吳 先 哲

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院總院, 上海 200002)

0 引 言

隨著各種新技術(shù)的發(fā)展,用電設(shè)備在現(xiàn)代建筑工程中的占比正在不斷的上升,同時(shí)也伴隨著電氣能耗的不斷上升,因此電氣節(jié)能將是評(píng)價(jià)電氣設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。只有在設(shè)計(jì)中考慮采用節(jié)能技術(shù),才能夠促進(jìn)降低電氣設(shè)備運(yùn)行能耗。電氣節(jié)能技術(shù)的核心目標(biāo)是降低電氣設(shè)備的電能消耗,從而降低碳排放,提高電力設(shè)備的能源利用效率,同時(shí)采用多種新能源綜合利用滿(mǎn)足節(jié)能目的。為此,將節(jié)能技術(shù)有機(jī)滲入電氣設(shè)計(jì)中,是現(xiàn)代建筑電氣工程的重要研究?jī)?nèi)容。

本文根據(jù)江蘇省南京市某金融綜合體超高層項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),分別從變壓器、照明、空調(diào)控制系統(tǒng)3個(gè)角度來(lái)討論節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 建筑變壓器電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 變壓器參數(shù)及功率損耗

變壓器是整個(gè)供配電系統(tǒng)最核心的設(shè)備。在不能影響負(fù)荷正常運(yùn)行的基礎(chǔ)之上,將變壓器的損耗控制在合理范圍內(nèi)是變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。變壓器在全過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗,主要包括生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗與投入運(yùn)行時(shí)的電力損耗,而隨著項(xiàng)目規(guī)模越來(lái)越大,變壓器數(shù)量越多,末端負(fù)荷波動(dòng)越來(lái)越大,在一個(gè)綜合體項(xiàng)目中變壓器數(shù)量可多達(dá)30個(gè)。因此,變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)正在扮演著愈發(fā)重要的角色。只要降低變壓器運(yùn)行所產(chǎn)生的能耗,就能夠極大地降低建筑運(yùn)行電力能耗。鐵損、銅損、電介質(zhì)損耗和雜散損耗是變壓器的主要損耗,鐵損耗的計(jì)算公式為

PFe=Pb+PIb=KBfBnm+KIf2B2m

式中: Pb——磁滯損耗;

PIb——渦流損耗;

f——電源頻率;

KB——材料系數(shù);

KI——材料系數(shù);

Bm——鐵芯的最大刺痛密度;

n——磁滯系數(shù)。

銅損耗的計(jì)算公式為[1]

式中: I1——一次側(cè)負(fù)荷電流;

I2——二次側(cè)負(fù)荷電流;

r1——一次側(cè)線圈的電阻;

r2——二次側(cè)線圈的電阻。

1.2 變壓器的選擇

為了盡可能實(shí)現(xiàn)變壓器的節(jié)能運(yùn)行,首先要根負(fù)荷計(jì)算選擇合適的變壓器容量,從而實(shí)現(xiàn)全面減低運(yùn)行過(guò)程中的電能損耗。前期設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)建筑電氣不同的業(yè)態(tài)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)荷估算,通常在變壓器負(fù)荷計(jì)算時(shí),需考慮變壓器的最佳合理負(fù)載率,同時(shí)變壓器宜根據(jù)不同的業(yè)態(tài)分開(kāi)設(shè)置在不同變電所內(nèi)。變壓器應(yīng)選擇節(jié)能環(huán)保型、低損耗、低噪聲、接線組別為Dyn11的SCB13型及以上電力變壓器,并自帶溫控器和強(qiáng)迫通風(fēng)裝置,且能效值不應(yīng)低于標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中能效標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)節(jié)能評(píng)價(jià)值[2]。變壓器節(jié)能參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器節(jié)能參數(shù)

1.3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)

提高變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,在保證電力設(shè)備得到正常供電的基礎(chǔ)上,降低變壓器的電力損耗是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)的主要目標(biāo),從而提高變壓器電力能源的使用效率,具體可以通過(guò)以下幾種方式實(shí)現(xiàn):

