孟 強(qiáng), 楊國榮, 衣健光

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200011)

0 引 言

在我國提出2030年“碳達(dá)峰”、2060年“碳中和”的宏偉目標(biāo)下,各行業(yè)節(jié)能減排、降低碳排放的需求日趨增長。2018年全國建筑建材生產(chǎn)階段、建筑施工階段、建筑運(yùn)行階段能耗總量為21.47億t,其中建筑運(yùn)行階段能耗為10億t,占全國能源消費(fèi)總量的21.7%[1]。在公共建筑全年能耗中,暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的40%以上[2],暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對降低建筑運(yùn)行能耗、減少碳排放量具有重要意義。

區(qū)域能源中心可對各種設(shè)備、系統(tǒng)、技術(shù)進(jìn)行綜合、集成、互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用、合理用能、科學(xué)用能、集中用能,具有極好的節(jié)能減排意義[3],許多區(qū)域能源中心項(xiàng)目正在全國范圍內(nèi)規(guī)劃、實(shí)施和建設(shè)中[4]。能源中心中有大量的大容量電動(dòng)機(jī)(冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等),且設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜,合理高效地配置相應(yīng)的電氣系統(tǒng),才能保證能源中心的可靠運(yùn)行。本文基于國家標(biāo)準(zhǔn)對建筑物空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級的要求,提出用戶分級方法,結(jié)合能源中心服務(wù)的不同業(yè)態(tài),給出相應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)用電的負(fù)荷分級策略,總結(jié)能源中心的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 用戶分級

民用建筑中各類建筑物的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷級別主要依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“民標(biāo)”)附錄A進(jìn)行分級[5],各類建筑物的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷分級如表1所示。

表1 各類建筑物的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷分級

能源中心為一棟或多棟建筑物空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源。各建筑物作為用能用戶,空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級體現(xiàn)了對建筑物空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的要求,因此可按其服務(wù)的建筑物空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級劃分為一級、二級、三級用戶。

2 供能業(yè)態(tài)

由于用戶需求的多樣性,一個(gè)能源中心的用能用戶可能包含一級、二級、三級中的一種或多種。上海地區(qū)實(shí)際工程中能源中心不同等級用戶占比如表2所示。

表2 上海地區(qū)實(shí)際工程中能源中心不同等級用戶占比

注:a根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A[6],A級數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷級別等同于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷,B級數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷級別等同于二級負(fù)荷;

b與民標(biāo)稍有不同,根據(jù)JGJ 392—2016《商店建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.2條[7],中型商店建筑的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷級別為三級;

c根據(jù)JGJ 62—2014《旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1條1款[8];

d根據(jù)JGJ 64—2017《飲食建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.1條1款[9]。

注:a用戶主要為數(shù)據(jù)中心;b用戶主要為大型商業(yè)、酒店(四、五星級)、圖書館(藏書量超過100萬冊);c用戶主要為辦公、中小型商業(yè)、酒店、公寓、住宅。

由表2可見,大多數(shù)能源中心的三級用戶占比超過50%;能源中心4的用戶包含大量大型商業(yè)建筑,故二級用戶占比較高;能源中心7、8的用戶主要為A級數(shù)據(jù)中心,故主要為一級用戶。

一級用戶的應(yīng)用場景較為特殊,對空調(diào)系統(tǒng)及其配電系統(tǒng)可靠性要求高,通常需設(shè)置獨(dú)立的能源中心或空調(diào)系統(tǒng),如能源中心7、8,因此一級用戶與其他等級用戶由同一能源中心供能的情況極少。按用戶等級不同,可將能源中心分為四種常見供能業(yè)態(tài):只含一級用戶,只含二級用戶,只含三級用戶,同時(shí)含二級、三級用戶。

