高層建筑電氣設計中節能措施的探討

邱文軒（滄州市節能監察監測中心,河北　滄州　061001）

高層建筑電氣設計中節能措施的探討

邱文軒
（滄州市節能監察監測中心,河北滄州061001）

摘要：隨著全球性環境保護意識的不斷加強，不可再生能源的開發利用也越來越受到各國的重視。如何很好地利用各種能源建，如何保護能源，如何節約能源也越來越受到人們的關注。我國各種高層建筑層出不窮，高層建筑也正在成為耗能大戶，在建筑電氣設計中如何節能也越來越多引起人們的重視，本文從變壓器容量選擇、功率因數補償、照明照度、電動機起動設備選擇等方面論述電氣設計中的幾種節能方法。

關鍵字：電氣節能;變壓器損耗;功率因數;照明節能

隨著我國經濟的迅速發展，建筑行業也進入了前所未有的快速發展階段。尤其近年高層建筑大量出現，從城市到農村，比比皆是。而高層建筑中人員集中，各種設備繁多，對能源的需求和消耗也非常大。在巨大的能源消耗中，如何有效節約能源、如何充分利用能源，也就成為高層建筑電氣設計的重點。下面從高層建筑電氣設計中的供配電系統、變壓器、照明、功率因數等幾個方面來看相應地一些節能措施。

1　高層建筑供配電系統的節能設計

高層建筑供配電系統應根據高層建筑的特點、規模、和發展規劃處理好近遠期發展關系，以近期為主，長遠結合，按照負荷的性質、用電的容量、供電的條件合理設計供電方案。

要正確選擇供電電源的電壓等級，確定供電的回路數。供電電壓35kV及以上的用電單位其配電電壓應采取10kV；如能減少配變電級數，簡化接線，這樣節約了電能和投資，提高了電能質量。配電系統中需要兩回路電源線的，一般采用同級電壓，一回路中斷供電，其余回路應能滿足全部一級負荷及二級負荷的供電需要。供配電系統應盡量簡單可靠，便于操作管理。變配電所應盡量靠近負荷中心，以縮短配電半經減少線路損耗。合理選擇變壓器的容量和臺數，以適應負荷變化時能夠靈活投切變壓器，實現經濟運行減少由于輕載運行造成的不必要電能損耗。

2　變壓器的節能設計

變壓器的功率損耗包括有功功率損耗和無功功率損耗兩部分。變壓器無功損耗的主要參數是空載電流和短路電壓，減小無功損耗主要考慮無功功率消耗做到最小，提高功率因數。變壓器的有功損耗按（1）式計算。

式中：ΔΡ為有功功率損耗(kW)；Ρ0為變壓器空載損耗(kW)；ΡK為變壓器短路損耗(kW)；β為變壓器負載率（%）。

（1）變壓器的有功損耗包括鐵損Ρ0（又稱空載損耗）和銅損ΡK。鐵損與鐵芯材質等有關，與負荷大小無關；銅損與負荷電流的平方成正比，負載電流為額定值時又稱為短路損耗。降低空載損耗和短路損耗的措施有：采用優質硅鋼片，改進鐵芯結構，降低空載損耗；改進絕緣結構，適當減小電流密度，降低短路損耗。

（2）變壓器經濟運行的措施：高層建筑供配電系統中選擇變壓器容量和臺數時，要根據建筑物的分類和等級確定該建筑的負荷等級，根據負荷等級確定負荷供電線路的可靠性，而變壓器的臺數要滿足供電可靠性的要求，同時要滿足建筑物中設備負荷的需求，既不能出現小馬拉大車的現象，也不能出現過載的現象；根據高層建筑中的負荷統計情況，明確的性質即那些符合是重要的，那些是一般的，對重要的負荷或重載負荷（80%負載率）要通過計算來驗證變壓器是否能處于經濟運行狀態，如不能可放大一級變壓器容量，以降低負載率和損失率；如果兩回路進線或有兩臺及以上變壓器時，所有變壓器都要投入使用，以保證變壓器的處于經濟運行狀態；對于部分變動較大的負荷，可把其中不能停電的負荷集中到某一臺變壓器上，設置專業用供電變壓器；變壓器不允許長期空載運行。

3　減少線路損耗

高層建筑由于結構復雜，設備數量多且距變壓器的距離遠，所以設備和變壓器間導線敷設長度長，線路長度越長則電阻值越大，有電流通過時線路上產生的功率損耗按（2）式計算。

式中：ΔΡ為三相線路的功率損耗(kW)；I為線電流(A)；R為線路相電阻(Ω)。

高層建筑供配系統中減少線路損耗設計時主要考慮：

（1）要盡量把變電室或變壓器設置在建筑物的中心位置，這樣減少從變電所或變壓器到用電設備之間的導線連接距離；（2）要盡量選用銅芯導線，減小導線的電阻值，從而降低導線上的功率損耗；（3）高層建筑中不同的設備供電中要根據設備的性質進行分組，性質相同的盡量通過一路導線供電，其敷設時盡量從中心豎井走線，在各個樓層在進行分線，根據負荷的容量確定導線的截面、規格型號等；（4）對于較長的線路，在滿足負荷供電要求，導線不過載的情況下，可以使用比選定線截面大一級的導線，這樣增加的線路費用，由于節約能耗而減少了年運行費用，綜合考慮節能經濟時還是合算的。

