高職院校建筑能耗分析與電氣節能設計措施探討

童 凌

(四川交通職業技術學院基本建設管理處，四川成都611130)

高職院校以工作過程為導向的教學體系，實驗實訓場所多，教學設備多，校企合作項目多，校園人員密集，是電能的高消耗區。在能源問題嚴峻的今天，作為節能減排倡導者的高職院校來說，應該具有更強的能源意識，并更加重視節能工作的開展。本文主要針對高職院校特點，對校園建筑進行能耗分析，并提出相關建筑電氣節能設計措施。

1 能耗分析

對校園建筑的能耗分析主要從建筑物能耗和供配電系統能耗兩方面來談

1.1 建筑物能耗

1.1.1 冷熱源能耗

冷熱源能耗主要指空調用電能耗。眾所周知，空調用電能耗在建筑能耗中占據最高比例。對于高校校園建筑來說，主要是辦公樓、實驗樓、圖書館、計算機中心、宿舍等場所的分體式空調用電以及諸如學術培訓中心、科研綜合樓等高層建筑配置的VRV空調用電。經能耗估算，分體式空調單臺平均功率為1.5 kW，VRV空調單臺平均功率為60 kW，根據實際使用情況，設年平均運行時間為1000 h，則單臺分體式空調年耗電量為1 500 kW·h，折合電價約784元(取地區平均電價0.5224元/kW·h，下同);單臺VRV空調年耗電量為60 000 kW·h，折合電價約31344元。能耗情況不容樂觀。

造成空調能耗過高的主要原因是(1)空調配置不當。在房間或區域內配置空調時，未在施工圖設計過程中予以準確考慮，配置隨意性大，易造成“小面積，大空調”等空調規格選型過大的問題;(2)使用者節能意識淡漠，在夏季使用空調時，往往將空調制冷溫度調得很低，或不根據人員多少對空調溫度進行及時調整，在能進行自然通風時不采取自然通風降溫的方式或在人離開房間后，不關閉空調等。(3)缺乏科學有效的管理手段或因條件限制未能配置先進的控制系統。

1.1.2 照明能耗

作為人員密集的高校教學性質建筑，諸如教學樓、圖書館閱覽室等，均是用眼的高頻率場所，對于這類建筑，其動力設備與冷熱源負荷相對較少，主要用電負荷為照明負荷。由于我國高校的照明用電管理大多為開放式的模式，控制手段單一，選用的光源光效不高，照明用電能耗不容樂觀。如一些學校教學樓采用按時統一送電的管理方式，加之白天人眼對自然光的敏感性差，即使在自然光充足的情況下，教室的燈依然開啟。再者由于許多學生節能意識不高，“長明燈”現象非常突出，下課后，空無一人的教室里燈不關的情況比比皆是，造成了較大的電能浪費。

根據我國《建筑照明設計標準》(GB 50034－2004)對學校建筑照明功率密度(W/m2)現行值的規定，單位面積照明功率為11W，按照一棟六層主教學樓計算，設建筑面積約為20 000 m2，照明年平均運行時間為1200 h，則年總耗電約為26.4×104kW·h，加上維護成本，折合費用約15萬元。根據某節能公司的改造數據，此類建筑的節電空間越為20—30%，因此，照明節能工作勢在必行。

1.1.3 實驗實訓動力設備用電能耗

根據高職院校的教學體系，所開設的實驗實訓環節課程較多，校企聯合項目多，實驗實訓場所安裝了較多的動力設備和特種設備，此類場所也是建筑電氣設計的重點和難點。在方案設計階段，使用部門一般根據使用需求，提供設備清單。設計人員也按照清單提供的最大負荷考慮設計容量，但按這種方式計算出的負荷往往不準確。在實際工作中，許多進場設備與清單參數并不一致，某些特殊設備如焊接類設備，屬于斷續工作制性質，由于功能設計時諸如暫載率等參數不明確，導致負荷計算過大，再如對設備的功能性使用要求不明，實際使用時同時使用概率偏低，均導致負荷計算不準確。而計算負荷的選擇失當影響了后續設計工序，如導致設備、線纜選擇不當等，既加重了成本，對節能也不利。再如，以汽車鈑金噴漆類實訓場所為例，該類場所所涉及的設備眾多，如烤漆房、干磨機、空壓機、保護焊機、切割機、烤燈、調漆臺等等，設備功率差異大，三相、單相制設備均有，容易造成三相負荷分配不均衡，產生一系列問題。