3 負(fù)荷分級

3.1 空調(diào)系統(tǒng)用電

能源中心內(nèi)主要為空調(diào)系統(tǒng)用電,其負(fù)荷等級決定了供電容量、系統(tǒng)構(gòu)架、供配電設(shè)備,直接影響電力資源的用量與供配電系統(tǒng)的造價(jià)。電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電對人身安全、經(jīng)濟(jì)損失上所造成的影響程度進(jìn)行分級[10],能源中心內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級應(yīng)根據(jù)用能用戶對可靠性的要求等進(jìn)行分級。

在前三種供能業(yè)態(tài)下,只含一級、二級、三級用戶中的一種,則能源中心的空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級對應(yīng)為一級、二級、三級。

在第四種供能業(yè)態(tài)下,同時(shí)含有二、三級用戶,能源中心內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)用電按二級負(fù)荷供電會(huì)造成電力裝機(jī)容量大、電氣設(shè)備多、電力資源浪費(fèi);按三級負(fù)荷供電則會(huì)造成部分用戶空調(diào)系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性不一定能得到保證。因此,統(tǒng)一按二級或三級負(fù)荷供電都是不合理的,需結(jié)合用戶需求、電力資源情況具體分析。

能源中心可以是獨(dú)立的一棟建筑,也可以附設(shè)于其他建筑內(nèi),考慮到建筑特征與應(yīng)用場景,通常其消防、安防、事故相關(guān)用電設(shè)備的負(fù)荷等級不低于二級,其供電系統(tǒng)宜由兩回線路供電;能源中心內(nèi)用電負(fù)荷容量大、負(fù)荷密度高,兩回線路供電能減小單路線路負(fù)荷容量,提高供電的可靠性。因此,在不考慮空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷等級下,多數(shù)能源中心供電系統(tǒng)均為兩回線路供電。

二級負(fù)荷中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失或影響較重要用電單位的工作,二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)宜由兩回線路供電[10],其核心是保證二級負(fù)荷設(shè)備的供電連續(xù)性,即在一路供電線路中斷供電時(shí),仍能保證二級負(fù)荷的供電。因此,二級用戶對空調(diào)系統(tǒng)供電的要求可等效為對能源中心供能的要求,即能源中心一路供電線路中斷供電時(shí),仍能保證二級用戶的供能。同理,三級負(fù)荷用戶對供能的連續(xù)性無特殊要求。

典型能源中心供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 典型能源中心供電系統(tǒng)示意圖

能源中心內(nèi)設(shè)置4套空調(diào)系統(tǒng),均按三級負(fù)荷設(shè)備供電,其中4臺(tái)10 kV冷水機(jī)組平均分配在兩段10 kV母線上,對應(yīng)0.4 kV水泵、冷卻塔等空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)10/0.4 kV變壓器平均分配在兩段10 kV母線上。當(dāng)其中一路供電線路中斷供電時(shí),能源中心將還有2套空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備可正常運(yùn)行,供能能力減少為50%,在同時(shí)含二級、三級用戶業(yè)態(tài)下,二級用戶用能占比不超過能源中心供能能力的50%時(shí),可通過切除三級用戶的方式保障二級用戶供能的連續(xù)性。此時(shí),能源中心空調(diào)系統(tǒng)用電雖然按三級負(fù)荷供電,卻能通過空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的冗余度達(dá)到二級用戶的供能要求,最大化地利用電力資源。

同理,當(dāng)能源中心內(nèi)設(shè)置N套空調(diào)系統(tǒng),空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備由兩回線路按三級負(fù)荷供電時(shí),能源中心的二級用戶用能占比最大值βmax為

(1)

當(dāng)二級用戶用能占比超過βmax時(shí),可通過部分空調(diào)系統(tǒng)按二級負(fù)荷供電的方式予以補(bǔ)充,提高一路市電中斷供電時(shí)可正常運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)比例,以滿足用戶用能需求。

能源中心為用戶空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源,用戶對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備供電連續(xù)性的要求可等效轉(zhuǎn)化為對供能連續(xù)性的要求,故能源中心內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷等級與用戶等級可在一定程度上解耦,其負(fù)荷分級策略應(yīng)結(jié)合供能業(yè)態(tài)重點(diǎn)考察用戶供能的連續(xù)性。能源中心內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷分級策略如下:

