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1、Wuhan Architectural Design Institute 武汉市建筑设计院 2011全国电气节能论坛 电气节能设计要点与疑难解析 李 蔚 （中信建筑设计研究总院 电气总工） (2011-11-05 北京) WHADI摘 要 本文着眼于电气节能设计应遵循的原则，重 点从变压器的选择、供配电系统及线路设计、提 高系统功率因数、照明节能、电动机节能、节电 型低压电器选用、谐波的产生与治理、太阳能光 伏发电系统的设计应用等多个方面和角度，论述 了建筑电气节能技术的设计要点，并对相关疑 难问题进行了解析。 WHADI 关键词 电气节能 变压器损耗 线路损耗 功率因数 第四代新型绿色光源
2、LED灯 LVD无极荧光灯 智能照明控制系统 太阳光光纤导入照明系统 变频调速 软起动器 模糊控制技术 节电型低压电器 谐波治理 冷、热、电三联供系统 太阳能光伏发电 WHADI 1 引 言 o 我国正处于城镇化建设的快速发展时期， 已建项目的总建筑面积约为400亿平方米，每 年还以十几亿平方米的速度递增。目前，我国 建筑能耗约占全社会总能耗的27左右（根据 建设部和国家建材局的统计）。到2020年，全 国将新增建筑面积约200亿平方米，建筑能耗 占全社会总能耗的比例将更高。 WHADI o 在欧美一些发达国家，节能型建筑的比例已达 到了40。而在我们这样一个资源相对匮乏、正 在发展中的人口大
3、国，能源的消耗正急剧增加，能 源危机迫在眉睫，作为能耗大户的建筑能耗已成为 危及社会可持续发展的一个重大问题。为此，中央 提出发展“低碳经济”、建设“资源节约型”社会的目 标，要求各地大力推广“节能省地”型建筑。 o 由此可见，建筑节能已成为时代的呼唤。作为 二次能源的电能，如何降低损耗、高效利用，如何 将节能技术合理应用到工程项目当中，也就成为建 筑电气设计的焦点 WHADI 2 电气节能设计应遵循的原则 o 电气节能设计既不能以牺牲建筑功能、损害 使用需求为代价，也不能盲目增加投资、为 节能而节能。因此，笔者认为，电气节能设 计应遵循以下原则： WHADI 2.1 满足建筑物的功能 这主要
4、包括：满足建筑物不同场所、部位对照明照 度、照度均匀度、统一眩光值UGR、相关色温Tcp 、显色指数Ra等的不同要求； 满足舒适性空调所需要的温度、湿度、新风量等； 满足特殊工艺要求，如体育场馆、医疗建筑、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。 WHADI 2.2 考虑实际经济效益 o 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，而是应该通过比较分析，合理选用节能 设备及材料，使增加的节能方面的投资，能在 几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费 用进行回收。 WHADI 2.3 节省无谓消耗的能量 o
5、节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。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。 o 总之，笔者认为节能设计应把握“满足功能、经济 合理、技术先进”的原则。具体说来，可重点从以下多 个方面采取节能措施，将节能技术合理应用到实际工程 中。 WHADI 3 变压器的选择要点 o 变压器节能的实质就是：降低其有功功率损耗、 提高其运行效率。变压器的有功功率损耗如下式表示： 其中： -变压器有功损耗（）； -变压器的空载
6、损耗（）； -变压器的有载损耗（）； -变压器的负载率。 式中为空载损耗又称铁损，它由铁芯的涡流损 耗、漏磁损耗组成，其值与硅钢片的性能及铁芯制造工 艺有关，而与负荷大小无关，是基本不变的部分。 WHADI o 因此，变压器应选用SCB10、SCB11 等节能型变压器（SCB11系列比SCB10 系列节电10%），它们都是选用高导磁 的优质冷轧晶粒取向硅钢片和先进工艺制 造的新系列节能变压器。由于“取向”处理 ，使硅钢片的磁场方向接近一致，以减少 铁芯的涡流损耗；全斜接缝结构， 使接缝密合性好，可减少漏磁损耗。 WHADI o 目前，一种新型的节能变压器：非晶合金变压器应 运而生，它采用非晶合
7、金带材制作铁芯，替代传统硅钢 片铁芯，其能耗比普通硅铁变压器降低6080%，具 有很好的节能效果。其初次投资增加的成本5年就可以 回收，经济性非常显著。 o 非晶合金材料的生产具有很高的科技难度，目前世 界上只有日立电气和中国的安泰科技掌握了非晶技术， 安泰科技作为中国钢研行业的领军企业，其4万吨非晶 合金带材生产线已初步完成热试，2009年底可投产， 2010年达产，为中国市场提供急需的非晶材料，同时 降低了成本，为电网改造和产业升级提供了可能；非晶 合金变压器本身也是一种环保型产品。 WHADI o 以上节能型变压器因具有损耗低、质量轻、效率高 、抗冲击、节能显著等优点，而在近年得到了广泛
8、的应 用，所以，设计应首选低损耗的节能变压器。 o 上式中，是传输功率的损耗，即变压器的线损 ，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小。 因此，应选用阻值较小的铜芯绕组变压器。对 ，用微分求它的极值，可知当时，变压器的 能耗最小。但这仅仅是从变压器节能的单一角度出发， 而没有考虑综合经济效益（节能原则如前述）。 WHADI o 因为的负载率仅减少了变压器的线损，并没 有减少变压器的铁损，因此节能效果有限；且在此低负载率 下，由于需加大变压器容量而多付的变压器价格，或变压器 增大而使出线开关、母联开关容量增大引起的设备购置费， 再计及设备运行、折旧、维护等费用，累积起来就是一笔不 小的投资
