李一力

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100085)

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·建筑電氣節(jié)能·

建筑電氣節(jié)能綜述

李一力

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100085)

介紹了建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容,闡述了建筑物內(nèi)的用電設(shè)備、用電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn),敘述了建筑能源管理系統(tǒng)的構(gòu)成和作用。提出在建筑物的運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中,需找到節(jié)能與舒適度的最佳結(jié)合點(diǎn),既滿足了基本舒適度,又能最大程度地降低設(shè)備能耗,減少運(yùn)營(yíng)成本。

建筑電氣; 節(jié)能設(shè)計(jì); 用電設(shè)備; 用電系統(tǒng); 建筑能源管理系統(tǒng)

李一力(1959—),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事建筑電氣方面的工作。

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的32%,其中建筑所使用的電能消耗在建筑能耗中占主導(dǎo)地位,因此建筑電氣節(jié)能就顯得尤為重要。

1 建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)能型供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)能型供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指在保證安全用電的基礎(chǔ)上,充分滿足建筑物內(nèi)設(shè)備用電要求的前提下,按照相關(guān)規(guī)程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求,確定節(jié)能型供電系統(tǒng),包括對(duì)變壓器、開關(guān)柜、配電柜、配電箱等供配電設(shè)備的選擇和安放空間位置的確定;對(duì)供電纜、電線截面的選擇和走向空間位置的確定等。在建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)從安全性、可靠性、適用性及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮,通過(guò)合理的設(shè)計(jì),使建筑的供配電系統(tǒng)更節(jié)能,并便于使用。

1.2 變壓器選擇

(1) 選擇節(jié)能型變壓器。根據(jù)負(fù)荷情況,綜合考慮變壓器的投資和年運(yùn)行費(fèi)用,在對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行合理分配的前提下,采用需用系數(shù),選取相應(yīng)容量的變壓器。

(2) 為減小變壓器損耗,需選用多臺(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使用臺(tái)數(shù),選用大容量的變壓器。如需要裝機(jī)容量為4 000 kVA時(shí),可選用2臺(tái)2 000 kVA的變壓器,而不選用4臺(tái)1 000 kVA的變壓器。

(3) 確定合理負(fù)載率,保證變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,一般變壓器的負(fù)荷率宜為75%～85%。

1.3 用電負(fù)荷三相平衡

建筑電氣設(shè)計(jì)中,盡可能使供電系統(tǒng)做到三相供電平衡,否則會(huì)造成各相的電流不平衡,產(chǎn)生不平衡電流。對(duì)于有中性線引出的低壓供電系統(tǒng),當(dāng)三相平衡時(shí),中性線上電流為0;當(dāng)三相不平衡時(shí),中性線上將有電流流過(guò),產(chǎn)生損耗,使供配電系統(tǒng)整體的損耗增加。

1.4 功率因數(shù)與節(jié)能

系統(tǒng)中的用電設(shè)備,如電動(dòng)機(jī)、變壓器、線路、氣體放電燈中的鎮(zhèn)流器都是感性的,會(huì)產(chǎn)生滯后無(wú)功,需要從系統(tǒng)中引入超前的無(wú)功相抵消。超前的無(wú)功功率從系統(tǒng)經(jīng)高、低壓線路傳輸至用電設(shè)備時(shí),就會(huì)有電流流動(dòng),又因?qū)Ь€有電阻,在線路上就會(huì)產(chǎn)生有功損耗。這部分損耗完全可以通過(guò)就地補(bǔ)償來(lái)抵消。因此,在設(shè)計(jì)中采用電容器就地補(bǔ)償?shù)姆绞?使線路上的無(wú)功傳輸量減少,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)集中加裝電容器的補(bǔ)償方式,以減少區(qū)域變電站到用戶的高壓線路上的無(wú)功傳輸,提高了用戶處的功率因數(shù)。當(dāng)功率因數(shù)提升后,視在功率及輸入電流減小,供電系統(tǒng)的效率提高。

2 照明系統(tǒng)節(jié)能

隨著人們對(duì)能源和環(huán)境之間的關(guān)系日益關(guān)注,建筑物如何充分利用天然光源越來(lái)越受到廣泛重視。建筑內(nèi)的房間白天應(yīng)盡可能利用自然光源,這樣可以大大降低人工照明能耗,對(duì)于降低建筑能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前應(yīng)用太陽(yáng)光的方法主要有光導(dǎo)管法、采光擱板、高窗反射、棱鏡窗等。