1.2 供配電系統能耗

1.2.1 變壓器損耗

變壓器作為供配電系統中的重要設備，其損耗包括有功功率損耗和無功功率損耗。

式中:ΔP為變壓器有功功率損耗(kW);P0為空載損耗，鐵損(kW);PK為短路損耗，銅損(kW);β為變壓器負載率;SC為計算負荷的視在容量(kVA);SN為變壓器的額定容量(kVA);

變壓器的無功損耗也由兩部分組成，一部分是變壓器空載時，主磁通勵磁電流造成的無功損耗。另一部分是由變壓器負荷電流在一次、二次繞組電抗上產生的無功損耗。其公式為:

式中:ΔQ為變壓器無功功率損耗(kVar);Q0為空載損耗，鐵損(kVar);QK為短路損耗，銅損(kVar);β為變壓器負載率。

1.2.2 供配電系統線路損耗

電能在傳輸過程中，由于線路自身電阻，所產生的損耗稱為線路損耗。其有功損耗計算公式為

式中:ΔP為三相供配電線路的有功功率功率損耗(kW);I為線路相電流(A);R為線路電阻(Ω)。

當輸送功率與電壓不變時，功率損耗主要取決于線路電阻值，線路越長電阻值越高。學校建筑供配電方式一般采用放射式為主，放射式與樹干式結合的方式，由于用電點多，線路較長，線路損耗問題不容忽視。

有功損耗由兩部分構成，其一為空載損耗，也稱鐵損，它是變壓器主磁通在鐵芯中產生的有功損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成。鐵損只與鐵芯材料和制造工藝有關，而與負荷大小無關。另一部分是短路損耗，也稱銅損，它是變壓器負荷電流在一次繞組和二次繞組的電阻中產生的有功損耗，與負荷電流的平方成正比。變壓器有功損耗的計算公式為:

2 電氣節能設計措施

2.1 冷熱源系統節能設計

2.1.1 空調設備的選型與布置

根據我國強制性國家標準《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》(GB 12021.3－2010)相關規定，校園建筑所選擇的空調器必須達到國家2級能效標準要求，并加強使用過程中對設備的維護管理，嚴格禁止使用淘汰產品或不滿足相關規范的高能耗產品。在布置室外機時，應將設備設置在進風通暢、排風不回流的地方，以保證室外機的制冷量(制熱量)。

2.1.2 最大限度利用室外新風

應根據建筑維護構造特點，采用節能的通風設備，最大限度利用室外新風進行自然冷卻。在春秋季過渡季節，為便于利用低溫室外空氣供冷，在暖通設計時，應注意設置足夠的新風通道以便直接將室外新風引入室內。在能夠進行自然通風時，宜開啟外窗，盡量采用引室外自然新風，以熱壓、風壓通風方式實現無組織換氣。

2.1.3 改進管理，配置空調控制系統

在工作中加強設備運行管理，有條件時，應配置空調控制系統，對建筑物內的空調系統進行優化控制。如在設置VRV空調系統的公共區域，應根據人流量，分高峰、中峰、低峰時段對空調開啟數量及風速進行調節，在無人時，應關閉空調;在演講廳、圖書館閱覽室、階梯教室等重點區域，宜根據使用者數量及分布情況，調節空調風速，并根據使用時間及時對空調進行啟閉控制。對辦公場所，可在夏季設定空調制冷溫度下限，如不得低于26℃等管理措施。可采取行政化管理機制強化節能管理成果。

2.2 照明系統節能設計

學校是典型的教學建筑聚集區，也是用眼頻率極高的場所。在營造一個健康、高效的的光環境的同時，還應在設計時，采取相應措施，降低照明能耗。主要有以下一些措施:

