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摘要：作者从事电气设计多年，就电气设计中涉及到的节能问题进行了探讨。照明节能、智能控制、配电系统电器等方面科学直观的提出有效的控制措施，希望给同业人员更多的思考空间，让我国的电气节能上一个大的台阶。
关键词：建筑电气节能措施
民用建筑的电力能耗问题日益突出, 如何“节电能、降电耗”, 进行电气节能设计已势在必行。在民用建筑中, 用电设备的电能消耗比例大致为: 制冷机组、空调器及新风机组等设备用电占40%~ 50%, 送/ 排风机及水泵等设备用电占10% ~ 15%,照明用电占20% ~ 30%, 电梯及厨房设备等其他设备用电占5% ~ 15%。根据上述电能消耗分析, 本文从建筑照明及其控制的节能、建筑智能控制的节能、供配电系统及电器产品的节能入手, 结合民用建筑设计的特点阐释“电气节能措施”的应用和选择。
1 建筑照明及其控制的节能措施
2004 年12 月1 日开始实施的《建筑照明设计标准》(GB 50034 - 2004) , 对照明节能提出了严格的要求, 其中6 . 1 . 2 ~ 6 . 1 . 7 条为强制性条文, 必须严格执行。它确定了不同场所相应的照明功率密度值, 并列出了现行值和目标值。
1 . 1 照明方式的选择原则
a . 一般照明: 即均匀照明, 用于对照度无特殊要求的场所, 如办公室、会议室等场所。
b . 分区一般照明: 同一场所不同区域有不同照度的要求, 如工艺用房、加工车间等场所。
c. 混合照明: 用于部分作业面照度要求较高,只采用一般照明不合理的场所, 如高大加工车间等场所。
d . 局部照明: 采用一般照明不能满足照度要求的场所, 应增设局部照明, 如工艺用房、加工车间等场所。
1 . 2 照明控制方式的选择
a . 灯具控制开关控制的光源数量不宜少于2 个( 单灯具除外) 。
b . 每个灯具开关控制的光源数量不宜太多。
c . 灯具按与侧窗平行分別控制。
d . 对部分光源实施声、光控制, 或全夜、半夜控制。
e . 公共区域、展厅、停车库( 场) 、建筑泛光照明等宜采用建筑设备监控系统控制。
f . 观众厅、会议室等宜采用智能照明控制系统控制。
1 . 3 照明光源、灯具及附件的选择
a . 根据光源的光效、色温、显色指数、寿命和价格选择高效节能型光源, 即每瓦输出的光通量高的光源, 如: T 系列细管径直管荧光灯、紧凑型荧光灯( 节能灯) 、HID 灯( 高强度气体放电灯) 、LED 灯( 发光二极管) 。
b . 灯具附件的选择, 主要是指镇流器的选择。《建筑照明设计标准》中规定: 自镇流荧光灯应配电子镇流器; 直管形荧光灯应配电子镇流器或节能型电感镇流器; 高压钠灯、金属卤化物灯应配节能型电感镇流器; 在电压偏差较大的场所, 宜配恒功率镇流器; 功率较小者可配电子镇流器。
2 建筑智能控制的节能措施
根据2007 年7 月1 日开始实施的《智能建筑设计标准》(GB / T 50314 - 2006) , 利用建筑智能控制技术达到节能的目的, 主要体现在对建筑设备的监控管理方面。建筑设备监控系统可以全方位地对建筑中各类机电设备的运行状态进行有效控制, 在满足建筑要求的前提下, 使各种设备均处于最佳运行状态, 从而实现最大限度节能的目的。近几年来, 随着专业化智能控制技术的深入和快速发展, 针对电气系统的控制, 推出了行之有效的变配电智能监控系统和智能照明控制系统。这些专业化控制系统的出现, 对建筑节能提供了具体的、行之有效的智能控制技术和手段。
3 供配电系统及电器产品的节能措施
