淺談建筑電氣節能

楊光

【摘要】電氣節能內容非常廣泛，本文結合筆者所從事的工程技術工作中積累的一些經驗，首先找出哪些能量消耗是與發揮建筑功能無關的，再考慮采取什么措施節能。文中從變壓器選擇、功率因數補償、減少線路上的能量損耗、照明節能等幾個方面，闡述了建筑電氣的幾種節能方法。而建筑電氣整個系統的節能要大于單臺設備節能，不光是設備選型中的節能問題，而是組成的整個電氣系統，無論配電系統還是照明系統，使整個系統實現節能，這是最終目標。

【關 鍵 詞】：電氣節能變壓器損耗功率因數照明節能

中圖分類號：TE08文獻標識碼： A

一、節能形勢

目前中國人口不斷的增加,工業水平的整體發展,人們生活水平的提高,使得能源的消耗也就越來越大,能源危機迫在眉睫。

早在2000多年前，中國古代思想家荀子就提出“強本而節用，則天不能貧”，中國資源儲量的“本”并不強，如果不在“節用”上下功夫，不顧自然、不計代價、不為未來竭澤而漁、竭礦而采，不僅會很快耗盡國內資源，也會加大全球資源供給的壓力。要想實現人類社會的可持續發展，必須轉變增長方式，降低資源消耗。因此，加快建設節約型社會已經成為我們必然的選擇。

節約用電分兩個層次，一是節約生產用電，二是節約生活用電。對前者而言，主要做法是加快相關的技術進步，加大有關的投入，進行節電產品的生產。對后者而言，重要的是節約品德的弘揚和普及，并養成良好的生活習慣。

二、節能途徑

我們從設計產品選型開始就應堅持節能的原則，這也是建筑電氣設計的焦點，并充分重視新產品、新技術的開發和利用。

設計首先應滿足建筑物的功能，即滿足照明的照度、色溫、顯色指數；滿足舒適型空調的溫度及風量，也就是舒適衛生；滿足上下、左右的運輸通道暢通無阻；滿足機房工藝要求，如機房的一些電氣設備用電，機房的工藝照明等。

其次考慮實際經濟效益，節能應按國情考慮實際經濟效益，不能因為節能而過高的消耗投資，增加運行費用。而是應該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時間內用節能減少下來的運行費用進行回收。

再次節省無謂消耗的能量,節能的著眼點，應是節省無謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是與發揮建筑功能無關的，再考慮采取什么措施節能。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，宜采用先進技術使其能耗降低。

因此，節能措施應貫徹實用、經濟合理、技術先進的原則。

建筑電氣節能的途徑

1、減少變壓器的有功功率損耗

變壓器的有功功率損耗△PT=△P0+△PKβ2

式中 △P0---變壓器空載有功損耗

△Pk---變壓器滿載有功損耗

β---變壓器的負載率

△P0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,大小隨硅鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定。所以，變壓器首先應選用節能型的，如一種新型干式變壓器，利用數學模式滾減成的硅鋼片在專用的卷制機上連續不斷地無接縫一次卷繞成D形截面的單框鐵芯，將三個尺寸完全相同的單框鐵芯互成60度夾角組成品字型布置，使三相磁路完全對稱，磁路最短且等長，磁路暢通，空載損耗及噪聲、溫升都有明顯降低，可以不再需要加裝傳統的冷卻風機，減少風機耗電，節省投資費用。

△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。因此，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%處每千瓦的負載，變壓器的能耗最小。但是這僅是為了節能，而沒有考慮經濟價值。事實上50%負載率僅減少了變壓器的線損，并沒有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節能的措施。再加上初裝費、變壓器、高低壓柜、土建的投資及各項運行費用，取變壓器負載率為50%是得不償失的?？紤]變壓器在使用期內預留適當的容量，變壓器的負載率應在75%~85%為宜。這樣可以做到物盡其用，因為變壓器絕緣的使用年限滿負荷計為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備，才能使該建筑總趨于技術領先地位。

為減少變壓器損耗，當容量大而需要選用多臺變壓器時，在合理分配負荷的情況下，盡可能減少變壓器臺數，選用大容量的變壓器。

在變壓器選擇中，能掌握好上述三點原則，即滿足了節約能源、經濟合理的原則。

2、減少線路上的能量損耗

由于線路存在電阻，有電流流過時，就會產生有功功率損耗。在一個工程中，線路上下左右縱橫交錯，小的工程線路成千上萬米，大工程更是不計其數，所以線路上的總有功損耗是相當可觀的，減少線路上的能耗必須引起設計重視。線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減少線路電阻。線路電阻R=L/σS，即線路電阻與電導率σ成反比，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從以下幾方面入手

（一）應選用電導率較大的材質做導線。表1中給出了幾種物質在常溫（20℃）條件下的電導率值

表1常溫條件下物質的電導率值（S/m）

綜合比較，銅芯性價比最佳；但又要貫徹節約用銅的原則。因此，在負荷較大的一類、二類建筑中采用銅導線，在三類或負荷量較小的建筑中可采用鋁芯導線。

（二）減少導線長度。首先,線路盡可能走直線,少走彎路,以減少導線長度；其次，低壓線路應不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失；第三，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電距離，當建筑物每層平面在10000M2左右時，至少要設兩個變配電所，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，不至于產生支線沿著干線倒送的現象。亦即低壓配電室與豎井的布局上應使線路都向前送，盡可能減少回頭輸送電能的支線。

