吳濤

(南京長江都市建筑設計股份有限公司, 江蘇 南京 210002)

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電氣節(jié)能技術在蘇寧易購總部設計中的應用

吳濤

(南京長江都市建筑設計股份有限公司, 江蘇 南京 210002)

結(jié)合蘇寧易購總部的電氣設計,從變壓器的選擇、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電動機的選擇與控制、能效管理系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、BIM技術等方面,詳細分析了電氣節(jié)能技術在實際工程設計中的應用,可對類似項目電氣設計提供參考。

電氣節(jié)能; 變壓器; 供配電系統(tǒng); 照明系統(tǒng); 電動機; 能效管理系統(tǒng)

吳 濤(1975—),男,高級工程師,從事電氣設計方面的工作。

0 引 言

蘇寧易購總部位于南京市徐莊軟件園,總建筑面積為24.2萬m2,其中地上9層,建筑面積為12.03萬m2;地下2層,建筑面積為12.17萬m2,集客戶體驗區(qū)、IT研發(fā)區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)休閑區(qū)、生活保障區(qū)等多個功能區(qū)于一體。

蘇寧易購總部定位為綠色建筑,因此設計中充分考慮了項目的特點及所處地域環(huán)境,以綠色集成設計為理念,綜合采用多種綠色建筑技術,力求達到資源、能源的最大化利用,創(chuàng)造高效、健康、節(jié)能的新型綠色辦公建筑。

1 項目供配電系統(tǒng)

蘇寧易購總部負荷等級為一級,從周邊電網(wǎng)引入兩路獨立電壓20 kV、頻率50 Hz的電源電纜。該項目計算總?cè)萘繛?4 057 kW,視在功率為14 796 kVA,每路20 kV進線的供電容量為9 617 kVA。

-1F設置20 kV高壓配電房1座,變配電所4座,柴油發(fā)電機房1座。-1F電氣機房平面分布如圖1所示。各變電所的變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 各變電所的變壓器參數(shù)

圖1 -1F電氣機房平面分布

(1) 高壓系統(tǒng)。高壓主結(jié)線采用單母線分段,中間設母聯(lián)開關的配電型式,每路進線電源均能承擔所有的一、二級負荷,出線為12路20 kV高壓電纜,通過專用橋架引至各變電所。

(2) 低壓系統(tǒng)。各變電所低壓主結(jié)線均采用單母線分段,中間設母聯(lián)開關的配電型式。主進線開關、聯(lián)絡開關之間設電氣、機械聯(lián)鎖。柴油發(fā)電機所提供的自備電源與變壓器配出的斷路器采用ATS開關互投于應急母線。

(3) 應急電源系統(tǒng)。當兩路市電均停電時,發(fā)電機在30 s內(nèi)能投入正常帶負荷運行,機組電源與市電不得并列運行。樓內(nèi)的應急照明采用集中式EPS電源供電,切換時間不大于1.5 s。樓內(nèi)特別重要的負荷,如消防中心、安全防范機房及信息通信系統(tǒng)等加設UPS電源處理。

2 變壓器和柴油發(fā)電機組的節(jié)能計算和選擇

2.1 變壓器和柴油發(fā)電機組的安裝容量計算

電氣負荷計算是供電總體方案確定、變電所規(guī)劃、配電系統(tǒng)設計及配電平面設計的依據(jù)[1-2]。針對該項目的特點,在變壓器安裝容量計算時主要采取以下節(jié)能措施。

(1) 辦公建筑的用電量相對穩(wěn)定,裝修照明用電量不會很大,主要用電負荷為計算機等辦公設備。因此,在負荷計算時,各類系數(shù)采用中間偏下的數(shù)值,以避免變壓器的實際運行負荷率偏低。

