电气节能技术在工程设计中的应用

中信集团武汉市建筑设计院 李 蔚 / 吴婧华 / 冯 涛

1 引 言

我国正处于城镇化建设的快速发展时期，已建项目的总建筑面积约为400亿m2，每年还以10几亿m2的速度递增。目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的27%左右（根据建设部和国家建材局的统计）。到2020年，全国将新增建筑面积约200亿m2，建筑能耗占全社会总能耗的比例将更高。

在欧美一些发达国家，节能型建筑的比例已达到了40%。而在我们这样一个资源相对匮乏、正在发展中的人口大国，能源的消耗正急剧增加，能源危机迫在眉睫，作为能耗大户的建筑能耗已成为危及社会可持续发展的一个重大问题。为此，中央经济工作会议提出建设“资源节约型”社会的目标，要求各地大力推广“节能省地”型建筑。

由此可见，建筑节能已成为时代的呼唤。作为二次能源的电能，如何降低损耗、高效利用，如何将节能技术合理应用到工程项目当中，也就成为建筑电气设计的焦点。

2 电气节能设计应遵循的原则

电气节能设计既不能以牺牲建筑功能、损害使用需求为代价，也不能盲目增加投资、为节能而节能。因此，笔者认为，电气节能设计应遵循以下原则：

1）满足建筑物的功能

这主要包括：满足建筑物不同场所、部位对照明照度、色温、显色指数的不同要求；满足舒适性空调所需要的温度及新风量；满足特殊工艺要求，如体育场馆、医疗建筑、酒店、餐饮娱乐场所一些必需的电气设施用电，展厅、多功能厅等的工艺照明及电力用电等。

2）考虑实际经济效益

节能应考虑国情及实际经济效益，不能因为追求节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而应在该通过比较分析，合理选用节能设备及材料，使在节能方面增加的投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。

3）节省无谓消耗的能量

节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗、电能传输线路上的有功损耗，都是无用的能量损耗；又如量大面广的照明容量，宜采用先进的调光技术、控制技术使其能耗降低。

总之，笔者认为节能设计应把握“满足功能、经济合理、技术先进”的原则。具体说来，可重点从以下多个方面采取节能措施，将节能技术合理应用到实际工程中。

3 变压器的选择

变压器节能的实质就是：降低其有功功率损耗、提高其运行效率。

变压器的有功功率损耗如下式表示：

△Pb＝Po＋Pkβ2

其中：△Pb— 变压器有功损耗（kW）；

Po— 变压器的空载损耗（kW）；

Pk— 变压器的有载损耗（kW）；

β— 变压器的负载率。

式中Po为空载损耗又称铁损，它由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与硅钢片的性能及铁芯制造工艺有关，而与负荷大小无关，是基本不变的部分。

因此，变压器应选用SL7、SLZ7、S9、SC9等节能型变压器，它们都是选用高导磁的优质冷轧晶粒取向硅钢片和先进工艺制造的新系列节能变压器。由于“取向”处理，使硅钢片的磁场方向接近一致，以减少铁芯的涡流损耗；45°全斜接缝结构，使接缝密合性好，可减少漏磁损耗。

与老产品相比，SL7、SLZ7无励磁调压变压器的空载损失和短路损失，10kV系列分别降低41.5%和13.93%；35kV系列分别降低38.33%和16.22%。S9、SC9系列与SL7、SLZ7系列相比，其空载和短路损耗又分别降低5.9%和23.33%，平均每kVA较SL7、SLZ7系列年节电9kWh。

新系列节能型变压器，因其具有损耗低、质量轻、效率高、抗冲击、节能显著等优点，在近年得到了广泛的应用，所以，设计应首选低损耗的节能变压器。

上式中，Pk是传输功率的损耗，即变压器的线损，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小。因此，应选用阻值较小的铜芯绕组变压器。对Pkβ2，用微分求它的极值，可知当β=50%时，变压器的能耗最小。但这仅仅是从变压器节能的单一角度出发，而没有考虑综合经济效益。

因为β=50%的负载率仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此节能效果有限；且在此低负载率下，由于需加大变压器容量而多付的变压器价格，或变压器增大而使出线开关、母联开关容量增大引起的设备购置费，再计及设备运行、折旧、维护等费用，累积起来就是一笔不小的投资。由此可见，取变压器负载率为50%是得不偿失的。

