現代配電系統優化設計與能效提高研究

[關鍵詞]建筑改造；配電系統；智慧樓宇；節能減排

引言

配電系統作為建筑能源傳輸的“動脈”，其運行狀態和效率直接影響到建筑內部各用電設備的正常運行和能耗水平。在建筑能耗中，配電系統的損耗往往占據一定比例，線路損耗、變壓器損耗和無功損耗等不僅會增加建筑的總能耗，還可能導致電能質量的下降，影響用電設備的性能和壽命。此外，配電系統的設計和運行狀況還會直接影響建筑的可靠性和安全性。不合理的配電系統設計可能導致電力負荷分配不均、電壓波動大、短路故障頻發等問題，嚴重影響建筑的正常使用和居民的生活質量。鑒于建筑電力能耗的嚴峻形勢和配電系統在建筑能耗中的重要地位，優化配電系統設計與提高能效已成為當前亟待解決的問題。

一、現代建筑配電系統現狀分析

（一）現狀及存在問題

建筑配電系統主要由電源系統（含電源接入點、變壓器、發電機）、配電設備（如高壓配電柜、低壓配電柜、開關、導線、插座、照明設備）和控制系統（智能電能管理系統、電力監控系統）組成。電源系統能夠確保電力供應的穩定與應急，配電設備用以負責電能的傳輸、分配與控制，而控制系統則能通過智能監測與優化控制，提高能源利用效率，保障電力供應的安全與可靠。隨著城市化進程的加快和建筑業的蓬勃發展，建筑配電系統作為保障建筑正常運行的基礎設施，其規模和復雜度不斷增加。多數建筑配電系統能夠滿足基本的電力供應需求，為建筑內的照明、動力、空調、電梯等設備提供穩定可靠的電能。同時，隨著智能電網、物聯網等技術的不斷應用，部分建筑配電系統開始實現智能化管理，提高運行效率和能源利用效率。然而，在配電系統的實際運行過程中，仍存在一些問題和不足。具體表現為：1．設備老化與性能下降：部分建筑配電系統使用年限較長，設備老化嚴重，性能下降明顯；2。部分區域用電負荷過大，導致電力供應緊張，甚至引發斷電事故；而部分區域則用電負荷較小，造成電力資源的浪費；3．很多配電系統仍然采用傳統的控制方式，缺乏實時監控、數據分析、故障預警等智能化功能，難以及時發現和解決潛在問題；4．部分建筑配電系統在能耗管理方面存在不足，缺乏有效的能耗監測和管理手段。這些問題共同影響了配電系統的穩定運行和能效表現。

（二）能耗損失來源分析

建筑配電系統的能耗主要源自變壓器損耗、線路損耗、用電設備損耗及無功功率損耗，這些能耗來源共同構成了建筑配電系統的主要能耗部分，如表1所示。

二、現代建筑配電系統設計優化路徑探索

（一）配電系統優化路徑

1．優化電氣線路路徑與長度

一方面，應合理規劃線路路徑，在設計電氣線路時，應盡量避免線路迂回，可以采用直線或短路徑的方式供電，以減少電能在線路傳輸過程中的損耗。為此可以將配電設備如變壓器、配電柜等設置在靠近負荷中心的位置以縮短供電線路的長度，降低線路損耗。另一方面，施工人員在規劃線路路徑的時候應充分考慮建筑結構的實際情況。樓層高度、墻體厚度、梁柱位置等都會影響線路敷設的路徑和長度。對于某些大型建筑，可以采用分區供電的方式，將建筑劃分為若干個供電區域，每個區域設置獨立的配電設備，以減少長距離供電的需求。在高層建筑中，電纜橋架和豎井作為電氣線路的主要通道，可以通過優化這些設施的位置和布局，可以縮短線路長度。

2．合理選擇導線

選擇導線截面，需要根據負載的電流大小和傳輸距離來確定。一般來說，負載電流越大、傳輸距離越遠，所需的導線截面就越大。在滿足負載需求的前提下還需要考慮導線的經濟性和安全性。過大的導線截面會增加投資成本，而過小的導線截面則可能引發安全隱患。銅芯電纜的導電性能優于鋁芯電纜，但成本也相對較高。在實際應用中，可以根據負載的重要性和經濟性來選擇。對于重要負載或長距離傳輸的線路，可以優先選用銅芯電纜；而對于一般負載或短距離傳輸的線路，則可以考慮使用鋁芯電纜。

3選用高效節能設備與材料

電氣設備應優先選用符合國家和行業能效標準的高效節能產品。這些產品通常具有較低的能耗和較高的能效比，能夠在滿足使用需求的同時，有效降低能源消耗。在配電系統的材料選擇上，應注重選用導電性能好、電阻率低、耐腐蝕性強的優質材料。這些材料不僅能夠降低線路損耗，提高電能傳輸效率，還能延長設備使用壽命，降低維護成本。

（二）能效提高路徑

1.應用節能技術。具體包括推廣LED照明技術和應用變頻調速技術。LED照明具有高效、節能、環保、壽命長等特點，在建筑內部和外部廣泛采用LED照明燈具，替換傳統的高能耗燈具。同時，利用智能照明控制系統，根據環境光照強度和人員活動情況自動調節照明亮度，能夠實現按需照明進一步節約能源。變頻調速技術可以通過調整電機轉速來控制設備運行狀態，在空調、風機、水泵等系統中應用變頻調速技術，可以根據實際需求調整設備功率，避免能源浪費。

