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简述民用建筑电气设计的节能措施

马斌


 

摘要  随着生活水平的提高、社会的不断发展和进步,人们对电力能源需求急剧上升,甚至电力的需求量已经作为反映社会经济活力的一个重要指标,相应的,节能措施的重要性也就越发突出,本文旨在从一个设计人员的角度,探讨建筑电气常用的节能方式和措施。

关键词   建筑电气   设计  损耗  节能

 

1 导言

能源是人类的生存和现代社会发展、进步不可或缺的物质基础,能源的保障和供应一直都是被世界上各国所重视。作为现代民用建筑使用最广泛、最方便、最清洁的电力能源—电能,其地位越来越重要,也越来越影响到社会的方方面面。尽管我国电力能源储备丰富,但由于经济发展相对落后,生产技术水平还有待提高,故电能的浪费在我国也是非常严重的,加之我国人口众多,经济发展不平衡,电能在大部分地区均呈现紧缺之势。为了建设环境友好型和可持续发展社会,节能减排就成为经济社会发展的必然趋势,各行各业都针对本行业提出了节能减排要求,建筑电气节能技术可谓首当其冲,作为一名设计人员,下面就民用建筑电气设计节能措施发表些个人的看法。

2 建筑电气设计节能的指导原则

 建筑电气设计节能的要求,必须有个指导性的原则:

1)适用性:也就是建筑电气设计中节能的考虑不能影响建筑本身的正常使用功能、舒适性和美观性要求,照明照度、电梯、立面、通风、装饰、空调等设计功能不能被削弱或受影响。

2)先进性:节能设计的考虑要立足于采用先进的技术,只有技术进步带来的节能效果才是减少电能消耗的根本性的解决方案,变压器如此,传输线路如此,照明灯、电动机等终端设备的节能也如此。

3)可靠性:节能技术或者设备的采用,必须考虑到设备的可靠性以及技术的成熟度,否则,先进而节能但不可靠的设备的投入,很容易造成设备故障,反而得不偿失,造成人力、物力、能源以及社会资源的浪费,更会对整个建筑物的正常使用功能造成极大影响。

4)经济性:先进技术和设备的选用,经济效益的考虑不能被忽视,不能因为满足节能要求而大幅增加投资,或者大幅增加运行费用;也就是说,必须要考虑因为节能要求而增加的投资需要有个合理的、可预期的投资回收期。

3 变压器的选择

建筑工程电力系统的设计应根据当地的具体供电条件以及项目本身的技术要求,合理的确定供电电压等级。同等传输功率情况下, 电压越高, 系统电流越小,线路损耗也越小。

变压器在整个电力系统中处于中枢的地位,它是供电电压转换设备,也是电能传输设备,广泛的用于民用建筑的电力系统中,并且需要长时间不间断的可靠的工作,因此其自身存在的损耗,累计量也是不容忽视的,技术先进的高效节能的产品就成为必然选择。目前S10、S11系列变压器,以至于最新的S13、S14、S15系列变压器就具有较高的性价比。

电力变压器技术很成熟,要减少变压器的有功损耗,只能依靠制造材料的进步、制造工艺的精益求精以及优化的内部构造来达到。众所周知,变压器的有功损耗的计算公式如下:


变压器的有功损耗(KW);

1)变压器的空载损耗(KW),又称变压器的铁损,它是由铁芯涡流及漏磁损耗组成,其值与铁芯材料及制造工艺关系十分密切,与负荷大小无关,所以节能变压器的铁芯一定是采用优质材料制造的;目前,更先进的非晶合金铁芯已开始在变压器中推广使用,可以有效地降低铁损15~30%。

2)—变压器的短路损耗(KW),又称变压器线损,是变压器额定负载下的传输的损耗,它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小,并与负荷电流平方成正比。因此节能变压器的绕组一定是采用优质的电阻值较小的导体制造的。

3)β—变压器的负载率,β越高,则变压器线损越大,β太小,有利节能,但变压器容量加大,初装费,土建成本等上升太多,违背电气设计节能的原则,所以变压器的选择需综合初装费,变压器、高低压柜、土建投资及运行费用,同时考虑变压器在使用期内预留适当的余量,变压器最经济节能运行的负载率一般在 75%~85%之间。

4)在建筑电气的变压器初步的设计方案中,要根据电气负荷实际情况,合理分配电力负荷,综合考虑一次投资以及后续运行费用等因数,合理选择变压器的数量以及容量,使得变压器工作时长时间处于低耗状态。

4 对传输线路进行合理设计,降低线路的损耗

由于配电传输线路有电阻,那么电流通过时就会产生功率损耗,计算公式为:

△P=3I2Rx10-3

其中△P—线路的功率损耗(KW)