（三）增大導線截面。供電線纜除滿足載流量、熱穩定、保護配合及電壓損失所選定的截面，再增大線芯截面時，線路損耗減少，但初始投資增加，結合投資和導體損耗費用之和最小的適用截面，即按經濟電流選擇截面。國際電工委員會（IEC）按經濟電流選擇電線、電纜截面的原理，制訂了“電力電纜的線芯截面最佳化”標準，即IEC287-3-2/1995。這個方法適用于中、低壓電纜線路。根據我國國情，如果能全面推行按經濟電流選擇電線、電纜截面的方法，將減少35%~42%的線路損耗，經濟意義十分重大。

其次，利用某些季節性負荷的線路，這些用戶不用時，可提供給長期用戶作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調風機、風機盤管與照明、電開水等計費相同的負荷集中在一起，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不用時，使用大的干線截面傳輸較小的電流，從而減少了線路損耗。

在設計中認真落實上述三條措施，可減少線路上的能量損耗，達到線路節能的目的。

3、提高系統的功率因數

提高系統的功率因數，減少無功在線路上傳輸，線路電流會減少，可以達到節能的目的。供電部門一般要求用戶的月平均功率因數達到0.9以上。提高功率因數與降低線損的關系見表2

表2提高功率因數與降低線損的關系

有功功率是滿足建筑物功能所必需的，因此是不可變的。系統中的用電設備，如電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會產生滯后的無功，需要從系統中引入超前的無功相抵消，這樣超前的無功功率就從系統經高低壓線路傳輸到用電設備，在線路上就產生了有功損耗，而這部分損耗是可以想辦法改變的，其措施有以下幾種：

(一)提高用電設備的自然功率因數，以減少對超前無功的需求?？刹捎霉β室驍递^高的同步電動機；熒光燈可采用高次諧波系數低于15%的電子鎮流器；都可使自然功率因數提高，這樣可減少系統高低壓線路傳輸的超前無功功率。

(二)采用并聯電力電容器補償。由于感抗產生的是滯后的無功，電容器產生的是超前的無功，兩者可以互相抵消，因此無功補償可以提高功率因數。

補償后計算負荷下的功率因數為

式中Pc---企業的計算有功功率,kW

Qc---企業的計算無功功率,kvar

Q---人工補償的無功功率,kvar

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

目前，民用建筑設計中，絕大部分采用變壓器低壓側集中補償，這種做法僅減少了區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，可以不受或少受供電局的罰款。而對用戶，無功仍由變壓器低壓母線經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能的目的。為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡補償，即低壓部分的無功功率宜由低壓電容器補償，高壓部分的的無功功率宜由高壓電容器補償。當無高壓負荷時不得在高壓側裝設并聯電容器裝置。對于容量較大，負荷平穩且經常使用的用電設備的無功功率，宜單獨就地補償。

處理好上述三部分，即減少自然無功、利用電容補償及合理設定補償裝置的安裝點，可以實現提高功率因數而達到節能的目的。

4、照明部分的節能

因為照明用量大而廣，照明節能的潛力很大?！督ㄖ彰髟O計標準》（GB50034-2004）的頒布和實施又為照明節能設計提供了有力的依據，我們應從以下幾方面著手：

首先采用高效光源。光源是照明系統的根本，提高光源效率是最基礎的，目前高功效的照明光源主要為直管熒光燈，高效節能燈，LED光源。

直管熒光燈：

直管熒光燈目前根據管徑大體分為T5，T8性兩種光源，根據使用的技術不同，三基色直管熒光燈光源的基本效率75-95lm/w之間，是目前最為常用的光源。

高效節能燈：

在需要局部照明、點光源的位置可以考慮使用高效節能燈光源，其一般使用在筒燈照明燈具內，配合光源色溫及色彩，可以展示出一些裝飾效果。

LED光源：

LED光源是現在逐漸流行起來的光源，高質量的LED光源多采用1W以上的單顆LED貼片，光源的封裝效率可以達到100lm/w，是目前能夠得到的相對效率較高的光源，新的LED顆粒解決了以前的LED光譜缺失的問題，達到了較好的顯色性，目前的問題主要是價格還較高，大部分用戶還難于接受。

其次選用高效燈具。

在國家相關規范中照明系統有明確的眩光控制要求，因此需要采用能對眩光進行控制的燈具，同時還要提高整體燈具效率，因此應選擇的燈具多為直射、反射混合型的控光型燈具，實際工程中多選用格柵型燈具和控照型燈具。以達到較高的效率，亦能滿足房間的照明要求。

再次是合理的控制方式。

在照明技術不能得到根本性突破的同時照明控制對于照明節能的作用顯得尤為重要，照明控制對于節能的作用顯而易見，就是需要照明的地方進行照明，不需要照明的位置關閉照明，需要高照度的場景進行標準照度的照明、不需要高照度的場景進行適用的照度進行照明。

對能利用自然光部分的燈具采用成組分片的控制開關方式，有利于節電；夜間照明場所人員較少，但又需要有燈光，配上聲光控制開關，可以達到照明節能的效果；在需要工作的位置開啟局部照明以滿足工作照度，其他位置仍然維持較低的照度。

三、前景

建筑電氣作為一個系統，其整個系統的節能顯然要大于單臺設備。不光是設備選型中的節能問題，而是組成的整個電氣系統，無論配電系統還是照明系統，應當綜合考慮整個系統的節能怎么實現。當然，節能的途徑有很多，除了在技術上采取節能措施，我們更應該從人們的意識上，從點滴做起，樹立全民節能的意識，從根本上解決問題。

努力建設資源節約型社會,珍惜我們所擁有的,節約我們所使用的,才是真正的可持續發展之路,這是功在當代,造福子孫的好事.

參考文獻

[1] 中國航空工業規劃設計研究院 組編工業與民用配電設計手冊

[2] 謝毓城編電力變壓器手冊

[3] 金代中編 電工速查速算手冊

[4] 韋課常編 電氣照明技術