3 . 1 合理设计供配电系统
a . 根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素, 合理设计供配电系统和选择供电电压,供配电系统应尽量简单可靠, 同一电压供电系统变配
电级数不宜多于两级。
b . 变电所应尽量靠近负荷中心, 以缩短配电半径, 减少线路损失, 企业内部变电所之间宜敷设联络线, 根据负荷情况, 可切除部分变压器, 从而降低损耗。
c . 根据负荷情况合理选择变压器容量、台数,其接线应能适应负荷变化时, 按经济运行原则灵活投切变压器。对分期投产企业, 宜采用多台变压器方案, 避免轻载运行增大损耗。
d . 按经济电流密度合理选择导线截面, 一般按年综合运行费用最小原则确定经济电流密度。
3 . 2 提高功率因数, 减少电能损失
a . 提高功率因数的意义: ①可减少线路损失;②可减少变压器的铜损; ③可减少线路及变压器的电压损失; ④可以增加发配电设备的供电能力。
b . 提高功率因数的措施: ①减少供用电设备的无功消耗, 提高企业的自然功率因数。②用静电电容器进行无功补偿。
3 . 3 无功功率补偿
对配电变压器进行无功补偿可提高功率因数, 有利于节能降耗。传统的低压补偿为“三相共补”, 适用于低压网络中单相负荷不大, 三相基本平衡的情况。随着生产、生活水平的不断提高, 大功率高压气体放电灯、计算机、网络设备等单相负载的大量采用, 使三相不平衡度增大。因此, 对配电变压器需要进行单相无功补偿, 即“单相分补”。但单纯的“单相分补”投资较高, 比“三相共补”增加20% ~ 30% 的投资。为更好地实现节能降耗, 建议采用“△ / Y 三相共补与单相分补相结合”的新型无功补偿方式。
3 . 4 电力电缆的选择
a . 电力电缆材质的选择: 电缆线路的有功电能损耗为Wt = Pt·τ, 其中, Pt 为三相线路中有功功率损耗, τ为最大负荷年损耗小时数。而参数Pt 主要取决于线路的电阻和感抗, 即导体材质、截面积及绝缘形式。相对于铝导体, 铜导体的导电率高且能耗低, 因此, 铜芯电力电缆在工程设计中被广泛使用。
b . 按经济电流选择: 电缆截面的选择除技术条件外, 另一个方面是经济条件, 即按经济电流选择。电气设计领域逐步同国际接轨, 陆续等同或等效采用国际电工标准, 推广应用IEC 287- 3- 2 / 1995 《电力电缆截面的经济最佳化》标准。
按经济电流条件及技术条件选择结果的比较: 通常按经济条件选择的截面大于按技术条件选择的截面1 ~ 2 级, 但也有按热稳定等技术条件选择的截面大的情况, 因此应该同时满足技术条件和经济电流条件, 取二者截面较大者。简化设计程序时, 可按允许载流量所选的截面放大1 ~ 2 级, 基本上能接近按经济电流条件所选择的结果。年最大负荷利用小时Tmax愈大, 经济电流值愈小, 反之愈大。经济寿命变化时, 经济截面变化不大。
由于按经济电流选择截面时, 截面较大, 使初期投资加大, 根据计算, 一般2 ~ 4 年即可收回投资。年最大负荷利用小时Tmax 愈大, 回收年限愈短。当超过回收年限之后, 因损耗减小每年可节约的费用逐年累计是十分可观的。即从发展的角度看, 按经济电流条件选择电缆有利于电缆的节能降耗。
3 . 5 配电变压器的节能措施
变压器节能的实质就是降低损耗、提高运行效率, 具体有以下几项措施:
a . 合理选择变压器的容量和台数。选择变压器的容量和台数时, 应根据负荷情况, 综合考虑投资和年运行费用, 对负荷进行合理分配, 选取容量与电力负荷相适应的变压器, 使其工作在高效区内。变压器效率与变压器负荷和损耗有关, 也与负荷的功率因数有关。一般情况下负荷率在0 . 3 ~ 0 . 75时, 是经济运行区; 负荷率在0 . 5 ~ 0 . 6 时, 变压器效率最高。负载一定时, 功率因数越高变压器效率亦越高。
