建筑电气设计中的节能措施

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  [摘 要]在建筑电气设计的过程中, 采取科学合理的节能设计措施不仅可以使设计在技术上满足功能需求,也使整个建筑物的电气设计在一定的程度上具有先进性和经济合理性, 符合建筑物节能环保的可持续发展要求。本文阐明了建筑电气节能设计的基本要求,提出了建筑电气设计节能的有效措施。
  [关键词]建筑 电气设计 节能措施
  中图分类号:U445.7 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)11-0084-02
  建筑节能对于促进能源资源节约和合理的利用,缓解我国能源资源供应与社会经济发展的矛盾,加快发展循环经济,实现我国国民经济可持续的高速发展,有着举足轻重的作用;同时也是保障国家能源安全、保护环境、提高人民群众生活质量、贯彻落实科学发展的一项重要举措。
  一、建筑电气节能设计的基本要求
  1、节能需满足建筑物的功能。首先要保证建筑物用电安全性,人们生活的舒适性和工作效率,所以应满足照明的照度、色温、显色指数;满足舒适性空调的温度及新风量,满足上下、左右的运输通道畅通无阻,满足特殊工艺要求,如体育场馆、酒店餐饮娱乐场所一些必需的电气设施用电,展厅、多功能厅等的工艺照明及电力用电等。
  2、节能需满足建筑物的实际经济效益。节能应考虑国情,计及实际经济效益,不能因为追求节能而过高地消耗投资,增加运行费用,电气工程师在设计时应该通过比较分析,合理选用节能设备及材料,使增加的节能方面的投资,能在较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收
  3、节能需减少无谓的能量消耗。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的,再考虑采取什么措施节能。如传输电能线路上的有功损耗,变压器的功率损耗,电能传输线路上的有功损耗,都是无用的能量损耗;又如量大面广的照明容量,宜采用先进的调光技术、控制技术使其能耗降低。
  4、节能需满足环境保护的先进性原则。以提高能源利用率和综合效益为主要途径,根据技术先进、安全适用、经济合理、节约能源和保护环境的原则确定设计方案。通过正确的算,合理选择电气设备及其控制方式,尽量在不增加或少增加投资的前提下取得较显著的节电效果。
  二、建筑电气设计节能的有效措施
  在供配电系统中的用电设备如电动机、变压器、灯具的镇流器以及很多家用电器等都具有电感性,会产生滞后的无功电流,并从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端,无形中又增加了线路的功率损耗。可以采取以下措施来降低这部分损耗:在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备,如同步电动机等;电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备,如配有电容补偿的荧光灯等;用静电电容器进行无功补偿。电容器产生的超前无功电流,可以抵消用电设备的滞后无功电流,从而达到提高功率因数、同时又减少整体无功电流的目的。
  对于供电线路,应从以下几个方面考虑减少线路损耗:①尽量选用电阻率较小的导线;②设计线路尽量走直线,在低压配电中尽可能不走回头路,变电所应靠近负荷中心,以减小供电半径;③增大导线截面积,对于较长的线路,在满足载流量、热稳定、保护配合及电压降等要求的前提下,在选定线截面时加大1级,虽然增加了线路费用,但由于节约能耗而减少了年运行费用;④在输送功率不变的情况下,由于电能损耗与电流强度的平方成正比,与运行电压的平方成反比,在额定电压允许波动的幅度内,适当提高运行电压可显著降低线路的电能损失。
  1、供配电系统节能
  应采取提高系统的运行电压和功率因数,减少无功功率及导线中的电阻,降低供配电系统线路损耗等措施。节能途径主要有:
  (1)根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备特点等因素,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,同一电压供电系統变配电级数不宜多于两级;
