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摘要: 能源耗损是制约经济发展的的重要因素之一，电气设计在建筑节能中尤为重要，本文结合笔者的工作经验对电气节能设计出现的问题进行了解析。
关键词: 变压器；电气节能; 系统设计； 节能控制; 负荷功率
1配电设计环节的节能因素分析
在建筑电气配电设计中,合理的选择变压器和正确进行功率因数补偿这两个问题,对减少电能损耗、达到节能增效的目的有着重要的作用。
1. 1根据负荷特点选择变压器
配电变压器的容量和型号选择应综合考虑多方面因素才能取得较好的节能效果,其中比较关键的因素有选择高效率的变压器、恰当进行负荷率选择以及考虑环境温度影响。
(1) 在经济条件许可的情况下尽可能选择节能效果好的变压器。以民用建筑配电系统中常用的SC (B)系列变压器为例,随系列号增大, 节能效果越好,如SC (B) 8 < SC (B ) 9 < SC (B )10,相應地用于购买变压器的一次投资也越大。在具体工程中,对经济性和节能效果需要兼顾考虑。
(2) 除了选择高性能的变压器外,还要根据负荷类型的特点选择适当的负荷率,并以此确定变压器容量。在建筑电气设计中,负荷计算普遍采用需要系数法。计算负荷反映了0. 5 h最大平均负荷的大小。根据工程设计习惯,定义变压器负荷率为
β = S30 /SN (1)
式中S30 ———计算负荷
SN ———变压器额定容量
文献[ 1 ]讨论了一般情况下变压器在额定电压时满足经济运行的负荷率为k = P0 /Pk ( P0、Pk 分别为变压器的空载损耗和短路损耗) 。在实际设计中不宜单纯按β = k来选择变压器容量, 因为S30代表最大平均负荷, 实际运行中变压器的负荷并不是长期保持S30 , 对于不同的负荷类型其S30的持续时间各不相同。根据电力系统的运行经验,设计手册中列出的最大负荷运行小时数Tmax根据不同的负荷类型有各自的大致范围, 表示各类负荷按最大负荷运行的等效时间, 因此Tmax在一定程度上反映了各类负荷的运行强度。为了充分利用设计手册中这些数据包含的负荷类型信息, 并合理地确定变压器容量, 在工程设计中更适合采用如下方法:由于变压器实际运行时电压偏移必须在规定范围内,实用计算中认为其运行在额定电压,定义变压器的平均损耗率为η =ΔAT / TS30。η反映了变压器满足计算负荷要求的前提下全年平均损耗与计算负荷的相对大小。综合应用文献[ 3 ]中有关章节的内容,得
式中ΔAT ———变压器年电能损耗
T———变压器年运行时间,取8 760 h
τ———最大负荷损耗时间
S ———负荷实际的视在功率
令dη/ dβ=0,可得
所以,当负荷率满足式(3 )时,变压器带负荷运行的相对损耗最小,式中引入的参数τ与最大负荷利用小时Tmax及负荷功率因数相关, 可从设计手册查得,因而式( 3 )求得的负荷率计入了负荷类型对变压器损耗的影响。举例说明如下:设有3 种不同类型负荷, 低压母线上的计算负荷均为S30 =700 kVA, cosφ= 0. 9,分别选择不同容量的变压器,详见表1。
由表1可见,同系列的不同变压器的k值差别很小,可认为近似相等。在计算负荷相同的情况下,由于负荷类型不同,使节能效率达到最优所选择的变压器容量不同,最大负荷持续时间相对较短的负荷类型适合按较大的负荷率选用变压器。经计算,结果与实际运行的经验是相符的。
(3) 重视变压器工作温度的影响。变压器的空载损耗与温度基本无关,而短路损耗受温度影响明显。根据变压器厂家资料,有关系式:
Pk2 = Pk1 (235 + t2 ) / (235 + t1 )(4)
温度t1 对应的短路损耗为Pk1 ;温度t2 对应的短路损耗为Pk2。可见,工作温度越高,损耗越大。考虑设计方案时,应注意将变压器室设在建筑物日照强度较弱的一侧,并在门窗处预留通风条件,尽量改善变压器的散热条件。
1. 2提高负荷端功率因数
由于负荷功率通过变压器或线路等效电阻RΣ 时产生的有功损耗可以表示为
ΔP = RΣ ( P2 + Q2 ) /U2(5)
