陳 旭

(故宮博物院,北京 100009)

1 概述

我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)電能，它直接關(guān)系各個(gè)行業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性，博物館行業(yè)也不例外，充足、穩(wěn)定的供電，是博物館良好、有序開(kāi)放的基礎(chǔ)，是文物妥善保存的前提。目前，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求的增加，我國(guó)電力行業(yè)的供應(yīng)能力不足，電力資源變得緊張，可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律[1]。

1961年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，故宮博物院被定為全國(guó)第一批重點(diǎn)文物保護(hù)單位，它是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最為完整的木質(zhì)結(jié)構(gòu)古建筑，被聯(lián)合國(guó)教科文組織列為“世界文化遺產(chǎn)”。近年，故宮博物院各項(xiàng)事業(yè)不斷發(fā)展，開(kāi)放面積大幅增加，服務(wù)設(shè)施逐漸完善，各類(lèi)展覽不斷推陳出新，呈多樣化發(fā)展，同時(shí)，整體電能消耗也在不斷增加。對(duì)故宮博物院來(lái)說(shuō)，降低電能損耗能夠有效緩解電力資源緊張產(chǎn)生的壓力，同時(shí)也能提高用電效率、節(jié)省相關(guān)費(fèi)用，故用電節(jié)能工作的開(kāi)展顯得十分必要。本文結(jié)合故宮博物院供用電和電能消耗現(xiàn)狀，對(duì)用電節(jié)能措施進(jìn)行研究，提出供電合理化建議和管理措施建議。

2 故宮供用電及電能消耗現(xiàn)狀

故宮博物院屬于特大型博物館建筑，占地面積約為72萬(wàn)m2，東西寬753 m，南北長(zhǎng)961 m，有大小宮殿70多座，房屋9 000余間，具有用電面積大，用電建筑多的特點(diǎn)。目前，故宮整體供電主要依靠東、西兩個(gè)高壓配電室，分別建設(shè)于故宮東半部和西半部。故宮屬于古建筑群，內(nèi)部均為磚木結(jié)構(gòu)，在防火等級(jí)方面，并不符合高壓配電室對(duì)建筑的要求；故宮內(nèi)部建筑較為密集，配電室選址時(shí)較難深入負(fù)荷中心，增加了低壓側(cè)的供電半徑；故宮采取院落型建筑方式，院落彼此相鄰，受限于院落的地上、地下條件及周?chē)ㄖ?，低壓電纜路由經(jīng)常會(huì)繞道敷設(shè)，進(jìn)一步增加了供電半徑，甚至超出合理供電半徑；另外，由于各個(gè)院落或區(qū)域功能劃分和用電量不同，常需單獨(dú)敷設(shè)低壓電纜，以致低壓電纜數(shù)量較多。電纜每月電能損耗計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W——每月電能損耗，kWh/月;

I——電流，A;

R——電纜阻值，Ω/km；

NP——電纜芯數(shù)，根;

L——電纜長(zhǎng)度，km;

T——每月用電時(shí)間，h。

由公式可知，電纜電能損耗與電纜長(zhǎng)度、阻值均成正比，如供電電纜較長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)增加電纜的電能損耗，且故宮低壓電纜數(shù)量較多，大大增加了損耗[2]。

另外，變壓器的電能損耗在整個(gè)配電系統(tǒng)中也占有非常大的比例。目前，故宮東、西配電室的變壓器為SCB10系列干式變壓器，生產(chǎn)安裝于10多年前，相比現(xiàn)在的新型變壓器，節(jié)能技術(shù)相對(duì)落后。

近年故宮博物院電能消耗情況如表1所示，可以看出，故宮電能消耗巨大，且隨著近年的不斷發(fā)展，用電量整體呈上漲趨勢(shì)。

表1 故宮博物院近年電能消耗情況 kWh

配電系統(tǒng)中不必要的電能損耗不僅降低了電能的傳輸效率，而且增加了供電成本，如通過(guò)技術(shù)手段和管理措施，提高電能傳輸率和利用率，那么對(duì)減少故宮博物院的運(yùn)行成本，降低發(fā)電能源的消耗都是有極大幫助的。

3 用電節(jié)能措施及優(yōu)化策略

3.1 供電合理化

1)配電設(shè)備的改造和優(yōu)化。

變壓器損耗包含有功損耗和無(wú)功損耗，在變壓器選型、設(shè)計(jì)中，如果僅僅關(guān)注有功損耗，則難以良好的控制損耗[2]。改造配電設(shè)備時(shí)，應(yīng)合理選用新型節(jié)能型變壓器。首先，新型節(jié)能變壓器可以降低鐵損和銅損，SCB13系列干式變壓器鐵損比SCB10系列降低30%，銅損也能降低10%[3]，大大提高傳輸效率，而且具有體積小、重量輕、便于安裝、維護(hù)方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)；其次，新型變壓器可以針對(duì)故宮博物院晝夜負(fù)荷落差大這種情況，自由調(diào)節(jié)運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能損耗的有效控制，在用電高峰期提高負(fù)荷，能夠保證電能傳輸?shù)母臃€(wěn)定，在用電低峰期調(diào)低負(fù)荷，能夠降低線路的傳輸消耗，盡量將負(fù)荷率控制在75%左右以滿足變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件。