(2) 研究各類用電負荷運行的特點,采用經(jīng)濟合理的計算方法,盡量滿足建設方各部門提出的大容量用電需求。以下分析兩個典型部門的用電需求。

① 餐廳及廚房所占區(qū)域約為2萬m2,后勤部門提供的設備安裝總?cè)萘糠浅８?。考察廚房制作的流程和時間段,并調(diào)研類似規(guī)模廚房運營情況,計算時采用以下原則:各中、西式廚房內(nèi)的需要系數(shù)為0.8～0.9;變電所低壓側(cè)母線上的同期系數(shù)取較低數(shù)值,為0.5～0.6,不僅考慮廚房使用的同期率,也兼顧了廚房與其他區(qū)域的錯峰用電。因此,總計算容量大幅降低,但仍能滿足各廚房的用電需求。

② 行政部門提出露天廣場每年要進行“蘇寧之夏”演出,舞臺用電量至少需要1 000 kW。采取了化整為零的方法,把容量分攤至各變電所。同時,通過用電的管控手段,該部分用電量可不計入相關變壓器的容量。

(3) 項目復雜程度高,為進一步提高消防電源的可靠性,柴油發(fā)電機組中計入消防設備的容量。按全樓消防設備的總?cè)萘縼磉x取柴油發(fā)電機組,其臺數(shù)和安裝容量將遠大于常規(guī)計算所需,不僅初期投資和維保費用過高,甲方無法接受,也不利于節(jié)能減排。采取只按一處最不利場所發(fā)生火災時所需消防設備總?cè)萘康姆椒▉碛嬎?。?jīng)分析,-1F餐廳和廚房區(qū)域火災時涉及到相關消防設備,總用電量最高。按該方法選取的柴油發(fā)電機組既可最大程度滿足火災時消防設備供電的需求,又相對經(jīng)濟、合理。

2.2 配電變壓器應取較大的負載率

電力變壓器的銅損等于鐵損時,變壓器的損失率最低,節(jié)能效果最佳,負載率為0.5～0.6。實際選擇負載率時,還應考慮以下因素:

(1) 新建民用項目在投入使用的前幾年,人員和設備通常處于半飽和或更低的狀態(tài),變壓器負載率很低。雖然低負荷率不會造成低功率因數(shù),但若負荷率太低,負載的功率因數(shù)也很低,自動補償柜很難補償。因現(xiàn)在無功補償普遍采用分級自動投入,負載太輕,無功補償投入一級都會過補償,不投就欠補,所以功率因數(shù)很低。供電部門對用戶“大馬拉小車”導致的過低功率因數(shù)會處以罰款,電費顯著增加,雖然理論計算的變壓器損失率最小,但事實上不僅未起到節(jié)能作用,反而浪費運營成本。

(2) 一般情況下,擴初階段的單位功率密度取值較保守,施工圖階段的預留容量及需要系數(shù)取值較大,造成變壓器負載率在計算書中體現(xiàn)得較合理,但實際運營時卻處在較低的水平。這在調(diào)研的幾個大型辦公總部的變電所運營中均有明顯的體現(xiàn)。

綜上所述,辦公建筑的變壓器負載率在計算時應取偏上的數(shù)值,為0.8～0.9。通過回訪易購總部一年的運營情況,其員工人數(shù)已經(jīng)達到設計值的60%,除冷凍機房專用變壓器外,各變壓器負載率最高峰約為40%,隨著員工人數(shù)增加及設備滿載運行,變壓器負載率可達70%以上。因此,該項目變壓器在計算取值時仍略顯保守。

2.3 選擇變壓器臺數(shù)

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(shù),選用大容量的變壓器,不僅可降低變電所造價,而且可減少變電所的面積。該項目各變電所內(nèi)選取1 600 kVA或2 000 kVA的變壓器,如需選2臺2 000 kVA變壓器時,不選4臺1 000 kVA變壓器。

2.4 選用節(jié)能型變壓器

變壓器節(jié)能的實質(zhì)就是降低其有功功率損耗,提高其運行效率。減少變壓器的有功功率損耗,應重點考慮變壓器設備的選擇。

變壓器的空載損耗又稱鐵損,由鐵心的渦流損耗及漏磁損耗組成,其值與硅鋼片的性能及鐵心制造工藝有關,而與負荷大小無關。變壓器滿載損耗又稱銅損,主要是由通過變壓器繞組的電流大小決定的,所以在選擇變壓器時應盡量選擇阻值較小的銅芯作為繞組。