(1) 照明光源的節(jié)能。優(yōu)先采用高效光源,如LED、鹵素節(jié)能燈等。隨著LED燈的迅速發(fā)展,發(fā)光光纖與LED光源結(jié)合,已經(jīng)在建筑物立面裝飾、室內(nèi)裝飾及水下裝飾中被廣泛應(yīng)用。照明光源的主要性能指標(biāo)有:① 光量特性指標(biāo),包括總光通量、亮度、光強(qiáng)、紫外線量和熱輻射量等;② 光色特性指標(biāo),包括光色、色溫、顯色性、色度和光譜分布等;③ 電氣特性指標(biāo),包括消耗功率、燈電壓、燈電流、啟動(dòng)特性和干擾噪聲等。主要光源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要光源的技術(shù)指標(biāo)

(2) 照明燈具的節(jié)能。燈具的效率是指燈具所消耗的電能中有多少可轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?。因燈具的結(jié)構(gòu)、使用的反射材料、散熱條件不同,燈具的效率也不相同,在滿足使用要求的前提下,宜使用效率高的燈具。

(3) 動(dòng)態(tài)照明控制裝置。采用各種形式的燈光控制器對(duì)照明燈具的亮度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),以適應(yīng)各種場(chǎng)景對(duì)亮度的需求。可采用分區(qū)控制燈光或適當(dāng)增加照明開關(guān)的方式。房間內(nèi)可使用小型集散型房間燈光控制系統(tǒng);樓梯、道路等公共空間,可采用觸摸式延時(shí)開關(guān)、聲光控制開關(guān)、紅外線延時(shí)開關(guān)等,以減少公共空間燈具的使用時(shí)間。室外路燈宜采用自動(dòng)時(shí)間控制開關(guān)。

(4) 加強(qiáng)對(duì)光源與燈具的清掃與維修工作。當(dāng)光源與燈具灰塵嚴(yán)重時(shí),照度下降。因此,應(yīng)當(dāng)重視照明器的清掃工作,將其作為管理的重要內(nèi)容之一。

(5) 及時(shí)更換發(fā)光效率降低的光源,特別是大面積使用的熒光燈,雖然增加了設(shè)備投資,但實(shí)際上是改善了工作環(huán)境,使照明效果達(dá)到燈具的初始狀態(tài)。

3 電機(jī)節(jié)能

減少電機(jī)電能損耗的主要途徑是提高電機(jī)的效率和功率因數(shù),可以從以下幾個(gè)方面著手。

(1) 根據(jù)負(fù)荷特性合理地選擇節(jié)能型電動(dòng)機(jī)。了解負(fù)荷的特性,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境及負(fù)載特點(diǎn)選用合適的電動(dòng)機(jī),以提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的效率和功率因數(shù)。

(2) 對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),加裝變頻調(diào)速裝置,通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,減少電能消耗。

(3) 根據(jù)負(fù)載情況,對(duì)電動(dòng)機(jī)采取就地補(bǔ)償。對(duì)距離供電點(diǎn)較遠(yuǎn)的大容量連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),應(yīng)采取電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率就地補(bǔ)償裝置。單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償容量不宜過(guò)大,以免產(chǎn)生自勵(lì)磁過(guò)電壓。

4 電熱設(shè)備節(jié)能

推廣使用蓄熱型電熱水器、電鍋爐。在用電低谷時(shí),將電能轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存起來(lái),當(dāng)需要用熱時(shí)再將熱能取出,這對(duì)用電戶與發(fā)電廠、供電公司都會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能

中央空調(diào)系統(tǒng)是大型建筑中不可缺少的能耗系統(tǒng),其能耗占建筑耗電量的40%～60%。

建筑采用的中央空調(diào)都是以最不利工況為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。絕大多數(shù)大型公共建筑空調(diào)水系統(tǒng)均為定流量系統(tǒng),容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需要。若根據(jù)空調(diào)負(fù)荷變化對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行變流量控制調(diào)節(jié),可達(dá)到節(jié)能的目的。

理想的空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點(diǎn)。

(1) 當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),空調(diào)系統(tǒng)能夠保持冷卻水和冷凍水的供、回水溫差不變。

(2) 水系統(tǒng)運(yùn)行能耗最小,當(dāng)負(fù)荷減少時(shí),冷水機(jī)組運(yùn)行能耗隨之減少,水泵運(yùn)行能耗隨負(fù)荷的減小而相應(yīng)減少。

(3) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單,一次投資少。

6 冰蓄冷空調(diào)節(jié)能

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是在電力負(fù)荷較低的夜間,利用低谷價(jià)區(qū)的電能資源,使用制冷機(jī)進(jìn)行制冷,將電能轉(zhuǎn)換為冷量,利用儲(chǔ)存容器將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái);而在電力負(fù)荷較高的白天電能需求高峰期,把冰中所儲(chǔ)存的冷量有序地釋放出來(lái),以滿足建筑物制冷空調(diào)系統(tǒng)的需求,從而補(bǔ)充高峰電能供應(yīng)不足或利用峰谷電價(jià)差節(jié)省電費(fèi),降低空調(diào)設(shè)備容量。