R—线路电阻(Ω)

I—线路电流(A)

线路电阻R=ΡL/S,即与导线电阻率ρ、导线长度L成正比,与导线截面S成反比。

在具体工程中,线路上电流一般是相对固定的,那么要减少线损,只能尽量减少线路电阻,也就是尽量减少线路长度,加大线缆截面,采用低导电率的材料。

1)  首先我们应合理的配电方式和选择线路的合理的敷设路径,线路应尽可能的成直线敷设,不要走或者少走弯路、避免回头路线。在实际设计中,选择配变电所应考虑尽量靠近负荷中心,靠近大功率的用电设备,低压配电间也应尽量靠近地面单体电气竖井,甚至在单体内部设置变压器就近供电,目的均为减少供配电线路长度,降低线路损耗。

2)  应根据情况适当增大导线截面,可以按满足载流量、热稳定、保护的配合所选定的截面,对比按经济电流密度选择导线的截面, 二者选择大者做为导线的最终选择截面,这样做具有较佳的节能效果及性价比。

3)尽量选用电阻率较小的导线,如铜芯导线,铝线次之,并应从降低电能损耗、减少投资和节约有色金属等方面综合衡量。需要提及的是,随着技术的进步,现在出现了铝合金导线和铜包铝导线,铝合金导线做为新产品,电气性能与铝芯线相当,但其合金的特性,使得机械性能,如耐折弯性能大幅提高,而密度、体积、使用寿命、性价比等都相对铝芯线有优势。另外,铜包铝电缆也是较具性价比的一种产品,它利用了电缆的集肤效应,在电流最大的导线外围采用电阻率小的铜材料,内部电流小,采用了铝芯材料,这样可以在不降低使用功能的前提下,减少投资成本。以上二种新产品的出现,丰富了导线的选择性,一旦产品成熟、规范支持,将会是导线的一个可选择的发展方向。

4)此外,对于环形供电方式, 为降低线路的电阻值,将开环网运行改为闭环网运行, 也可降低线路损耗

5 对照明的节能设计要求

民用建筑电气中照明的用电量很大,据统计,照明线路的损耗约占输入电能的5%左右,所以照明存在着很大的节能潜力。对于照明部分的节能我们在设计中可以大做文章,在满足国家标准和使用功能的基础上,尽量做到低损耗。可以从以下几个方面着手:

1)对建筑物本身,我们应该尽量的利用自然采光,在条件允许的情况下,建筑物的门窗应有良好的透光性,还可采用如光纤等导光装置,将自然光引入室内照明,适当提高室内各表面反射比等等;现行规范已要求在地下车库等公共场所,采用智能照明系统,可大大降低无谓的电能消耗。

2)建筑照明最重要的、有效的节能方式是使用高效照明光源,以下是常用的几种光源的光通量对比。

常见光源的光通量(Lm/W

光源

普通白炽灯灯

普通荧光灯(T8T10)

三基色荧光灯(T5

自镇流器

高压汞灯

金属卤

化物灯

高压

钠灯

低压钠灯

LED

Lm/W

10~12

30~50

80~85

11.5~30

60~88

75~105

100~175

80~100

 

由上表可见,在满足照明质量的前提下,应尽量减少白炽灯的使用量;在办公室、教室、会议室、商店及电子仪表生产等一般公共场所,应尽量使用T5稀土三基色荧光灯,淘汰T8、T10等荧光灯;高、低压钠灯尽管发光效率高,但显色性太差,只是用于广场及道路等的室外照明,节能效果很明显;体育馆场、高大厂房、大商场等的一般照明宜采用金属卤化物灯、三基色荧光灯等高效气体放电光源达到节能目的。必须要指出的是,近年来,LED(发光二极管)灯技术瓶颈得以逐渐突破,LED发展迅猛,寿命长,效率高,节能效果好,使用越来越广泛,并且技术还在不断进步,可以预言,LED将来可以很大部分取代常规灯具,取得高效的节能效果。目前,在建筑电气设计中,对照度、显色性等指标不是很重要的场所如建筑装饰照明、地下车库照明、疏散指示灯,出口标志灯、室内指向性灯具等推荐选用(LED)灯。

3)推广使用低能耗性能优良的光源电气附件,如采用电子镇流器、节能型电感镇流器、电子触发器以及电子变压器等,以减少光源附件的用电能耗。

4)改进灯具控制方式,采用各种节能型开关或装置也是一种行之有效的节电方法,根据照明使用要求,灯具的控制方式可采取分区控制或适当增加照明开关的多点控制;卧室等床头灯可采用调光开关,宾馆客房等采用节电钥匙开关,公共场所及室外照明可采用程序控制或光电控开关,路灯宜分组控制,并且采用夜间减半的节能控制方式,走道楼梯人员短暂停留的公共场所可采用红外节能自熄开关。

