樓宇大廈供配電系統節能設計

徐星+朱建紅

摘 要 隨著社會經濟的發展，城市化進程不斷加快，繁華商業樓不斷出現，所帶來的能耗問題也日漸凸顯。論文基于此，先對設備種類及能耗特性展開研究，分析相關節能新舊標準規范基礎上，采用現有有關節能的技術新標準規范，引進風光互補新能源技術，進行系統方案設計。接著，結合工程案例，對供配電系統進行設計，包括負荷計算、照度計算、短路電流計算、設備選型、線纜選型等。最后，借助建筑電氣CAD分別對照明系統、動力系統、高低壓供配電系統進行系統布線結構設計。

【關鍵詞】樓宇大廈 供配電 風光互補 節能

1 問題提出

隨著經濟的迅速發展，人們生活水平的提高，對建筑物的功能需求越來越高，對電能的要求也就更高，帶來的能耗也隨之增多。在全球能源危機，不可再生能源日益減少的背景下，我國提出節能環保，可持續發展戰略，建筑節能是貫徹可持續發展戰略的一件大事，而電氣系統作為建筑物最主要的能耗，加強對其的節能已勢在必行。

2 功能需求與總體方案

2.1 節能型樓宇大廈的供電需求

供電設計應根據用戶的設備容量使用要求進行設計。對于用電質量很高的樓宇大廈，分別從城市電網引兩路10kV高壓電源，一用一備，采用高壓電纜埋地引入高壓配電房。同時根據用電設備的需求特性，確定負荷等級。對于特別重要的負荷采取雙電源雙回路專用電纜供電，并就地設置UPS電源供電。也可以使用風光互補發電加儲能設備進行供電，并在最末一級配電箱處設置自動切換裝置。其他一二級負荷也采用雙電源供電。通常情況，對于照明負荷供電均采用風光儲系統供電，當蓄電量不能滿足用電負荷時，切換到城市電網供電。

2.2 節能型樓宇大廈的配電需求

高壓配電接線方式為單母，兩路電源一用一備分別對低壓配電所配電，低壓段采用單母線分段運行，配電采用220/380V放射式與樹干式相結合的方式，對于單臺容量較大的負荷采用放射式供電，對于照明及一般負荷采用樹干式與放射式相結合的供電方式。

2.3 節能型樓宇大廈整體供配電設計

通過對樓宇大廈供配電功能需求分析，結合用戶對用電設備的需求，得到樓宇大廈電氣系統基本組成如圖1所示。

由圖1可知，樓宇大廈建筑電氣系統組成主要有供配電系統、照明系統、消防系統、空調系統、電梯系統、以及給排水系統等。合理設計、動態控制及管理各個子系統能量需求，是樓宇大廈節能的重要工作。

3 供配電節能設計

本系統設計以具體工程為例，工程大廈地上12層，地下2層。建筑高度54.9m米（室外地面至屋頂構架）。建筑面積77756.9m2。項目屬于一類高層建筑。就地下1、2層展開節能設計。

3.1 結合節能元素的照明系統設計

對于室內場所的照明主要選擇節能型熒光燈及低功耗LED燈，選用的照明光源、鎮流器的能效符合相關能效標準的節能評價值。最新頒布的《建筑照明設計標準》GB50034-2013相比《建筑照明設計標準》GB50034-2004，在6.1節和6.2節對照明節能作了一般規定，并且給出了具體的照明節能措施。規定照明節能應采用一般照明的照明功率密度值（LPD）作為評價指標，提出在滿足規定的照度和照明質量要求的前提下，進行照明節能評價。

照明設計計算主要依據《照明設計手冊》第二版，照度計算采用利用系數法，該方法考慮到光源直接照射和經室內反射到工作面上的光通量，計算結果比較準確，再根據選擇的燈具容量及鎮流器功率，計算工作平面上的照明功率密度值，并與節能目標值比較，具體結果如表1所示。

