPe)(2)公式中,Pc为计算有功功率,kW;Pe为用电设备组的设备功率,kW;Kd为需要系数;K为有功功率同时系数。设备容量(Pe)是统一规定的工作制(半小时)下的额定功率。计算负荷(Pc)是按发热条件选定电气设备的一个假定负荷,配电设计中通常采用半小时的最大平均负荷作为计算负荷。58DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.022智能建筑电气技术2022 年1.2 需要系数 需要系数 Kd就是设备组有功计算功率 Pc与全组设备功率 Pe之比。需要系数法来源于工厂供配电设计,影响工厂用电设备组的需要系数的因素包括同时系数、负荷系数、用电设备组的平均效率、线路效率、工人的工作系数等。需要系数的计算公式如下所示:Kd=KKL/eWL(3)式中,Kd为同类用电设备组(或工艺性质相同、需要系数相近的用电设备组)的需要系数;K为设备组的同时系数;KL为设备组的负荷系数;e为设备组的平均效率;WL为配电线路的平均效率。由于生产工艺或工作性质不同,相同的设备组在不同行业下的需要系数不同。各行业配电设计手册对各类设备组的需要系数都有详细规定。“需要系数来源于负荷调查和实测,常用手册所列计算指标和系数通常偏大”。同样的,民用建筑用电设备的需要系数对于不同类型的建筑也各不相同,影响民用建筑用电设备组需要系数 Kd的主要因素是同时系数 K、负荷系数 KL,需要系数是上述几个系数的综合作用的结果。1.3 负荷系数 电动机的额定功率是电动机满载运行时在电动机转轴上的有效机械功率,各用电设备在工作时,并不都在满负荷情况下工作,所以在负荷计算时要考虑负荷系数 KL,以反映在最大负荷时,用电设备实际所需的有功功率与其设备功率之比。负荷系数是需要系数的重要组成部分,它不仅与系统的运行工况和实际负荷有关,还与设备选型的安全系数有关。1.4 同时系数 由于各用电设备因工作情况不同,可能不同时工作,所以在负荷计算时要考虑同时系数 K,以反映在最大负荷时,工作的用电设备的设备容量与全部用电设备总设备容量的比值。同时系数存在于配电系统的各个层级,分为设备组内的同时系数、配电干线的同时系数、变电室的同时系数等。民用建筑用电负荷如空调、热力、给排水设备、电梯、照明、厨房动力、工艺设备用电都是受季节、工作性质、工作时间影响而间断工作的,不同类型建筑用电设备的同时系数有很大差别,是影响需要系数最主要的因素。即便相同设备在不同建筑或场所的需要系数也不同,例如不同场所的换气次数不同,通风机的需要系数不同。2需要系数法使用方法探讨2.1 使用需要系数法的常见错误 (1)确定设备组需要系数时应考虑设备选型安全系数的影响。电机并不是都在额定转速、额定频率下运行。电机输出功率是随着负载变化而变化的,由于设备功率是按最大计算值选取的,并且考虑了风机水泵等设备的设备效率,一般情况下设备实际负载小于设备的额定风量/水量。选用风机时还要附加 1.131.5 倍的安全系数,选用水泵时的安全系数是1.051.7 倍,安全系数与电机的容量成反比。在选设备时由于设备规格有限,往往就大不就小,甚至还会放大设备功率。忽略其他因素,设备组负荷系数可以按安全系数的倒数取值,水泵的负荷系数为0.590.95,风机的负荷系数为 0.670.89,中值为0.75 左右,可以按 0.8 选取,国外设计手册规定电机的负荷系数平均为 0.75。(2)各配电层次的同时系数未能分级计入,需要系数、同时系数选取不当。