谈建筑电气设计中的节能方式

摘要文章介绍了建筑电气设计中的节能原则、途径，从变压器容量、台数的选择、供配电

系统的设计、电动机的选择与使用以及照明设备的选择与控制等内容，论述了电气

设计中的几种节能方法。

关键词 电气节能 变压器 供配电系 统电动机

据相关报道，目前我国建筑耗能占全社会总能耗的46．7％，建筑物使用过程中的能耗占全社会总能耗的27．7％。以山东为例，到2020年，如果全省城镇建筑全部达到国家规定的节能标准，则每年可节约3000万吨标准煤，相当于每年可减少电力建设投资1000亿元，并减少排放空气污染1530万吨。由此可见，巨大的能源消耗所造成的能源危机迫在眉睫。因此，各行各业提出了节能的要求，节约二次能源――电能，已成为民用建筑电气设计的焦点。建筑电气设计节能应坚持以下三个原则：

(1)满足建筑物的功能

满足照明的照度、色温、显色指数；满足舒适性空调的温度及新风量，也就是舒适卫生；满足上下、左右的运输通道畅通无阻；满足特殊工艺要求，如娱乐场所一些电气设施的用电、展厅的工艺照明及电力用电等。

(2)考虑实际经济效益

节能应考虑国情及经济效益，不能因为节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而是应该让增加的投资在几年或较短的时间内用节能效益进行回收。

(3)节省无谓消耗的能量

节能的着眼点应是节省无谓的能量。首先找出哪些地方的能量消耗与发挥建筑物功能无关，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗、传输电能线路上的有功损耗都是无用的能量损耗；又如量大面广的照明容量，要采用先进技术使其能耗降低。因此，节能措施也应贯彻实用、经济合理、技术先进的原则。

1变压器的节能

1．1变压器的损耗及效率

有功损耗包括铁损和铜损，铁损又称空载损失，其值与铁芯材质等因素有关，与负荷大小无关，且基本不变；铜损与负荷电流平方成正比，变压器的有功损耗可用下式计算：

P=Po+Pkβ2 (1)

式(1)中，P有功损耗(kW)；

P0―空载损耗(kW)；

pk糊路损耗(kW)；

Pk―负载率(％)．

无功损耗由两部分组成，一部分是由励磁电流即空载电流造成的损耗Q。，它与铁芯有关而与负荷无关，可用下式计算：

Qo=IoS。102 (2)

式(2)中，10_空载电流百分率(％)；

Sn一变压器额定容量(kVA)．

另一部分无功损耗是指一、二次绕组的漏磁电抗损耗，其大小与负载电流的平方成正比，此损耗又称变压器无功漏磁损耗Qk，用下式计算：

Qk-UkSnlO-2 (3)

式(3)中，Uk―变压器阻抗电压(％)．变压器综合功率损耗是指变压器的有功损耗、无功损耗折算成有功损耗的两者之和，可用下式计算：

ΔPz=ΔP+Kq (4)

式(4)中，Pz一变压器综合功率损耗(kW)；

Kq―无功经济当量，指变压器每减少lkvar无功功率损耗，引起连接系统有功损耗下降的千瓦值．

变压器的效率η是变压器二次侧输出功率P2与电源侧输入功率Pl之比的百分数，可按下式计算：

式(5)中，cosφ2一二次侧功率因数．

变压器的效率与变压器的负荷和损耗有关，也与负荷功率因数有关。负载率为0.3～l时效率都比较高，为0。5～0．6时效率最高；当负载一定时，功率因数越高变压器效率也越高。

1．2变压器的节能措施

变压器节能的实质就是降低其损耗，提高其运行效率，可具体采取以下措施：

(1)合理选择变压器的容量和台数。选择变压器容量和台数时，应根据负荷情况综合考虑投资和年运行费用，对负荷进行合理分配，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效区。当负荷率低于30％时，应调整或更换；当负荷率超过80％，且通过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器。

(2)选用节能型变压器，更换或改造高能耗变压器。新建或扩建工程应选用SL9、SC8、SC9等。企业为了节省投资，也可对原有的高能耗变压器如SJl、SLl进行技术改造，但改造后应达到国家对配电变压器能耗标准的要求即①空载损耗降低45％一65％；②空载电流降低70％；③短路损耗达到SL7标准；④阻抗电压为4％～4.9％。

(3)加强运行管理，实现变压器经济运行。在企业负荷变化的隋况下，如投运变压器的台数和容量不变，其负荷率和运行效率都将发生变化，使其超出经济的运行范围，因此，要及时投入或切除部分变压器，防止变压器轻载或空载运行。对长期轻载(负荷率小于30％)的变压器，必要时按实际负荷更换小容量变压器。

2供配电系统的节能

2．1供配电系统线损率

从公司电网到企业的电能，经•次或二次降压后，经高、低压线路送到各车间、各部门的用电设备，就构成企业供配电系统。电能在变压输送过程中造成损耗，这部分损耗称线变损或简称电损，在《评价企业合理用电技术导则》GB／T3485中规定，线损率要求为：一次变压不得超过35％；二次变压不得超过55％；三次变压不得超过7％。