S = P + jQ 为负载的视在功率。可知, 在保持一定的有功功率输送前提下,若能提高负载端功率因数,就能减少线路中无功功率Q 的传输,从而减少无功传输引起的有功损耗。若不计无功变化对线路端电压的影响, 当功率因数由cosφ1 增加到cosφ2 时,线路上的功率损耗减少的相对值为
(ΔP1 -ΔP2 ) /ΔP1 = ( tanφ1 - tanφ2 ) / (1 +tanφ1 ) (6)
按式(6 )计算, 如果将负载功率因数由0. 8提高到0. 9, 就能减少线路上约15 %的有功损耗,同时还可有效减少变电所集中补偿装置的安装容量和投切频率。所以,在设计中应尽量对无功功率进行分级就地补偿。如果考虑到无功补偿对减少电压损失的作用,节能效果会更好。
2电气照明节能设计的要点
GB 50034—2004《建筑照明设计标准》是电气照明设计中的重要依据,标准中的第6. 1. 2～6. 1. 7 条强制性条文规定了照明节能的具体指标。
2. 1影响照明节能的主要因素
根据文献[ 3 ]中的基础理论,照明系统的电能损耗ΔW 可表示为
ΔW =ΔW1 +ΔW2 (7)
式中ΔW1 ———线路电阻产生的损耗
ΔW2 ———镇流器的损耗
式中Φ ———选定灯具形式后, 理论计算所得满足照度标准所需要的总光通量U———单相系统电压有效值
R ———照明配电线路的电阻
η———光源的光效
ρ———镇流器的功率消耗与灯具功率的比值
cosφ———灯具的功率因数
t———照明系统的工作时间
可见,在照明设计中要抓住电力系统设计这个主要环节,做好照明节能设计,使电能损耗尽可能低。
2. 2照明配电系统设计
根据工程设计实践,总结出在照明配电系统设计中影响节能的因素主要有以下几点:
(1) 合理平衡各相上的负荷。照明负荷均为单相负荷,令单相负荷在三相回路中尽量均匀分配,能显著减少中性线中的不平衡电流,相当于缩短电流传输的电气距离,降低系统电阻,从而减少电能损耗。设计中要注意不应简单地将负荷在系统图中作平均分配,应尽可能详细调研照明对象,并充分利用已有经验,分析同一照明系统中实际工作在同一场合和时间段的负荷,并在系统设计中合理分组,使照明系统各相的实际工作电流均匀分配。
(2) 合理设计照明控制方案。在设计中首先要满足GB 50034—2004《建筑照明设计标准》第7. 4条的要求;此外,根据具体项目的特点,灵活采用简便、有效的节能措施。例如,高校教学楼的照明管理中常出现由于教室太多和管理人员有限造成管理不到位的现象,使教室的灯具在已无人的情况下长期开启,造成浪费。为了避免这种现象,只需在每间教室对普通的开关回路接入接触器,并稍作改动。其原理如图1所示。
图1 教室照明节能控制原理
正常开灯时按下开关S1,接触器KM接通灯具回路并自保持,由管理人员或定时器在规定的时间统一开闭一次回路总开关,这样无人的教室则灯具熄灭。有人员的教室如有照明需要,可就地再次按下开关S1 开灯,同样可以简易实现集中控制结合本地控制进行教室照明管理的功能,且不需增加额外的远程控制回路。
2. 3照明设计实例与节能分析
某普通教室的长、宽、高分别为12 m、9 m、3. 5 m。表2 为教室场合规定的照度设计标准。设计时采用格栅型荧光灯具,吸顶安装。利用照度计算软件设计的灯具布置方案简单示于图2,计算时墙壁反射率取0. 6,维护系数取0. 7,计算得课桌面平均照度约为320 lx,黑板主要区域照度为400～500 lx。根据前述分析,将采取不同措施对节能的影响进行比较,并列于表3。
3. 结束语：
节能减排需要各方面措施的综合实施,电气设计是其中的重要环节。本文将针对电气设计中与节能降耗密切相关的问题进行分析,讨论电气照明设计中执行照明功率密度规定时存在的误区,分析电气设计师如何有意识地将节能思想贯彻到设计中的各个主要环节,使设计成果更合理,并能有效引导用户在运行中取得较好的节能效果。
参考文献：
[ 1 ] 电力网电能损耗[M ]. 北京: 中国电力出版社, 2000.
[ 2 ] 双绕组变压器经济运行负载系数研究[ J ]. 电力系统保护与控制, 2008 , 36 ( 17 ) : 60261.