综合考虑以上各种费用因素，且使变压器在使用期内预留适当的容量，笔者认为，变压器的负载率β应选择在75%～85%为宜。这样既经济合理，又物尽其用。另一方面，因为变压器在满负荷运行时，其绝缘层的使用年限一般为20年，20年后通常会有性能更优的变压器问世，这样就能有机会更换新的设备，从而使变压器总趋技术领先水平。

设计时，合理分配用电负荷、合理选择变压器容量和台数，使其工作在高效区内，可有效减小变压器总损耗。

当负荷率低于30%时，应按实际负荷换小容量变压器；当负荷率超过80%并通过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器。

当容量大而需要选用多台变压器时，在合理分配负荷的情况下，尽可能减少变压器的台数，选用大容量的变压器。例如需要装机容量为2000kVA，可选2台1000kVA，不选4台500kVA。因为前者总损耗比后者小,且综合经济效益优于后者。

对分期实施的项目，宜采用多台变压器方案，避免轻载运行而增大损耗；内部多个变电所之间宜敷设联络线，根据负荷情况，可切除部分变压器，从而减少损耗；对可靠性要求高、不能受影响的负荷，宜设置专用变压器。

在变压器设计选择中，如能掌握好上述原则及措施，则既可达到节能目的，又符合经济合理的要求。

4 合理设计供配电系统及线路

1） 根据负荷容量及分布、供电距离、用电设备特点等因素，合理设计供配电系统和选择供电电压，可达到节能目的。供配电系统应尽量简单可靠，同一电压供电系统变配电级数不宜多于两级。

2）按经济电流密度合理选择导线截面，一般按年综合运行费用最小原则确定单位面积经济电流密度。

3）由于一般工程的干线、支线等线路总长度动辙数万米，线路上的总有功损耗相当可观，所以，减少线路上的损耗必须引起设计足够重视。由于线路损耗△P∝R，而R=p.L/S，则线路损耗△P与其电导率ρ、长度L成正比，与其截面S成反比。为此，应从以下几方面入手：

(1) 选用电导率ρ较小的材质做导线。铜芯最佳，但又要贯彻节约用铜的原则。因此，在负荷较大的一类、二类建筑中采用铜导线，在三类或负荷量较小的建筑中可采用铝芯导线。

(2) 减小导线长度L。主要措施有：

①变配电所应尽量靠近负荷中心，以缩短线路供电距离，减少线路损失。低压线路的供电半径一般不超过200m，当建筑物每层面积不少于1万m2时，至少要设两个变配电所，以减少干线的长度；

② 在高层建筑中，低压配电室应靠近强电竖井，而且由低压配电室提供给每个竖井的干线，不应产生“支线沿着干线倒送电能”的现象，尽可能减少回头输送电能的支线；

③线路尽可能走直线，少走弯路，以减少导线长度；其次，低压线路应不走或少走回头线，以减少来回线路上的电能损失。

(3) 增大线缆截面S。

①对于比较长的线路，在满足载流量、动热稳定、保护配合、电压损失等条件下，可根据情况再加大一级线缆截面。假定加大线缆截面所增加的费用为M，由于节约能耗而减少的年运行费用为m，则M／m为回收年限，若回收年限为几个月或一、二年，则应加大一级导线截面。 一般来说，当线缆截面小于70mm2，线路长度超过100m时，增加一级线缆截面可达到经济合理的节能效果。

②合理调剂季节性负荷、充分利用供电线路。如将空调风机、风机盘管与一般照明、电开水等计费相同的负荷，集中在一起，采用同一干线供电，既可便于用一个火警命令切除非消防用电，又可在春、秋两季空调不用时，以同样大的干线截面传输较小的负荷电流，从而减小了线路损耗。

在供配电系统的设计中，积极采取上述各项技术措施，就可有效减少线路上的电能损耗，达到线路节能的目的。

5 提高系统的功率因数

5.1 提高功率因素的意义

设定输电线路导线每相电阻为R(Ω)，则三相输电线路的功率损耗为：

式中 ΔP——三相输电线路的功率损耗，kW；

P——电力线路输送的有功功率，kW；

U——线电压，V；

I ——线电流，A；

cosφ ——电力线路输送负荷的功率因素。

由上式可以看出，在系统有功功率P一定的情况下，cosφ 越高（即减少系统无功功率Q），功率损耗ΔP将越小。所以，提高系统功率因素、减少无功功率在线路上传输，可减少线路损耗，达到节能的目的。