該項目優(yōu)先選用SCB10節(jié)能型變壓器,都是選用高導磁的優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片和先進工藝制造的新系列節(jié)能變壓器,與上一代產(chǎn)品比,其空載和短路損失分別降低5.9%和23.33%。

3 供配電系統(tǒng)及線路

根據(jù)負荷容量及分布、供電距離、用電設備特點等因素,該項目同一電壓等級的配電級數(shù)應盡量不多于兩級,這樣配電系統(tǒng)較經(jīng)濟合理、簡單可靠。

由于該項目體量巨大,干支線等線路總長度達近幾萬米,線路上總有功損耗較大,所以需減少線路上的耗損。設計時,首先采用電導率較小的銅芯材質(zhì)做導線,其次使各變電所盡量靠近負荷中心,以縮短線路的供電距離,減少線路損失。以低壓線路的供電半徑不超過200 m為原則,-1F設置4個變電所。4#變電所緊鄰冷凍機房,低壓出線柜兼做各類水泵控制柜,不僅最大限度地減少線損,更節(jié)約了大量的水泵控制柜。

各低壓配電間均靠近強電豎井,防止支線回頭輸送電能;高低壓線路盡量直線布置,以減少導線長度。

4 照明系統(tǒng)節(jié)能

該項目以辦公、會議、車庫為主,照明量大而面廣,照明節(jié)能的潛力很大。在滿足照度、色溫、顯色指數(shù)等相關技術參數(shù)要求的前提下,照明節(jié)能設計應從以下幾方面著手。

4.1 選擇高效光源

按照各工作場所的條件,選用不同種類的高效光源,可降低電能消耗,節(jié)約能源。

(1) 一般辦公、展廳、會議室等室內(nèi)場所照明,優(yōu)先采用LED燈或熒光燈等高效光源,在綜合比較成本、壽命、光衰等因素后,推薦采用T5細管、U型管節(jié)能熒光燈,以滿足GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[3]對照明功率密度的限值要求。

(2) 高大空間和室外場所的一般照明、道路照明,應采用金屬鹵化物燈及LED燈。

(3) 車道、停車位采用優(yōu)質(zhì)LED光源,照明功率密度控制在1.5 W/m2以下,雖然一次性投入成本增加,但運行成本大幅降低。

(4) 氣體放電燈應采用能耗低的鎮(zhèn)流器,且熒光燈和氣體放電燈必須安裝電容器,補償無功損耗。

4.2 選用高效燈具

除裝飾需要外,應優(yōu)先選用直射光通比例高、控光性能合理、反射或透射系數(shù)高、配光特性穩(wěn)定的高效燈具。

(1) 非對稱光分布燈具具有減弱工作區(qū)反射眩光的特點,在一定的照度下能大大改善視覺條件,獲得較高的效能。

(2) 選用變質(zhì)速度較慢材料制成的燈具,如玻璃燈罩、搪瓷反射罩等,以減少光能衰減率。

(3) 室內(nèi)燈具效率不應低于70%(裝有遮光柵格時不應低于55%),室外燈具效率不應低于40%(但室外投光燈不應低于55%)。

4.3 照明控制和管理

(1) 充分利用自然光,根據(jù)自然光的照度變化,分組、分片控制燈具啟停。設計時適當增加照明開關點,即每個開關控制燈的數(shù)量不要過多,以便管理和節(jié)能。