由表1可知，室內主要場所照明的實際照度均大于標準照度的要求，實際功率密度也均小于標準規范功率密度的節能目標值，照明設計滿足節能要求。

3.2 結合節能元素的動力系統設計

在樓宇大廈動力系統中，電機拖拽系統是主要的能耗部分，其主要節能方法利用變頻調速控制方式，根據系統控制對象需求，調節輸入電源頻率，通過調節電機轉速使整個電機拖拽系統達到輸入與輸出間動態平衡，從而達到提高系統功率因素，節能降耗。在采取變頻調速控制的基礎上，各子系統還有其他的節能措施。就空調系統的節能設計來說，2004年頒布施行的《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003相比于2001年頒布施行的《采暖通風與空氣調節設計規范》GBJ19-1987，在第八章監測與控制中明確提出對采暖、通風與空氣調節系統應設置監測與控制系統，采用集中監控系統可合理利用能量實現節能運行，2005年7月頒布實施的《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005在第五章對空調系統的節能設計做了明確規定，并根據09CDX008-3《建筑設備節能控制與管理》圖集，設計空調控制系統。電梯系統還可采用電梯群控技術，通過對樓宇大廈內部多部電梯進行合理調度分配管理，防止電梯長期運行在空載或輕載工況下，降低電梯系統能耗。電梯回饋技術，將電梯輕載上行和重載下行運行過程中產生的一部分電能反饋到供配電系統中，供其他用電設備使用。

3.3 結合節能元素的變壓器設計

3.3.1 合理選擇變壓器容量和數量

變壓器容量按變壓器所帶用電負荷來選擇，與負荷特性匹配，并合理分配負荷，力求三相平衡。變壓器臺數選擇，依據《供配電系統設計規范》GB50052—2009中第3.3.1條，本工程均為一級二級負荷，所以選用兩臺或兩臺以上變壓器。綜合考慮投資和運行費用，變壓器主接線采用單母線分段，確定變電所1變壓器T1、T2容量為2000KVA，變電所2變壓器T3、T4容量為1600KVA。

3.3.2 選用節能型變壓器

2008年頒布施行的《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008相比于已廢止的《民用建筑電氣設計規范》JGJ/T 16-1992，在配電變壓器選擇一節中，明確規定配電變壓器選擇應根據建筑物的性質和負荷情況、環境條件確定，并應選用節能型變壓器。節能型變壓器中鐵損很小，將有效減少變壓器輸配電過程中的電能損耗。課題采用SCB10-10/0.4kV系列的干式變壓器。

3.3.3 選用D，yn11接線組別變壓器

樓宇大廈節能燈、熒光燈、計算機、變頻空調、鎮流器、UPS電源等的大量使用，會產生很大的三次諧波。因此，配電變壓器宜選用D，yn11接線組別的變壓器，能有效限制三次諧波，也能降低三相系統中的零序阻抗。

3.4 結合新能源利用供電靈活切換

目前風光互補發電效率較低， 無法完全滿足樓宇大廈的電力需求，因此需要市電和風光互補發電共同為居民供電。在用電低谷時，用戶可以直接從電網取電；用電高峰時，切換到風光互補系統蓄電池供電，蓄電池為重要負荷及照明負荷供電，當控制器檢測到蓄電池電壓不能滿足用電負荷使用時，切換到城市電網供電，并根據風光條件與用電負荷合理配置風光互補發電系統，風光互補發電系統基本組成如圖2所示。

4 計算機輔助工程設計

4.1 照明系統

課題在建筑條件圖的基礎上對地下一二層照明進行設計，室內公共場所的照明選用節能型T5熒光燈，疏散指示燈采用低功耗LED光源，根據表1的計算結果進行照明平面圖繪制。公共場所照明，可采用樓宇自控系統，樓梯間采用節能延時自熄開關控制。照明控制根據功能要求采用分組、分區、動靜控制、時間控制、光敏調節照度或開關等方式。照明配電系統圖如圖3所示，車庫照明回路設接觸器，并接入樓宇自控系統（BA）。

4.2 動力系統

對功率大于4KW的電動機（除消防設備）均采用變頻降壓啟動控制，以節約能源。并采用樓宇設備自控管理系統對空調設備、水泵、各類風機及其他用電設備進行能量自動控制、自動調節、實時監察，以實現最優化運行，達到集中管理、程序控制和節約能源等目的。動力配電系統圖如圖4所示。

4.3 低壓配電系統

低壓配電系統采用兩路10kV電源進線，一用一備，兩路進線開關不能同時閉合。正常工作時只用1#主進線，2#進線備用。在低壓配電柜及饋線柜設多功能儀表，支持RS485通信，MODBUS協議，可接入多種軟件通訊系統，通過智能聯網設計，可在人機界面實時觀察動態用電情況。

5 總結

課題以某12層大廈為研究對象，結合建筑電氣設計相關新舊標準規范及樓宇大廈主要能耗，分析樓宇大廈電氣節能技術，對樓宇大廈供配電系統進行節能設計，并結合工程案例進行具體分析。同時，引進新能源領域風光互補發電系統，為樓宇大廈的供電提供了多種渠道，減少用電高峰對城市電網的用電。

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