在线路的电压U和有功功率P不变的情况下，改善前的功率因素为cosφ1，改善后的功率因素为cosφ2，则三相回路实际减少的功率损耗可按下式计算：

另外，提高变压器二次侧的功率因素，由于可使总的负荷电流减少，故可减少变压器的铜损，并能减少线路及变压器的电压损失。当然，另一方面，提高系统功率因素，使负荷电流减少，相当于增大了发配电设备的供电能力。

5.2 提高功率因素的措施

1) 减少供用电设备无功消耗，提高自然功率因素，其主要措施有：

(1) 正确设计和选用变流装置，对直流设备的供电和励磁，应采用硅整流或晶闸管整流装置，取代变流机组、汞弧整流器等直流电源设备。

(2) 限制电动机和电焊机的空载运转。设计中对空载率大于50%的电动机和电焊机，可安装空载断电装置；对大、中型连续运行的胶带运输系统，可采用空载自停控制装置；对大型非连续运转的异步笼型风机、泵类电动机，宜采用电动调节风量、流量的自动控制方式，以节省电能。

(3) 条件允许时，采用功率因数较高的等容量同步电动机代替异步电动机，在经济合算的前提下，也可采用异步电机同步化运行。

(4) 荧光灯选用高次谐波系数低于15%的电子镇流器；气体放电灯的电感镇流器，单灯安装电容器就地补偿等，都可使自然功率因数提高到0.85～0.95。

2) 用静电电容器进行无功补偿：

按全国供用电规则规定，高压供电的用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，在当地供电局规定的电网高峰负荷时功率因素应不低于0.9。

当自然功率因素达不到上述要求时，应采用电容器人工补偿的方法，以满足规定的功率因素要求。实践表明，每kV补偿电容每年可节电150～200kWh，是一项值得推广的节电技术。特别是对于下列运行条件的电动机要首先应用：

（1）远离电源的水源泵站电动机；

（2）距离供电点200m以上的连续运行电动机；

（3）轻载或空载运行时间较长的电动机；

（4）YZR、YZ 系列电动机 ；

（5）高负载率变压器供电的电动机。

3) 无功补偿设计原则为：

(1) 高、低压电容器补偿相结合，即变压器和高压用电设备的无功功率由高压电容器来补偿，其余的无功功率则需按经济合理的原则对高、低压电容器容量进行分配。

(2) 固定与自动补偿相结合，即最小运行方式下的无功功率采用固定补偿，经常变动的负荷采用自动补偿。

(3) 分散与集中补偿相结合，对无功容量较大、负荷较平稳、距供电点较远的用电设备，采用单独就地补偿；对用电设备集中的地方采用成组补偿，其他的无功功率则在变电所内集中补偿。

有必要指出的是，就地安装无功补偿装置，可有效减少线路上的无功负荷传输，其节能效果比集中安装、异地补偿要好。

还有一点，对于电梯、自动扶梯、自动步行道等不平稳的断续负载，不应在电动机端加装补偿电容器。因为负荷变动时，电机端电压也变化，使补偿电容器没有放完电又充电，这时电容器会产生无功浪涌电流，使电机易产生过电压而损坏。

另外，如星三角起动的异步电动机也不能在电动机端加装补偿电容器，因为它起动过程中有开路、闭路瞬时转换，使电容器在放电瞬间又充电，也会使电机过电压而损坏。

6 照明系统的节能

因建筑照明量大而面广，故照明节能的潜力很大。在满足照度、色温、显色指数等相关技术参数要求的前提下，照明节能设计应从下列几方面着手：

6.1 选用高效光源

按工作场所的条件，选用不同种类的高效光源，可降低电能消耗，节约能源。其具体要求如下：

一般室内场所照明，优先采用荧光灯或小功率高压钠灯等高效光源，推荐采用T5细管、U型管节能荧光灯，以满足《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）对照明功率密度（LPD）的限值要求。不宜采用白炽灯，只有在开合频繁或特殊需要时，方可使用白炽灯，但宜选用双螺旋（双绞丝）白炽灯。