  (2)变电所应尽量靠近负荷中心,以缩短配电半径,减少线路损耗,电力用户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,从而减少损耗;
  (3)降低线路电阻,线路截面选择要与国际接轨,推广应用IEC287-3—2/1995“电力电缆截面的经济最佳化”,按经济电流密度法合理选择导线截面,以减少损耗。此外,对于环形供电方式,为降低线路的电阻值,将开式网运行改为闭式网运行,同样可明显降低线路损耗;
  (4)传输上可以采用提高电压等级的方法。通过计算可知,当电压提高10%线损可降低17.4%,因此,提高电压传输,是降低线损的有效途径;
  (5)提高功率因数减少电能损耗。线损与电力用户的功率因数的2次方成反比,故提高功率因数也是降损的有效措施。提高功率因数,可从合理选用电气设备容量及装设并联补偿电容器2个方面着手。
  2、变压器节能
  变压器的损耗主要分为2部分:①与负载无关的空载损失。变压器空载时,空载电流I0很小,在绕组中引起的铜损Pcu可忽略不计,空载损失P0可视为与铁损Pfe相等。而铁损由磁滞损失与涡流损耗组成,这两项损耗近似与一次线路电压U1的平方成正比,只要运行一次电压不变,则铁损不变;②与负载成平方比的负载损失。变压器有载时,除了固定铁损外,还存在由于电流通过1次、2次线圈的电阻损耗,即铜耗Pcu在不同负载条件下,变压器的总损耗为Pcu与Pfe之和。变压器的有功功率损耗可用下式表示:
  △P=P0+β2PK
  式中:△P为变压器的有功损耗;P0为变压器的空载损耗;PK为变压器的短路损耗;β为变压器的负载率。
  (1)降低空载损耗。P0作为变压器的空载损耗,又称为铁损,他是由铁心的涡流损耗及漏磁损耗组成,其值与铁芯材料和铁芯制造工艺等有关,而与负荷大小无关,所以变压器应选用节能型的油浸变压器或干式变压器,它们均采用优质冷轧取向硅钢片,由于“取向”处理时硅钢片的磁畴方向接近一致,以减少铁芯的涡流损耗,5°全斜接缝结构使接缝密合性好以减少漏磁损耗;   (2)降低负载损耗。PK为变压器额定负载传输的损耗又称为变压器线损,其值取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小,因此,需要考虑选用阻值较小的绕组,如选用铜芯变压器等;
  (3)选择适宜的负载率。根据公式β=S/SN,SN为变压器额定容量,S为变压器运行中的实际容量,β2PK用微分求其极值时,是在β=50%时每千瓦的负荷,此时,变压器的能耗最小,但在β=50%负载率时仅减少变压器的线损,并未减少变压器的铁损,因此,也不是最节能的。综合多方面因素,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)优化变压器的运行方式。对负荷进行合理分配,选择容量与电力负荷相适应的变压器,使其工作在高效低耗区,同一变电站的变压器尽量并联运行,根据负荷的变化调整并联运行的变压器的台数。
  另外,还需考虑控制各类非线性用电设备所产生的高次谐波,降低高次谐波值,减少变压器、电动机、线路等的损耗,降低变压器的运行环境温度,平衡三相负荷,合理选择变压器的接线方式等因素。
  3、电动机动力系统节能
  降低电动机电能损耗的主要途径是提高电动机的工作效率和功率因数。在高层住宅中电梯、水泵、风机等以交流电动机拖动的电气设备运行所产生的电费,约占公摊电费的30%左右。因此,交流电动机的节电降损十分重要,应积极采用高效节能型电动机,如YX系列高效电动机又比Y系列电动机效率提高3%。要根据负载情况选用容量合适的电动机。电动机效率指标是指在额定负载运行下的数值,在非额定负载下,其数值一般比额定值时低。电动机在负载率为75%~100%之间运行效率最高。在此负载率范围内使用,节电效果最好。一般来讲,选择电动机的额定功率比负载实际功率高10%左右。当电动机的平均负载为70%以上时,电动机的效率与额定效率差不多,可以认为容量合适。当电动机的平均负载为45%~70%时,电动机的效率与额定效率稍低,要经过计算才能决定是否将容量减小。当电动机的平均负载为25%~40%时,应当选择容量相当的电动机,或将电动机绕组由△接法改为Y接法。负载率低不仅效率低,还会降低功率因数。