[ 3 ] 电力系统分析[M ]. 3 版. 北京: 高等教育出版社, 2002.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 变压器；电气节能; 系统设计； 节能控制; 负荷功率
1配电设计环节的节能因素分析
在建筑电气配电设计中,合理的选择变压器和正确进行功率因数补偿这两个问题,对减少电能损耗、达到节能增效的目的有着重要的作用。
1. 1根据负荷特点选择变压器
配电变压器的容量和型号选择应综合考虑多方面因素才能取得较好的节能效果,其中比较关键的因素有选择高效率的变压器、恰当进行负荷率选择以及考虑环境温度影响。
(1) 在经济条件许可的情况下尽可能选择节能效果好的变压器。以民用建筑配电系统中常用的SC (B)系列变压器为例,随系列号增大, 节能效果越好,如SC (B) 8 < SC (B ) 9 < SC (B )10,相應地用于购买变压器的一次投资也越大。在具体工程中,对经济性和节能效果需要兼顾考虑。
(2) 除了选择高性能的变压器外,还要根据负荷类型的特点选择适当的负荷率,并以此确定变压器容量。在建筑电气设计中,负荷计算普遍采用需要系数法。计算负荷反映了0. 5 h最大平均负荷的大小。根据工程设计习惯,定义变压器负荷率为
β = S30 /SN (1)
式中S30 ———计算负荷
SN ———变压器额定容量
文献[ 1 ]讨论了一般情况下变压器在额定电压时满足经济运行的负荷率为k = P0 /Pk ( P0、Pk 分别为变压器的空载损耗和短路损耗) 。在实际设计中不宜单纯按β = k来选择变压器容量, 因为S30代表最大平均负荷, 实际运行中变压器的负荷并不是长期保持S30 , 对于不同的负荷类型其S30的持续时间各不相同。根据电力系统的运行经验,设计手册中列出的最大负荷运行小时数Tmax根据不同的负荷类型有各自的大致范围, 表示各类负荷按最大负荷运行的等效时间, 因此Tmax在一定程度上反映了各类负荷的运行强度。为了充分利用设计手册中这些数据包含的负荷类型信息, 并合理地确定变压器容量, 在工程设计中更适合采用如下方法:由于变压器实际运行时电压偏移必须在规定范围内,实用计算中认为其运行在额定电压,定义变压器的平均损耗率为η =ΔAT / TS30。η反映了变压器满足计算负荷要求的前提下全年平均损耗与计算负荷的相对大小。综合应用文献[ 3 ]中有关章节的内容,得
式中ΔAT ———变压器年电能损耗
T———变压器年运行时间,取8 760 h
τ———最大负荷损耗时间
S ———负荷实际的视在功率
令dη/ dβ=0,可得
所以,当负荷率满足式(3 )时,变压器带负荷运行的相对损耗最小,式中引入的参数τ与最大负荷利用小时Tmax及负荷功率因数相关, 可从设计手册查得,因而式( 3 )求得的负荷率计入了负荷类型对变压器损耗的影响。举例说明如下:设有3 种不同类型负荷, 低压母线上的计算负荷均为S30 =700 kVA, cosφ= 0. 9,分别选择不同容量的变压器,详见表1。
由表1可见,同系列的不同变压器的k值差别很小,可认为近似相等。在计算负荷相同的情况下,由于负荷类型不同,使节能效率达到最优所选择的变压器容量不同,最大负荷持续时间相对较短的负荷类型适合按较大的负荷率选用变压器。经计算,结果与实际运行的经验是相符的。
(3) 重视变压器工作温度的影响。变压器的空载损耗与温度基本无关,而短路损耗受温度影响明显。根据变压器厂家资料,有关系式:
Pk2 = Pk1 (235 + t2 ) / (235 + t1 )(4)
温度t1 对应的短路损耗为Pk1 ;温度t2 对应的短路损耗为Pk2。可见,工作温度越高,损耗越大。考虑设计方案时,应注意将变压器室设在建筑物日照强度较弱的一侧,并在门窗处预留通风条件,尽量改善变压器的散热条件。
1. 2提高负荷端功率因数
由于负荷功率通过变压器或线路等效电阻RΣ 时产生的有功损耗可以表示为
ΔP = RΣ ( P2 + Q2 ) /U2(5)
S = P + jQ 为负载的视在功率。可知, 在保持一定的有功功率输送前提下,若能提高负载端功率因数,就能减少线路中无功功率Q 的传输,从而减少无功传输引起的有功损耗。若不计无功变化对线路端电压的影响, 当功率因数由cosφ1 增加到cosφ2 时,线路上的功率损耗减少的相对值为