高大空间和室外场所的一般照明、道路照明，应采用金属卤化物灯、高压钠灯等高光强气体放电灯。

气体放电灯应采用耗能低的镇流器，且荧光灯和气体放电灯，必须安装电容器，补偿无功损耗。

6.2 选用高效灯具

除装饰需要外，应优先选用直射光通比例高、控光性能合理；反射或透射系数高、配光特性稳定的高效灯具：

采用非对称光分布灯具。由于它具有减弱工作区反射眩光的特点，在一定的照度下，能够大大改善视觉条件，因此可获得较高的效能。

选用变质速度较慢的材料制成的灯具，如玻璃灯罩、搪瓷反射罩等，以减少光能衰减率。

室内灯具效率不应低于70%（装有遮光栅格时，不应低于55%）；室外灯具效率不应低于40%（但室外投光灯不应低于55%）。

6.3 选用合理的照明方案

采用光通利用系数较高的布灯方案，优先采用分区一般照明方式。

在有集中空调且照明容量大的场所，采用照明灯具与空调回风口结合的形式。

在需要有高照度或有改善光色要求的场所，采用两种以上光源组成的混光照明。

室内表面采用高反射率的浅色饰面材料，以更加有效地利用光能。

6.4 照明控制和管理

（1）充分利用自然光，根据自然光的照度变化，分组分片控制灯具开停。设计时适当增加照明开关点，即每个开关控制灯的数量不要过多，以便管理和有利节能。

（2）对大面积场所的照明设计，采取分区控制方式，这样可增加照明分支回路控制的灵活性，使不需照明的地方不开灯，有利节电。

（3）有条件时，应尽量采用调光器、定时开关、节电开关等控制电气照明。公共场所照明，可采用集中控制的照明方式，并安装带延时的光电自动控制装置。大面积公共区域，宜设置智能照明控制系统。

（4）室外照明系统，为防止白天亮灯，最好采用光电控制器代替照明开关，或采用智能照明控制系统，以利节电。

（5）在插座面板上设置翘板开关控制，当用电设备不使用时，可方便切断插座电源，消除设备空载损耗、达到节电的目的。

7 电动机的节能

7.1 选用高效率电动机

提高电动机的效率和功率因素，是减少电动机的电能损耗的主要途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高3%～6%，平均功率因数高7%～9%，总损耗减少20%～30%，因而具有较好的节电效果。所以在设计和技术改造中，应选用Y、YZ、YZR等新系列高效率电动机，以节省电能。

另一方面要看到，高效电机价格比普通电机要高20%～30%，故采用时要考虑资金回收期，即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。一般符合下列条件时可选用高效电机：

（1）负载率在0.6以上；

（2）每年连续运行时间在3000h以上；

（3）电机运行时无频繁启、制动(最好是轻载启动，如风机、水泵类负载)；

（4）单机容量较大。

7.2 选用交流变频调速装置

推广交流电机调速节电技术，是当前我国节约电能的措施之一。采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。

目前，用普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT等电力电子器件组成的静止变频器对异步电动机进行调速已广泛应用。在设计中，根据变频的种类和需调速的电机设备，选用适合的变频调速装置。

7.3 选用软起动器设备

采用软件起动是另一种比变频器更经济的节能措施。软起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。软起动器也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到转速随负载的变化而变化。

软起动器通常用在电机容量较大、又需要频繁起动的水泵设备中，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超过3倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但由于它是采用可控硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热条件较好、通风措施完善。

7.4 选用智能化节能控制装置

对中央空调水系统，设置智能化变频调速节能控制装置，可最大限度地提高整个空调水系统的运行效率，收到良好的节能效果。

这种智能化节能控制技术的控制算法，采用了当代先进的“模糊控制技术”或“模糊控制与改进的PID复合控制技术”以取代传统的PID控制技术，从而较好克服了传统的PID控制不适应中央空调系统时变、大滞后、多参量、强耦合的工况特点，能够实现空调水系统安全、高效的运行。同时，在充分满足空调末端制冷（热）量需求的前提下，通常可使水泵的节能率达到60%80%；通过对空调水系统的自动寻优控制，可使空调主机的节能率达到5%30%，为用户实现较显著的节能收益。其节能效果，优于传统分散式变频调速节能控制装置（变频器+动力柜），更是工频动力柜不可比拟的。

8 节电型低压电器的选用

设计时应积极选用具有节电效果的新系列低压电器，以取代功耗大的老产品，例如：

1) 用RT20、RT16（NT）系列熔断器取代RT0系列熔断器。

2) 用JR20、T系列热继电器取代JR0、JR16系列热继电器。

3) 用AD1、AD系列新型信号灯取代原XD2、XD3、XD5和XD6老系列信号灯。

4)选用带有节电装置的交流接触器。大中容量交流接触器加装节电装置后，接触器的电磁操作线圈的电流由原来的交流改变为直流吸持，既可省去铁芯和短路环中绝大部分的损耗功率，还可降低线圈的温升及噪声，从而取得较高的节电效益，每台平均节电约50W，一般节电率高达85%以上。

