前言
随着国民经济高速发展,能源资源紧缺是我国也是当今世界各国面临的一个严重问题,而我国单位DGP能耗是美国的3倍多,日本的6倍多,合理节约节能和有效提高能源利用效率将是我国经济能否持续发展的重要因素。而在电气设计时认真考虑并采用节能措施是实现电气节能的有效途径。建筑电气节能的原则:在充分满足、完善建筑物功能要求的前提下,减少能源消耗,提高能源利用率,而不是简化建筑物的功能要求,降低其功能标准。节能的途经之一是合理配置建筑设备,并对其进行有效、科学的控制与管理。
电气系统损失由线路损耗和变压器损耗两部分组成,而变压器损耗占输送功率的5%左右。所以变压器节能对电气系统节能有着现实的意义。变压器功率损耗包括有功和无功两部变压器的有功损耗由两部分组成,一部分是铁心中的有功损耗即铁损,用ΔPFe表示。铁损在变压器一次绕组外施电压和频率恒定的条件下是固定不变的,与负荷大小无关。它可以由变压器空载实验测定。变压器二次绕组开路而一次绕组上加上额定电压时,变压器的有功损耗即为“空载损耗”,用ΔP0表示。因为空载电流在一次绕组中的损耗很小,所以认作是铁损。铁损其实是铁心的涡流损耗和铁心的漏磁损耗引起的。新型节能型变压器在铁心制造工艺和硅钢片质量方面均作了改进。
另一部分是变压器一、二次绕组中电阻所产生的有功损耗,即铜损,用ΔPCu表示。它由短路实验确定。变压器二次侧绕组短路而电流达到额定时的有功损耗,称为“短路损耗”,用ΔPk表示。因为二次侧短路时一次侧短路电压很小,在铁心中产生的有功损耗可略去不计。
式中:ΔP0——空载损耗(k W);
ΔPk——额定负载损耗(k W);
S30———变压器计算负荷(kavr);
SN——变压器的额定容量(kavr)。
变压器的无功损耗也由两部分组成,一部分用来产生主磁通即产生励磁电流的一部分无功功率,用△Q0表示。它只与绕组电压有关,与负荷无关。它与励磁电流(或近似地与空载电流)成正比,即:
式中:△Q0——空载无功损耗(kavr);
I0%——变压器空载电流百分比。
消耗在变压器一、二次绕组电抗上的无功功率用△Qk来表示,由于变压器绕组的电抗远大于电阻,因此△Qk近似地与短路电压(即阻抗电压)成正比,即:
式中:△QN——额定负载无功功率损耗;
Uk%——短路电压百分比。
上述各式中的ΔP0,ΔPk,I0%,Uk%均可从有关手册或产品样本中查得:
由上述分析可知,要降低变压器的损耗,应从以下几个方面入手:
S11是目前推广应用的低损耗变压器。S11型变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构。硅钢片连续卷制,铁心无接缝,大大减少了磁阻,空载电流减少了60%~80%,提高了功率因数,降低了电网线损,改善了电网的供电品质。连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性,空载损耗降低20%~35%。运行时的噪音水平降低到30~45d B,保护了环境。非晶合金铁心的S11系列配电变压器系列的空载损耗较S9系列降低75%左右,但其价格仅比S9系列平均高出30%,其负载损耗与S9系列变压器相等。SC9干式新型节能变压器比SC8干式变压器的空载平均损耗下降87%,负载损耗下降10%;对比S9油浸变压器空载损耗平均下降17%,负载损耗平均下降23%。
(1)变压器的最佳负荷率
当建筑物的计算负荷确定后,变压器计算容量为:
式中:Pjs——有功计算负荷k W;
cosφ——补偿后的平均功率因数,不小于0.9;
β——变压器的负荷率。
大家知道,当变压器的负荷率为:
β=βmax=(ΔP0/ΔPk)1/2时效率最高。
一般情况下电力变压器的最佳负荷率为50%左右。
可以看出,如果我们采用负荷率βmax计算变压器容量,必将造成容量过大,使用户初期投资大量增加。原因是计算有功功率Pjs是按30min平均最大负荷(也称为年最大负荷)P30值来统计的,而变压器在实际运行中,大部分时间实际负荷均小于计算负荷Pjs,变压器运行的负荷曲线是依时间而变化,即负荷率是时间的函数。如果按负荷率βmax确定变压器容量不但不能使变压器在最高效率上运行,而且很可能出现“大马拉小车”的现象,让变压器处于低效率高损耗的状态上运行。所以要力求在一段时间区间内,变压器的平均效率接近最高效率才有实际意义。
(2)变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj。变压器全年的电能损耗可按下式估算:
式中β——计算负荷率,等于变压器的计算视在容量S30与额定容量SN之比;
Tb——变压器年投运时间;
τ——年最大负荷损耗时间,可由年最大负荷利用时数Tmax查Tmax-τ关系曲线。
用户负荷全年消耗的电能量:
则变压器的年有功电能消耗率为:
令d△W%dβ=0,求出变压器年有功电能损耗率最小时的节能负荷率βj:
