張 釗 / 汪其銳(山東省建筑設(shè)計研究院， 山東 濟(jì)南 250001)

1 低壓電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展歷史

從20世紀(jì)70年代開始，面對突如其來的能源危機(jī)，建筑電氣節(jié)能技術(shù)在各國逐漸引起重視。1974年，第一部建筑電氣節(jié)能相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(采暖空調(diào)等方面)由法國率先制定和頒布，這一標(biāo)準(zhǔn)一度被歐洲各國所采用。1979年，美國能源信息機(jī)構(gòu)(EIA)成立，主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計美國建筑物電氣能源消耗和支出數(shù)據(jù)，并每5年進(jìn)行一次全面修訂。1979年，日本頒布了樓宇住宅建筑保溫隔熱基本標(biāo)準(zhǔn)，并對所用的各種保溫材料參數(shù)規(guī)定了最小限度標(biāo)準(zhǔn)。目前，發(fā)達(dá)國家已逐步建立起完善的節(jié)能技術(shù)機(jī)構(gòu)，并制定了較為成熟的低壓電氣節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[1]。

我國建筑電氣節(jié)能技術(shù)起步較發(fā)達(dá)國家晚，于1986年頒布了《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》，節(jié)能率要求達(dá)到30%，是我國第一部建筑節(jié)能法規(guī)。之后又頒布了《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-建筑節(jié)能專篇》，其中電氣專業(yè)協(xié)調(diào)各個專業(yè)起到了關(guān)鍵作用。2007年，中國建筑電氣節(jié)能專業(yè)委員會在清華大學(xué)建筑節(jié)能中心成立，標(biāo)志著我國建筑低壓電氣節(jié)能技術(shù)邁出了實質(zhì)性的一步。

目前，我國工業(yè)化和城鄉(xiāng)建筑發(fā)展迅猛，其建筑規(guī)模與速度前所未有，建筑能耗總量呈直線上升趨勢，而低壓電氣能耗占能耗總量的30%左右，因此設(shè)計人員有必要采取相應(yīng)措施達(dá)到低壓電氣節(jié)能的目的。

2 低壓電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

低壓電氣節(jié)能技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)相當(dāng)完善，本文將從變配電室的選址、變壓器的選型、供配電纜的設(shè)計以及電動機(jī)和照明光源的選擇來對現(xiàn)有的電氣節(jié)能技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 變配電室節(jié)能

在實際項目設(shè)計中，變配電所的選取應(yīng)盡可能處在負(fù)荷中心，來減少電能在線路上的損耗，電源供電半徑應(yīng)在250m以內(nèi)。在高層建筑中，配電室應(yīng)盡量靠近電井，對于比較大的建筑主體，應(yīng)設(shè)置兩個甚至更多電井。對于低壓配電級數(shù)不宜超過3級。

2.2 變壓器節(jié)能

變壓器是供配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計，其損耗可達(dá)到整個電氣損耗的10%左右。損耗來源主要包括有功損耗和無功損耗。有功損耗主要是鐵耗Pfe和銅耗 。

其中：Kn，Ke為磁滯系數(shù)，取決于變壓器鐵心材料；f為電源頻率，Bm為最大磁通密度，Kf為波形系數(shù)，t為硅鋼片厚度；

其中：I為變壓器線圈電流，R為變壓器線圈電阻[2]。

因此，我們選擇變壓器時應(yīng)盡量選擇新型材料的節(jié)能型變壓器，現(xiàn)在推廣的 S10、S11等高效系列，鐵損比普通變壓器降低15%，而非晶合金變壓器鐵損比S10、S11系列降低1/3；提高變壓器二次側(cè)功率因數(shù)，從而減少負(fù)荷電流，減小變壓器銅損。

另外，變壓器能量轉(zhuǎn)換效率與變壓器負(fù)載率之間不是完全成正比例關(guān)系，其高效能量轉(zhuǎn)換效率是在變壓器處于50%～60%的負(fù)載下獲得，所以在確定變壓器容量時，應(yīng)該從技術(shù)性、節(jié)能性、高效性等方面，合理進(jìn)行變壓器選型設(shè)計，以防出現(xiàn)容量選擇過大或者過小的現(xiàn)象，因為這樣不僅達(dá)不到變壓器的運(yùn)行要求，而且還增加了自身損耗，造成資源浪費(fèi)。

表1 電壓與損耗對應(yīng)關(guān)系

2.3 供配電纜節(jié)能

由于傳輸導(dǎo)線上存在電阻，所以電能在傳輸過程中會不可避免地產(chǎn)生有功功率損耗。降低線路損耗的途徑主要有：選用電阻率較小的材質(zhì)電纜，如新型耐熱鋁合金線纜；增大導(dǎo)線截面；鋪設(shè)供電線路時盡量走直線，使線路最短，避免迂回供電。如表1所示，對電網(wǎng)進(jìn)行升級改造，將原有線路升壓，能大幅降低可變損耗。

2.4 動力節(jié)能

在現(xiàn)代建筑中，電動機(jī)不可或缺，其損耗主要包括有功功率損耗和無功功率損耗，因此，提高其功率因數(shù)及工作效率是目前應(yīng)對電動機(jī)節(jié)能的主要措施。

電動機(jī)無功功率主要是在系統(tǒng)中建立旋轉(zhuǎn)磁場，異步電動機(jī)由于其工作原理，其轉(zhuǎn)速始終小于同步轉(zhuǎn)速，因此無功損耗較大；而同步電機(jī)轉(zhuǎn)速基本接近同步轉(zhuǎn)速，無功損耗較小。因此，選擇電動機(jī)時，可以盡量選用功率因數(shù)較高的同步電機(jī)，以節(jié)省電能損耗。

