王 忠， 張 俊

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙410012）

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及政府對(duì)節(jié)能的重視，民用建筑內(nèi)的用電設(shè)備已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。 隨著LED 燈具的普及，個(gè)人電腦等電子設(shè)備的大量使用，以及變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、空調(diào)等用電設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，建筑內(nèi)各類負(fù)載的實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)發(fā)生了很大的變化。 筆者依托現(xiàn)有建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比平時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中功率因數(shù)的取值以及采取的功率因數(shù)補(bǔ)償措施，對(duì)功率因數(shù)取值進(jìn)行一定程度上的修正，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，希望各位同行批評(píng)指正。

1 研究現(xiàn)狀

筆者搜集了幾個(gè)大型甲級(jí)設(shè)計(jì)院的負(fù)荷計(jì)算書，統(tǒng)計(jì)了計(jì)算書中各類型負(fù)載的功率因數(shù)，取值如表1 所示。

各負(fù)載類型功率因數(shù)設(shè)計(jì)值 表1

各設(shè)計(jì)院在變壓器低壓母線無(wú)功補(bǔ)償容量的配置上，有兩大主流設(shè)計(jì)原則，一部分設(shè)計(jì)院以表1中各類負(fù)載功率因數(shù)為依據(jù)，通過(guò)一系列計(jì)算，求得變壓器低壓側(cè)的自然功率因數(shù)后換算取得需配置的補(bǔ)償容量；而大部分設(shè)計(jì)院以變壓器容量的30%配置補(bǔ)償容量。

國(guó)家電網(wǎng)科［2008］1 282 號(hào)文件《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》對(duì)10／0.4kV變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償容量做了如下規(guī)定：配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量可按變壓器最大負(fù)載率為75%，負(fù)荷自然功率因數(shù)為0.85 考慮，補(bǔ)償?shù)阶儔浩髯畲筘?fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，或按照變壓器容量的20%～40%進(jìn)行配置。 這份文件發(fā)布于2008 年，到目前負(fù)載功率因數(shù)有了較大變化，同時(shí)大部分設(shè)計(jì)院在按此文件設(shè)計(jì)時(shí)，直接取中間值，即按30%變壓器容量配置補(bǔ)償容量，而未按該條文前半段所描述的方法進(jìn)行計(jì)算。

2 案例分析

以某辦公樓及某商業(yè)綜合體能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取照明、風(fēng)冷熱泵、地源熱泵、電梯、LED屏、數(shù)據(jù)機(jī)房等負(fù)載在實(shí)際運(yùn)行中的功率因數(shù)，同時(shí)對(duì)變壓器低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

案例一是位于湖南省長(zhǎng)沙市的一棟多層辦公建筑。 建筑高度23.9m，辦公樓地上7 層，面積約2.5 萬(wàn)m2，配套地下室面積約1.1 萬(wàn)m2。 項(xiàng)目設(shè)有兩臺(tái)1 000kVA 變壓器。 項(xiàng)目特點(diǎn)：內(nèi)部照明大范圍采用LED 光源；空調(diào)采用風(fēng)冷熱泵與地源熱泵相結(jié)合的形式；內(nèi)部辦公以電腦、打印機(jī)等設(shè)備為主。

案例二是位于湖南省長(zhǎng)沙市某個(gè)集辦公、商業(yè)于一體的大型商業(yè)綜合體建筑，地下共4 層為車庫(kù)、設(shè)備用房及部分商業(yè)，地上裙房共7 層均為商業(yè)，另包含3 棟超高層塔樓均為辦公。 項(xiàng)目建筑面積約50 萬(wàn)m2，共設(shè)9 個(gè)配電房，24 臺(tái)變壓器，變壓器安裝容量共計(jì)33 600kVA。 本文僅對(duì)該項(xiàng)目商業(yè)部分變壓器數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。 項(xiàng)目特點(diǎn)：內(nèi)部照明大范圍采用LED 光源；空調(diào)采用水冷主機(jī)＋燃?xì)忮仩t結(jié)合的中央空調(diào)形式，影院空調(diào)采用風(fēng)冷熱泵形式；商業(yè)部分為集購(gòu)物、餐飲、娛樂(lè)為一體的大型商業(yè)綜合體。

2.1 負(fù)載實(shí)測(cè)功率分析

2 個(gè)案例中各項(xiàng)負(fù)載實(shí)測(cè)功率因數(shù)值如表2所示。

各負(fù)載類型功率因數(shù)實(shí)測(cè)值 表2

部分負(fù)載在凌晨等低谷時(shí)間段待機(jī)功率因數(shù)與平時(shí)運(yùn)行功率因數(shù)有較大差距，考慮待機(jī)功率較小，對(duì)配電系統(tǒng)功率因數(shù)影響有限，所以表格中未體現(xiàn)待機(jī)時(shí)間段的功率因數(shù)。