采用需要系数法时须注意同时系数应分级计入,以通常民用建筑的三级配电为例,楼层配电盘同时系数 K1取 0.8,单体楼配电柜同时系数 K2取 0.9,变电室低压侧同时系数 K3取 0.9,末端负荷在单体楼电源进线处的需要系数是 Kd=K1K2=0.80.9=0.72,末端负荷在变压器低压侧的需要系数是 Kd=K1 K2 K3=0.80.9 0.9=0.65。国标图集中规定照明负荷在建筑面积为3 00015 000m2时的需要系数为 0.750.55,同时系数 K1,K2取值可以据此根据不同类型建筑相应调整。值得注意的是,一些设计图纸在单体楼电源进线处的需要系数一律按 0.8 取值,取值偏高,不符合相关规定。(3)变压器的负载率体现的是建筑物在日常平均负荷情况下的负载率;采用需要系数法得到的计算功率是半小时最大功率;建筑物用电一年中很少时间能达到最大负荷,平时大多数时间的负荷远低于最大负荷。不少设计在变压器低压侧负荷计算时对各负荷只统一考虑同时系数,未能根据各类型68第 16 卷 第 6 期张 力.需要系数法应用探讨建筑特点剔除不同时使用的负荷,未能统筹考虑各建筑单体或功能区的运行特点、分区域单独选取同时系数,是造成变压器容量过大的原因之一。例如,空调和热力负荷同时计入负荷统计,不同时使用的建筑同时计入负荷统计,按此方法选择的变压器在一年的绝大多时间里变压器负荷率仅为 30%左右,这种情况在实际工程中并不罕见。2.2 需要系数法应用要点 (1)需要系数法不适用于低压末端线路,仅用于高压配电系统、低压母线和低压配电线路。末端配电回路开关、电缆选型时不可采用需要系数法。(2)应用需要系数法要注意设备分组,设备组要选用同类型设备,其工艺性质相同,负荷系数相近。(3)在应用需要系数法计算动力设备负荷时,应计入设备负荷系数的影响;应根据配电系统分级,分级计入同时系数的影响。(4)应注意滤除消防负荷、备用负荷、季节性负荷、特定行业中工艺流程内不同时运行的设备、建筑中不同时使用区域的设备。例如,热力站设备中检修备用设备在负荷计算时应剔除,夏季使用的空调制冷设备和冬季使用的热力站设备、融雪设备应选二者中容量大的季节性设备计入计算负荷,剔除不同时使用的容量小的设备。住宿学校负荷计算时,应根据学校作息时间表对比上课、就餐、下课等时段教学楼、食堂、宿舍楼、锅炉房类各类负荷的运行状况,剔除不同时使用的设备。(5)不同类型建筑应根据建筑运行特点合理选用同时系数,准确选择变压器容量。例如商业综合体负荷计算时,应根据季节、一天中的时段对比酒店、办公、不同商业业态、餐饮、公寓、住宅、充电站的特点,合理选取各功能区负荷的同时系数。体育综合体负荷计算时,应根据比赛、训练、娱乐等场馆运行模式,结合运营方要求合理选取各功能区负荷的同时系数。观演建筑应根据演出类型、运营方要求,与专业公司商榷灯光、音响、舞台设备的需要系数。会展建筑应根据建筑可承接会展的规模、类型及策展方要求等确定各功能区负荷的同时系数。(6)由于变压器的负载率体现的是建筑物在日常平均负荷情况下的负载率,采用需要系数法计算的变压器负载率是半小时最大功率时的负载率,以此计算的变压器负载率偏大。因此采用需要系数法选变压器时,应按规范规定的变压器长期工作负载率不宜大于 85%,且变压器负载率不宜在 70%以下。2.3 需要系数的改进和完善 对于民用负荷如照明、插座的需要系数,国内做法是根据国标图集规定需要系数按建筑面积取值。国外标准有所不同,是按负荷类别定义、按建筑类型定义。例如澳大利亚新西兰电气安装标准AS NZS3000-2000 标准规定(图 1),每一类负荷在住宅、酒店、医院等建筑内采用一种算法,在工厂、商业、办公、学校、教堂等建筑采用另一种算法。