由上式可见,变压器的节能负荷率与年最大负荷损耗时间有关,τ越低βj越高。然而由于Tmax值及Tmax值所对应的τ值,对于高层民用建筑还没有这方面的统计资料,可参考工业企业的类似资料。Tb按8760h,而根据高层民用建筑的不同功能,τ值在2300~4500范围内选取,因此βj=(1.3-1.8)βmax。
综合各方面因素考虑,建议单台变压器运行的负荷率β取值范为70%-85%为宜,损耗比ΔPk/ΔP0大的变压器时负荷率β取小值,耗比ΔPk/ΔP0小的变压器时,负荷率β取大值。
(3)实行经济运行方式,全面降低系统能耗。所谓经济运行方式,是能使整个电力系统的电能损耗减少,经济效益提高的一种运行方式。例如对于负荷率长期偏低的电力变压器,可以考虑以较小容量的电力变压器。如果运行条件许可,两台并列运行的电力变压器,可以考虑在低负荷时切除一台。这样处理,可减少电能损耗,达到节电的效果。
照明线路的损耗占输入电能的4%左右,影响照明线路损耗的主要因素是供电方式各导线截面积。
由于线路存在电阻,有电流流过时,就会产生有功功率损耗。
(1)线路的有功功率损耗是电流通过线路,由于线路上电阻的存在,而产生的功率损耗。
三相线路中有功功率损耗按下式计算:
式中,ΔP———有功功率损耗(k W);
Ijs——计算电流(A);
R——每相线路电阻。
【例1】在L=10m的BV-3×2.5的铜芯导线上传输功率为2KW,COSΦ=0.8的电能,其有功损耗量,可由以下步骤求得:
芯线温度60℃的2.5mm2铜芯线每千米的电阻R0=8.36()
则R=R0×L=8.36×0.01=0.0836()
【例2】在L=10m的BLV-3×2.5的铝芯导线上传输功率为2KW,COSΦ=0.8的电能,其有功损耗量,可由以下步骤求得:
芯线温度60℃的2.5mm2铜芯线每千米的电阻R0=13.419(Ω)
则R=R0×L=13.419×0.01=0.134(Ω)
从以上可以看到,线路上的功率损耗,同截面积铜芯线每10m的线路上相当于安装一个10W的灯泡。铝芯线每10m的线路上相当于安装一个20W的灯泡。在一个工程中,线路左右上下纵横交错,小工程线路全长不下万米,大工程更不是不计其数,所以线路上的总有功损耗是相当可观的,减少线路的能耗必须引起重视。线路的电流是不能改变,要减少线路损耗,只能减少线路电阻。线路电阻R=p×L/S,即线路电阻与电导率p成正比,与线路截面S成反比,与线路长度L成正比,因此减少线路的损耗应从以下几方面入手:
(1)应选用电导率较小的材质作导线。
(2)减少线路的长度。首先,线路尽可能走直线,少走弯路,以减少线路长度;其次低压线路应不走或少走回头线,来减少来回线路上的电能损耗。
(3)增大导线截面。首先对于较长的线路,除了满足截流量、热稳定、保护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,由于节约能耗而减的年运行费用为m,则M/m为回收年限。
只要在设计是认真落实上述3条措施,就可以减少线路上的能量损耗,达到线路节约能源的目的。
选用高光效、低污染的照明光源,提高照明质量,保护视力,提高劳动生产率和能源的有效利用率,以达到节约能源的目的。合理选用照明光源非常重要。在不同场合应根据《建筑照明设计标准GB50034-2004》照度标准选择确定相对应合理的照度标准后,要结合照明光源的性能与实际的照明其他要求(如显色、色温、频闪、起动、耐振等),从节能的角度出发,选择好相匹配的照明光源。一般住宅多采用荧光灯、紧凑型高效节能荧光灯。一般的室内照明应采用荧光灯。因为荧光灯的发光效率基本上为白炽灯的4倍,即15W的荧光灯相当于60W的白炽灯,考虑了镇流器的损耗之后还可以节电60%左右。
尤其是细管型("26mm)的荧光灯与紧凑型高效节能荧光灯,节电效果更好,它们比粗管径(>26mm)荧光灯和普通卤粉荧光灯还节电10%左右。常见照明光源技术参数如表1。
照明光源选择之后,应根据照明场所的工作需要适当选择照明器具,这对于提高照明质量、减少投资、节约用电都有很大作用。
灯具的主要功能是将光源所发出来的光通进行再分配,而且还有装饰和美化环境的作用。选择灯具时应优先选用直射光通比例高、控光性能合理的高效灯具。如多平面反光镜定向射灯、蝙蝠翼式配光灯具、块板式高效灯具等。
合理选用功率损耗低、性能稳定的灯具附件。灯具附件包括镇流器、启动器、解发器及低压卤钨灯配用的附加变压器等。选用时应选用与光源相匹配的高效节能电器附件。
由于传统型电感镇流器存在以下的缺点:噪音大、有频闪、功率损耗高(用于40W灯管的自身损耗约8W)、功率因数低(用于40W灯管的功率因数约0.4~0.6)。随着绿色照明工程的不断推进,普通电感型镇流器将逐步退出市场,被节能型镇流器所代替。
对于常用荧光灯,目前市场上存在两种节能型镇流器。即电子型镇流器和节能型电感镇流器。这两种镇流器各有其优缺点。