由于所測(cè)數(shù)據(jù)均取自于能耗監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，筆者對(duì)辦公樓項(xiàng)目每個(gè)回路實(shí)際所接負(fù)載進(jìn)行了核實(shí)，各回路標(biāo)注負(fù)載與實(shí)際所帶負(fù)載互相對(duì)應(yīng)；但商業(yè)綜合體項(xiàng)目由于物業(yè)方管理規(guī)定等原因，無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核實(shí)，故不能確保各回路標(biāo)注負(fù)載與實(shí)際所帶負(fù)載互相對(duì)應(yīng)。

從各項(xiàng)負(fù)載功率因數(shù)實(shí)測(cè)值來(lái)看，由于負(fù)載特點(diǎn)、設(shè)備品牌等原因，不同項(xiàng)目同類型負(fù)載功率因數(shù)有一定差距，但大體接近。 下面以辦公樓項(xiàng)目照明的日功率因數(shù)曲線圖為例進(jìn)行分析。

辦公樓普通照明日功率因數(shù)曲線如圖1 所示，辦公樓普通照明除了在夜晚負(fù)載較低的情況下功率因數(shù)在－0.7 左右，其他時(shí)間段功率因數(shù)基本在－0.9 左右。

圖1 普通照明日功率因數(shù)曲線

辦公樓的普通照明負(fù)載一直處于容性狀態(tài)，而商業(yè)綜合體項(xiàng)目功率因數(shù)基本維持在0.92 以上，呈高功率因數(shù)的感性狀態(tài)。 對(duì)比兩個(gè)項(xiàng)目的負(fù)載情況，辦公樓項(xiàng)目的普通照明負(fù)載中除了LED 照明外，還有大量的個(gè)人電腦，筆者推測(cè)這些個(gè)人電腦可能是導(dǎo)致辦公樓項(xiàng)目普通照明功率因數(shù)呈容性的主要原因，但出于條件限制，目前無(wú)法對(duì)這個(gè)推測(cè)進(jìn)行核實(shí)。

無(wú)論是辦公項(xiàng)目還是商業(yè)綜合體項(xiàng)目，從整體來(lái)看，普通照明負(fù)載的功率因數(shù)實(shí)測(cè)值相對(duì)于平時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中功率因數(shù)取值均有較大區(qū)別。

辦公樓空調(diào)主機(jī)包括風(fēng)冷熱泵、地源熱泵，從圖2～3 數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)冷熱泵和地源熱泵的實(shí)際功率因數(shù)都在0.9 左右。 平時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的功率因數(shù)0.8 相對(duì)偏低。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)（風(fēng)冷熱泵）日功率因數(shù)曲線

圖3 空調(diào)系統(tǒng)（地源熱泵）日功率因數(shù)曲線

生活水泵作為純動(dòng)力負(fù)載，并未呈現(xiàn)出明顯的感性狀態(tài)，功率因數(shù)基本接近于1。 目前生活水泵普遍采用變頻水泵，筆者通過(guò)查閱一些資料了解到，單變頻器輸入端功率因數(shù)較低，約為0.7～0.75，但大部分變頻器都在內(nèi)部加裝了電抗器，使得變頻器調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到了0.95 以上。 平時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)生活水泵的功率因數(shù)取值均為0.8，相對(duì)實(shí)測(cè)值偏低。 生活水泵日功率因數(shù)曲線見圖4。

圖4 生活水泵日功率因數(shù)曲線

根據(jù)圖5 電梯系統(tǒng)日功率因數(shù)曲線顯示，電梯設(shè)備功率因數(shù)在較大幅度內(nèi)變化。 電梯的拽引電機(jī)有一般電機(jī)、變頻電機(jī)、永磁同步電機(jī)等形式，運(yùn)行工況也較復(fù)雜，這些都會(huì)直接影響到電梯功率因數(shù)的表現(xiàn)，同時(shí)由于能耗監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，無(wú)法完整反映數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況。 但考慮到本樣本中電梯用電量在建筑能耗中占比較小，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的整體功率因數(shù)影響也較小，故不再展開討論。

圖5 電梯系統(tǒng)日功率因數(shù)曲線

弱電機(jī)房屬于常年穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)載，無(wú)論是功耗還是功率因數(shù)都很穩(wěn)定，如圖6 所示，實(shí)測(cè)出功率因數(shù)均接近于1 或呈－0.98 左右的低容性狀態(tài)，平時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中選取的0.85 相對(duì)較低。