(2) 對于大面積場所的照明設計,采取分區(qū)控制方式,增加照明分支回路控制的靈活性,無需照明的地方不開燈,有利于節(jié)能。

(3) 有條件時應盡量采用調(diào)光器,定時開關、節(jié)電開關等控制電氣照明。公共場所可采用集中控制的照明方式,并安裝帶延時的光電自動控制裝置。

(4) 室外照明系統(tǒng)中采用光電控制器代替照明開關,有利于節(jié)電。

5 電動機節(jié)能

5.1 選用高效率電動機

GB 18613—2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》[4]規(guī)定自2011年7月1日起,中小型異步電機實施國家二級能效標準。因此,目前占據(jù)市場份額85%的Y系列電動機在2011年7月1日后應淘汰,即不能生產(chǎn)、使用、銷售。GB 18613—2012規(guī)定2016年9月1日起,中小型異步電機實施新標國家二級(即IE3超高效電機)。該項目在選擇符合上述規(guī)定的電動機時,明確要求至少執(zhí)行GB 18613—2006,即采用IE2級高效電機。IE2級高效電機從導磁材料選擇、沖片研究、通風改善等方面進行改進,比一般電動機損耗下降約20%,效率平均比Y系列電機提高2.76%,長期連續(xù)負荷可節(jié)約大量能耗。

5.2 選用交流變頻調(diào)速裝置

推廣交流電機調(diào)速節(jié)電技術,也是當前我國節(jié)約電能的措施之一。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓、頻率,根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓,進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。另外,變頻器還具有過流、過壓、過載保護等功能。

該項目為滿足通排風和室內(nèi)溫度的要求,設置了大功率的冷凍、冷卻水泵及大量的空調(diào)機、排風機、新風機。對水泵、空調(diào)機、新風機的控制,設計時采用了交流變頻調(diào)速裝置。通過該項目近一年的電動機耗電數(shù)據(jù)的分析,安裝變頻調(diào)速器的風機節(jié)能近30%。

6 綜合能效管理系統(tǒng)

大型公共建筑要節(jié)能降耗,管理控制及計量應先行一步。該項目采用綜合能效管理系統(tǒng),主要包括建筑設備管理系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)和空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[6]。

(1) 建筑設備管理系統(tǒng)?；诮ㄖ锾匦?機電設備在建筑物內(nèi)的布置較為分散,在BA系統(tǒng)選擇時采用TCP/IP樓宇控制系統(tǒng),利于建筑物樓內(nèi)結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)提供的信息端口和建筑設備專網(wǎng)完成DDC控制器與BA系統(tǒng)管理主機的組網(wǎng),使系統(tǒng)的配置更加靈活、易于擴展和調(diào)整。DDC控制器對空調(diào)、公共照明、給排水、變電所、電梯等系統(tǒng)中的相關設備進行現(xiàn)場監(jiān)控,通過計算機網(wǎng)關接入BA系統(tǒng),實現(xiàn)統(tǒng)一的管理。

(2) 建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)。該項目設置建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)對各樓層照明、動力、空調(diào)、給水的能耗進行監(jiān)測,對建筑的能耗數(shù)據(jù)信息進行采集、分析,實現(xiàn)對能源的有效管理,并達到降低能耗的目的。該系統(tǒng)由能效管理工作站、采集計量單元和數(shù)字式計量表(電能表、水表)組成。能效管理工作站和采集計量單元設在大樓監(jiān)控中心內(nèi),通過設備專網(wǎng)連接分散各處的數(shù)字式計量表進行集中管理和自動監(jiān)測。系統(tǒng)定期采集數(shù)字式計量表的數(shù)據(jù),自動生成報表,可通過Internet上傳至江蘇省建筑能效檢測數(shù)據(jù)中心,接受主管部門的集中監(jiān)管,也可通過信息導引及發(fā)布系統(tǒng)將能耗圖表進行實時發(fā)布顯示。

(3) 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)建筑物控制質(zhì)量狀況(地下室CO濃度、地上CO2濃度),自動控制排風、新風機組的啟停和新風閥門的開啟度。

(4) 能源管理平臺。建設能源管理平臺對各用能設備和系統(tǒng)進行測控、節(jié)能、能源分配管理。能源管理平臺軟件是基于客戶端/服務器的軟件程序包,客戶端通過IE瀏覽器即可監(jiān)視和控制受控對象以及執(zhí)行一系列的能量分析和設備優(yōu)化管理功能,管理整個BA系統(tǒng)。能源管理平臺提供圖形化頁面,顯示實時系統(tǒng)信息,可調(diào)整參數(shù);發(fā)生報警,及時彈出畫面,提醒用戶,并按照預定響應執(zhí)行;顯示實時或歷史記錄的曲線和底層歷史數(shù)據(jù);提供機電設備優(yōu)化運行策略,確保各類設備系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠,并達到節(jié)能和環(huán)保的管理要求。