(1) 變壓器溫/濕度控制。溫/濕度是影響變壓器運(yùn)行實(shí)際效果的重要指標(biāo),通常情況下變壓器的溫升范圍為80～100 ℃,在該溫度范圍內(nèi)變壓器能夠保持最佳的運(yùn)行狀態(tài),從而能夠保證電力能源使用效率,且變壓器的運(yùn)行需要在相對(duì)干燥的條件下。因此,為了提高變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,需要做好變壓器運(yùn)行環(huán)境的溫度和干濕度調(diào)控。

(2) 抑制變壓器諧波。諧波會(huì)導(dǎo)致變壓器受到影響發(fā)生損壞,而一旦變壓器出現(xiàn)故障或損壞,就會(huì)產(chǎn)生大量的維護(hù)成本與其他經(jīng)濟(jì)損失,所以抑制諧波可以降低諧波對(duì)變壓器運(yùn)行的影響,例如可以通過(guò)采用Dyn11的方式作為變壓器的連接組別,使繞組內(nèi)形成諧波環(huán)流,從而可以控制諧波來(lái)提高變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

(3) 設(shè)計(jì)時(shí)配變電所及電氣豎井盡量靠近負(fù)荷中心。

(4) 變電所低壓側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié),減少線路損耗及功率因數(shù)不低于0.95。為減小高次諧波對(duì)補(bǔ)償電容的影響,提高供電質(zhì)量,延長(zhǎng)電容使用壽命,補(bǔ)償電容采用串聯(lián)消諧電抗器方案。

(5) 在變電所設(shè)置電力監(jiān)控系統(tǒng),優(yōu)化管理電能并提供管理的便利性,實(shí)時(shí)監(jiān)控電能的各種參數(shù),合理調(diào)配電能。

2 照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

民用建筑中有大量的照明點(diǎn)位,尤其對(duì)于地下室面積占比較大的大型綜合體項(xiàng)目,如某南京綜合體項(xiàng)目,總建筑面積為40萬(wàn)m2,地下室面積可以達(dá)13萬(wàn)m2。由于缺乏使用自然光源的條件,地下室的照明必須通過(guò)電力光源來(lái)實(shí)現(xiàn),對(duì)電能的消耗占據(jù)著很大比重,所以照明節(jié)能設(shè)計(jì)是建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的重要部分。通過(guò)選擇合理的光源、節(jié)能布置和智能控制,能夠有效降低照明系統(tǒng)的電力能源消耗,從而促進(jìn)建筑整體電力設(shè)備能源消耗降低。

照明的電能消耗量主要和時(shí)間、效率、線損有關(guān):

P=(Ps+P1+Pr)T

Ps=F/η

F=EKSN/Mη

式中: P——設(shè)備的電能消耗量;

Pr——照明設(shè)備的損耗;

Pl——配電線路的損耗;

T——照明設(shè)備使用時(shí)間;

F——燈具光通量;

η——燈具發(fā)光效率;

E——燈具最小照度;

K——減光補(bǔ)償系數(shù);

S——所計(jì)算的房間面積;

N——照明器數(shù)量;

M——照明光通量利用系數(shù)。

2.1 光源選擇

光源是燈光的核心部件,隨著科技的發(fā)展,光源正在向著更低能耗,更高光通量的趨勢(shì)發(fā)展,選擇高效的光源是建筑照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。建筑內(nèi)部的光源主要可以分為自然光源與電力光源,電力光源又可以分為白熾燈、LED等不同類(lèi)型,不同的光源在光照強(qiáng)度和能源消耗方面有很大的區(qū)別。

(1) 建筑照明系統(tǒng)光源選擇應(yīng)該盡量選擇自然光源,通過(guò)合理的采光設(shè)計(jì),減少人工照明燈具的使用。

(2) 建筑內(nèi)的光源選擇需要盡量選擇節(jié)能燈泡,例如LED燈具或T5熒光燈及高頻電子鎮(zhèn)流器,以提高功率因數(shù)。相比于傳統(tǒng)的白熾燈,LED等節(jié)能燈具能夠在保證光照強(qiáng)度的同時(shí)降低電力能源消耗,且使用壽命有很大的提高。

