建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能

摘要：文章闡述了建筑電氣設(shè)計(jì)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(bǔ)償、照明調(diào)光設(shè)備、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)設(shè)備選擇等方面，論述電氣設(shè)計(jì)中的幾種節(jié)能方法。

摘要：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(dòng)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(jī)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(jì)的焦點(diǎn)。建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能的原則建筑電氣節(jié)能應(yīng)堅(jiān)持以下三個(gè)原則摘要：

1.滿(mǎn)足建筑物的功能

即滿(mǎn)足照明的照度、色溫、顯色指數(shù)；滿(mǎn)足舒適性空調(diào)的溫度及新風(fēng)量，也就是舒適衛(wèi)生；滿(mǎn)足上下、左右的運(yùn)輸通道暢通無(wú)阻；滿(mǎn)足非凡工藝要求，如娛樂(lè)場(chǎng)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(shí)際經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)能應(yīng)按國(guó)情考慮實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，不能因?yàn)楣?jié)能而過(guò)高地消耗投資，增加運(yùn)行費(fèi)用。而是應(yīng)該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時(shí)間內(nèi)用節(jié)能減少下來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行回收。

3.節(jié)省無(wú)謂消耗的能量

節(jié)能的著眼點(diǎn)，應(yīng)是節(jié)省無(wú)謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是和發(fā)揮建筑物功能無(wú)關(guān)的，再考慮采取什么辦法節(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(wú)用的能量損耗，又如量大面廣的照明容量，宜采用先進(jìn)技術(shù)使其能耗降低。

因此，節(jié)能辦法也應(yīng)貫徹實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)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摘要：△Ｐｂ＝Ｐｏ＋Ｐｋβ２其中摘要：

△Ｐｂ--變壓器有功損耗；

Ｐｏ--變壓器的空載損耗；

Ｐｋ--變壓器的有載損耗；

β--變壓器的負(fù)載率。

Ｐｏ部分為空載損耗又稱(chēng)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(guò)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(jì)的民用建筑，變壓器的負(fù)載率絕大部分在５０％左右，在實(shí)際使用中有一半變壓器沒(méi)有投入運(yùn)行，這種做法有的設(shè)計(jì)人員一直沿襲至今。但是，這僅是為了節(jié)能，而沒(méi)有考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)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(shí)相對(duì)于β＝８５％時(shí)可節(jié)能為Ｐ＝１６．０１×＝７．５６ＫＷ，按商場(chǎng)最高用電小時(shí)計(jì)摘要：天天１２小時(shí)，３６５天全營(yíng)業(yè)，則總節(jié)約電能摘要：Ｗ＝７．５６×１２×３６５＝３３１１３ＫＷ·ｈ。按營(yíng)業(yè)性電價(jià)每度０．７８元計(jì)，則每年節(jié)約摘要：３３１１３×０．７８＝２５８２８元。

按每千瓦的初裝費(fèi)投資摘要：２０００ＫＶＡ變壓器應(yīng)是大型民用建筑，必然雙電源進(jìn)線，則初裝費(fèi)每ＫＶＡ為２２４０元，每年節(jié)能省下的電費(fèi)只能提供１１．５３ＫＶＡ的初裝費(fèi)。還有９８８．５ＫＶＡ的初裝費(fèi)，加上由于加大變壓器容量而多付的變壓器價(jià)格，由于變壓器增加而使出線開(kāi)關(guān)柜、母聯(lián)柜增加引起的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，安裝上述設(shè)備使土建面積增加而引起的土建費(fèi)用，這是筆相當(dāng)可觀的投資，還沒(méi)有計(jì)及折舊維護(hù)等費(fèi)用。由此可見(jiàn)，取變壓器負(fù)載率為５０％是得不償失的。

事實(shí)上５０％負(fù)載率僅減少了變壓器的線損，并沒(méi)有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節(jié)能的辦法。計(jì)及初裝費(fèi)、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)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?yàn)樽儔浩鹘^緣的使用年限滿(mǎn)負(fù)荷計(jì)為２０年，２０年后可能有更好的變壓器問(wèn)世，這樣就可以有機(jī)會(huì)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(tái)變壓器時(shí)，在合理分配負(fù)荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺(tái)數(shù)，選用大容量的變壓器。例如需要裝機(jī)容量為２０００ＫＶＡ，可選２臺(tái)１０００ＫＶＡ，不選４臺(tái)５００ＫＶＡ。因?yàn)檫x用前者可節(jié)能摘要：△Ｐ＝４×－２×＝４．３６ＫＷ。

在變壓器選擇中，能把握好上述三點(diǎn)原則，即滿(mǎn)足了節(jié)約能源，又經(jīng)濟(jì)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(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗。其公式如下摘要：△Ｐ＝３ＩΦ２Ｒ×１０－３