2.2.1 確定合理的照度值水平

在照明設計中，照度值的確定是一個十分重要的工作，關系到照明功率等后續參數的計算與確定，選擇合理的照度值有利于照明能耗控制的實現。一旦選擇錯誤，不僅影響設計效果，而且會造成能源浪費。在實際設計工作中，應根據建筑空間性質，按照相關規范與設計標準，結合經濟條件確定。教學樓、圖書館、實驗樓、辦公樓等建筑應按照《建筑照明設計標準》(GB 50034－2004)的要求進行照度值選取，校園廣場、道路等區域可參照《城市道路照明設計標準》(CJJ 45－2006)的相關要求選取。

2.2.2 充分利用天然光

在《建筑照明設計標準》(GB 50034－2004)第6.2條中，對充分利用天然光以實現照明節能做了相關規定及建議。主要有:房間的采光系數或采光窗地面積比應符合《建筑采光設計標準》(GB/T 50033)的規定。有條件時，宜隨室外天然光的變化自動調節人工照明照度宜利用各種導光和反光裝置將天然光引入室內進行照明;宜利用太陽能作為照明能源。

在進行設計時，應根據建筑物朝向、結構、造型等客觀因素，與建筑裝飾專業充分配合，充分利用天然光照明，做到自然照明與人工照明的最佳結合。這是照明節能的最佳模式，也是綠色照明思想的體現。

2.2.3 選用高效光源、低損耗鎮流器以及高效燈具

在光源選擇時，除合理運用配光曲線的同時，選擇高效、節能的光源十分必要，針對不同性質場所，選擇相適應的高效光源。對于教學樓、圖書館等公共區域，選擇建議采用T8(有條件選擇T5)型直管細管型三基色熒光燈，該光源顯色性好、光效高、且節能效果明顯，且應帶有電子鎮流器或節能型電感鎮流器。若建筑物配置有智能照明控制系統，則應廣泛采用可調光電子鎮流器。對于學生宿舍則建議采用居住性節能燈，如U型、H型、O型、2D型等。若經濟條件許可，還可選用LED光源，該光源光線質量好、光效高、壽命長、能耗低，節能潛力大，是近年來被逐步認可的綠色光源。

教學樓教室燈具宜選取非對稱光分布，光效比不低于75%的開啟式配照型配光燈具;對于圖書館閱覽室、報告廳等高大空間場所，其天棚反射比高，可采用半間接照明燈具。

2.2.4 改進控制方式，配置智能化的照明控制系統

可改進傳統的燈具控制模式，如在公共區域如樓梯間、走道等，建議采用聲、光控、延時控制或紅外開關等。針對校園建筑特點，若有條件建議配置智能照明控制系統。系統可與BAS系統實現集成，通過光照度傳感器、紅外傳感器、聲波傳感器等探測裝置，固定于墻面或演講臺的控制面板以及無線遙控等設施，根據被控區域照度水平、人員存在狀態對區域內照明設備進行自動啟閉、調節等操作，實現最佳光環境的營造，能顯著的降低照明用電能耗，節電率可高達近30%。

2.3 實驗、實訓樓/實習車間節能設計

2.3.1 準確確定計算負荷

在對此類建筑物進行電氣設計時，首先應盡可能明確用電設備，特別是大功率用電設備與特種工作制設備(如點焊機、對焊機、桁吊等)，應請設備供應商做好設備的工藝性設計或提供明確的安裝使用要求，避免對設計質量造成影響。在進行電氣設計時，準確的計算負荷，特別是對功率因數和同時性系數的選取尤為重要，避免因負荷計算不準確造成配電設備與線纜選型過大，造成浪費，建議采用需要系數法進行計算，還應注意三相負載的平衡。

2.3.2 優化動力設備控制方式

根據使用需求，對電動機進行控制系統設計，優化動力設備控制方式。如根據設備性質及工作順序進行分組，設置合理的末級出線點，減少線纜、橋架耗量，設置群組開關控制箱;正確選擇電動機起動方式與運行方式，如降壓啟動，加裝變頻裝置等，并考慮動力設備無功功率補償的就地投切等。

2.4 供配電系統節能設計

2.4.1 對配電點合理布置

在設計配電點位置時，變配電所(間)、配電柜(箱)應盡量靠近負荷中心，配電間應盡量靠近強電井，以縮短配電半徑減少線路損耗，一般來說低壓線路供電線路不宜超過200 m。通過對配電點的合理布置，可降低線路損耗并提高運行可靠性。