图 1 AS NZS3000-2000 标准相关规定按建筑面积定义需要系数的准确率,不如根据负荷类型和建筑类型定义需要系数的准确率高。工业与民用配电设计手册建筑电气常用数据等设计常用工具书中所列民用建筑设备需要系数数据不全,缺乏不同类型建筑的数据,且数据过时,无法反映当今各种类型民用建筑用电设备的特点。工业企业由于工艺流程清晰、生产组织严密,数据统计方便,工业企业的设备需要系数比较准确、详实。民用建筑除了民用住宅小区、旅游酒店建筑有较为详实的数据外,其他类型建筑并未有78智能建筑电气技术2022 年可靠、准确的数据。对于民用建筑风机、水泵、空调、电梯等用电设备的需要系数大多沿用工业企业的数据,未能体现教育、医疗、体育、餐饮、商业、交通、办公、科研、数据中心等不同类型建筑的特点,数据准确度不高。缺少多联机、地源、水源热泵等形式空调系统的需要系数,缺少 LED 显示屏、IT 设备、开水器、热风幕、电梯等耗电量大的设备的负荷系数。需要系数是同时系数 K、负荷系数 KL、系统安全系数等共同作用的结果,又是由各种类型建筑的特点及运营模式决定的。民用建筑内设备需要系数没有绝对的定值,它是在一定范围内变化的。同时需要系数也会随技术的进步、建筑运营方式的变化而不断变化,理论计算结果与实际运行数据永远存在差距。只有利用大数据,收集、统计不同类型建筑用电负荷的需要系数与同时系数,根据建筑类型、运营模式、设备运行特点、设备选型建立数据库,并采用云计算模拟实际运行,才能不断积累数据、不断改进方法和参数、使数学模型不断趋近真实状态。3民用建筑需要系数法计算示例 例 1:某工程燃气锅炉房为学生宿舍提供采暖及生活热水,锅炉房主要设备为 5 台热水锅炉,一次侧采暖热水循环泵一组,一次侧生活热水循环泵一组,补水泵一组,送排风机两组(每间机房一组),污水泵两组(每间机房一组),另有照明、插座及燃气表间事故风机。从工艺流程上看,正常情况下污水泵、燃气表间事故风机不运行,其他设备均运行。运行设备的负荷系数取 0.8;根据设备工艺性质按锅炉、泵、风机分为三组设备组,备用设备不计入;5台锅炉的同时系数取 0.8;由于采暖、生活热水及补水、送排风均为独立的工艺,可能同时运行,因此水泵设备组的同时系数为 1。锅炉房负荷计算结果如表 1 所示。例 1 锅炉房负荷计算表 1设备名称设备台数设备功率Pe/kW负荷系数KL同时系数K(锅炉房)计算有功功率 Pc/kW热水锅炉515.50.80.849.6一次侧采暖热水循环泵(主用)2110.8117.6一次侧采暖热水循环泵(备用)111010一次侧生活热水循环泵(主用)3110.8126.4一次侧生活热水循环泵(备用)111010补水泵(主用)12.20.811.76补水泵(备用)12.2010送风机27.50.8112排风机118.50.8114.8送风机1110.818.8排风机1110.818.8污水泵(主用)22.2010污水泵(备用)22.2010照明、插座12112燃气表间事故风机12.2010合计223141.76 例 2:某工程地块内建筑面积为 9 000m2,1#楼为办公楼,2#楼为宿舍楼,另有食堂及热力机房。应用需要系数法时需注意,自变电室至办公楼采用三级配电,需按变电室变压器低压侧、单体楼配电柜、办公楼层箱三级计入同时系数;控制室、空调、热力机房、动力设备等采用两级配电,按变电室变压器低压侧、动力配电柜两级计入同时系数。