试论建筑电气设计中的节能方式
关键词：电气节能 变压器损耗 功率因数 照明节能 变频调速 软起动器
由于人口的增加，工业的发展，生活水平的提高，能源的消耗也就急剧增加，能源危机迫在眉睫。因此，各行各业提出了节能的要求，节约二次能源——电能，也就成为民用建筑电气设计的焦点。建筑电气设计节能的原则建筑电气节能应坚持以下三个原则：
1.满足建筑物的功能
即满足照明的照度、色温、显色指数；满足舒适性空调的温度及新风量，也就是舒适卫生；满足上下、左右的运输通道畅通无阻；满足特殊工艺要求，如娱乐场所的一些电气设施的用电，展厅的工艺照明及电力用电等。
2.考虑实际经济效益
节能应按国情考虑实际经济效益，不能因为节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而是应该让增加的部分投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。
3.节省无谓消耗的能量
节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗，传输电能线路上的有功损耗都是无用的能量损耗，又如量大面广的照明容量，宜采用先进技术使其能耗降低。
因此，节能措施也应贯彻实用、经济合理、技术先进的原则。
建筑电气节能的途径
1.减少变压器的有功功率损耗
变压器的有功功率损耗如下式表示：△Pb＝Po＋Pkβ2其中：△Pb——变压器有功损耗（KW）；Po——变压器的空载损耗（KW）；Pk——变压器的有载损耗（KW）；β——变压器的负载率。
Po部分为空载损耗又称铁损，它是由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，是固定不变的部分，大小随矽钢片的性能及铁芯制造工艺而定。所以，变压器应选用节能型的，如S9、SL9及SC8等型油浸变压器或干式变压器，它们都是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，以减少铁芯的涡流损耗；45°全斜接缝结构，使接缝密合性好，以减少漏磁损耗。
Pk是传输功率的损耗，即变压器的线损，决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，即负载率β的平方成正比。因此，应选用阻值较小的绕组，可采用铜芯变压器。从Pkβ2用微分求它的极值，在β＝50％处每千瓦的负载，变压器的能耗最小。因此，在80年代中期设计的民用建筑，变压器的负载率绝大部分在50％左右，在实际使用中有一半变压器没有投入运行，这种做法有的设计人员一直沿袭至今。但是，这仅是为了节能，而没有考虑经济价值。举下例可看出其不可取的程度。
SC3－2000KVA的变压器，当β＝50％时相对于β＝85％时可节能为P＝16.01×（0.852－0.52）＝7.56KW，按商场最高用电小时计：每天12小时，365天全营业，则总节约电能：W＝7.56×12×365＝33113KW.h.按营业性电价每度0.78元计，则每年节约：33113×0.78＝25828元。
按每千瓦的初装费投资：2000KVA变压器应是大型民用建筑，必然双电源进线，则初装费每KVA为2240元，每年节能省下的电费只能提供（25828／2240＝11.53）11.53KVA的初装费。还有988.5KVA的初装费，加上由于加大变压器容量而多付的变压器价格，由于变压器增加而使出线开关柜、母联柜增加引起的设备购置费，安装上述设备使土建面积增加而引起的土建费用，这是笔相当可观的投资，还没有计及折旧维护等费用。由此可见，取变压器负载率为50％是得不偿失的。
事实上50％负载率仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此也不是最节能的措施。计及初装费、变压器、低压柜、土建的投资及各项运行费用，又要使变压器在使用期内预留适当的容量，变压器的负载率应在75％～85％为宜。这样也可以做到物尽其用，因为变压器绝缘的使用年限满负荷计为20年，20年后可能有更好的变压器问世，这样就可以有机会更换新的设备，才能使该建筑总趋技术领先地位。
