浅谈建筑电气节能

摘要：电气节能内容非常广泛，本文结合笔者所从事的工程技术工作中积累的一些经验，首先找出哪些能量消耗是与发挥建筑功能无关的，再考虑采取什么措施节能。文中从变压器选择、功率因数补偿、减少线路上的能量损耗、照明节能等几个方面，阐述了建筑电气的几种节能方法。而建筑电气整个系统的节能要大于单台设备节能，不光是设备选型中的节能问题，而是组成的整个电气系统，无论配电系统还是照明系统，使整个系统实现节能，这是最终目标。

关键词：电气节能 变压器损耗 功率因数 照明节能

一、节能形势

目前中国人口不断的增加，工业水平的整体发展，人们生活水平的提高，使得能源的消耗也就越来越大，能源危机迫在眉睫。

早在2000多年前，中国古代思想家荀子就提出“强本而节用，则天不能贫”，中国资源储量的“本”并不强，如果不在“节用”上下功夫，不顾自然、不计代价、不为未来竭泽而渔、竭矿而采，不仅会很快耗尽国内资源，也会加大全球资源供给的压力。要想实现人类社会的可持续发展，必须转变增长方式，降低资源消耗。因此，加快建设节约型社会已经成为我们必然的选择。

节约用电分两个层次，一是节约生产用电，二是节约生活用电。对前者而言，主要做法是加快相关的技术进步，加大有关的投入，进行节电产品的生产。对后者而言，重要的是节约品德的弘扬和普及，并养成良好的生活习惯。

二、节能途径

我们从设计产品选型开始就应坚持节能的原则，这也是建筑电气设计的焦点，并充分重视新产品、新技术的开发和利用。

设计首先应满足建筑物的功能，即满足照明的照度、色温、显色指数；满足舒适型空调的温度及风量，也就是舒适卫生；满足上下、左右的运输通道畅通无阻；满足机房工艺要求，如机房的一些电气设备用电，机房的工艺照明等。

其次考虑实际经济效益，节能应按国情考虑实际经济效益，不能因为节能而过高的消耗投资，增加运行费用。而是应该让增加的部分投资，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。

再次节省无谓消耗的能量，节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是与发挥建筑功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗，传输电能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，宜采用先进技术使其能耗降低。

因此，节能措施应贯彻实用、经济合理、技术先进的原则。

建筑电气节能的途径

1、减少变压器的有功功率损耗

变压器的有功功率损耗△PT=△P0+△PKβ2

式中 △P0---变压器空载有功损耗

△Pk---变压器满载有功损耗

β---变压器的负载率

△P0部分为空载损耗又称铁损，它是由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，是固定不变的部分，大小随硅钢片的性能及铁芯制造工艺而定。所以，变压器首先应选用节能型的，如一种新型干式变压器，利用数学模式滚减成的硅钢片在专用的卷制机上连续不断地无接缝一次卷绕成D形截面的单框铁芯，将三个尺寸完全相同的单框铁芯互成60度夹角组成品字型布置，使三相磁路完全对称，磁路最短且等长，磁路畅通，空载损耗及噪声、温升都有明显降低，可以不再需要加装传统的冷却风机，减少风机耗电，节省投资费用。

△Pk是传输功率的损耗，即变压器的线损，决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小。因此，选用阻值较小的绕组，可采用铜芯变压器。从△PKβ2用微分求它的极值，在β=50%处每千瓦的负载，变压器的能耗最小。但是这仅是为了节能，而没有考虑经济价值。事实上50%负载率仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此也不是最节能的措施。再加上初装费、变压器、高低压柜、土建的投资及各项运行费用，取变压器负载率为50%是得不偿失的。考虑变压器在使用期内预留适当的容量，变压器的负载率应在75%～85%为宜。这样可以做到物尽其用，因为变压器绝缘的使用年限满负荷计为20年，20年后可能有更好的变压器问世，这样就可以有机会更换新的设备，才能使该建筑总趋于技术领先地位。

为减少变压器损耗，当容量大而需要选用多台变压器时，在合理分配负荷的情况下，尽可能减少变压器台数，选用大容量的变压器。

在变压器选择中，能掌握好上述三点原则，即满足了节约能源、经济合理的原则。

2、减少线路上的能量损耗

由于线路存在电阻，有电流流过时，就会产生有功功率损耗。在一个工程中，线路上下左右纵横交错，小的工程线路成千上万米，大工程更是不计其数，所以线路上的总有功损耗是相当可观的，减少线路上的能耗必须引起设计重视。线路上的电流是不能改变的，要减少线路损耗，只有减少线路电阻。线路电阻R=L/σS，即线路电阻与电导率σ成反比，与线路截面S成反比，与线路长度L成正比，因此减少线路的损耗应从以下几方面入手

（一）应选用电导率较大的材质做导线。表1中给出了几种物质在常温（20℃）条件下的电导率值

表1 常温条件下物质的电导率值（S/m）

综合比较，铜芯性价比最佳；但又要贯彻节约用铜的原则。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。

（二）减少导线长度。首先，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，以减少来回线路上的电能损失；第三，变压器尽量接近负荷中心，以减少供电距离，当建筑物每层平面在10000M2左右时，至少要设两个变配电所，以减少干线的长度；第四，在高层建筑中，低压配电室应靠近竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，不至于产生支线沿着干线倒送的现象。亦即低压配电室与竖井的布局上应使线路都向前送，尽可能减少回头输送电能的支线。