圖6 弱電機(jī)房日功率因數(shù)曲線

2.2 無(wú)功補(bǔ)償投入情況

根據(jù)對(duì)兩個(gè)案例的實(shí)地考察，了解到配電房低壓補(bǔ)償量基本按變壓器容量的30%配置。 由于變配電所電容補(bǔ)償投入情況無(wú)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況及從物業(yè)管理人員處了解到的情況看，不同變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容投入情況各不相同：辦公樓兩臺(tái)變壓器無(wú)功補(bǔ)償電容在絕大部分時(shí)間未投入，系統(tǒng)整體自然功率因數(shù)均維持在較高的水平；而商業(yè)綜合體無(wú)功補(bǔ)償電容普遍投入率偏低，空調(diào)系統(tǒng)專用變壓器補(bǔ)償電容投入率相對(duì)較高，但高負(fù)荷時(shí)投入容量也不足補(bǔ)充容量的30%。

筆者調(diào)取了辦公樓變壓器低壓出線開關(guān)處的功率因數(shù)數(shù)據(jù)，分別摘取了空調(diào)季節(jié)和非空調(diào)季節(jié)中某一天的數(shù)據(jù)，如圖7～8 所示。

圖7 變壓器低壓側(cè)（2019－8－11）日功率因數(shù)曲線

圖8 變壓器低壓側(cè)（2019－10－21）日功率因數(shù)曲線

非空調(diào)季節(jié)，變壓器低壓側(cè)功率因數(shù)基本在－0.8～－0.98，呈容性狀態(tài)運(yùn)行；空調(diào)季節(jié)，白天功率因數(shù)基本在感性0.97 以上，而夜間也變?yōu)榱巳菪誀顟B(tài)。 考慮非空調(diào)季節(jié)空調(diào)沒(méi)有運(yùn)行，負(fù)載以容性的照明負(fù)載為主，故長(zhǎng)期處于容性狀態(tài)運(yùn)行。 空調(diào)季節(jié)呈感性的空調(diào)負(fù)載在白天投入運(yùn)行，將運(yùn)行狀態(tài)由容性變?yōu)榱烁行誀顟B(tài)。

由此可見，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，變壓器補(bǔ)償容量配置大多數(shù)情況下可能偏高，補(bǔ)償投入率偏低，造成了較大的一次投資浪費(fèi)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 負(fù)荷計(jì)算功率因數(shù)取值優(yōu)化

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)建議綜合考慮所帶負(fù)載特性，如照明燈具是否大量采用LED燈、空調(diào)主機(jī)是否為變頻空調(diào)、電梯是否為變頻電機(jī)等，根據(jù)負(fù)載特性合理選擇功率因數(shù)取值，為無(wú)功補(bǔ)償容量的配置提供更加準(zhǔn)確合理的數(shù)據(jù)支撐。

筆者根據(jù)對(duì)以上兩個(gè)案例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出各類型負(fù)載功率因數(shù)設(shè)計(jì)參考值供參考，如表3所示。

各類型負(fù)載功率因數(shù)設(shè)計(jì)參考值 表3

3.2 無(wú)功補(bǔ)償容量配置優(yōu)化

在設(shè)計(jì)過(guò)程中配置電容補(bǔ)償容量時(shí)，建議充分參考負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，同時(shí)針對(duì)負(fù)荷計(jì)算可能出現(xiàn)的誤差留有一定裕量，不要盲目地根據(jù)變壓器容量來(lái)確定補(bǔ)償容量。

同時(shí)考慮到目前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，有大量負(fù)載在運(yùn)行過(guò)程中呈容性狀態(tài)，建議在配置無(wú)功補(bǔ)償措施時(shí)，適當(dāng)考慮采用基于電力電子技術(shù)的靜止無(wú)功發(fā)生裝置SVG，該設(shè)備采用全控型半導(dǎo)體器件組成的逆變電路，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，可以對(duì)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)感性、容性雙向快速補(bǔ)償和連續(xù)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，民用建筑內(nèi)的用電設(shè)備也發(fā)生了翻天覆地的變化，電力電子、智能化等更多的新技術(shù)應(yīng)用在各種用電設(shè)備上。 用電設(shè)備的功率因數(shù)情況也隨之發(fā)生了較大變化。 設(shè)計(jì)師在進(jìn)行民用建筑配電設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮負(fù)載實(shí)際情況，選用合理的功率因數(shù)取值，同時(shí)結(jié)合負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，合理確定無(wú)功補(bǔ)償方案，在滿足政策、規(guī)范要求的前提下，以經(jīng)濟(jì)的投資，提供最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。