(1) 在只含一種用戶等級時(shí),應(yīng)與用戶等級一致;

(2) 在同時(shí)含二級、三級用戶,且二級用戶用能占比不超過式(1)時(shí),可按三級負(fù)荷供電,空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備按組分配在兩回供電線路上;

(3) 在同時(shí)含二級、三級用戶,且二級用戶用能占比超過式(1)時(shí),可通過部分空調(diào)系統(tǒng)按二級負(fù)荷供電的方式予以補(bǔ)充,提高一路市電中斷供電時(shí)可正常運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)比例。

3.2 特殊用電設(shè)備

能源中心內(nèi)其他用電設(shè)備應(yīng)參考民標(biāo)相關(guān)要求進(jìn)行負(fù)荷分級,特別是二級泵、閥門及自控系統(tǒng)用電由于其應(yīng)用場景的特殊性,需結(jié)合用戶等級做特殊考慮。能源中心內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)可視為一個(gè)能源池,當(dāng)采用二級泵系統(tǒng)時(shí),二級泵是將能源送至用戶的核心設(shè)備,而閥門和自控系統(tǒng)設(shè)備是能源系統(tǒng)正常運(yùn)行必要設(shè)備,因此其負(fù)荷分級及配電需特殊考慮:

(1) 在只含一種用戶等級時(shí),應(yīng)不低于用戶等級;

(2) 在同時(shí)含二級、三級用戶時(shí),應(yīng)不低于二級負(fù)荷;

(3) 閥門及自控系統(tǒng)用電還需設(shè)置不間斷供電裝置。

4 供配電系統(tǒng)

4.1 負(fù)荷計(jì)算

負(fù)荷計(jì)算是電氣設(shè)備選型的主要依據(jù),一般民用建筑負(fù)荷計(jì)算只有一種工況。但是,能源中心可利用多種能源進(jìn)行耦合,并通過不同時(shí)段不同能源的價(jià)格選擇不同的運(yùn)行方式,存在多種運(yùn)行工況的可能。根據(jù)平、峰、谷分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分,常見的有夏季平峰、夏季谷、冬季平峰、冬季谷四種運(yùn)行工況,最大電氣負(fù)荷可能出現(xiàn)在四種工況的任何一種。因此,能源中心的負(fù)荷計(jì)算需根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況計(jì)算各種工況下的負(fù)荷,并以其中最大負(fù)荷值進(jìn)行電氣設(shè)備選型。

4.2 短路電流計(jì)算

短路電流值是電氣設(shè)備選型的重要參數(shù),一般民用建筑中,異步電動(dòng)機(jī)占比較小,電動(dòng)機(jī)饋入對短路電流影響小,而能源中心中水泵、冷卻塔類異步電動(dòng)機(jī)占比較大,其影響需進(jìn)行校驗(yàn)。以某能源中心為例,一臺(tái)10/0.4 kV 1 600 kVA干式變壓器最大運(yùn)行工況下有1 200 kW異步電動(dòng)機(jī),假設(shè)10 kV系統(tǒng)短路容量為300 MVA,不考慮電動(dòng)機(jī)饋入時(shí)變壓器低壓側(cè)最大三相短路電流約為36.45 kA,考慮電動(dòng)機(jī)饋入時(shí)約為53.24 kA?？梢婋妱?dòng)機(jī)饋入對三相短路電流影響較大,需按要求進(jìn)行校驗(yàn)。此外,計(jì)算時(shí)還需注意:應(yīng)按最大運(yùn)行工況下計(jì)入異步電動(dòng)機(jī)總量,靜止變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不計(jì)入[11]。

4.3 電力配電

能源中心中空調(diào)系統(tǒng)配電與用電設(shè)備的運(yùn)行有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,供配電系統(tǒng)需結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工況和設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行配置,才能合理、高效供電。主要方法有如下方面:

(1) 成組配電,如一套制冷系統(tǒng)包含冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等設(shè)備,設(shè)備間可能存在一一對應(yīng)或連鎖運(yùn)行關(guān)系,需將一套設(shè)備成組配電,即由同一電源供電,可避免考慮當(dāng)一路電源中斷供電時(shí)部分設(shè)備停止運(yùn)行連鎖影響多套系統(tǒng)停機(jī);

(2) 錯(cuò)峰配電,將不同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備,如冬季運(yùn)行與夏季運(yùn)行設(shè)備,平峰電段運(yùn)行與谷電段運(yùn)行設(shè)備,配至一組變壓器下,可以減少變壓器裝機(jī)容量;

(3) 分期配電,當(dāng)能源中心內(nèi)設(shè)備需分期投產(chǎn)時(shí),相應(yīng)電氣設(shè)備需與之相匹配,考慮分期配電、分期投產(chǎn)的可能性。

4.4 無功補(bǔ)償

為提高能源中心的運(yùn)行效率,冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等電動(dòng)機(jī)會(huì)采用變頻運(yùn)行方式,同時(shí)為限制變頻器諧波對其他設(shè)備的影響,可加裝就地諧波處理裝置。常用變頻器電動(dòng)機(jī)組有三種配置方案:方案一,變頻器+電動(dòng)機(jī);方案二,變頻器+電動(dòng)機(jī)+無源濾波器,濾波后總諧波含有量不超過10%;方案三,變頻器+電動(dòng)機(jī)+無源濾波器,濾波后總諧波含有量不超過5%。

不同配置方案下,變頻器電動(dòng)機(jī)組的無功功率不同。以90 kW電動(dòng)機(jī)為例,不配變頻器時(shí)功率因數(shù)為0.8,滿負(fù)荷運(yùn)行無功功率約為67.5 kvar;配變頻器,采用丹弗斯FC102變頻器、AHF010無源濾波器、AHF005無源濾波器,通過MCT31軟件進(jìn)行仿真,不同工況下變頻器電動(dòng)機(jī)組的功率因數(shù)和無功功率如表3所示。

表3 不同工況下變頻器電動(dòng)機(jī)組的功率因數(shù)和無功功率

通過仿真數(shù)據(jù)可以得出:

(1) 變頻器電動(dòng)機(jī)組的功率因數(shù)會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率的降低而降低;

(2) 配置無源濾波裝置有利于改善變頻器電動(dòng)機(jī)組的功率因數(shù);

(3) 方案一,無功功率最大值為43.7 kvar,約為不配變頻器時(shí)的65%;

(4) 方案二、三,無功功率最大值為32.6 kvar,約為不配變頻器時(shí)的48%。

綜上,采用變頻運(yùn)行方式不僅有利于電動(dòng)機(jī)節(jié)能,也有利于減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的無功功率,特別是配置無源濾波器時(shí),無功功率減小更顯著。因此,在無功補(bǔ)償量計(jì)算時(shí),需考慮變頻器電動(dòng)機(jī)組的配置情況,按需減少無功補(bǔ)償?shù)呐渲昧?降低無功補(bǔ)償裝置設(shè)備投資。

5 結(jié) 語

能源中心的用能用戶等級是空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷分級的主要依據(jù),而不同的業(yè)態(tài)下,可結(jié)合電力資源情況,通過合理的供配電系統(tǒng)架構(gòu)減少電氣設(shè)備投資,提高能源中心供能的可靠性。在能源中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)中,應(yīng)著重分析用戶需求,將供電可靠性與供能可靠性有效融合,即達(dá)到用戶的實(shí)際使用需求又節(jié)省電氣設(shè)備投資。在供配電設(shè)計(jì)中,需結(jié)合能源中心設(shè)備特點(diǎn)及其運(yùn)行工況,進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與設(shè)計(jì)。