  (1)选用高效率电动机。提高电动机的效率和功率因素,是减少电动机的电能损耗的主要途径。与普通电动机相比,高效电动机的效率要高3%~6%,平均功率因数高7%~9%,总损耗减少20%~30%,因而具有较好的节电效果。所以在设计和技术改造中,应选用Y、YZ、YZR等新系列高效率电动机,以节省电能。另一方面,高效电机价格比普通电机要高20%~30%,故采用时要考虑资金回收期,即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。一般符合下列条件时可选用高效电机: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停(最好是轻载启动,如风机、水泵类负载);④单机容量较大;
  (2)选用交流变频调速装置。大力推广交流电机调速节电技术,是当前我国节约电能的措施之一。采用变频调速装置,使电机在负载下降时,自动调节转速,从而与负载的变化相适应,即提高了电机在轻载时的效率,达到节能的目的。目前,用普通晶闸管、GTR(大功率晶体管)、GTO(门极可关断开关)、IGBT(绝缘门双极晶体管)等电力电子器件组成的静止变频器对异步电动机进行调速已广泛应用。变频调速是通过由电子元件组成的变频器及相应的辅助控制装置,来改变电动机的输入电压和频率以实现电动机的调速。与其他方法相比,变频调速具有自身损耗小,效率高,调速精度高的优点,通过微机还可以进行闭环自动控制,是理想的调速方法,尤其适用于高层建筑中水泵、风机、电梯等电动机的调速。
  提高控制技术,尽量减小交流电动机的启动、制动次数也是降损节能的有效措施,因为电动机启动时的大电流会造成电能损耗,电机停止时会产生制动能耗。采用控制技术监视各类生活、消防水箱的水容量,并科学地控制水泵启动的台数、相隔的时间能减少电动机启动、制动次数。
  4、照明系统节能
  (1)照明的节能设计。照明节能设计就是在保证不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下,力求减少照明系统中光能的损失,从而最大限度的利用光能。通常的节能措施有以下几种:①充分利用自然光,这是照明节能的重要途径之一,在设计中电气設计人员应多与建筑专业配合,做到充分合理地利用自然光使之与室内人工照明有机地结合,从而大大节约了人工照明电能;②选用高效光源。照明设计规范规定了各种场所的照度标准、视觉要求、照明功率密度等。照度标准不可随意更改,这就需要有效地控制单位面积灯具安装功率。光源的效率与电力消耗最为密切,在满足照明质量的前提下,一般场所应优先采用高效发光的荧光灯及紧凑型荧光灯,高大车间、厂房及体育场馆的室外照明等一般照明宜采用高压钠灯、金属卤化物灯等高效气体放电光源;③推广使用低能耗性能优的光源用电附件,如电子镇流器、节能型电感镇流器、电子触发器以及电子变压器等,公共建筑场所内的荧光灯宜选用带有无功补偿的灯具,紧凑型荧光灯优先选用电子镇流器,气体放电灯宜采用电子触发器;④采用合理的控制方式。充分利用天然光的照度变化,决定电气照明点亮的范围,实行一般照明的分区控制和适当增加照明开关点,改变全开习惯,在给定的时间和地点控制照明提供的照度,可有效地节能;采用各种类型的节电开关,如在旅馆客房设置节能控制型总开关,对居住建筑有天然采光的楼梯间、走道灯(应急照明除外)采用节能自熄开关等;公共场所、室外照明,可采用集中控制遥控管理的方式或采用自动控光装置;
  (2)提高供配电系统的功率因数。功率因数提高了可以减少线路无功功率的损耗,从而达到节能目的。
  具体方法有:①减少用电设备无功损耗,提高用电设备的功率因数。在设计中尽可能采用功率因数高的用电设备如同步电动机等,电感性用电设备可选用有补偿电容器的用电设备(如配有电容补偿的荧光灯)等;②用静电电容器进行无功补偿,电容器可产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流从而达到提高功率因数,同时,又减少整体无功电流。在具体工程设计中有采用分散就地补偿和高低压柜集中补偿等方式,可根据具体情况具体分析。
  总之,建筑电气的节能潜力很大,应在设计中精心考虑各种可行的技术措施。同时,在选用节能的新设备时,应具体了解其原理、性能、效果,从技术、经济上进行比较后,再合理选定节能设备,以真正达到有效节能的目的。
  参考文献
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