9 谐波的产生与治理

在电力系统中， 谐波产生源主要有：铁磁性设备（发电机、电动机、变压器等）、电弧性设备（电弧炉、点焊机等）、电子式电力转换器、整流换流设备(整流器AC/DC、逆变器DC/AC；变频器（变频空调、变频水泵）、软启动器；气体放电灯镇流器；可控硅调光设备 ；UPS、EPS、计算机等)。

谐波对公用电网是一种污染，其危害主要体现在：使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗；大量的3次谐波电流流过中线时，会使线路过热甚至发生火灾；谐波影响各种电力、通信、信息设备的正常工作；引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，危害加重；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确。

所以谐波治理既是电气节能的需要，也是提高电能质量的需要。治理谐波的措施包括：在电力系统内设置高低压调谐滤波器、谐波滤波器（无源式、有源式Maxsine）、中性线3次谐波滤波器、TSC 晶闸管控制的调谐滤波器等。其应用条件与场所为：

1) 调谐滤波器：适用于谐波负载容量小于200kVA情况，电容器加串接电抗器组成调谐滤波器，不可使用单纯电容器作无功补偿。

2) 无源谐波滤波器：适用于配电系统中相对集中的大容量（200kVA或以上）非线型、长期稳定运行的负载情况。

3) 有源谐波滤波器：适用于配电系统中大容量（200kVA或以上）非线型、变化较大的负载（如断续工作的设备等）用无源滤波器不能有效工作的情况。

4) 有源、无源组合型谐波滤波器：适用于配电系统中既有相对集中、长期稳定运行的大容量 （200kVA或以上）非线型负载，又有较大容量的、经常变化的非线型负载情况。还可选用D，yn11变压器供电，为3次谐波提供环流通路。

10 阳能光伏发电系统的设计应用

太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DC-AC逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统，控制器、逆变器为控制保护系统。太阳能光伏系统分为独立系统、群控系统、并网系统、混合系统、并网混合系统等几种运行方式。在建筑领域的设计应用有:

1）太阳能照明系统：可用于路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等节能灯、LED灯的照明供电。

2）太阳能水泵：太阳能水泵一般不需要蓄电池，而由太阳能电池板直接带动水泵工作。

3）光伏建筑一体化（BIPV）：如太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，即组成了户用并网光伏系统。这种并网系统因有太阳能、公共电网同时给负载供电，系统随时可向电网中存电或取电，所以供电可靠性得到增强；而且，系统一般不用蓄电池，这既降低了造价，又免去了蓄电池的电能损耗、维护更换；同时，多余的发电可反馈给电网，既充分利用了光伏系统所发的电能，又对电网具有调峰作用。

光伏建筑一体化（BIPV）体现了创新的建筑设计理念和高科技含量，它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地，而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用，因而具有非常广阔的市场前景。

此外，设置机电设备监控管理系统（BAS）、变电所电能监控管理系统（PMS），亦为电气节能设计的内容。BAS对大楼内的机电设备如空调、采暖、通风、给排水、电梯及扶梯、变配电系统和照明系统设备的运行工况及状态进行实时的监测，进行运算后的调节与优化控制，可有效降低能耗，达到节能目的。PMS由微机综合保护单元、后台总线监控系统、网络仪表等组成，数字显示仪表具备通信接口，可实现合理用电、节能管理。

还可采用冷、热、电三联供系统的节能技术，经过能源的梯级利用，使能源利用效率从常规发电系统的40%左右可提高到80%左右，当系统配置合理时，既可节省一次能源，又可使发电成本低于电网电价，综合经济效益显著。

11 结 语

综上所述，建筑电气的节能潜力很大，应在设计中精心考虑各种可行的技术措施。同时，在选用节能的新设备时，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，再合理选定节能设备，以真正达到有效节能的目的。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ16-2008民用建筑电气设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2] 中国建筑科学研究院. GB50034-2004建筑照明设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004.

[3] 注册电气工程师执业资格考试专业考试复习指导书[M]. 北京：中国电力出版社，2004.