建筑电气节能综述

李一力

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司, 北京 100085)



·建筑电气节能·

建筑电气节能综述

李一力

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司, 北京 100085)

介绍了建筑电气节能设计的重点内容,阐述了建筑物内的用电设备、用电系统的节能设计要点,叙述了建筑能源管理系统的构成和作用。提出在建筑物的运营使用过程中,需找到节能与舒适度的最佳结合点,既满足了基本舒适度,又能最大程度地降低设备能耗,减少运营成本。

建筑电气; 节能设计; 用电设备; 用电系统; 建筑能源管理系统

李一力(1959—),男,教授级高级工程师,从事建筑电气方面的工作。

0 引 言

据统计,我国建筑能耗约占全社会总能耗的32%,其中建筑所使用的电能消耗在建筑能耗中占主导地位,因此建筑电气节能就显得尤为重要。

1 建筑电气节能设计

1.1 节能型供电系统设计

节能型供电系统设计是指在保证安全用电的基础上,充分满足建筑物内设备用电要求的前提下,按照相关规程、规范、标准的要求,确定节能型供电系统,包括对变压器、开关柜、配电柜、配电箱等供配电设备的选择和安放空间位置的确定;对供电缆、电线截面的选择和走向空间位置的确定等。在建筑电气节能设计过程中,应从安全性、可靠性、适用性及经济性等方面综合考虑,通过合理的设计,使建筑的供配电系统更节能,并便于使用。

1.2 变压器选择

(1) 选择节能型变压器。根据负荷情况,综合考虑变压器的投资和年运行费用,在对用电负荷进行合理分配的前提下,采用需用系数,选取相应容量的变压器。

(2) 为减小变压器损耗,需选用多台变压器时,在合理分配负荷的情况下,尽可能减少变压器的使用台数,选用大容量的变压器。如需要装机容量为4 000 kVA时,可选用2台2 000 kVA的变压器,而不选用4台1 000 kVA的变压器。

(3) 确定合理负载率,保证变压器经济运行,一般变压器的负荷率宜为75%～85%。

1.3 用电负荷三相平衡

建筑电气设计中,尽可能使供电系统做到三相供电平衡,否则会造成各相的电流不平衡,产生不平衡电流。对于有中性线引出的低压供电系统,当三相平衡时,中性线上电流为0;当三相不平衡时,中性线上将有电流流过,产生损耗,使供配电系统整体的损耗增加。

1.4 功率因数与节能

系统中的用电设备,如电动机、变压器、线路、气体放电灯中的镇流器都是感性的,会产生滞后无功,需要从系统中引入超前的无功相抵消。超前的无功功率从系统经高、低压线路传输至用电设备时,就会有电流流动,又因导线有电阻,在线路上就会产生有功损耗。这部分损耗完全可以通过就地补偿来抵消。因此,在设计中采用电容器就地补偿的方式,使线路上的无功传输量减少,达到节能的目的。目前,民用建筑设计中绝大部分采用变压器低压侧集中加装电容器的补偿方式,以减少区域变电站到用户的高压线路上的无功传输,提高了用户处的功率因数。当功率因数提升后,视在功率及输入电流减小,供电系统的效率提高。

2 照明系统节能

随着人们对能源和环境之间的关系日益关注,建筑物如何充分利用天然光源越来越受到广泛重视。建筑内的房间白天应尽可能利用自然光源,这样可以大大降低人工照明能耗,对于降低建筑能耗具有重要的现实意义。目前应用太阳光的方法主要有光导管法、采光搁板、高窗反射、棱镜窗等。

(1) 照明光源的节能。优先采用高效光源,如LED、卤素节能灯等。随着LED灯的迅速发展,发光光纤与LED光源结合,已经在建筑物立面装饰、室内装饰及水下装饰中被广泛应用。照明光源的主要性能指标有:① 光量特性指标,包括总光通量、亮度、光强、紫外线量和热辐射量等;② 光色特性指标,包括光色、色温、显色性、色度和光谱分布等;③ 电气特性指标,包括消耗功率、灯电压、灯电流、启动特性和干扰噪声等。主要光源的技术指标如表1所示。

表1 主要光源的技术指标

(2) 照明灯具的节能。灯具的效率是指灯具所消耗的电能中有多少可转变为可见光。因灯具的结构、使用的反射材料、散热条件不同,灯具的效率也不相同,在满足使用要求的前提下,宜使用效率高的灯具。

(3) 动态照明控制装置。采用各种形式的灯光控制器对照明灯具的亮度进行连续调节,以适应各种场景对亮度的需求。可采用分区控制灯光或适当增加照明开关的方式。房间内可使用小型集散型房间灯光控制系统;楼梯、道路等公共空间,可采用触摸式延时开关、声光控制开关、红外线延时开关等,以减少公共空间灯具的使用时间。室外路灯宜采用自动时间控制开关。

(4) 加强对光源与灯具的清扫与维修工作。当光源与灯具灰尘严重时,照度下降。因此,应当重视照明器的清扫工作,将其作为管理的重要内容之一。

(5) 及时更换发光效率降低的光源,特别是大面积使用的荧光灯,虽然增加了设备投资,但实际上是改善了工作环境,使照明效果达到灯具的初始状态。

3 电机节能

减少电机电能损耗的主要途径是提高电机的效率和功率因数,可以从以下几个方面着手。

(1) 根据负荷特性合理地选择节能型电动机。了解负荷的特性,根据电动机的工作环境及负载特点选用合适的电动机,以提高电动机运行的效率和功率因数。

(2) 对于轻载运行的电动机,加装变频调速装置,通过降低电机转速,减少电能消耗。

(3) 根据负载情况,对电动机采取就地补偿。对距离供电点较远的大容量连续运行的电动机,应采取电动机无功功率就地补偿装置。单台电动机补偿容量不宜过大,以免产生自励磁过电压。