b . 选用节能型变压器, 更换或改造高能耗的变压器。新建或改建工程应选用SL7、S9、SC( B) 9、SGB10、SGB11 - R 等节能型变压器。与老产品比, SL7无励磁调压变压器的空载损耗和短路损耗, 10kV系列分别降低41 . 5% 和13 . 9%; S9 系列与SL7 系列比, 其空载损耗和短路损耗又分别降低5 . 9% 和23 .3%; SGB11- R 系列卷铁芯干式变压器比SC( B) 9系列产品空载损耗降低40%, 空载电流降低70% ~85%; 比SGB10 系列变压器空载损耗降低24%, 负载损耗降低11.7%。
c . 加强运行管理, 实现变压器的经济运行。在企业负荷变化的情况下, 如投运变压器台数和数量不变, 其负荷率和运行效率都将发生变化, 使其超出经济运行范围。因此要及时投入或切除部分变压器, 以防止变压器轻载和空载运行。对长期轻载( 负荷率在30% 以下) 的變压器,必要时应按实际负荷更换小容量变压器, 以实现变压器节能的目的。
3 . 6 采取抑制谐波的技术措施
随着电气技术的飞速发展, 大量照明用的气体放电灯及电子镇流器、生活日用电器中变频空调器、计算机等非线性设备以及变频水泵、变频风机等设备的广泛应用, 均向电网输送了大量的高次谐波。谐波的产生会导致风机或水泵的电动机效率降低、发热增加, 从而缩短其使用寿命; 使变压器产生附加损耗,从而引起过热, 使绝缘介质老化加速, 导致绝缘损坏; 谐波电流会引起电气设备及配电线路过载导致短路, 甚至引发电气火灾。
谐波的抑制方法很多, 常用的方法有增加换流装置的脉动数、加装交流滤波装置、改善三相不平衡度、在用户进线处加装串联电抗器、采用有源滤波器/ 无源滤波器等新型滤波措施。谐波抑制措施的选择要根据谐波达标的水平、效果、经济性和技术成熟度等综合比较后确定, 从而抑制高次谐波造成的系统发热和损耗, 实现电气系统的节能。
3 . 7 节电装置的应用
自动稳压型交流电源集中控制节电装置, 采用“电磁平衡原理”节电技术, 通过装在内部的LC 无源滤波器抑制高次谐波造成的系统发热和损耗, 吸收系统内部的失真电能并转化成为有用电能, 通过装置本身的感抗和负荷系统的感抗形成互感, 可提高负荷系统电能的利用率, 即提高功率因数。节电装置串联接入电力系统中, 对系统输入电能进行集中控制与多方位管理, 改善电能质量, 将供电参数调整到负荷设备最合适的工作状态。
3 . 8 太阳能光伏发电
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,太阳每秒钟释放出来的能量, 相当于目前全世界一年内能源总消耗量的3 . 5 万倍。然而太阳能必须被高效地收集并转换为热能、电能等常规能源, 才能被充分利用。
国家《电力法》规定, 鼓励各企业使用清洁能源及可再生能源, 如风能、水能、太阳能等。太阳能是容易直接获取的清洁能源之一, 太阳光伏发电就是利用光生伏效应把太阳光能直接转化成电能的供电模式。太阳能光伏发电系统目前主要应用于太阳能热水、太阳能锅炉、太阳能照明( 太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等) 。随着太阳能光伏发电技术的不断发展完善和日趋成熟, 该系统将会广泛应用于各个领域。
4 结束语