第二、三级配电需要系数选择依据如下,厨房动力设备根据容量按国标图集查大于 100kW 的需要系数为 0.30.4,需要系数取值 0.4;宿舍楼根据户数 46 户查国标图集选取需要系数为 0.450.5,取值 0.5;办公楼根据建筑面积及单位工作性质参考国标图集选取需要系数;动力设备考虑负荷系数、同时系数,并参考国标图集、配电手册选取需要系数。第一级配电需要系数选择需要剔除不同时使用的负荷,如夏季及过渡季使用的空调设备和冬季使用的热力机房设备不同时使用,剔除两者设备容量较小的热力机房设备;办公楼和宿舍楼的用电高峰时间不同且88第 16 卷 第 6 期张 力.需要系数法应用探讨几乎相反,办公时间用电负荷大于下班时间用电负荷,办公时间办公楼、厨房设备计入负荷计算,宿舍楼仅考虑少量用电,需要系数相应减小。计算表如图 2 所示。图 2 例 2 工程计算表此工程变压器设计容量为500kVA,变压器负荷率为 76%,变压器功率密度为 56VA/m2。满足民用建筑电气设计标准GB 513482019 所规定的,变压器容量节能评价指标对于办公建筑的目标值要求。4结束语 需要系数法是最主要的电力负荷计算方法,正确使用需要系数法才能提高计算的准确性。在设计中特别要注意根据各种类型建筑的运行特点准确选择需要系数,设备、电气设计人员还应该避免重复增加保险系数,为节能减排做贡献。更希望全 行业能重视需要系数的数据采集、统计及大数据分析,不断提出及时、准确的数据,实现低碳、节能的电气设计。参考文献 1 中国航空工业规划设计研究总院有限公司.工业与民用配电设计手册(第四版)M.北京:中国电力出版社,2016.2 同济大学电气工程系.工厂供电M.北京:中国建筑工业出版社,1979.3 建筑电气常用数据:19DX101-1 S.北京:中国计划出版社,2019.4 暖通空调设计常用数据 15K519 S.北京:中国计划出版社,2012.5 李炳华,仇克坤,岳云涛.建筑电气中变压器容量指标的再研究J.建筑电气,2016,35(04):3-10.6 法Schneider Electric,施耐德电气专家团队.电气装置应用(设 计)指 南 M.北 京:中 国 电 力 出 版社,2017.7 澳大利亚新西兰电气安装标准:AS NZS3000-2000:249 S.8 民用建筑电气设计计算及示例:12SDX101-2 S.北京:中国计划出版社,2012.9 民用建筑电气设计标准 GB 513482019S.北京:中国建筑工业出版社,2019.(上接第 80 页)续表 2序号功能房间名称面积/m2信息点数量服务对象备注18一层会议室 1554会议设备19一层会议室 21064会议设备20一层会议室 31154会议设备21二层看台8售票机、查询机内环均布22四层安保控制室1472内通设备23四层大屏及扩声控制室734内通设备24四层灯光控制室302内通设备25四层终点摄像机房712摄像设备26一层医疗急救室6224体育相关设备预留1 个 24 口 CP27一层媒体工作区68048体育相关设备预留2 个 24 口 CP28一层新闻发布厅、媒体工作区约 2 00010 个 AP体育设备预留、无线内通等设备29二层走道均布二层外环14 个 AP验票、体育设备预留5结束语 十四届全运会已圆满落幕,除互联网接入及网络加固另行委托实施外,体育专网建设很好地保障了全运会开幕式、新闻媒体及转播、体育专业设备等体育赛事相关网络需求。参考文献 1 蔡雄飞,肖虎,赵亮.大型体育中心 Wi-Fi 系统安全设计探讨J.智能建筑电气技术,2021,15(04):85-89+101.2 戚宁,王健康,冯营伟.某体育中心体育专网系统设计及虚拟化方案J.智能建筑,2020(02):42-44.98