建筑電氣設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)研究

龍清波

（深圳市筑道建筑工程設(shè)計(jì)有限公司南昌分公司，江西 南昌 330000）

引言

電氣設(shè)計(jì)是建筑項(xiàng)目在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵部分，建筑電氣設(shè)計(jì)的良好開(kāi)展，能夠保證建筑項(xiàng)目中電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而為人們提供安全穩(wěn)定的居住和工作環(huán)境，對(duì)于建筑項(xiàng)目建設(shè)來(lái)說(shuō)具有非常重要的作用。目前在城市化建設(shè)中，節(jié)能技術(shù)水平的逐漸提升，為建筑電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了條件和方向，對(duì)其進(jìn)行充分利用，能夠從根本上促進(jìn)建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用

表1 為不同燈具節(jié)能效果。第一，科學(xué)選擇光源。通常自然光的色溫為5 500 k，白熾燈的色溫在2 700 k～2 800 k 之間，日光色熒光燈的色溫?cái)?shù)值為6 000 k。自然光源條件下，黃昏階段的色溫為8 000 k，中午色溫為17 000 k，鎢絲燈的色溫為3 200 k。在建筑照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)建筑整體布局與不同地塊周邊情況進(jìn)行光源的合理選用，例如對(duì)于廣場(chǎng)地坪、建筑樓梯等位置，選用熒光燈作為光源，適當(dāng)調(diào)低燈具的安裝高度，保持柔和的夜間照明效果；對(duì)于樓梯間等部位，可選取金鹵燈作為光源，提高燈具發(fā)光效率與顯色效果。第二，科學(xué)選擇照明燈具。LED 燈的耗能量是白熾燈的10%，同時(shí)使用壽命提高了100 倍，每瓦光效達(dá)到了1 000 m 以上，光效是白熾燈的4 倍以上[1]。并且熒光燈具的光效在50 m/W～70l m/W 之間，電源效率為65%，而LED 燈具的光效達(dá)到了1 00l m/W～1 50l m/W，電源效率為95%。針對(duì)照明燈具的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如引入基于DMX521協(xié)議的智能燈具控制系統(tǒng)，由上位機(jī)、DMX 解碼器、LED 燈具、DMX 信號(hào)發(fā)生器組成系統(tǒng)架構(gòu)，基于以太網(wǎng)與TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器配置，使控制系統(tǒng)發(fā)出LED 燈具控制信號(hào)與調(diào)光信號(hào)，經(jīng)由DMX 解碼器完成信號(hào)轉(zhuǎn)譯與解碼后，返回至上位機(jī)。將DMX 解碼器接入RS485 總線，合理調(diào)節(jié)解碼器阻值，用于減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)反射；將LED 燈具接至單數(shù)據(jù)總線，用于承擔(dān)終端監(jiān)控作用；上位機(jī)負(fù)責(zé)向DMX 信號(hào)發(fā)生器分配不同IP 地址，將單臺(tái)信號(hào)發(fā)生器分別與3 個(gè)解碼器連接，利用解碼器控制安裝在不同區(qū)域的LED 燈具，借助以上分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑照明燈具的智能控制。但是在使用LED 燈具的過(guò)程中需要注意，如果建筑電氣設(shè)計(jì)中LED 燈具的使用數(shù)量較多，則需要對(duì)其產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，尤其是小功率的LED 燈，運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波會(huì)增加線路能耗量，提高燈具的運(yùn)行溫度，其中存在的安全隱患也會(huì)隨之上升，由此可以看出諧波治理的重要性，節(jié)能燈具的運(yùn)用原理見(jiàn)圖1。