磁性材料采用高品質(zhì)、低損耗的高效異步電機(jī)(Y、YZ、YZR等系列)，相對于普通異步電機(jī)，其功率因數(shù)可提高8%左右，總損耗減少20%～30%，因此，在使用異步電動機(jī)時，盡量選擇高效電機(jī)。目前，在工控領(lǐng)域，變頻器使用廣泛，它采用V/F控制策略，調(diào)節(jié)電機(jī)電源頻率從而間接改變異步電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器內(nèi)部包含存儲器，可以存儲簡單程序，按照設(shè)定好的程序，變頻器會每隔一段時間自動檢測電機(jī)負(fù)載變化，而后根據(jù)負(fù)載變化情況調(diào)用存儲器內(nèi)部程序，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高異步電機(jī)在空載時的效率，節(jié)約了電能，因此在設(shè)計時盡可能采用交流變頻調(diào)速技術(shù)[3]。

此外，我們還可以通過無功補(bǔ)償來提高電機(jī)的功率因數(shù)。對于容量較大且傳輸距離較遠(yuǎn)的電機(jī)(風(fēng)機(jī)、水泵、傳送帶等)，采取就地補(bǔ)償措施，其他可采取集中補(bǔ)償措施。

2.5 照明節(jié)能

合理選擇節(jié)能燈具是建筑電氣節(jié)能的重要措施，高效白熾燈光通量15lm/W，普通熒光燈T12的光通量為55lm/W，而三基色T8、T5熒光燈光通量為93lm/W，LED為70～150 lm/W。因此，在選擇照明燈具時，盡可能選擇三基色T8、T5熒光管或LED燈。

對于燈具的控制，在建筑內(nèi)部走廊，樓梯等處，可采用具有聲光控制功能的燈具；對于大的建筑主體(廣場、廠房等)可采用集中控制措施，如果有條件的話，還可以采用計算機(jī)智能控制，不僅可以達(dá)到節(jié)能的目的，還能制造出難以想象的燈光效果。

3 低壓電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 智能建筑系統(tǒng)

智能建筑可以采用現(xiàn)代計算機(jī)、信息通信和自動控制技術(shù)，全面地對建筑物中的各類設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和控制，在滿足建筑功能的前提下，進(jìn)行最大限度的節(jié)能。跟據(jù)工程實際經(jīng)驗可知，通過高效的節(jié)能設(shè)備和先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)的實施，智能建筑能耗比普通建筑能耗降低30%～50%[4]。

例如供配電系統(tǒng)，智能建筑系統(tǒng)可檢測到設(shè)備電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及設(shè)備是否運(yùn)行良好，而后，這些數(shù)據(jù)會被導(dǎo)入計算機(jī)程序，計算機(jī)會根據(jù)當(dāng)前外部因素(如負(fù)載變化，天氣情況等)，在后臺自動實時調(diào)節(jié)各個設(shè)備，以達(dá)到最優(yōu)節(jié)能狀態(tài)。

智能建筑系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境以最優(yōu)的控制方式對照明進(jìn)行控制，不僅節(jié)約了大量電能，還延長了燈具使用壽命，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，同時，不同的控制方式還能增強(qiáng)建筑的視覺美觀效果。

3.2 太陽能光伏技術(shù)

近幾年，隨著光伏逆變技術(shù)的發(fā)展，住戶安裝太陽能電池板到建筑物屋頂，終端通過控制器、逆變器連接到公共電網(wǎng)，消費(fèi)者與電網(wǎng)互聯(lián)，形成家庭光伏系統(tǒng)已經(jīng)成為可能[5]。這種具有并網(wǎng)功能的太陽能光伏混合動力系統(tǒng)既可以給電網(wǎng)供電，也可以使用電網(wǎng)供電，這樣不僅保證了能源的有效利用，減少了無用損耗，而且在關(guān)鍵時刻還具有電力調(diào)峰的作用。目前，太陽能熱水器已經(jīng)在建筑行業(yè)里廣泛采用，節(jié)能效果明顯。濟(jì)南市規(guī)定自2014年起，100m以下新建高層住宅強(qiáng)制推廣使用太陽能。相信，在不久的將來太陽能光伏技術(shù)會更加完善。此外新能源還有風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岷秃四艿龋€處于不成熟階段。

4 結(jié)束語

我國雖然是一個資源大國，但同時也是一個能耗大國，人均資源占有率只有世界平均水平的一半，節(jié)能減排尤為重要。因此，電氣設(shè)計人員在設(shè)計低壓電氣系統(tǒng)時，應(yīng)盡量考慮上述幾種節(jié)能措施，盡最大努力為國家電氣節(jié)能貢獻(xiàn)自己的力量。

[1]廖述龍.高層樓宇建筑電氣節(jié)能技術(shù)研究[D].上海: 上海交通大學(xué), 2012.

[2]于澤勇.建筑電氣節(jié)能問題研究[D].濟(jì)南: 山東大學(xué), 2009.

[3]李蔚.電氣節(jié)能技術(shù)在工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑電氣,2009,28(19):66-70.

[4]林毅宏.智能樓宇建筑電氣節(jié)能現(xiàn)狀及節(jié)能設(shè)計研究[J].自動化與儀器儀表,2011,28:135-136.

[5]牛美英, 渠基磊, 李明.電氣節(jié)能措施與電力新能源的開發(fā)問題探討[J].價值工程, 2013,24:75-76.