4 电热设备节能

推广使用蓄热型电热水器、电锅炉。在用电低谷时,将电能转化成热能储存起来,当需要用热时再将热能取出,这对用电户与发电厂、供电公司都会产生良好的经济效益。

5 中央空调系统节能

中央空调系统是大型建筑中不可缺少的能耗系统,其能耗占建筑耗电量的40%～60%。

建筑采用的中央空调都是以最不利工况为设计标准,在大部分时间都是在部分负荷下运行。绝大多数大型公共建筑空调水系统均为定流量系统,容量远远大于实际需要。若根据空调负荷变化对水系统进行变流量控制调节,可达到节能的目的。

理想的空调水系统应具备如下特点。

(1) 当负荷变化时,空调系统能够保持冷却水和冷冻水的供、回水温差不变。

(2) 水系统运行能耗最小,当负荷减少时,冷水机组运行能耗随之减少,水泵运行能耗随负荷的减小而相应减少。

(3) 系统简单,一次投资少。

6 冰蓄冷空调节能

冰蓄冷空调系统是在电力负荷较低的夜间,利用低谷价区的电能资源,使用制冷机进行制冷,将电能转换为冷量,利用储存容器将冷量储存起来;而在电力负荷较高的白天电能需求高峰期,把冰中所储存的冷量有序地释放出来,以满足建筑物制冷空调系统的需求,从而补充高峰电能供应不足或利用峰谷电价差节省电费,降低空调设备容量。

冰蓄冷空调系统具有以下主要特点。

(1) 利用夜晚低谷时段工作,达到平衡峰谷用电负荷,缓解供电高峰时电力供应紧张的状况。

(2) 制冷主机的容量减少,节省增容费用。

(3) 总用电设施容量减少,可减少基本电费支出。

(4) 利用低谷段电价的优惠,减少运行电费。

(5) 冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔容量减少。

(6) 制冷设备经常在设计工作点上运行,效率高,制冷机效率高。

(7) 充分利用夜间气温变化,提高机组产冷量。

冰蓄冷空调的缺点是需要增加蓄冷池,故一次投资增加,并且水泵的输送能耗增加,蓄冷池等设备存在冷量损失的状况。

7 电梯节能

电梯作为建筑物垂直交通运输设备,其向上、向下运行的工作量大致相同,驱动电动机通常是工作在拖动耗电或制动发电状态下。当电梯轻载上行、重载下行以及电梯平层前逐步减速时,驱动电动机工作在发电制动状态下,将机械能转化为电能,过去这部分电能消耗在电动机的绕组或外加的能耗电阻上。前者会引起驱动电动机严重发热,后者需要外接大功率制动电阻,不仅浪费了大量的电能,还会产生大量的热量,导致机房升温。有时还需要在电梯机房增加空调降温,从而进一步增加了能耗。利用变频器交—直—交的工作原理,将机械能产生的交流电转化为直流电,并利用电能回馈器将电能回馈至供电电网,供建筑物内的其他用电设备使用,使电力拖动系统在单位时间内消耗电网电能下降,起到节约电能的目的。

8 建筑能源管理系统

大型公共建筑能源管理系统可帮助管理者对建筑物的用能情况进行量化管理,提供各个计量点实时的能耗数据,然后通过分析判断用能的合理性,并找到解决方案。例如,针对某办公建筑下班以后还有一定电能消耗的情况,通过加装能源管理系统实现节能的目的。供电系统能耗采集结构如图1所示。

图1 供电系统能耗采集结构

能源管理系统的作用如下:

(1) 量化管理,了解各类负荷的消耗量。

(2) 进行目标管理,对大厦的各类负荷制定用能指标,提高能源使用效率。

(3) 实时了解整个建筑的用能情况,对能耗系统实施实时监控。

(4) 与同类建筑进行横向用能比较,发现问题后及时解决。

(5) 呈现节能改造效果。当用电设备实施节能改造后,可以立即呈现改造的效果。

(6) 校核供电部门高压计量的准确性,避免不必要的损失。

(7) 当供电支路发生故障跳闸时,管理者获知支路跳闸的时间,对分析事故原因提供帮助。

9 结 语

建筑电气节能应遵循经济、合理原则,考虑实际经济效益,不能因为节能而过高地浪费投资。应保证用于节能的投资费用在较短的时间内进行回收,要有明显的经济效益。节能与舒适度始终是一对矛盾共同体,若舒适度高,则节能效果差;若舒适度降低,则节能效果好。因此在建筑物的运营使用过程中,还需要不断地实践摸索,找到节能与舒适的最佳结合点,既满足基本舒适,又能最大程度地降低设备能耗与运营成本。

[1] 绿色建筑评价标准:GB/T 50378—2014[S].

[2] 陈众励,赵济安,邵民杰.建筑电气节能技术综述[J].低压电器,2007(4):1-5.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇——电气[M].北京:中国计划出版社,2007.

Overview of Building Electrical Energy-saving

LI Yili

(Beijing Tsinghua Tongheng Urban Planning and Design Institute, Beijing 100085, China)

This paper introduced the key points of building electrical energy-saving design,and expounded the main energy-saving points of electrical equipments and electrical systems in buildings.The structure and functions of building energy management system were described.It is pointed out that the best combined point between the energy saving and comfort is found out in the course of building use,which can meet the basic comfort and reduce the energy consumption of the device and the operating costs.

building electric; energy-saving design; building electrical equipment; building electricity system; building energy management system

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0001-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.001

2016-09-16