2．2供配电系统节能的主要环节

(1)合理设计供配电系统

负荷容量、供电距离及分布、用电设备的特点等因素，合理设计供配电系统和选择供电电压，供配电系统应尽量简单可靠，同一电压供电系统变配电级数不宜超过两级。

变电所应尽量靠近负荷中心，以缩短供电半径，

减少线路损失，企业内部变电所之间宜敷设联络线，根据负荷情况。可切除部分变压器，减少损耗。

根据负荷情况合理选择变压器的容量、台数，其接线应能适应负荷变化，按经济运行原则灵活投切变压器。对分期投产的企业，宜采用多台变压器方案，避免因轻载运行增大损耗。

按经济电流密度合理选择导线截面，一般按年综合运行费用最小的原则确定单位面积经济电流密度。

(2)提高功率因数减少电能损耗提高功率因数可减少线路损耗。假设输电线路每相导线的电阻为R(Q)，则三相线路的功率损耗可按以下公式计算：

式(6)中，p―三相输电线路的功率损耗(kW)；

P―线路输送的有功功率(kW)；

U―线电压(V)；

I―线电流(A)；

COSφ―线路功率因数．

由式(5)可知，在有功功率一定的情况下。cosφ值越小，功率损耗Ap就越大。反之，将cosφ值提高后，P值就会相应减小。

提高变压器二次侧的功率因数，可使总的负荷电流减少，从而减少变压器的铜损。提高了功率因数，就减少了无功电流，且相应减少了线路及变压器的电流，从而减少了电压降。另外，在基建时提高功率因数，可减少电源线路的截面及变压器的容量，节约设备投资。

(3)提高功率因数的措施减少供用电设备的无功消耗，提高企业自然功率因数；用静电电容器进行无功补偿：按全国供用电规则规定，高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，在当地供电局规定的电网高峰负荷时功率因数应大于或等于0.9。

3电动机的节能

减少电动机的电能损耗的主要途径是提高电动机的效率和功率因数。电动机的节电方法如下：

(1)采用高效率电动机。采取各种切实可行的措施，减少电动机的各部分损耗、提高电动机的效率和功率因数。减少损耗的措施如下图所示。

采取各种减少损耗的措施后，高效电动机的总损耗比普通标准电动机减少20％。30％，电动机的效率可比普通的标准型提高3％～6％。

另外，YZR系列新型电机与以前的JzR或JZR2系列电机相比，平均效率要高2％，空载电流减少20％，平均功率因数高9％，具有较好的节能效果。因此，在设计和技改当中，应选用Y、YZ、YZR等新系列电动机以节省电能。普通高效电机的价格比一般电机高20％一30％，采用时要考虑资金回收期，即需在短期内靠节电费用收回多花的费用。符合下列条件时可选用普通高效电机：

①负载率在0.6以上；

②每年连续运行时间在3000h以上；

③电机运行时无频繁启、制动；

④单机容量较大。

(2)根据负荷特性合理地选择电动机。对旧有设备使用的电机，要进行必要的测试与计算，结合电机的工作环境及负载特点，选用适当的电机取代“大马拉小车”的电机，提高电机运行的效率和功率因数。当电机的负载率大于0．65时，可不用更换；小于0．3时，不经计算就可更换；在0．3―0．65之间时，则需经过计算再确定。

(3)轻载电动机采取降压运行，对经常处于轻负荷运行的电动机，应采用三角――星型切换装置，将三角形接法的电动机改为星形接法，可以达到良好的节电效果。电动机的星形接法和三角形接法的效率比βy／βd与负荷系数β的关系见下表。

表 电动机的星形接法和三角形接法的效率比βy／βd与负荷系数β的关系

由上表可知，只有在负荷系数低于0.3以后，将电动机的三角形接法改为星形接法才能使电动机的效率明显提高。当负荷系数为0．5时，星形接法和三角形接法的效率基本相等，无节电效果；当负荷系数大于0．5时，电动机星形接法的效率反而低于三角形接法。电动机由三角形改为星形接法后，其极限容许负载大致为铭牌容量的38％～45％。因此，在采用三角形改星形接法作为节电方法时，一定要考虑到改接后的电动机的容量是否能满足负载的要求。一般认为，由三角形改星形接法转换点β在0.2~0.4之间。对不同型号的电动机，其转换点不一定相同，应该进行分析计算才能确定。根据经验，当β小于0.3时，将三角形改为星形接法往往可以节电。

(4)根据负载情况对电动机采取无功就地补偿。对距供电点较远的大容量电动机应对电动机进行就地无功补偿。电动机无功功率就地补偿，对改变远距离送电的电动机低功率因数运行状态、减少线路损失、提高变压器负载率有着明显的效果。有数据表明，每千乏补偿电容每年可节电150～500kWh，是一项值得推广的措施。对单台电动机补偿容量不宜过大，以防产生自励磁过电压，应保证电动机在额定电压下断电时电容器的放电电流不大于铭牌上的空载电流。

(5)需要根据负荷变化调节的设备应采用调速电机。交流电动机的调速分为三种形式：变极、变频和变转差率调速。在所有电动机中，风机和水泵调速节能的效果最明显。

5 结束语

我国是一个能源短缺的国家，但能源浪费却非常严重，节能降耗已经成为我国一项长期的基本国策。作为建筑电气设计人员，如何以最合理的设计尽量做到既节能降耗又大量增加投资，以此来造福社会，是一个值得思考的问题。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看