电子镇流器的优点:功率损耗低、起动快、功率因数高(0.92~0.99)、无噪音、无频闪、无用启动器、起动电压低、有预热启动、有异常状态保护、耐电网瞬时过电压冲击、质量轻、可在环境温度-15℃~60℃、相对湿度大于95%条件下正常工作。
电子镇流器的缺点:由于受元器件质量的影响,尤其是大功率开关三极管和电容器的质量影响,可靠性和稳定性尚不理想,寿命长短难以控制。
节能型电感镇流器的优点:节能、寿命长、功率因数高(0.90~0.98)、可靠性高、价钱造中、无电磁干扰及谐波污染。
节能型电感镇流器的缺点:因节能型电感镇流器在我国尚属起步和发展阶段,在技术上还需进一步完善。如何解决镇流器的频闪和噪音问题、如何防止镇流器过热,以及如何维修方便等问题都需要认真的、科学的加以解决。三种镇流器的性能对比(以配国产36W荧光灯为例)如表2。
智能照明节能控制装置是在满足规范要求照度的前提下,对气体放电灯实施轻松自如的调控,达到节能效果,同时使光源和附件的使用寿命延长,以节省费用采用各种类型的节电开关(如声光控延时开关、光电自动控制器、节电控制器等),通过控制灯光点燃时间,进一步达到节能的目的。如楼梯间常选用的声光控延时开关,路灯照明、景观照明常选用的时钟和光电控制器加强用电管理,做好节电宣传工作,建立实施节电制度,使人们养成节约用电的好习惯。在维护方面定期清扫照明灯与照明灯具上的灰尘。
因为灰尘聚积过多,就会减少透射与反射的光通量,降低照度。定期对室内墙壁和天花板进行刷白。因为白色墙壁的光反射率高,可达80%~85%,墙壁变灰之后,发光效率降低,耗电量反而增大。照明灯具损坏后,反射光的性能变差,使照度降低。所以照明灯具老化和损坏后都应及时更换。
民用建筑内部有大量的电气设备、空调设备、照明设备、给排水设备等等,这些设备数量多而且多分散在大楼的各个层次和角落。为了合理的利用设备,节约能源,大型民用建筑应采用智能化的建筑设备自动化管理控制系统。
自动控制、监视和测量和建筑物设备管理的3大要素,目的是正确掌握建筑设备的运转状态、事故状态、能耗和负荷的变动。通过有效的控制,可达到节能的目的。
电动机采用变频调速,因为旋转磁场的转速与输入电流的频率成正比,如果改变电源的频率,同步速率也随之而改变,由此改变转子的旋转速率,从而达到节能的目的。变频调速在水泵/风机调速中应用十分广泛。单台用电功率大干350k W的电动机宜采用中压电动机。
电力谐波的主要危害有:(1)引起串联谐振及并联谐振,放大谐波,造成危险的过电压或过电流;(2)产生谐波损耗,使发电、变电和用电设备效率降低;(3)加速电气设备绝缘老化,使其容易击穿,从而缩短它们的使用寿命;(4)使设备(如电动机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等)运转不正常或不能正确操作;(5)干扰通信系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正确传递,甚至损坏通信设备。
变频装置、硅整流器、晶闸管装置、调光设备、交流调速设备、电子镇流器、UPS等具有谐波源的负荷,在运行中注入电网的谐波电流和产生的电压畸变率应符合《电能质量-公共电网谐波》(GB/T14549-1993)的规定。设备每相输入电流小于等于16A的低压电气及电子设备发出的谐波电流值应符合《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值》(GB17625-1-1998)的规定。对谐波可能超标的用户,应加强在设计阶段采取限制谐波电流的方案和措施。
合理用电的峰谷调节对节能的意义也非常重大,根据不同时段的用电负荷合理设计配电系统,使变压器在最佳负载率时运行,有利于节能。在空调系统中采用冰蓄冷技术,在电气设计中推广应用峰谷电能表,鼓励用户避峰用电,虽然不是直接的节能措施,但对落实国家的节能政策有重要的意义。
建筑电气设计应充分考虑选择高效率的节能设备,应用先进的设计技术,按照节能标准进行设计,为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动空间,同时在建筑的全生命周期中实现高效率地利用能源、最低限度地影响环境,使之符合社会的可持续发展战略。
摘要：文章将从电气系统能耗着手分析,从7个方面去论述建筑电气设计时节能技术措施。变压器的选择;合理选择电线电缆;照明光源和附件选择;照明智能控制及维护管理;机电设备的节能降低高次谐波;用电峰谷调节。
关键词：能源紧缺,合理节约,负荷率,低损耗,照度标准,谐波,用电峰谷
[1] 刘介才编.工厂供电.机械工业出版社,2003.
[2] 中国建筑标准设计研究院编.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇-电气.北京:中国计划出版社,2007.
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