4　高層建筑供配電系統功率因數的提高措施

高層建筑供配電系統中，設計規范中規定供電系統功率因數應該在0.9以上，提高功率因數對高層建筑供電有顯著的節能作用。首先功率因數提高后導線上的功率損耗會下降，其次可以使變壓器二次側的負荷電流減少，從而減少變壓器的銅損，第三功率因數提高后可以有效地減少無功電流，從而達到減少線路壓降的目的，所以說提高功率因數能達到節能目的。提高功率因數的措施有：

（1）正確合理選擇高層建筑中的用電設備，在滿足設計指標的要求下盡量選用自然功率因數高的設備，如高層建筑中廣泛使用的水泵電機、空調壓縮機、電梯的曳引機等都是大功率的用電設備，他們本身的功耗就比較大，如果功率因數低則耗能就會非常明顯，所以對這些大功率用電設備一方面要選用節能產品，一方面要考慮其運行的功率因數。高層建筑中另外一類用電設備就是照明燈具，由于建筑物房間性質不同，照度要求也不一樣，所以選用的燈具也各不相同，但對燈具來講節能也是必須考慮的因素，現在廣泛采用高效節能的熒光燈或新型LED光源，功率因數提高了，節能效果也非常明顯。

（2）功率因數的人工補償，主要措施有：在負荷側合理安裝集中與就地補償設備，保證設備的功率因數不低于0.9。目前在高層民用建筑電氣設計中，由于建筑物內用電設備分散，用電設備的功率也不一樣，要采用分散補償不太現實，所以絕大部分補償采用變壓器低壓側集中補償，就是在變壓器低壓側安裝電容器柜，根據配電系統功率因數的變化情況，自動投切電容器，達到提高用戶處功率因數的目的。而對高層建筑中一些大功率的用電設備來說，也可以通過在用電設備處就地加電容器柜，實現無功負荷的單獨就地補償。

5　照明的節能設計

高層建筑照明設計更應該很嗨體現我國從1993年開始實施的綠色照明工程，綠色照明不僅能節約能源，還能在保護環境，保護人們的身心健康等多方面起到一個非常明顯的作用，通常高層建筑照明設計中節能措施從以下幾個方面考慮：

（1）根據建筑物所處的地理位置的不同，根據建筑物作用性質的不同，正確合理選擇建筑物房間內的照度標準，并且在設計過程中要實際計算房間的照度標準，不能想當然，隨意增加或減小照度值，同時計算值不應超過標準值的110%。

（2）高層建筑中房間的結構、裝修、布置、設備等數量多且每個房間不一樣，在電氣照明設計中應充分考慮房間內作業面對照明的要求，采用分區域控制的方式，滿足同一個房間內不同區域對照度的需求。

（3）在照明燈具的選擇中要堅持選用高校節能的產品且不同的場合照度要求不同，燈具的功率不同，但燈具的節能措施不能變。

（4）正確合理布置燈具的導線和連接，避免不必要錯誤和浪費。如某高層住宅電梯前室節能應急燈，開關的設置位置很難同時滿足來自電梯、樓梯間、戶內的人員方便操作，除非在前室設置三套燈具及開關，若只設一套燈具及開關，進入電梯前室時，另外兩個方向進入前室的人員將處于黑暗狀態，即使延時開關本身帶有指示燈，也要在黑暗中走較長的距離，給使用帶來了不少的麻煩，解決的方法可以將原有的觸摸延時開關修改為帶消防聯動觸點的聲光控延時開關或帶消防聯動觸點的紅外、光控延時開關，這樣保留了原有的燈具數量，還解決了可能產生的麻煩問題。

6　結語

高層建筑電氣設計中在節能方面潛力很大，對于不同的高層建筑來說其特點也各不相同，對于電氣設計人員來說，在設計中應精心考慮，反復比較設計方案，拿出一套既符合國家技術規范要求，又滿足功能需求的設計方案來。在這樣的前提條件下，從節約能源的原則去考慮，從供配電設計、設備的選擇等多方面考慮，采取切實可行的節能措施，從而達到真正節約電能的目的。

參考文獻：

[1]任元會.注冊電氣工程師職業資格考試復習指導[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2]中國航空工業規劃設計研究院編寫組.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2013.

作者簡介：邱文軒(1977-)，男，助理工程師。