浅谈超高层建筑电气节能设计

林鲜花

0 引言

目前人类正面临传统化石能源日益枯竭，环境污染日趋严重的严峻形势。这迫使人们将目光投向节能减排、新型替代能源的开发，寻求可持续发展道路，我国是一个人口大国，也是一个能源消耗大国，这就决定了我国能源危机形势更为严峻，可持续发展的能源战略任务更为艰巨。据统计，我国建筑用能(主要包括空调、电梯、通风、照明等)折合为电力，总计约为5 500亿度/年，占全国社会终端电力消耗的27%～29%，已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”，而我国的发电厂是以火力发电为主，这就造成了传统化石能源的大量消耗，增大了二氧化碳的排放量，因此，建筑节能是我国节能减排举措的重要一环，而超高层建筑是比较典型的耗能大户，且随着经济的发展不断涌现，其建成后往往成为一个地区的地标性建筑，因此超高层建筑的电气节能设计就显得至关重要，本文结合和平国际大酒店工程实例，浅谈超高层建筑电气节能设计的理论基础及具体应用。

1 工程概况

和平国际大酒店位于江西省南昌市，为集商业、休闲、办公、酒店式公寓为一体的综合性超高层公共建筑，建筑面积110 792.55 m2，建筑总高度199.85 m，地下2层，地上56层，其中地下室平时为车库及设备用房，战时为核6、常6、二等人员掩蔽体，地上1层～5层为裙房，主要功能为商铺、酒店餐饮及娱乐配套，6层为设备转换层，7层～27层为办公室，29层～47层为酒店标准客房，48层～55层为酒店商务套房，56层为设备及机房层，其中13层，28层，44层为避难层。

2 供配电系统节能

2.1 变压器节能

减少变压器的功率损耗，合理选择变压器的负载率，和平国际大酒店共设置4组8台变压器，2台1 250 kVA，4台1 600 kVA，2台800 kVA，其负载率为:75%～83%，为充分考虑其节能、环保要求，设计选用10型非晶合钢，低损耗的铜芯变压器，其主要理论依据有以下两点:1)有功功率损耗。变压器有功功率损耗ΔP为空载损耗Po(即铁损)和负载损耗Pk(即铜损)之和。ΔP=Po+Pkβ2。其中，ΔP为变压器有功损耗，kW;Po为变压器铁损，kW;Pk为变压器铜损，kW;β为变压器负载率，%。变压器制成后Po是固定不变的，其大小与硅钢片的性能、铁芯制造工艺有关，为减小Po，则应选择优质冷轧硅钢片叠成。Pk指变压器铜绕组的损耗，决定于其阻值和通过的电流，为减小Pk，应选用电阻较小的铜绕阻，如铜芯变压器。2)变压器负载率。β=S/SN。其中，SN为变压器额定容量，kVA;S为变压器运行中实际容量，kVA。从理论上求极值β=50%时，变压器每千瓦的负载损耗最小，因此，在以往设计中的变压器的负载率β=50%取值较多，实际工程应用中变压器只运行50%，这是不经济的，增大了初投资和维护费用，因为考虑50%的负载率仅减小了变压器的线损，并没有降低铁损，不是好的节能办法，计及初装费、变压器、低压柜、工建投资等各项运行费用，又要为变压器在使用期内预留适当的容量，变压器的负载率在75%～85%为宜。

2.2 提高功率因素

和平国际大酒店在配电变压器低压侧设集中补偿，补偿后功率因素不低于0.9。

2.3 变电所设置

和平国际大酒店共设置三个变电所，1号，2号变电所设在地下一层，3号变电所设在28层避难层，其中1号变电所兼作高压配电室，保证两路10 kV电源进入高压配电室，使10 kV电源深入负荷中心。

1号变电所内设置2台1 250 kVA，2台1 600 kV SCB10/10/0.4 kV环氧树脂绝缘干式电力变压器，供地下室、裙房及办公楼用电;2号变电所设置在地下1层冷冻机房控制室内，内设2台1 600 kV SCB10/10/0.4 kV环氧树脂绝缘干式电力变压器，专供冷冻机房用电，因为冷冻机房为大负荷用电，这样设置使变电所靠近负荷中心和大容量设备;3号变电所内设2台800 kV SCB10/10/0.4 kV环氧树脂绝缘干式电力变压器，供28层以上的酒店标准客房、酒店商务套房等用电。

这样设置三个变电所的目的是尽量使变电所深入负荷中心，缩短低压供配电线路的长度，减少配电线路的损耗，达到节能的目的，其理论依据主要如下:

建筑中供电线路长且多，由于电阻的存在，当电流通过时就会产生功率损耗，其计算公式是:ΔP=3×2Iφ×R×10－3，其中，ΔP为三相输电线路的功率损耗;Iφ为相电流;R为线路电阻。线路上的电流是不能改变的，要减少线路损耗，只有减小线路电阻。线路的电阻R=ρL/S，电阻与电阻率ρ、导线长度L成正比，与导线截面S成反比。要减少电阻损耗应从以下几个方面考虑:

1)减小导线长度。首先，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;第三，变压器尽量接近负荷中心，以减少供电距离。2)配电线路选用电阻率ρ较小的导线，尽量采用铜芯线，不采用铝芯线。3)增大导线截面。首先，对于比较长的线路，除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面，再加大一级导线截面，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一两年，则应加大一级导线截面。

3 动力节能

3.1 风机节能

和平国际大酒店风机采用变频调速技术，按充分考虑最大需求风量，进行风机风量、功率选配，在实际运行中，当实际需求风量较小时，可通过调低转速，使风机的轴功率减小，从而使风机运行电耗大幅度降低。

3.2 生活水泵节能

和平国际大酒店共用6台生活泵，一区生活泵，两用一备，7.5 kW;二区生活泵，两用一备，15 kW;三区生活泵，两用一备，18.5 kW，生活泵全部采用变频技术，用单台变频器控制多台水泵。

1)水泵开始工作:楼宇用水不多，1号泵电机处地变频器电源运行，2号泵处于停止状态1。2)用水量增加:变频器输出频率上升。当1号泵电机转速达到最高输出频率时，表示一台水泵不能满足用水需求。通过控制系统使1号泵电源从变频转换到工频供电。与此同时，变频器启动2号泵电机状态2。3)用水量减少时:变频器输出降至设定值，表示一台泵可以满足系统用水需求。通过控制系统使1号泵停止，而2号泵仍由变频器供电状态3。4)用水量再增加:变频器输出频率上升至设定频率时，采用一台泵工作不能满足要求，通过控制系统使2号泵电机电源从变频器转换到工频供电，而变频器启动1号泵电源状态4。若用水量再度减少，变频器输出降至设定值时，2号泵停止，1号泵电机仍由变频器供电，又回到初始状态1，如此循环往复而实现系统恒压供水，同时节约了能源。

3.3 中央空调节能

据统计，目前中央空调能耗占建筑总能耗的50%左右，而在一些大城市，中央空调用电量占了城市总用电量的三成左右，因此减少中央空调能耗是实现建筑节能的重要一环。中央空调系统的工作过程，是一个不断进行热交换的能量转换过程，其中，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制，便是中央空调控制系统的重要组成部分。中央空调系统在设计时是按现场最大冷量需求量并留有一定的余量来考虑的，其冷却泵、冷冻泵按单台设备的最大工况设计，然而在实际使用中大部分时间，冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下，因此造成了能量的大大浪费。和平国际大酒店使用的冷冻水泵为三用一备，55 kW;冷却水泵为三用一备，110 kW，均采用变频控制系统，利用温度传感器采集冷冻、冷却水的出水和回水温度，当出水与回水间温差较小时，适当减少电动机转速，减少水流量;当温差较大时，电机转速加快，增加水流量，带走更多的热量，其可在满足中央空调系统正常工作的情况下，使冷冻、冷却水泵根据负荷的变化做出相应调节，从而达到节电目的，其节电率通常达20%以上。

4 照明节能

4.1 照度及功率密度

照明设计时，严格执行GB 50034-2004建筑照明设计标准所对应的照度及功率密度值等要求，且建筑物照度标准值应从节能角度考虑，按实际需求来选择照度标准值的高低，不宜追求或攀比高照度水平。

4.2 照明光源

使用高效、节能光源，荧光灯选用T8荧光灯和三基色荧光灯，配电子镇流器，灯具效率不低于70%。

4.3 客房节能钥匙开关

一房一卡，利用钥匙开关进行节能取电，真正做到客房内用电设备客人来时取电，走时断电。

4.4 智能照明控制

和平国际大酒店在酒店大堂、餐厅、多功能厅等，办公楼的办公区、走廊采用分布式智能照明控制，使照明系统工作在全自动状态，系统将按预先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按预先设定的时间互相自动切换。如酒店大堂:客人进出较多的时段，调出迎宾场景，打亮大堂的全部回路灯光，方便客人进出，客人进出较少时段，调出节能场景，调暗部分回路灯光，操作可由现场智能控制面板就地控制，也可由中央监控计算机控制;办公楼走廊:采用自动照明控制，正常工作时间全开，非工作时间改为减光照明，节假日无人时可以只亮少量灯，各出入口处有手动控制开关，可根据需要手动控制就地灯具的开关，可采用红外移动控制方式，人来开灯，人离开后延时关闭。

5 结语

节能降耗是国家的基本国策，在建筑工程电气设计时应大力推广和实施国家的节能方针，在充分满足建筑物的功能要求的前提下，通过合理配置建筑设备，并对其进行有效、科学的控制与管理，减少能源消耗，提高能源利用率。

[1]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇——电气[Z］.2007.

[2]李宏毅，金 磊.建筑工程电气节能[M］.北京:中国电力出版社，2004.

[3]沈 涛.照明节能探讨[J］.山西建筑，2010，36(12):236-237.