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)。

(1) 利用夜晚低谷時(shí)段工作,達(dá)到平衡峰谷用電負(fù)荷,緩解供電高峰時(shí)電力供應(yīng)緊張的狀況。

(2) 制冷主機(jī)的容量減少,節(jié)省增容費(fèi)用。

(3) 總用電設(shè)施容量減少,可減少基本電費(fèi)支出。

(4) 利用低谷段電價(jià)的優(yōu)惠,減少運(yùn)行電費(fèi)。

(5) 冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔容量減少。

(6) 制冷設(shè)備經(jīng)常在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)上運(yùn)行,效率高,制冷機(jī)效率高。

(7) 充分利用夜間氣溫變化,提高機(jī)組產(chǎn)冷量。

冰蓄冷空調(diào)的缺點(diǎn)是需要增加蓄冷池,故一次投資增加,并且水泵的輸送能耗增加,蓄冷池等設(shè)備存在冷量損失的狀況。

7 電梯節(jié)能

電梯作為建筑物垂直交通運(yùn)輸設(shè)備,其向上、向下運(yùn)行的工作量大致相同,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通常是工作在拖動(dòng)耗電或制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)下。當(dāng)電梯輕載上行、重載下行以及電梯平層前逐步減速時(shí),驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,過(guò)去這部分電能消耗在電動(dòng)機(jī)的繞組或外加的能耗電阻上。前者會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱,后者需要外接大功率制動(dòng)電阻,不僅浪費(fèi)了大量的電能,還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致機(jī)房升溫。有時(shí)還需要在電梯機(jī)房增加空調(diào)降溫,從而進(jìn)一步增加了能耗。利用變頻器交—直—交的工作原理,將機(jī)械能產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,并利用電能回饋器將電能回饋至供電電網(wǎng),供建筑物內(nèi)的其他用電設(shè)備使用,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗電網(wǎng)電能下降,起到節(jié)約電能的目的。

8 建筑能源管理系統(tǒng)

大型公共建筑能源管理系統(tǒng)可幫助管理者對(duì)建筑物的用能情況進(jìn)行量化管理,提供各個(gè)計(jì)量點(diǎn)實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù),然后通過(guò)分析判斷用能的合理性,并找到解決方案。例如,針對(duì)某辦公建筑下班以后還有一定電能消耗的情況,通過(guò)加裝能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。供電系統(tǒng)能耗采集結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)能耗采集結(jié)構(gòu)

能源管理系統(tǒng)的作用如下:

(1) 量化管理,了解各類負(fù)荷的消耗量。

(2) 進(jìn)行目標(biāo)管理,對(duì)大廈的各類負(fù)荷制定用能指標(biāo),提高能源使用效率。

(3) 實(shí)時(shí)了解整個(gè)建筑的用能情況,對(duì)能耗系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(4) 與同類建筑進(jìn)行橫向用能比較,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)解決。

(5) 呈現(xiàn)節(jié)能改造效果。當(dāng)用電設(shè)備實(shí)施節(jié)能改造后,可以立即呈現(xiàn)改造的效果。

(6) 校核供電部門高壓計(jì)量的準(zhǔn)確性,避免不必要的損失。

(7) 當(dāng)供電支路發(fā)生故障跳閘時(shí),管理者獲知支路跳閘的時(shí)間,對(duì)分析事故原因提供幫助。

9 結(jié) 語(yǔ)

建筑電氣節(jié)能應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)、合理原則,考慮實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益,不能因?yàn)楣?jié)能而過(guò)高地浪費(fèi)投資。應(yīng)保證用于節(jié)能的投資費(fèi)用在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行回收,要有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)能與舒適度始終是一對(duì)矛盾共同體,若舒適度高,則節(jié)能效果差;若舒適度降低,則節(jié)能效果好。因此在建筑物的運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中,還需要不斷地實(shí)踐摸索,找到節(jié)能與舒適的最佳結(jié)合點(diǎn),既滿足基本舒適,又能最大程度地降低設(shè)備能耗與運(yùn)營(yíng)成本。

[1] 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50378—2014[S].

[2] 陳眾勵(lì),趙濟(jì)安,邵民杰.建筑電氣節(jié)能技術(shù)綜述[J].低壓電器,2007(4):1-5.

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施節(jié)能專篇——電氣[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2007.

Overview of Building Electrical Energy-saving

LI Yili

(Beijing Tsinghua Tongheng Urban Planning and Design Institute, Beijing 100085, China)

This paper introduced the key points of building electrical energy-saving design,and expounded the main energy-saving points of electrical equipments and electrical systems in buildings.The structure and functions of building energy management system were described.It is pointed out that the best combined point between the energy saving and comfort is found out in the course of building use,which can meet the basic comfort and reduce the energy consumption of the device and the operating costs.

building electric; energy-saving design; building electrical equipment; building electricity system; building energy management system

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0001-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.001

2016-09-16