式中摘要：ＩΦ--相電流

Ｒ--線路電阻

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，可由以下步驟求得摘要：ＩΦ＝６０×１０３／＝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

△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(gè)１００Ｗ的燈泡。

在一個(gè)工程中，線路左右上下縱橫交錯(cuò)，小工程線路全長(zhǎng)不下萬(wàn)米，大工程更是不計(jì)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(jì)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，即線路電阻和電導(dǎo)Ｐ成正比，和線路截面Ｓ成反比，和線路長(zhǎng)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(lèi)、一類(lèi)建筑中采用銅導(dǎo)線，在三類(lèi)或負(fù)荷量較小的建筑中采用鋁芯導(dǎo)線。

減小導(dǎo)線長(zhǎng)度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導(dǎo)線長(zhǎng)度；其次，低壓線路應(yīng)不走或少走回頭線，以減少往返線路上的電能損失；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(shí)，至少要設(shè)兩個(gè)變配電所，以減少干線的長(zhǎng)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(gè)豎井的干線，不至于產(chǎn)生支線沿著干線倒送的現(xiàn)象。亦即低壓配電室和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(duì)于比較長(zhǎng)的線路，除滿(mǎn)足載流量、熱穩(wěn)定、保護(hù)的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級(jí)導(dǎo)線截面，所增加的費(fèi)用為Ｍ，由于節(jié)約能耗而減少的年運(yùn)行費(fèi)用為ｍ，則Ｍ／ｍ為回收年限，若回收年限為幾個(gè)月或

一、二年，則應(yīng)加大一級(jí)導(dǎo)線截面。一般而言，導(dǎo)線截面小于７０ｍｍ２，線路長(zhǎng)度超過(guò)１００ｍ的增加一級(jí)導(dǎo)線截面比較輕易實(shí)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(hù)不用時(shí)，可提供給常期用戶(hù)作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調(diào)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管和照明、電開(kāi)水等計(jì)費(fèi)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(gè)火警命令切除非消防用電，又可在春秋兩季空調(diào)不用時(shí)，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(jì)中，認(rèn)真落實(shí)上述三條辦法，就可減少線路上的能量損耗，達(dá)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(wú)功在線路上傳輸，以達(dá)到節(jié)能的目的。

線路損耗的公式展開(kāi)后得下列計(jì)算式摘要：

△Ｐ＝３ＩΦ２Ｒ×１０－３＝１０－３

式中摘要：ＵＬ--線電壓

Ｐ--有功功率

Ｑ--無(wú)功功率

前項(xiàng)ＲＰ２／ＵＬ２為線路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項(xiàng)ＲＱ２／ＵＬ２為線路上傳輸無(wú)功功率而引起的功率損耗。有功功率是滿(mǎn)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(dòng)機(jī)、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會(huì)產(chǎn)生滯后的無(wú)功，需要從系統(tǒng)中引入超前的無(wú)功相抵消，這樣超前的無(wú)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，其辦法有以下幾種。

提高設(shè)備的自然功率因數(shù)，以減少對(duì)超前無(wú)功的需求，可采用功率因數(shù)較高的同步電動(dòng)機(jī)；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(wú)功功率。

由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無(wú)功，可采用電容器補(bǔ)償，因?yàn)殡娙萜鳟a(chǎn)生的是超前的無(wú)功，兩者可以相互抵消，即Ｑ＝ＱＬ－ＱＣ，因此無(wú)功補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，因而也減小了無(wú)功的需求量。

無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)就地安裝，實(shí)行就地補(bǔ)償，這樣才能使線路上的無(wú)功傳輸減少，達(dá)到節(jié)能的目的。

目前，民用建筑設(shè)計(jì)中，絕大部分采用變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償，這種做法僅減少了區(qū)域變電站至用戶(hù)處的高壓線路上的無(wú)功傳輸，提高了用戶(hù)處的功率因數(shù)，可以不受或少受電業(yè)局的罰款。而對(duì)用戶(hù)，無(wú)功仍由變壓器低壓母線經(jīng)傳輸線路輸送到各用戶(hù)點(diǎn)，低壓線路上的無(wú)功傳輸并沒(méi)有減少，那么無(wú)功補(bǔ)償也就達(dá)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(dá)０．７５ＫＷ的電動(dòng)機(jī)端，都要安裝３０μＦ的靜電電容器，以減少由于線路上傳輸無(wú)功而引起的有功損耗。在我國(guó)即將頒布的《工業(yè)和民用供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定"容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)又長(zhǎng)期使用的用電設(shè)備的無(wú)功負(fù)荷宜單獨(dú)就地補(bǔ)償，……"。

陜西省"三電辦"在１９８９年就規(guī)定"１０ＫＶ及以上的異步電動(dòng)機(jī)，負(fù)荷較穩(wěn)定的應(yīng)采用就地補(bǔ)償，……"。我國(guó)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(dòng)機(jī)無(wú)功獲得就地補(bǔ)償。