表1 不同燈具節(jié)能效果

2 配電系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用

首先，在選擇電壓階段，根據(jù)用電性質(zhì)、容量以及建筑距離等因素，確定建筑的供電電壓和供電方式，選擇10 KV～110 KV 等級(jí)電壓，利用相分裂導(dǎo)線輸送電網(wǎng)，分散布置變壓器的位置，通過(guò)這種方式對(duì)線路的損耗情況進(jìn)行控制。當(dāng)前我國(guó)多數(shù)建筑電氣設(shè)計(jì)中采用10 KV 以及20 KV 電壓，隨著供電電壓的升高，電壓損失也會(huì)降低，電力輸送功率提升的同時(shí)，供電范圍也隨之拓展。例如，10 KV 電壓與20 KV 的電壓相比，20 KV 配電網(wǎng)的送電容量會(huì)增加1 倍左右，S20/S10= （√3U20Ir）/ （√3U10Ir）=2。△u20/△u10=[U102（P20R+Q20X）]/ [U202（P10R+Q10X）]=1/4；△P20/ △P10=（P2R/Un202cos2φ）/（P2R/Un102cos2φ）=1/4。通過(guò)上述公式能夠看出，20 KV 電壓和功率的損失情況，與10 KV相比減少了75%左右。

其次，加強(qiáng)諧波治理。采用有源諧波治理方法，諧振頻率的計(jì)算公式為f=1/[2π√(LC)]，其中f 為頻率，單位為赫茲(Hz)；L 為電感，單位為亨利(H)；C 為電容，單位為法拉(F)，簡(jiǎn)諧波公式是：t＝1/v。

再次，采用LED 驅(qū)動(dòng)電路及PWM調(diào)光方案。為有效提升建筑照明系統(tǒng)中LED 燈具的調(diào)光精度，選用AC 模塊、EMI 濾波、整流器、功率因數(shù)校正模塊組成HV9910B LED 驅(qū)動(dòng)電路，支持在8～450 VDC 范圍內(nèi)以定頻率或定關(guān)斷時(shí)間兩種方式運(yùn)行。在精確調(diào)光方案設(shè)計(jì)時(shí)尚，將驅(qū)動(dòng)電路芯片外接電阻設(shè)為Rr，繼電器開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)為k，則LED 驅(qū)動(dòng)電路的工作周期計(jì)算公式為：

在驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行過(guò)程中，基于峰值電流控制模式進(jìn)行MOSFET 開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制，在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)設(shè)有電流檢測(cè)電路，當(dāng)LED 電流經(jīng)過(guò)采樣電阻時(shí)產(chǎn)生的電壓超出250 mV 限值后，驅(qū)動(dòng)電路將自動(dòng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)，借此實(shí)現(xiàn)電路的恒流控制功能[2]。其中在MOSFET 開(kāi)關(guān)的工作頻率設(shè)計(jì)上，將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為f，直流電壓經(jīng)由整流模塊與功率因素校正后表示為VDC，燈具串聯(lián)輸出電壓為Vo、工作電流為Io，續(xù)流二極管正向?qū)▔航禐閂d,電感值為L(zhǎng)，則由此建立以下關(guān)系式：

考慮到LED 串聯(lián)電路的電流可能存在30%的紋波，因此在開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)中電感的計(jì)算公式為：

將上述電路設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行匯總后，根據(jù)MOSFET開(kāi)關(guān)頻率保持不變情況下電感量與工作電流紋波成反比的關(guān)系，可推斷出在電感量保持不變的情況下，通過(guò)提高M(jìn)OSFET 開(kāi)關(guān)頻率可有效減小LED 工作電流紋波，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