2．優化照明系統。一方面，可以通過增加窗戶面積、采用透光性好的建筑材料等方式，提高室內自然光照度，減少人工照明需求；另一方面，可以采用智能照明控制系統，實現照明系統的自動化控制和智能化管理。通過設定不同的照明場景和模式，滿足不同場景下的照明需求，同時降低能耗。

3．升級空調系統。這需要合理設置空調溫度和濕度參數。即根據室內外環境條件和人員活動情況，科學設定空調運行參數。建筑內部可選用能效比高的空調機組和末端設備，同時采用變風量控制、變水量控制等空調控制技術，提高空調系統的整體能效水平。

4．集成可再生能源與配電系統。在建筑配電系統設計階段，應充分考慮可再生能源的接入和利用。根據建筑的能源需求和可再生能源資源條件，合理規劃可再生能源發電系統的規模和布局，確保可再生能源發電系統與建筑配電系統的兼容性和互補性，以實現可再生能源的高效利用。城市大型建筑、高層建筑可以根據情況，在建筑屋頂、外墻或空閑區域安裝太陽能光伏板，將太陽能轉化為電能，供給建筑使用或并入電網，這種系統能夠顯著減少對傳統能源的依賴，降低建筑的能源消耗和碳排放。另外，該系統還可以利用太陽能集熱器將太陽輻射能轉化為熱能，為建筑提供熱水供應，這種系統簡單實用，且能夠顯著降低熱水供應的能耗。

5．儲能技術應用。在建筑配電系統中引入儲能設備，如電池儲能系統、超級電容器等，將可再生能源發電系統中多余的電能儲存起來，在用電高峰時釋放，以平衡電網負荷和穩定電網電壓。

（三）案例分析

上海黃浦區某綜合商業樓，集辦公、會議、商業等多種功能于一體。隨著入駐企業的不斷增加，樓宇原有配電系統逐漸顯露出能耗高、管理效率低下等弊端，嚴重制約了大廈的運營效率和租戶的滿意度。面對這一挑戰，大廈管理方決定針對智慧水電配套系統進行優化升級。在新能源配電系統改造方面，項目團隊可以通過更換老舊變壓器為高效節能型，并采用智能開關柜顯著減少了電能損耗；智能電力管理系統的引入，更是實現了電力負荷的精準預測、優化調度及故障預警，大幅度提高了供電的可靠性和能效。此外，項目還積極探索了分布式能源的應用，將太陽能光伏板作為建筑幕墻進行了改造設計（如圖1所示），大廈頂層也采用了光伏板，減少了夏季陽光直射的問題，降低了空調使用率，并將太陽能轉化為電能供大廈使用，使得耗電率明顯降低。

在照明方面，項目團隊設計了基于物聯網技術的智能照明控制系統架構，包括照明燈具、傳感器、控制器等組成部分，并通過無線通信技術，實現了各組成部分之間的數據傳輸和指令控制。在建筑內部各區域部署LED照明燈具和傳感器設備，傳感器負責實時采集光線強度、人員活動等信息，并上傳至控制器。控制器根據智能照明控制算法，根據室內光線強度和人員活動情況自動調節照明亮度；在空調系統方面，項目團隊將變頻調速技術與空調系統進行集成設計，將原有的定速風機和水泵更換為變頻調速設備，通過調整變頻調速設備的控制參數和運行模式，確保空調系統能夠在不同工況下實現節能運行。

節能電氣設備方面，項目團隊選用了S11、S13型節能變壓器，這些變壓器采用了卷鐵芯改變常規疊片式鐵芯結構，能極大降低磁阻，減少空載電流，降低空載損耗約20-35%。與舊型號如S9型相比，其空載、負載損耗可降低約10%。將原有的輸電總線改為銅芯電纜后，由于銅的導電性能優異，電阻率低，能有效降低線路傳輸過程中的電能損耗。經過一系列的努力與實踐，該商務大廈水電配套系統優化項目取得了顯著的成效。大廈的用電量較之前降低了約21%，實現了顯著的節能效果（如表2所示）。

智能管理系統的引入使得大廈的水電管理更加便捷高效，管理人員能夠實時掌握系統運行狀態并快速響應各類問題。此外，大廈內環境的舒適度與服務品質也得到了顯著提高，贏得了廣大租戶的廣泛好評。項目的成功實施不僅為大廈帶來了顯著的經濟效益和社會效益，還為城市節能減排事業提供了新的思路。

結語

隨著智能電網、物聯網、大數據等先進技術的不斷融合與創新，配電系統的智能化、高效化水平也得到了顯著提高，為實現建筑能源的精細化管理提供了技術支撐。通過集成先進的傳感器技術、物聯網（Internet of Things，IoT）、大數據分析及人工智能算法，系統能夠實現對水電生產、傳輸、分配及消費全鏈條的智能化監控與管理，這種設計思路不僅可以提高系統的自動化水平和響應速度，還可以使得水電資源的調度更加精準高效。在“雙碳”目標指引下，今后智能水電配套系統的發展將更加注重綠色、低碳和智能的深度融合，并在能源轉型和生態文明建設中發揮更加重要的作用。