（三）增大导线截面。供电线缆除满足载流量、热稳定、保护配合及电压损失所选定的截面，再增大线芯截面时，线路损耗减少，但初始投资增加，结合投资和导体损耗费用之和最小的适用截面，即按经济电流选择截面。国际电工委员会（IEC）按经济电流选择电线、电缆截面的原理，制订了“电力电缆的线芯截面最佳化”标准，即IEC287-3-2/1995。这个方法适用于中、低压电缆线路。根据我国国情，如果能全面推行按经济电流选择电线、电缆截面的方法，将减少35%～42%的线路损耗，经济意义十分重大。

其次，利用某些季节性负荷的线路，这些用户不用时，可提供给长期用户作供电线路使用，以减少线路和电阻。例如，将空调风机、风机盘管与照明、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，又可在春秋两季空调不用时，使用大的干线截面传输较小的电流，从而减少了线路损耗。

在设计中认真落实上述三条措施，可减少线路上的能量损耗，达到线路节能的目的。

3、提高系统的功率因数

提高系统的功率因数，减少无功在线路上传输，线路电流会减少，可以达到节能的目的。供电部门一般要求用户的月平均功率因数达到0.9以上。提高功率因数与降低线损的关系见表2表2 提高功率因数与降低线损的关系

有功功率是满足建筑物功能所必需的，因此是不可变的。系统中的用电设备，如电动机、变压器、线路、气体放电灯中的整流器都具有电感，会产生滞后的无功，需要从系统中引入超前的无功相抵消，这样超前的无功功率就从系统经高低压线路传输到用电设备，在线路上就产生了有功损耗，而这部分损耗是可以想办法改变的，其措施有以下几种：

（一）提高用电设备的自然功率因数，以减少对超前无功的需求。可采用功率因数较高的同步电动机；荧光灯可采用高次谐波系数低于15%的电子镇流器；都可使自然功率因数提高，这样可减少系统高低压线路传输的超前无功功率。

（二）采用并联电力电容器补偿。由于感抗产生的是滞后的无功，电容器产生的是超前的无功，两者可以互相抵消，因此无功补偿可以提高功率因数。

补偿后计算负荷下的功率因数为

式中Pc---企业的计算有功功率， kW

Qc---企业的计算无功功率， kvar

Q---人工补偿的无功功率， kvar

（三）无功补偿装置应就地安装，实行就地补偿，这样才能使线路上的无功传输减少，达到节能的目的。

目前，民用建筑设计中，绝大部分采用变压器低压侧集中补偿，这种做法仅减少了区域变电站至用户处的高压线路上的无功传输，提高了用户处的功率因数，可以不受或少受供电局的罚款。而对用户，无功仍由变压器低压母线经传输线路输送到各用户点，低压线路上的无功传输并没有减少，那么无功补偿也就达不到节能的目的。为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的的无功功率宜由高压电容器补偿。当无高压负荷时不得在高压侧装设并联电容器装置。对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜单独就地补偿。

处理好上述三部分，即减少自然无功、利用电容补偿及合理设定补偿装置的安装点，可以实现提高功率因数而达到节能的目的。

4、照明部分的节能

因为照明用量大而广，照明节能的潜力很大。《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）的颁布和实施又为照明节能设计提供了有力的依据，我们应从以下几方面着手：

首先采用高效光源。光源是照明系统的根本，提高光源效率是最基础的，目前高功效的照明光源主要为直管荧光灯，高效节能灯，LED光源。

直管荧光灯：

直管荧光灯目前根据管径大体分为T5，T8性两种光源，根据使用的技术不同，三基色直管荧光灯光源的基本效率75-95lm/w之间，是目前最为常用的光源。

高效节能灯：

在需要局部照明、点光源的位置可以考虑使用高效节能灯光源，其一般使用在筒灯照明灯具内，配合光源色温及色彩，可以展示出一些装饰效果。

LED光源：

LED光源是现在逐渐流行起来的光源，高质量的LED光源多采用1W以上的单颗LED贴片，光源的封装效率可以达到100lm/w，是目前能够得到的相对效率较高的光源，新的LED颗粒解决了以前的LED光谱缺失的问题，达到了较好的显色性，目前的问题主要是价格还较高，大部分用户还难于接受。

其次选用高效灯具。

在国家相关规范中照明系统有明确的眩光控制要求，因此需要采用能对眩光进行控制的灯具，同时还要提高整体灯具效率，因此应选择的灯具多为直射、反射混合型的控光型灯具，实际工程中多选用格栅型灯具和控照型灯具。以达到较高的效率，亦能满足房间的照明要求。

再次是合理的控制方式。

在照明技术不能得到根本性突破的同时照明控制对于照明节能的作用显得尤为重要，照明控制对于节能的作用显而易见，就是需要照明的地方进行照明，不需要照明的位置关闭照明，需要高照度的场景进行标准照度的照明、不需要高照度的场景进行适用的照度进行照明。

对能利用自然光部分的灯具采用成组分片的控制开关方式，有利于节电；夜间照明场所人员较少，但又需要有灯光，配上声光控制开关，可以达到照明节能的效果；在需要工作的位置开启局部照明以满足工作照度，其他位置仍然维持较低的照度。

三、前景

建筑电气作为一个系统，其整个系统的节能显然要大于单台设备。不光是设备选型中的节能问题，而是组成的整个电气系统，无论配电系统还是照明系统，应当综合考虑整个系统的节能怎么实现。当然，节能的途径有很多，除了在技术上采取节能措施，我们更应该从人们的意识上，从点滴做起，树立全民节能的意识，从根本上解决问题。

努力建设资源节约型社会，珍惜我们所拥有的，节约我们所使用的，才是真正的可持续发展之路，这是功在当代，造福子孙的好事。

参考文献

[1] 中国航空工业规划设计研究院 组编 工业与民用配电设计手册

[2] 谢毓城编 电力变压器手册

[3] 金代中编 电工速查速算手册

[4] 韦课常编 电气照明技术

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