最后，變壓器節(jié)能控制，變壓器在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生損耗，主要為空載損耗以及負(fù)載損耗兩部分內(nèi)容，其中空載損耗出現(xiàn)的主要原因?yàn)樽儔浩髦需F芯的損耗，鐵芯材料磁化率和渦流損耗越小，節(jié)能效果越好，能夠有效降低變壓器空載損耗量。空載損耗計(jì)算公式為：Q0≈SrT×I0%/100。負(fù)載損耗出現(xiàn)的主要原因?yàn)椋?fù)載電路繞組時(shí)產(chǎn)生的損耗，負(fù)載電流在繞組過(guò)程中產(chǎn)生渦流損耗，同時(shí)在繞組金屬的外部位置產(chǎn)生雜散損耗，其計(jì)算公式為Qk≈SrT×Uk%/100。在對(duì)其進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)變壓器的型號(hào)、負(fù)載率以及容量等進(jìn)行充分研究，還可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)以及信息技術(shù)，建立變壓器綜合評(píng)價(jià)體系，設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)和權(quán)重計(jì)算，其中包括變壓器的運(yùn)行費(fèi)用、負(fù)載性質(zhì)以及運(yùn)行要求等指標(biāo)，通過(guò)這種方式提高變壓器選擇的科學(xué)性和有效性。

從表2 中能夠看出，非晶合金鐵芯變壓器的損耗量較小，其在實(shí)際運(yùn)用中具有較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。對(duì)于建筑電氣設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，非使用期間其均處于低負(fù)荷狀態(tài)，采用非晶合金鐵芯變壓器的節(jié)能效果較高。雖然該種類型變壓器的成本較高，但是在運(yùn)行3-5 年之后，便能夠收回增加的投入成本，加上多數(shù)建筑的使用年限在20 年以上，因此使用非晶合金鐵芯變壓器無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)價(jià)值還是節(jié)能價(jià)值中，都具有較大的優(yōu)勢(shì)[3]。高效的變壓器能夠提高建筑電氣設(shè)計(jì)的節(jié)能水平，其中S13 變壓器參數(shù)與三項(xiàng)非晶合金鐵芯變壓器參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表2 不同材料鐵芯變壓器性能

表3 S13 變壓器參數(shù)

表4 三項(xiàng)非晶合金鐵芯變壓器參數(shù)

3 智能節(jié)能技術(shù)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

第一，電動(dòng)機(jī)控制。當(dāng)前YX2 電動(dòng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)用范圍較廣，并且其在實(shí)際運(yùn)用中具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益，尤其是功率在200 kw以上的公共建筑用電設(shè)備中，同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)試[4]。交流- 交流調(diào)速模式中，平均帶電為25%～55%，而交流- 直流- 交流調(diào)速模式中，節(jié)能頻段為5～40 hz，節(jié)能率為25%～50%。

第二，電能系統(tǒng)管理。在電機(jī)選型環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，以55 kw電機(jī)為例，其節(jié)能效果與普通電機(jī)相比高出15%，電費(fèi)每度0.5 元的情況下，使用該電機(jī)1 年就能夠收回電機(jī)成本[5]。

第三，引入樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用BMS 架構(gòu)進(jìn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)與信息集成模式，經(jīng)中控系統(tǒng)主機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行樓宇控制、消防報(bào)警、安保系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，對(duì)于建筑排風(fēng)、給排水、照明及電力計(jì)量系統(tǒng)分別配置獨(dú)立DDC 控制器，設(shè)置控制點(diǎn)數(shù)＜120 點(diǎn)，并基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，支持對(duì)ActiveX、DDE、ODBC、API 等多種技術(shù)的無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制功能。

4 結(jié)論

綜上所述，將節(jié)能技術(shù)與建筑電氣設(shè)計(jì)相互結(jié)合，能夠提高建筑電氣設(shè)計(jì)的有效性和穩(wěn)定性，并且與當(dāng)今綠色節(jié)能環(huán)保的理念相符合，這也是今后建筑電氣設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。在此過(guò)程中，建筑電氣設(shè)計(jì)人員需要從各項(xiàng)環(huán)節(jié)入手，將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用在其中，通過(guò)這種方式增強(qiáng)建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能效果的同時(shí)，提高建筑項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)建筑電氣設(shè)計(jì)逐漸向著綠色節(jié)能的方向發(fā)展。