(ΔP1 -ΔP2 ) /ΔP1 = ( tanφ1 - tanφ2 ) / (1 +tanφ1 ) (6)
按式(6 )计算, 如果将负载功率因数由0. 8提高到0. 9, 就能减少线路上约15 %的有功损耗,同时还可有效减少变电所集中补偿装置的安装容量和投切频率。所以,在设计中应尽量对无功功率进行分级就地补偿。如果考虑到无功补偿对减少电压损失的作用,节能效果会更好。
2电气照明节能设计的要点
GB 50034—2004《建筑照明设计标准》是电气照明设计中的重要依据,标准中的第6. 1. 2～6. 1. 7 条强制性条文规定了照明节能的具体指标。
2. 1影响照明节能的主要因素
根据文献[ 3 ]中的基础理论,照明系统的电能损耗ΔW 可表示为
ΔW =ΔW1 +ΔW2 (7)
式中ΔW1 ———线路电阻产生的损耗
ΔW2 ———镇流器的损耗
式中Φ ———选定灯具形式后, 理论计算所得满足照度标准所需要的总光通量U———单相系统电压有效值
R ———照明配电线路的电阻
η———光源的光效
ρ———镇流器的功率消耗与灯具功率的比值
cosφ———灯具的功率因数
t———照明系统的工作时间
可见,在照明设计中要抓住电力系统设计这个主要环节,做好照明节能设计,使电能损耗尽可能低。
2. 2照明配电系统设计
根据工程设计实践,总结出在照明配电系统设计中影响节能的因素主要有以下几点:
(1) 合理平衡各相上的负荷。照明负荷均为单相负荷,令单相负荷在三相回路中尽量均匀分配,能显著减少中性线中的不平衡电流,相当于缩短电流传输的电气距离,降低系统电阻,从而减少电能损耗。设计中要注意不应简单地将负荷在系统图中作平均分配,应尽可能详细调研照明对象,并充分利用已有经验,分析同一照明系统中实际工作在同一场合和时间段的负荷,并在系统设计中合理分组,使照明系统各相的实际工作电流均匀分配。
(2) 合理设计照明控制方案。在设计中首先要满足GB 50034—2004《建筑照明设计标准》第7. 4条的要求;此外,根据具体项目的特点,灵活采用简便、有效的节能措施。例如,高校教学楼的照明管理中常出现由于教室太多和管理人员有限造成管理不到位的现象,使教室的灯具在已无人的情况下长期开启,造成浪费。为了避免这种现象,只需在每间教室对普通的开关回路接入接触器,并稍作改动。其原理如图1所示。
图1 教室照明节能控制原理
正常开灯时按下开关S1,接触器KM接通灯具回路并自保持,由管理人员或定时器在规定的时间统一开闭一次回路总开关,这样无人的教室则灯具熄灭。有人员的教室如有照明需要,可就地再次按下开关S1 开灯,同样可以简易实现集中控制结合本地控制进行教室照明管理的功能,且不需增加额外的远程控制回路。
2. 3照明设计实例与节能分析
某普通教室的长、宽、高分别为12 m、9 m、3. 5 m。表2 为教室场合规定的照度设计标准。设计时采用格栅型荧光灯具,吸顶安装。利用照度计算软件设计的灯具布置方案简单示于图2,计算时墙壁反射率取0. 6,维护系数取0. 7,计算得课桌面平均照度约为320 lx,黑板主要区域照度为400～500 lx。根据前述分析,将采取不同措施对节能的影响进行比较,并列于表3。
3. 结束语：
节能减排需要各方面措施的综合实施,电气设计是其中的重要环节。本文将针对电气设计中与节能降耗密切相关的问题进行分析,讨论电气照明设计中执行照明功率密度规定时存在的误区,分析电气设计师如何有意识地将节能思想贯彻到设计中的各个主要环节,使设计成果更合理,并能有效引导用户在运行中取得较好的节能效果。
参考文献：
[ 1 ] 电力网电能损耗[M ]. 北京: 中国电力出版社, 2000.
[ 2 ] 双绕组变压器经济运行负载系数研究[ J ]. 电力系统保护与控制, 2008 , 36 ( 17 ) : 60261.
[ 3 ] 电力系统分析[M ]. 3 版. 北京: 高等教育出版社, 2002.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。