为减小变压器损耗，当容量大而需要选用多台变压器时，在合理分配负荷的情况下，尽可能减少变压器的台数，选用大容量的变压器。例如需要装机容量为2000KVA，可选2台1000KVA，不选4台500KVA.因为选用前者可节能：△P＝4×（1.6＋4.44）－2×（2.45＋7.45）＝4.36KW（全按β＝100％计，同等条件，SC3变压器）。
在变压器选择中，能掌握好上述三点原则，即满足了节约能源，又经济合理的原则。
减少线路上的能量损耗
由于线路上存在电阻，有电流流过时，就会产生有功功率损耗。其公式如下：△P＝3IΦ2R×10－3（KW）
式中：IΦ——相电流（A）
R——线路电阻（Ω）
例如，在L＝100m的VV－3×50＋2×25的电缆上传输60KW，cosφ＝0.8的电能，其有功损耗量，可由以下步骤求得：IΦ＝60×103／（×380×0.8）＝113.6A芯线温度70℃的50mm2铜芯线每公里电阻R0＝0.44，则R＝0.1×0.44＝0.044（Ω）
△P＝3×113.62×0.044×10－3＝1.704KW从以上可看到，线路上的功率损耗相当于每6m的线路上安一个100W的灯泡。
在一个工程中，线路左右上下纵横交错，小工程线路全长不下万米，大工程更是不计其数，所以线路上的总有功损耗是相当可观的，减少线路上的能耗必须引起设计重视。
线路上的电流是不能改变的，要减少线路损耗，只有减小线路电阻。线路电阻R＝P×L／s，即线路电阻与电导P成正比，与线路截面S成反比，与线路长度L成正比，因此减少线路的损耗应从以下几方面入手。
应选用电导率较小的材质做导线。铜芯最佳，但又要贯彻节约用铜的原则。因此，在负荷较大的二类、一类建筑中采用铜导线，在三类或负荷量较小的建筑中采用铝芯导线。
减小导线长度。首先，线路尽可能走直线，少走弯路，以减少导线长度；其次，低压线路应不走或少走回头线，以减少来回线路上的电能损失；第三，变压器尽量接近负荷中心，以减少供电距离，当建筑物每层平面在10000m2左右时，至少要设两个变配电所，以减少干线的长度；第四，在高层建筑中，低压配电室应靠近竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，不至于产生支线沿着干线倒送的现象。亦即低压配电室与竖井位置的布局上应使线路都分向前送，尽可能减少回头输送电能的支线。
增大导线截面。首先，对于比较长的线路，除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面，再加大一级导线截面，所增加的费用为M，由于节约能耗而减少的年运行费用为m，则M／m为回收年限，若回收年限为几个月或一、二年，则应加大一级导线截面。一般而言，导线截面小于70mm2，线路长度超过100m的增加一级导线截面比较容易实现上述条件。其次，利用某些季节性负荷的线路，这些用户不用时，可提供给常期用户作供电线路使用，以减少线路和电阻。例如，将空调风机、风机盘管与照明、电开水等计费相同的负荷，集中在一起，采用同一干线供电，既可便于用一个火警命令切除非消防用电，又可在春秋两季空调不用时，使同样大的干线截面传输较小的电流，从而减小了线路损耗，这就相当于充分利用了季节负荷的线路。
在设计中，认真落实上述三条措施，就可减少线路上的能量损耗，达到了线路节能的目的。 提高系统的功率因数
提高系统的功率因数，减少无功在线路上传输，以达到节能的目的。
线路损耗的公式展开后得下列计算式：△P＝3IΦ2R×10－3＝（RP2／UL2＋RQ2／UL2）10－3（KW）
式中：UL——线电压（V）
P——有功功率（KW）
Q——无功功率（KVar）
前项RP2／UL2为线路上传输有功功率而引起的功率损耗，后项RQ2／UL2为线路上传输无功功率而引起的功率损耗。有功功率是满足建筑物功能所必须的，因此是不可变的。系统中的用电设备，如电动机、变压器、线路、气体放电灯中的整流器都具有电感，会产生滞后的无功，需要从系统中引入超前的无功相抵消，这样超前的无功功率就从系统经高、低压线路传输到用电设备，在线路上就产生了有功损耗，而这部分损耗是可以想办法改变的，其措施有以下几种。