无论是供电系统或用电设备, 都存在着节能的巨大潜力。为实现“节电能、降电耗”的目的, 在建筑电气设计中应正确设计供配电系统, 选用节能型电气产品, 更换改造低效率、高电耗设备, 并通过科学的管理, 实现供配电系统及用电设备的经济运行。
关键词：建筑电气节能措施
民用建筑的电力能耗问题日益突出, 如何“节电能、降电耗”, 进行电气节能设计已势在必行。在民用建筑中, 用电设备的电能消耗比例大致为: 制冷机组、空调器及新风机组等设备用电占40%~ 50%, 送/ 排风机及水泵等设备用电占10% ~ 15%,照明用电占20% ~ 30%, 电梯及厨房设备等其他设备用电占5% ~ 15%。根据上述电能消耗分析, 本文从建筑照明及其控制的节能、建筑智能控制的节能、供配电系统及电器产品的节能入手, 结合民用建筑设计的特点阐释“电气节能措施”的应用和选择。
1 建筑照明及其控制的节能措施
2004 年12 月1 日开始实施的《建筑照明设计标准》(GB 50034 - 2004) , 对照明节能提出了严格的要求, 其中6 . 1 . 2 ~ 6 . 1 . 7 条为强制性条文, 必须严格执行。它确定了不同场所相应的照明功率密度值, 并列出了现行值和目标值。
1 . 1 照明方式的选择原则
a . 一般照明: 即均匀照明, 用于对照度无特殊要求的场所, 如办公室、会议室等场所。
b . 分区一般照明: 同一场所不同区域有不同照度的要求, 如工艺用房、加工车间等场所。
c. 混合照明: 用于部分作业面照度要求较高,只采用一般照明不合理的场所, 如高大加工车间等场所。
d . 局部照明: 采用一般照明不能满足照度要求的场所, 应增设局部照明, 如工艺用房、加工车间等场所。
1 . 2 照明控制方式的选择
a . 灯具控制开关控制的光源数量不宜少于2 个( 单灯具除外) 。
b . 每个灯具开关控制的光源数量不宜太多。
c . 灯具按与侧窗平行分別控制。
d . 对部分光源实施声、光控制, 或全夜、半夜控制。
e . 公共区域、展厅、停车库( 场) 、建筑泛光照明等宜采用建筑设备监控系统控制。
f . 观众厅、会议室等宜采用智能照明控制系统控制。
1 . 3 照明光源、灯具及附件的选择
a . 根据光源的光效、色温、显色指数、寿命和价格选择高效节能型光源, 即每瓦输出的光通量高的光源, 如: T 系列细管径直管荧光灯、紧凑型荧光灯( 节能灯) 、HID 灯( 高强度气体放电灯) 、LED 灯( 发光二极管) 。
b . 灯具附件的选择, 主要是指镇流器的选择。《建筑照明设计标准》中规定: 自镇流荧光灯应配电子镇流器; 直管形荧光灯应配电子镇流器或节能型电感镇流器; 高压钠灯、金属卤化物灯应配节能型电感镇流器; 在电压偏差较大的场所, 宜配恒功率镇流器; 功率较小者可配电子镇流器。
2 建筑智能控制的节能措施
根据2007 年7 月1 日开始实施的《智能建筑设计标准》(GB / T 50314 - 2006) , 利用建筑智能控制技术达到节能的目的, 主要体现在对建筑设备的监控管理方面。建筑设备监控系统可以全方位地对建筑中各类机电设备的运行状态进行有效控制, 在满足建筑要求的前提下, 使各种设备均处于最佳运行状态, 从而实现最大限度节能的目的。近几年来, 随着专业化智能控制技术的深入和快速发展, 针对电气系统的控制, 推出了行之有效的变配电智能监控系统和智能照明控制系统。这些专业化控制系统的出现, 对建筑节能提供了具体的、行之有效的智能控制技术和手段。
3 供配电系统及电器产品的节能措施
3 . 1 合理设计供配电系统
a . 根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素, 合理设计供配电系统和选择供电电压,供配电系统应尽量简单可靠, 同一电压供电系统变配