9、。由此可见，取变压器负载率为是得不偿失 的。 o 综合考虑以上各种费用因素，且使变压器在使用期内预 留适当的容量，笔者认为，变压器的负载率应选择在 为宜。这样既经济合理，又物尽其用。另一方面 ，因为变压器在满负荷运行时，其绝缘层的使用年限一般为 年，年后通常会有性能更优的变压器问世，这样就 可有机会更换新的设备，从而使变压器总趋技术领先水平。 WHADI o 设计时，合理分配用电负荷、合理选择变压器容量 和台数，使其工作在高效区内，可有效减小变压器总损 耗。 o 当负荷率低于30时，应按实际负荷换小容量变压 器；当负荷率超过80并通过计算不利于经济运行时 ，可放大一级容量选择变压器. o 当容
10、量大而需要选用多台变压器时，在合理分配负 荷的情况下，尽可能减少变压器的台数，选用大容量的 变压器。例如需要装机容量为2000，可选台 000，不选台00。因为前者总损 耗比后者小,且综合经济效益优于后者。 WHADI o 对分期实施的项目，宜采用多台变压器方案，避免 轻载运行而增大损耗；内部多个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 ；对可靠性要求高、不能受影响的负荷，宜设置专用变 压器。 o 在变压器设计选择中，如能掌握好上述原则及措施 ，则既可达到节能目的，又符合经济合理的要求。 WHADI 4 合理设计供配电系统及线路 o 4.1 根据负荷容量及分布、供
11、电距离、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，可达 到节能目的。供配电系统应尽量简单可靠，同一电压供 电系统变配电级数不宜多于两级。 o 4.2 按经济电流密度合理选择导线截面，一般按年 综合运行费用最小原则确定单位面积经济电流密度。 o 4.3 由于一般工程的干线、支线等线路总长度动辙 数万米，线路上的总有功损耗相当可观，所以，减少线 路上的损耗必须引起设计足够重视。由于线路损耗 R，而R=p.L/S，则线路损耗与其电导率p、长 度L成正比，与其截面S成反比。为此，应从以下几方 面入手： WHADI o 4.3.1 选用电导率p较小的材质做导线。铜芯最佳， 但又要贯彻节约用
12、铜的原则。因此，在负荷较大的一类、 二类建筑中采用铜导线，在三类或负荷量较小的建筑中可 采用铝芯导线。 o 4.3.2 减小导线长度L。主要措施有： a. 变配电所应尽量靠近负荷中心，以缩短线路供电 距离，减少线路损失。低压线路的供电半径一般不超过 200m，当建筑物每层面积不少于0000时，至少 要设两个变配电所，以减少干线的长度； b. 在高层建筑中，低压配电室应靠近强电竖井，而 且由低压配电室提供给每个竖井的干线，不应产生“支线 沿着干线倒送电能”的现象，尽可能减少回头输送电能的 支线。 WHADI c. 线路尽可能走直线，少走弯路，以减少导线长 度；其次，低压线路应不走或少走回头线，以
13、减少来回 线路上的电能损失。 o 4.3.3 增大线缆截面S。 a. 对于比较长的线路，在满足载流量、动热稳定 、保护配合、电压损失等条件下，可根据情况再加大一 级线缆截面。假定加大线缆截面所增加的费用为，由 于节约能耗而减少的年运行费用为，则为回收 年限，若回收年限为几个月或一、二年，则应加大一级 导线截面。 一般来说，当线缆截面小于， 线路长度超过时，增加一级线缆截面可达到经 济合理的节能效果。 WHADI b. 合理调剂季节性负荷、充分利用供电线路。如将 空调风机、风机盘管与一般照明、电开水等计费相同的 负荷，集中在一起，采用同一干线供电，既可便于用一 个火警命令切除非消防用电，又可在春
14、、秋两季空调不 用时，以同样大的干线截面传输较小的负荷电流，从而 减小了线路损耗。 在供配电系统的设计中，积极采取上述各项技术措 施，就可有效减少线路上的电能损耗，达到线路节能的 目的。 WHADI 5 提高系统的功率因数 o5.1 提高功率因素的意义 设定输电线路导线每相电阻为R（），则三相输电线路的功率损耗为 式中 P三相输电线路的功率损耗，kW； P电力线路输送的有功功率，kW； U线电压，V； I 线电流，A； cos电力线路输送负荷的功率因素。 由上式可以看出，在系统有功功率P一定的情况下，cos 越高（即 减少系统无功功率Q），功率损耗P将越小，所以，提高系统功率因素 、减少无功功
15、率在线路上传输，可减少线路损耗，达到节能的目的。 WHADI 在线路的电压U和有功功率P不变的情况下，改 善前的功率因素为cos1 ，改善后的功率因素为 cos2 ，则三相回路实际减少的功率损耗可按下 式计算： 另外，提高变压器二次侧的功率因素，由于可 使总的负荷电流减少，故可减少变压器的铜损，并 能减少线路及变压器的电压损失。当然，另一方面 ，提高系统功率因素，使负荷电流减少，相当于增 大了发配电设备的供电能力。 WHADI o 5.2 提高功率因素的措施 a) 减少供用电设备无功消耗，提高自然功率因素，其 主要措施有： 正确设计和选用变流装置，对直流设备的供电 和励磁，应采用硅整流或晶闸管整流装置，取代变流机 组、汞弧整流器等直流电源设备。 限制电动机和电焊机的空载运转。设计中对空 载率大于50的电动机和电焊机，可安装空载断电装 置；对大、中型连续运行的胶带运输系统，可采用空载 自停控