提高设备的自然功率因数，以减少对超前无功的需求，可采用功率因数较高的同步电动机；荧光灯可采用高次谐波系数低于15％的电子镇流器；采用电感镇流器的气体放电灯，单灯安装电容器等，都可使自然功率因数提高到0.85～0.95，这就可减少系统高、低压线路传输的超前无功功率。
由于感抗产生的是滞后的无功，可采用电容器补偿，因为电容器产生的是超前的无功，两者可以相互抵消，即Q＝QL－QC，因此无功补偿，可以提高功率因数，因而也减小了无功的需求量。
无功补偿装置应就地安装，实行就地补偿，这样才能使线路上的无功传输减少，达到节能的目的。
目前，民用建筑设计中，绝大部分采用变压器低压侧集中补偿，这种做法仅减少了区域变电站至用户处的高压线路上的无功传输，提高了用户处的功率因数，可以不受或少受电业局的罚款。而对用户，无功仍由变压器低压母线经传输线路输送到各用户点，低压线路上的无功传输并没有减少，那么无功补偿也就达不到节能的目的。
在日本，东京电力公司的法规规定容量达0.75KW的电动机端，都要安装30μF的静电电容器，以减少由于线路上传输无功而引起的有功损耗。在我国即将颁布的《工业与民用供电设计规范》中规定"容量较大，负荷平稳又长期使用的用电设备的无功负荷宜单独就地补偿，……".陕西省"三电办"在1989年就规定"10KV及以上的异步电动机，负荷较稳定的应采用就地补偿，……".我国目前生产的自愈式静电电容器的最小容量为3KVar，可以使7.5KW及以上的电动机无功获得就地补偿。
为什么常提到负荷平稳的电动机可采用就地补偿，因为负荷变动时电机端电压也变化，使电容器没有放完电又充电，这时电容器会产生无功浪涌电流，使电机易产生过电压而损坏。因此，断续负载，如电梯、自动扶梯、自动步行道等不应在电动机端加装补偿电容器；另外，如星三角起动的异步电动机也不能在电动机端加装补偿电容器，因为它起动过程中有开路闭路瞬时转换，使电容器在放电瞬间又充电，也会使电机过电压而损坏。
在民用建筑中应改变电容器集中安装的做法，对容量超过10KW的风机、水泵、传送带等电动机端设置就地补偿装置，空调主机及冷冻泵等常在其附近设专用变配电所，可以集中补偿，但若供电距离超过20m时也最好采用就地补偿。
电动机就地补偿装置的接线有二种方式，一是并接在热元件的一次线后，热元件的整定电流应按补偿后的电机工作电流计，这种接线适合新安装的电机；另一种是装补偿电容器在接触器主接点之后，热元件一次线圈之前，热元件的整定电流就不计补偿的影响，这适合于进行改造的电机接线，这样做可使电容器与电动机一起投切。
处理好上述三部分，即减少自然无功、无功补偿及补偿装置的安装地点，就可以实现合理的选择无功补偿方式而达到节能的目的。
照明部分的节能
因为照明用量大而面广，因此，照明节能的潜力很大，应从下列几方面着手：采用高效光源。白炽灯过去用得最广泛，因为它便宜，安装维护简单，它致命的弱点是发光率太低，因此目前常被各种发光率高，光色好，显色性能优异的新光源取代。表1列出了各种光源每W的光通量Lm。从表中可以看出低压钠灯和高压钠灯的发光率最高，但由于色温低，光色偏暖，显色指数在40～60之间，颜色失真度大，只能在路灯或广场照明用，其中显色指数在60的高显色性钠灯可与汞灯组成混合灯，用于工厂及体育馆照明，这也是量大面广的照明部分；发光率很高的金属卤化物灯，三基色荧光灯及稀土金属荧光灯，由于色温范围广，自3200K～4000K，光色选择性好，显色指数又高，可达80～95，颜色失真度小，尤其金属卤化物灯对人的皮肤显色性特别好，因此除用作商场、展厅的照明外，还广泛用在车站的候车室、码头的候船室、航空港的候机楼以及舞台的灯光照明等；一般荧光灯及稀土金属荧光灯可用在写字楼、住宅的照明；荧光高压汞灯、自整流高压汞灯、钠灯及三者组合的混光灯常用于生产厂房的照明。尽量不用或少用白炽灯，只有在局部艺术照明或防止高频光谱照射的古董字画照明中才使用，虽然它光色好，显色指数最高，但达不到节能的目的。