(3) 建筑內(nèi)部不同功能分區(qū)需要采用不同的光源,以滿(mǎn)足該功能分區(qū)的實(shí)際照明需求為主要目標(biāo),通過(guò)不同光源的設(shè)計(jì),能夠使照明系統(tǒng)的電力能源消耗更加合理。

(4) 通過(guò)采用光伏發(fā)電技術(shù),降低電力能源消耗,以太陽(yáng)能清潔能源為照明系統(tǒng)提供電力支持。不同光源指標(biāo)如表2所示。

表2 不同光源指標(biāo)

由此可見(jiàn),LED光源的發(fā)光效率占有很大的優(yōu)勢(shì),目前越來(lái)越多的項(xiàng)目都在用LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源。

2.2 節(jié)能布置及智能控制設(shè)計(jì)

在照明系統(tǒng)的節(jié)能布置方面,需要對(duì)建筑內(nèi)部的照明系統(tǒng)進(jìn)行全局規(guī)劃,確保照明系統(tǒng)的能源利用率達(dá)到最高,從而降低不必要的能源消耗。首先,針對(duì)建筑內(nèi)部不同分區(qū)采用不同的分散、集中、手動(dòng)、自動(dòng)照明系統(tǒng)控制模式,在一些公共空間內(nèi)加入聲控技術(shù)、光控技術(shù)以及振動(dòng)控制技術(shù),當(dāng)該分區(qū)有照明需求時(shí)照明系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),當(dāng)照明需求結(jié)束后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉照明點(diǎn)位,從而能夠?qū)崿F(xiàn)照明智能控制,能夠有效避免照明燈常亮的問(wèn)題。建筑方案設(shè)計(jì)時(shí),可提前和建筑師溝通,部分區(qū)域頂部設(shè)置玻璃采光以充分利用自然光采光。此外,燈具整體發(fā)光效率也受制于其周?chē)瓷洳牧系挠绊?反射效率為49%～93%,選擇高反射效率的材料能夠大大提高燈具的發(fā)光能效。同時(shí),照明配電箱應(yīng)該盡量在設(shè)計(jì)時(shí)考慮靠近負(fù)荷中心,條件允許的情況下采用三相供電,這樣線損相比單相可以減少40%以上。若工程預(yù)算充足,可考慮設(shè)置照明節(jié)電器,其可通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電壓、電流、功率、輸入/輸出來(lái)維持總諧波含量恒定,從而延長(zhǎng)照明設(shè)備的使用壽命。除此之外,隨著智能控制技術(shù)的快速發(fā)展,智能照明的應(yīng)用為建筑照明節(jié)能技術(shù)提供很大的發(fā)展空間,使其在自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的基礎(chǔ)上,能夠?qū)α炼鹊冗M(jìn)行調(diào)節(jié),從而進(jìn)一步優(yōu)化照明系統(tǒng)的電力能源消耗結(jié)構(gòu),同時(shí)還能夠選擇不同的電力來(lái)源,例如在太陽(yáng)能蓄電池電能儲(chǔ)存豐富的情況下優(yōu)先使用蓄電池中的電能,當(dāng)太陽(yáng)能蓄電池所存儲(chǔ)電力能源不能滿(mǎn)足實(shí)際照明時(shí)自動(dòng)切換到電力系統(tǒng)中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源消耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]。

3 空調(diào)系統(tǒng)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)里占比極大,尤其是在大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目中,大型冷卻塔、冷卻水泵、冷凍機(jī)組、一次冷凍水泵、二次冷凍水泵、空調(diào)箱、新風(fēng)機(jī)組等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的能源消耗,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的空氣污染物?？照{(diào)系統(tǒng)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié),可以通過(guò)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)控制冷熱源等各種空調(diào)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。