电级数不宜多于两级。
b . 变电所应尽量靠近负荷中心, 以缩短配电半径, 减少线路损失, 企业内部变电所之间宜敷设联络线, 根据负荷情况, 可切除部分变压器, 从而降低损耗。
c . 根据负荷情况合理选择变压器容量、台数,其接线应能适应负荷变化时, 按经济运行原则灵活投切变压器。对分期投产企业, 宜采用多台变压器方案, 避免轻载运行增大损耗。
d . 按经济电流密度合理选择导线截面, 一般按年综合运行费用最小原则确定经济电流密度。
3 . 2 提高功率因数, 减少电能损失
a . 提高功率因数的意义: ①可减少线路损失;②可减少变压器的铜损; ③可减少线路及变压器的电压损失; ④可以增加发配电设备的供电能力。
b . 提高功率因数的措施: ①减少供用电设备的无功消耗, 提高企业的自然功率因数。②用静电电容器进行无功补偿。
3 . 3 无功功率补偿
对配电变压器进行无功补偿可提高功率因数, 有利于节能降耗。传统的低压补偿为“三相共补”, 适用于低压网络中单相负荷不大, 三相基本平衡的情况。随着生产、生活水平的不断提高, 大功率高压气体放电灯、计算机、网络设备等单相负载的大量采用, 使三相不平衡度增大。因此, 对配电变压器需要进行单相无功补偿, 即“单相分补”。但单纯的“单相分补”投资较高, 比“三相共补”增加20% ~ 30% 的投资。为更好地实现节能降耗, 建议采用“△ / Y 三相共补与单相分补相结合”的新型无功补偿方式。
3 . 4 电力电缆的选择
a . 电力电缆材质的选择: 电缆线路的有功电能损耗为Wt = Pt·τ, 其中, Pt 为三相线路中有功功率损耗, τ为最大负荷年损耗小时数。而参数Pt 主要取决于线路的电阻和感抗, 即导体材质、截面积及绝缘形式。相对于铝导体, 铜导体的导电率高且能耗低, 因此, 铜芯电力电缆在工程设计中被广泛使用。
b . 按经济电流选择: 电缆截面的选择除技术条件外, 另一个方面是经济条件, 即按经济电流选择。电气设计领域逐步同国际接轨, 陆续等同或等效采用国际电工标准, 推广应用IEC 287- 3- 2 / 1995 《电力电缆截面的经济最佳化》标准。
按经济电流条件及技术条件选择结果的比较: 通常按经济条件选择的截面大于按技术条件选择的截面1 ~ 2 级, 但也有按热稳定等技术条件选择的截面大的情况, 因此应该同时满足技术条件和经济电流条件, 取二者截面较大者。简化设计程序时, 可按允许载流量所选的截面放大1 ~ 2 级, 基本上能接近按经济电流条件所选择的结果。年最大负荷利用小时Tmax愈大, 经济电流值愈小, 反之愈大。经济寿命变化时, 经济截面变化不大。
由于按经济电流选择截面时, 截面较大, 使初期投资加大, 根据计算, 一般2 ~ 4 年即可收回投资。年最大负荷利用小时Tmax 愈大, 回收年限愈短。当超过回收年限之后, 因损耗减小每年可节约的费用逐年累计是十分可观的。即从发展的角度看, 按经济电流条件选择电缆有利于电缆的节能降耗。
3 . 5 配电变压器的节能措施
变压器节能的实质就是降低损耗、提高运行效率, 具体有以下几项措施:
a . 合理选择变压器的容量和台数。选择变压器的容量和台数时, 应根据负荷情况, 综合考虑投资和年运行费用, 对负荷进行合理分配, 选取容量与电力负荷相适应的变压器, 使其工作在高效区内。变压器效率与变压器负荷和损耗有关, 也与负荷的功率因数有关。一般情况下负荷率在0 . 3 ~ 0 . 75时, 是经济运行区; 负荷率在0 . 5 ~ 0 . 6 时, 变压器效率最高。负载一定时, 功率因数越高变压器效率亦越高。