在電力系統(tǒng)的配電線路中，會(huì)存在大量的無(wú)功電流，導(dǎo)致配電線路中的能量損耗不斷增加，嚴(yán)重降低了變壓器利用率，影響用戶(hù)電壓[1]。在更新變壓器時(shí)，還應(yīng)配套更新無(wú)功補(bǔ)償裝置，使用電容器對(duì)變壓器和高壓用電設(shè)備的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高功率因數(shù)和電網(wǎng)質(zhì)量，最大限度地降低由于無(wú)功電流而導(dǎo)致的損耗。如果用電設(shè)備距離較遠(yuǎn)，且設(shè)備比較分散，可權(quán)衡設(shè)備投資成本和節(jié)能費(fèi)用，選擇性的使用就地補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

2)供電線路的優(yōu)化。

故宮博物院低壓電纜數(shù)量較多，電纜敷設(shè)距離較長(zhǎng)，增加了電纜電能損耗，且電纜過(guò)長(zhǎng)還會(huì)產(chǎn)生電壓降，降低電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，嚴(yán)重者還可能影響用電設(shè)備，造成電氣事故。在供電線路設(shè)計(jì)和改造中，可通過(guò)深入研究故宮地上、地下建筑結(jié)構(gòu)，在保護(hù)文物古建的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)電纜路由，減少電纜敷設(shè)長(zhǎng)度，降低電能損耗的同時(shí)還能減少電纜投資費(fèi)用；另外，還可以通過(guò)降低電纜阻值的方式控制電纜損耗，電纜阻值計(jì)算公式如下：

(2)

其中，ρ為電阻率;S為電纜橫截面積，m2。

由式(2)可知，電纜的阻值與電阻率成正比，與橫截面積成反比。在電纜設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，常根據(jù)發(fā)熱條件選型，雖然節(jié)約了初期投資費(fèi)用，避免了電纜發(fā)熱產(chǎn)生的損耗，但未考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行后電纜電阻產(chǎn)生損耗，此部分產(chǎn)生的電能費(fèi)用可能更高；如按照經(jīng)濟(jì)電流選型，雖然增加電纜橫截面積，提高了初期投資，但降低了電纜電阻產(chǎn)生的損耗，隨著使用時(shí)間的增加，初期增加的投資費(fèi)用可在幾年內(nèi)收回。以下為三條供電線路的電纜選型及運(yùn)行情況對(duì)比[3]，如表2所示。

表2 電纜選型及運(yùn)行情況對(duì)比

故宮博物院用電時(shí)間集中在7:30～17:30，按照北京市城區(qū)非居民電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)(京發(fā)改[2019]758號(hào))，綜合考慮峰谷平電價(jià)計(jì)費(fèi)時(shí)段，平均電價(jià)取1.05元/kWh，根據(jù)式(1)，3條線路在不同電纜選型方式下，能耗對(duì)比如表3所示。

在線路1中，按經(jīng)濟(jì)電流型選型比發(fā)熱條件選型的初期投資多8 132元，但每月電能損耗減少165.72元，約4.2年就能收回初期增加的投資；同理，線路2中，約6.7年能收回初期增加的投資；線路3中，約10年能收回初期增加的投資。

表3 電纜選型及電能損耗對(duì)比

綜上，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)綜合考慮電纜型號(hào)、電纜路由、電纜費(fèi)用、負(fù)載情況、使用年限等，在滿足使用需求的前提下，合理選擇電纜截面，減少電能損耗，降低總體費(fèi)用，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 電能管理系統(tǒng)的建設(shè)

科學(xué)化管理是用電節(jié)能的重要手段之一，合理使用電能管理系統(tǒng)可以提高電能利用率、降低運(yùn)維費(fèi)用、減少能源消耗。通過(guò)記錄分析每個(gè)區(qū)域的負(fù)荷、損耗等數(shù)據(jù)，可以在電纜更新、電氣設(shè)備改造時(shí)，提供可靠的數(shù)據(jù)支持，挖掘更多節(jié)能潛力，使設(shè)施設(shè)備選型更加合理。另外，數(shù)據(jù)的記錄與分析，還可以得出各區(qū)域隨時(shí)間變化的用電規(guī)律，對(duì)于用電異常的區(qū)域，可以安排檢查，分析原因，避免由于設(shè)備忘關(guān)、電氣故障等原因產(chǎn)生的電能損耗。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析故宮博物院供用電和電能消耗現(xiàn)狀，針對(duì)供配電系統(tǒng)及日常管理，提出用電節(jié)能方面的合理化建議和措施，并通過(guò)計(jì)算及數(shù)據(jù)對(duì)比，論證了供電線路優(yōu)化方案的合理性。建議古建筑、文物保護(hù)單位的技術(shù)人員在電氣改造時(shí)，靈活、合理運(yùn)用節(jié)能降耗方法，最大限度減少資源的浪費(fèi)，提升經(jīng)濟(jì)效益。