建筑物尽量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面积，应将门窗开大，采用透光率较好的玻璃门窗，以达到充分利用自然光的目的。凡是可以利用自然光的这部分的照明，可采用按照度标准检测现场照度，进行灯光自动调节。
对气体放电灯，采用灯光无级自动调节，即调节灯丝从而达到调光的目的。但其代价太高，每套36W的灯管需要增加2000元～3000元的投资，而节省下来的电能，其电价是有限的，因为这仅在白天日照强时（一般在上午10时到下午3～4点钟 这段时间内）可减少一点人工照明，每支灯充其量节能25％，每天按12小时计，每年按365天计，则节省运行费用：m＝36×0.25×12×365×0.78×10－3＝30.7元所以增加控制的投资需要2000～3000／30.7＝65～97年才能回收，这是没有实用意义的。在工作照明中采用这种调光方案是不可取的。它只适宜用于特殊条件下，如气象台、导航站等小面积控制室，要求室内的照度与室外自然光自然协调的环境，才可采用这种调光设备。另外，这种调光设备用于稀土金属荧光灯，其频闪效应使人眼不易接受。对于可以充分利用自然光而且需要调光的场合，可采用分组分片自动开停的控制方案，虽然会有突变过程，但不会影响视力，也不会影响人的情绪，是可取的方式。
对长期需要开停，但又要按人流的多少自动调整照度的场合，在增加投资不多的情况下，对荧光灯可利用调压的方式，固定几级调节，如北京地铁采用澳大利亚的调光设备就是如此。
荧光灯采用调电压调光，其节能效果并不显著。因为，气体放电灯的发光是靠离子在高电压下产生碰撞，达到一定能级而使荧光粉发光，因此光通量并不与电压成正比，电压下降10％，光通量差不多下降30％～40％，电压下降30％，灯会全熄。因此，气体放电灯采用调压方式调光，在实际工程中也很少采用。
照明节能中，除了满足照度、光色、显色指数外，应采用高效光源及高效灯具，对能利用自然光部分的灯具或可变照度的照明采用成组分片的自动控制开停方式，可达到照明节能的效果。
电动机在运行过程中的节能
在建筑电气中的电动机都是与暖通、水道、建筑等工种的设备配套的，由设备制造厂商统一供应的。因此，其节能措施只能贯彻在运行过程中，除了上述的用就地补偿电容器以减少线路由于输送超前无功而引起的有功损耗外，还应减少电机轻载和空载运行。因为，在这种情况下，电机的效率是很低的，消耗的电能并不与负载的下降成正比。采用变频调速器，使其在负载下降时，采用变频的方式，自动调节转速，使其与负载的变化相适应。采用这种方式，可提高电机在轻载时的效率，达到节能的目的。但是，这种设备的价格仍偏高，因此在应用中受到一定的限制。另一种节能方式是采用软起动器，软起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。此设备也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到速度随负载的变化而变化。它可用在电动机容量较大，又需要频繁起动的设备，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超过三倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但它是采用可控硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热、通风措施完善。其价格比变频器便宜，在水泵系统中的大容量电动机的控制设备中可以应用。
民用建筑的节能潜力很大，应在设计中精心考虑。但是在选用节能的新设备上，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，再选定节能设备，以达到真正节能的目的。
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