2.4.2 變壓器選型

變壓器的選型應遵從以下幾個原則:(1)準確計算負荷，合理確定變壓器容量，并綜合考慮初始投資與運行維護費用，選擇容量與負荷相匹配的變壓器，并對根據負荷的分布情況、所供建筑物性質情況、對變壓器設置位置、出線回路等作出合理設計，使其運行于高效低耗區。(2)選擇節能型變壓器，在選擇變壓器時候，應選擇高效率、低損耗、抗沖擊、噪音低、節能效果好的節能產品。為使變壓器處于最經濟節能運行狀態，其負載率宜在75% ～85%之間，并不應超過85%。宜選用鐵芯材料采用具有高導磁率的優質冷軋取向硅鋼片制造的變壓器，其渦流損耗與漏磁損耗低，節能效果顯著。(3)由于校園負荷種類多，照明設備多，單相、三相設備分布廣，因此諧波及三相負荷不平衡問題突出，根據我國《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16－2008)等相關規范，配電變壓器宜選用D，ynll接線組別的變壓器。(4)由于高職院校的實驗實訓樓等實踐性教學場所大功率動力設備多，且有大起動電流設備存在，為避免此類設備工作時對計算機中心、教學樓等場所造成影響，對此類建筑物宜采用專設變壓器供電。綜上，本著綜合考慮校園建筑的特點和節約成本的原則，建議選用SCB型干式變壓器。

2.4.3 合理選擇供配電線纜，降低線損，節約投資

由于校園建筑供配電系統線路損耗問題嚴重，除選擇合理配電點以減小線路長度外，選擇電阻率較小的線纜也很有必要。根據電阻值公式可知，線路電阻與截面成反比，對于較長的線路，在滿足載流量、熱穩定性、允許電壓降要求所選定的截面外，可適當再加大一級導線的截面，這樣可延長線纜的使用壽命，減少線路的損耗。將線路損耗減少以及維護費用降低與線路截面增大所產生的費用相權衡，仍不失為一技術經濟可行的設計方案。

在進行導線、電纜截面選擇時，首先應根據線路敷設環境，滿足機械強度要求。在確定截面時，一般采用按發熱條件，即根據線纜載流量進行選擇，這就要求負荷計算一定要準確，避免因負荷計算失當導致計算電流偏差而造成浪費。

2.4.4 無功功率補償設計

降低供配電系統無功功率可以提高系統功率因數cos，功率因數的提高可降低負荷電流，以便在選擇設備型號與線纜截面縮小一級，以節省成本和降低維護費用。由于線損與功率因數有關，提高cos還可降低線路損耗。具體措施有:

(1)減少用電設備的無功功耗，在設計選型時，盡量選擇功率因數高的設備。如選擇高功率因數電動機，運行時使其保持較高的負載率，并盡量減少空載運行時間。有條件時，在實訓動力設備選擇時，考慮同步電動機替代異步電動機。合理選擇變壓器規格型號，避免長期輕載運行導致 cos降低。

(2)采用靜電電容器進行無功功率補償，提高功率因數。一般采用就地補償和低壓集中補償的設計方式。

3 結束語

在各高職院校校園規模逐步擴大的同時，能耗及能源投資問題突出，從節能角度來看，節能潛力巨大，任務艱巨。在進行校園建筑設計工作時，建筑電氣設計應提前介入，根據高職院校校園建筑物性質及特點，對負荷情況進行認真查勘。在設計過程中，應加強節能理念的貫徹，綜合空間環境、安全性、可靠性、使用功能、建設投資等多種因素，確定科學、合理、高效、節能的設計方案，使高職院校節能工作的開展得到技術保證。

[1]GB 50034－2004建筑照明設計標準[S]

[2]GB/T 50378－2006綠色建筑評價標準[S]

[3]JGJ16－2008民用建筑電氣設計規范[S]

[4]雍靜.供配電系統[M].北京:機械工業出版社，2003

[5]吳偉光.供配電和照明系統節能設計[J].建筑電氣，2008(6)