6 对电动机的节能设置

1)资料显示,在民用建筑电气中,空调、通风、制冷、电梯等建筑电气设备的电能消耗约占整个建筑电能消耗的50%~60%以上。因此,这类设备的选择、配置可以说是节能设计的关键;换句话说,这些设备中的电动机的正确选择,在节能设计中占有重要地位。但这些电动机往往是随设备由厂家配套来,规格、特性相对固定;这就要求设计中设备选型时需熟悉设备的技术特性及要求,尽量选择节能型产品,从源头上控制非节能设备的进入;比如电梯,在同样的载重量和提升速度的情况下,高效节能产品比一般非节能产品的输入电功率可以相差一倍,节能效果显著;同时,由于输入电流的减少,供电导线上的损耗也相应降低,可以说一举多得。另外电动机的节能还可以通过提高电动机的工作效率来达到电动机的低损耗的效果,也就是需选择与负荷相匹配的电机,避免电机大马拉小车,因为电机轻载或者空载运行时,效率很低,电能浪费严重。

2)如上条所述,在电气设计中,电动机的选择很重要,除了选择优质高效电动机外,对远距离供电的大功率电动机,可采用6KV甚至10KV高压供电,降低线路电流,也就减少了线路损耗。

对于因负荷要求的、不能更换的而经常处于轻负荷运行的电动机,最好的方式是采用变频调速装置实现节能。变频调速装置技术先进,安全可靠,适用性广泛,节能效果显著,它通过测量电动机负荷的变化,采用变频的方式,调节电机转速与负载的变化相适应,提高电动机轻载和空载时的效率,达到节能的目的;特别是在风机和水泵上的使用,节能效果很明显。通过本人多年的使用和信息反馈,大型风机上使用变频器,如全年运行,大约2年即可收回变频器投资。

3)适当的选择电动机运行方式也是电气节能的一个途径;如电梯群控装置的使用,通过装置主机对呼叫信号和电梯群状态的分析,可以找到一个最近最快速的电梯来满足使用要求,这样不仅可以大幅提高电梯效率,减少等待时间,同时也让整个电梯群保持最佳能耗状态。

另外,按《全国民用建筑工程设计技术措施》的要求,对功率大于50kW的电动机,宜单独配置电压表、电流表、有功电能表,以便监测与计量电动机运行中的相关参数,也是一个节能的管理手段。

7 提高功率因数达到节能的目的

建筑电力系统中的用电设备,如异步电动机、整流设备、变压器、传输线路、气体放电灯中的整流器都具有电感特性,会产生滞后的无功,需要电源系统中的超前的无功来抵消,这样超前的无功功率就从电源系统经高、低压线路传输直到用电设备,在整个传输线路上就产生了电力损耗。采取适当的方式可以减少这样的无谓损耗。

1)首先应该提高设备的自然功率因数,减少对超前无功的需求,如在经济合理的前提下,采用同步电机代替普通异步电机,建筑场所内的气体放电灯可采用高次谐波系数低于l5%的电子镇流器等。

2)由于现代建筑中灯具数量庞大,特别是各种气体放电灯,自然功率因数都较低,所产生的无功电流总和是不容忽视的,故凡是采用电感整流器和功率因数较低的的气体放电灯,都要求自带补偿电容,且补偿后功率因数不得小于0.9。

3)对于大量的空调、冷冻机、风机、水泵、电梯等电动机负荷,功率因数都不高,特别是采用变频装置时,功率因数更低;对于这些设备,可采用就地设置补偿装置的方式,提高终端设备处的功率因数,就可以减少传输线路上的无功电流,相应地也就减少了功率损耗。

4)配电系统应尽量做到三相平衡,单相负荷较多的供电系统,应采用分相无功自动补偿装置,也可以减少中性线上的无功损耗。

 

8 结束语

建筑电气节能具有很大的潜能,在设计上我们要多方面考虑,在满足经济要求的条件下,把节能设计同时列入设计重点之一,以保证在工程安全可靠的基础上减小电能的损耗。建筑节能的意义不仅可以促进经济的可持续发展,还可以有效的改善我们的生存环境。

 

 

参考文献

[1] GB50189-2015 公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社.

[2] 北京照明学会 照明设计专业委员会. 照明设计手册(第二版) [ M ] . 北京: 中国电力出版社, 2006.

[3] 任红 建筑电气设计中的节能措施[J].建筑电气,2008

[4] 卢若凡 建筑电气设计中的节能技术措施[J].低碳世界,2014.

[5] 丁丽李培智吴祥军 建筑电气设计常用节能措施.工程建设与设计.2014.

 

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