為什么常提到負(fù)荷平穩(wěn)的電動(dòng)機(jī)可采用就地補(bǔ)償，因?yàn)樨?fù)荷變動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓也變化，使電容器沒(méi)有放完電又充電，這時(shí)電容器會(huì)產(chǎn)生無(wú)功浪涌電流，使電機(jī)易產(chǎn)生過(guò)電壓而損壞。因此，斷續(xù)負(fù)載，如電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)步行道等不應(yīng)在電動(dòng)機(jī)端加裝補(bǔ)償電容器；另外，如星三角起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)也不能在電動(dòng)機(jī)端加裝補(bǔ)償電容器，因?yàn)樗饎?dòng)過(guò)程中有開(kāi)路閉路瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，使電容器在放電瞬間又充電，也會(huì)使電機(jī)過(guò)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(duì)容量超過(guò)１０ＫＷ的風(fēng)機(jī)、水泵、傳送帶等電動(dòng)機(jī)端設(shè)置就地補(bǔ)償裝置，空調(diào)主機(jī)及冷凍泵等常在其四周設(shè)專(zhuān)用變配電所，可以集中補(bǔ)償，但若供電距離超過(guò)２０ｍ時(shí)也最好采用就地補(bǔ)償。

電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)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(bǔ)償后的電機(jī)工作電流計(jì)，這種接線適合新安裝的電機(jī)；另一種是裝補(bǔ)償電容器在接觸器主接點(diǎn)之后，熱元件一次線圈之前，熱元件的整定電流就不計(jì)補(bǔ)償?shù)挠绊懀@適合于進(jìn)行改造的電機(jī)接線，這樣做可使電容器和電動(dòng)機(jī)一起投切。

處理好上述三部分，即減少自然無(wú)功、無(wú)功補(bǔ)償及補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)合理的選擇無(wú)功補(bǔ)償方式而達(dá)到節(jié)能的目的。

照明部分的節(jié)能

因?yàn)檎彰饔昧看蠖鎻V，因此，照明節(jié)能的潛力很大，應(yīng)從下列幾方面著手摘要：

采用高效光源。白熾燈過(guò)去用得最廣泛，因?yàn)樗阋?，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，它致命的弱點(diǎn)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(chǎng)照明用，其中顯色指數(shù)在６０的高顯色性鈉燈可和汞燈組成混合燈，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(dá)８０～９５，顏色失真度小，尤其金屬鹵化物燈對(duì)人的皮膚顯色性非凡好，因此除用作商場(chǎng)、展廳的照明外，還廣泛用在車(chē)站的候車(chē)室、碼頭的候船室、航空港的候機(jī)樓以及舞臺(tái)的燈光照明等；一般熒光燈及稀土金屬熒光燈可用在寫(xiě)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(huà)照明中才使用，雖然它光色好，顯色指數(shù)最高，但達(dá)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(mén)窗開(kāi)大，采用透光率較好的玻璃門(mén)窗，以達(dá)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)照度，進(jìn)行燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)。

對(duì)氣體放電燈，采用燈光無(wú)級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)燈絲從而達(dá)到調(diào)光的目的。但其代價(jià)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(lái)的電能，其電價(jià)是有限的，因?yàn)檫@僅在白天日照強(qiáng)時(shí)可減少一點(diǎn)人工照明，每支燈充其量節(jié)能２５％，天天按１２小時(shí)計(jì)，每年按３６５天計(jì)，則節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用摘要：

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(méi)有實(shí)用意義的。在工作照明中采用這種調(diào)光方案是不可取的。它只適宜用于非凡條件下，如氣象臺(tái)、導(dǎo)航站等小面積控制室，要求室內(nèi)的照度和室外自然光自然協(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(duì)于可以充分利用自然光而且需要調(diào)光的場(chǎng)合，可采用分組分片自動(dòng)開(kāi)停的控制方案，雖然會(huì)有突變過(guò)程，但不會(huì)影響視力，也不會(huì)影響人的情緒，是可取的方式。

對(duì)長(zhǎng)期需要開(kāi)停，但又要按人流的多少自動(dòng)調(diào)整照度的場(chǎng)合，在增加投資不多的情況下，對(duì)熒光燈可利用調(diào)壓的方式，固定幾級(jí)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?yàn)?，氣體放電燈的發(fā)光是靠離子在高電壓下產(chǎn)生碰撞，達(dá)到一定能級(jí)而使熒光粉發(fā)光，因此光通量并不和電壓成正比，電壓下降１０％，光通量差不多下降３０％～４０％，電壓下降３０％，燈會(huì)全熄。因此，氣體放電燈采用調(diào)壓方式調(diào)光，在實(shí)際工程中也很少采用。

照明節(jié)能中，除了滿(mǎn)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(duì)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(dòng)控制開(kāi)停方式，可達(dá)到照明節(jié)能的效果。

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程