b . 选用节能型变压器, 更换或改造高能耗的变压器。新建或改建工程应选用SL7、S9、SC( B) 9、SGB10、SGB11 - R 等节能型变压器。与老产品比, SL7无励磁调压变压器的空载损耗和短路损耗, 10kV系列分别降低41 . 5% 和13 . 9%; S9 系列与SL7 系列比, 其空载损耗和短路损耗又分别降低5 . 9% 和23 .3%; SGB11- R 系列卷铁芯干式变压器比SC( B) 9系列产品空载损耗降低40%, 空载电流降低70% ~85%; 比SGB10 系列变压器空载损耗降低24%, 负载损耗降低11.7%。
c . 加强运行管理, 实现变压器的经济运行。在企业负荷变化的情况下, 如投运变压器台数和数量不变, 其负荷率和运行效率都将发生变化, 使其超出经济运行范围。因此要及时投入或切除部分变压器, 以防止变压器轻载和空载运行。对长期轻载( 负荷率在30% 以下) 的變压器,必要时应按实际负荷更换小容量变压器, 以实现变压器节能的目的。
3 . 6 采取抑制谐波的技术措施
随着电气技术的飞速发展, 大量照明用的气体放电灯及电子镇流器、生活日用电器中变频空调器、计算机等非线性设备以及变频水泵、变频风机等设备的广泛应用, 均向电网输送了大量的高次谐波。谐波的产生会导致风机或水泵的电动机效率降低、发热增加, 从而缩短其使用寿命; 使变压器产生附加损耗,从而引起过热, 使绝缘介质老化加速, 导致绝缘损坏; 谐波电流会引起电气设备及配电线路过载导致短路, 甚至引发电气火灾。
谐波的抑制方法很多, 常用的方法有增加换流装置的脉动数、加装交流滤波装置、改善三相不平衡度、在用户进线处加装串联电抗器、采用有源滤波器/ 无源滤波器等新型滤波措施。谐波抑制措施的选择要根据谐波达标的水平、效果、经济性和技术成熟度等综合比较后确定, 从而抑制高次谐波造成的系统发热和损耗, 实现电气系统的节能。
3 . 7 节电装置的应用
自动稳压型交流电源集中控制节电装置, 采用“电磁平衡原理”节电技术, 通过装在内部的LC 无源滤波器抑制高次谐波造成的系统发热和损耗, 吸收系统内部的失真电能并转化成为有用电能, 通过装置本身的感抗和负荷系统的感抗形成互感, 可提高负荷系统电能的利用率, 即提高功率因数。节电装置串联接入电力系统中, 对系统输入电能进行集中控制与多方位管理, 改善电能质量, 将供电参数调整到负荷设备最合适的工作状态。
3 . 8 太阳能光伏发电
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,太阳每秒钟释放出来的能量, 相当于目前全世界一年内能源总消耗量的3 . 5 万倍。然而太阳能必须被高效地收集并转换为热能、电能等常规能源, 才能被充分利用。
国家《电力法》规定, 鼓励各企业使用清洁能源及可再生能源, 如风能、水能、太阳能等。太阳能是容易直接获取的清洁能源之一, 太阳光伏发电就是利用光生伏效应把太阳光能直接转化成电能的供电模式。太阳能光伏发电系统目前主要应用于太阳能热水、太阳能锅炉、太阳能照明( 太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等) 。随着太阳能光伏发电技术的不断发展完善和日趋成熟, 该系统将会广泛应用于各个领域。
4 结束语
无论是供电系统或用电设备, 都存在着节能的巨大潜力。为实现“节电能、降电耗”的目的, 在建筑电气设计中应正确设计供配电系统, 选用节能型电气产品, 更换改造低效率、高电耗设备, 并通过科学的管理, 实现供配电系统及用电设备的经济运行。