7 光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)該建筑自身特點及DGJ 32/J 96—2010《公共建筑節(jié)能設計標準》[5]的相關規(guī)定,選擇在室外1F公交車站頂棚上建設1座太陽能光伏電站,安裝容量為變壓器總裝機容量的0.002,即40 kW。該太陽能光伏系統(tǒng)為地下2層汽車庫的照明提供電源。

太陽能光伏系統(tǒng)由光伏電池方陣、控制器、并網(wǎng)逆變器組成,不配置蓄電池組,可優(yōu)先采用并網(wǎng)的工作方式。該方案省去蓄電池及其維護的費用,避免了廢舊電池造成的環(huán)境污染。系統(tǒng)發(fā)電量相對于整個易購總部的用電量來說,比重非常小。

8 BIM技術的應用

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術可實現(xiàn)建筑全生命周期的信息共享,實現(xiàn)建筑全生命周期可預測、可控制。蘇寧易購總部外形及結(jié)構(gòu)復雜多變,二維無法完整表達,機電施工難度大,安裝易出現(xiàn)返工?；谝陨显?該項目采用了BIM技術。電氣專業(yè)Autodesk Revit MEP軟件在土建模型平臺上可視化協(xié)同設計,實現(xiàn)了各專業(yè)間信息的及時、精確、完整交流。Autodesk Revit 軟件整合的模型如圖2所示。

在協(xié)同平臺上電氣專業(yè)與水暖等專業(yè)可進行管線綜合碰撞檢查,集中解決、調(diào)整各種沖突。經(jīng)檢查,各類橋架、明敷管線在設計過程中與其他專業(yè)各類碰撞點有200多處。通過協(xié)同平臺和專業(yè)碰撞軟件,及時發(fā)現(xiàn)了這些問題,并快速響應,同步進行變更。據(jù)估算,該項目減少因碰撞各安裝工序不合理返工節(jié)約的成本在總造價的1%以上。利用BIM技術對水管、風管、母線、橋架等的路由及尺寸進行優(yōu)化,找出最短的路由及最優(yōu)的尺寸,節(jié)省材料的需用量而降低成本達總造價的3%以上。

圖2 Autodesk Revit 軟件整合的模型

9 結(jié) 語

蘇寧易購總部項目已于2014年底投入使用,同年獲得住房和城鄉(xiāng)建設部頒發(fā)的的綠色建筑三星設計標識。多項電氣節(jié)能技術的運用為這座新型的綠色辦公建筑提供了有力的保障。隨著該項目的正常運營,將進一步了解和跟蹤這些電氣節(jié)能技術的實際效果,并在今后設計中不斷完善和改進。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[2] 《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

[3] 建筑照明設計標準:GB 50034—2013[S].

[4] 中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級:GB 18613—2012[S].

[5] 公共建筑節(jié)能設計標準:DGJ 32/J 96—2010[S].

[6] 王厚余.住宅電氣設計芻議 [J].建筑電氣,2016(1):3-4.

捕捉行業(yè)熱點 引領行業(yè)發(fā)展

學術交流園地 產(chǎn)品推介平臺

Application of Electrical Energy-saving Technology in Suning Headquarters Design

WU Tao

(Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co., Ltd., Nanjing 210002, China)

Combined by the electrical design of Suning headquarters project,this paper discussed the reasonable applications of electrical energy-saving technology in detail,including the selection of transformer,power supply and distribution system,lighting system,motor selection and control,energy and efficiency management system,photovoltaic system,and building information modeling(BIM),etc.It could provide references for similar engineering design.

electrical energy-saving; transformer; power supply and distribution system; lighting system; motor; energy and efficiency management system

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0010-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.003

2016-07-06