3.1 暖通散熱風(fēng)機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)方面

在暖通系統(tǒng)中,散熱風(fēng)機(jī)是其重要的組件,其會(huì)產(chǎn)生大量的電能損耗,為此具備通過(guò)相應(yīng)的節(jié)能措施來(lái)提高風(fēng)機(jī)的能效空間。以中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案為例,采用分級(jí)溫差控制的方式對(duì)其暖通散熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整,在冷卻塔進(jìn)出口位置,各自安裝一個(gè)溫度傳感器,實(shí)時(shí)測(cè)量溫度,并通過(guò)信號(hào)反饋來(lái)控制風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量。風(fēng)機(jī)開(kāi)啟數(shù)量隨著水溫溫度升高自動(dòng)增加,隨著水溫降低而自動(dòng)減少,從而達(dá)到節(jié)省電能的目的。溫度感應(yīng)器的探頭設(shè)置在冷卻塔進(jìn)出水管的表面,能夠更加準(zhǔn)確地反映實(shí)時(shí)水溫[4]。散熱風(fēng)機(jī)節(jié)能改造前后的實(shí)際參數(shù)如表3所示。

表3 散熱風(fēng)機(jī)節(jié)能改造前后的實(shí)際參數(shù)

經(jīng)過(guò)對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)的改造,加入了散熱風(fēng)機(jī)水溫實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)以及相關(guān)的自動(dòng)化控制技術(shù),相比于改造前的電力能源消耗有了很大幅度的降低。由此可見(jiàn),對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的改造,能夠全面提高空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效率,是建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。類(lèi)似的方案還包括為冷凍、冷卻水系統(tǒng)以及集分水器系統(tǒng)的監(jiān)控,根據(jù)預(yù)先編排的程序和整體供冷暖的要求,按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)溫點(diǎn)來(lái)控制冷熱源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.2 變頻調(diào)控設(shè)計(jì)

變頻節(jié)能技術(shù)是指在建筑內(nèi)部空間的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷需求出現(xiàn)變化時(shí),通過(guò)變頻節(jié)能技術(shù)能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)組以及水泵機(jī)組等進(jìn)行調(diào)節(jié),根據(jù)外部溫度變化選擇最為合適的功率,使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行功率能夠與外部環(huán)境相匹配,從而使空調(diào)系統(tǒng)能夠在最優(yōu)運(yùn)行功率下運(yùn)行[5]。以建筑中央空調(diào)系統(tǒng)為例,中央空調(diào)的運(yùn)行熱負(fù)載一般會(huì)低于設(shè)計(jì)參數(shù)一定數(shù)值,一般情況下冷凍水的設(shè)計(jì)溫度會(huì)在5 ℃左右,水泵在全功率運(yùn)行的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生不必要的能量消耗,從而使水泵所輸送的能量高于當(dāng)前所需要的能量。將變頻調(diào)節(jié)技術(shù)加入到冷凍水泵系統(tǒng)中,冷凍水泵所輸送的能量能夠根據(jù)當(dāng)前環(huán)境所需溫度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié),從而使其不會(huì)長(zhǎng)期處于最大運(yùn)行功率狀態(tài),而是根據(jù)所需能量對(duì)冷凍水泵的能量輸送進(jìn)行調(diào)節(jié),使水泵在低功率狀態(tài)下運(yùn)行,能夠降低電力能源的消耗,還能夠根據(jù)室內(nèi)實(shí)際溫度將制冷調(diào)節(jié)為當(dāng)前所需的最佳溫度,從而為居住者創(chuàng)造一個(gè)良好的溫度環(huán)境,提高居住者的舒適度,有利于建筑長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。變頻空調(diào)由于壓縮機(jī)頻率是改變的,所以其耗電量是以制冷(熱)季節(jié)耗電量/制冷(熱)季節(jié)時(shí)間來(lái)計(jì)算的[6]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從多個(gè)方面對(duì)節(jié)能技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述,根據(jù)多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),分別針對(duì)變壓器、照明和空調(diào)控制系統(tǒng)3個(gè)方面進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化的考量,希望能夠?qū)ξ覈?guó)建筑工程行業(yè)起到一定的借鑒和幫助作用。綠色建筑是未來(lái)長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì),隨著新能源科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的方法可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,促進(jìn)我國(guó)綠色建筑更好的建設(shè)和發(fā)展。