建筑電氣設計中節能研究論文

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摘要摘要：文章闡述了建筑電氣設計中的節能原則、節能方法，從變壓器容量選擇、功率因數補償、照明調光設備、電動機起動設備選擇等方面，論述電氣設計中的幾種節能方法。摘要：電氣節能變壓器損耗功率因數照明節能變頻調速軟起動器由于人口的增加，工業的發展，生活水平的提高，能源的消耗也就急劇增加，能源危機迫在眉睫。因此，各行各業提出了節能的要求，節約二次能源--電能，也就成為民用建筑電氣設計的焦點。建筑電氣設計節能的原則建筑電氣節能應堅持以下三個原則摘要：1.滿足建筑物的功能即滿足照明的照度、色溫、顯色指數；滿足舒適性空調的溫度及新風量，也就是舒適衛生；滿足上下、左右的運輸通道暢通無阻；滿足非凡工藝要求，如娛樂場所的一些電氣設施的用電，展廳的工藝照明及電力用電等。2.考慮實際經濟效益節能應按國情考慮實際經濟效益，不能因為節能而過高地消耗投資，增加運行費用。而是應該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時間內用節能減少下來的運行費用進行回收。3.節省無謂消耗的能量節能的著眼點，應是節省無謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是和發揮建筑物功能無關的，再考慮采取什么辦法節能。如變壓器的功率損耗，傳輸電能線路上的有功損耗都是無用的能量損耗，又如量大面廣的照明容量，宜采用先進技術使其能耗降低。因此，節能辦法也應貫徹實用、經濟合理、技術先進的原則。建筑電氣節能的途徑1.減少變壓器的有功功率損耗變壓器的有功功率損耗如下式表示摘要：△Pb＝Po＋Pkβ2其中摘要：△Pb--變壓器有功損耗（KW）；Po--變壓器的空載損耗（KW）；Pk--變壓器的有載損耗（KW）；β--變壓器的負載率。Po部分為空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，是固定不變的部分，大小隨矽鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定。所以，變壓器應選用節能型的，如S9、SL9及SC8等型油浸變壓器或干式變壓器，它們都是采用優質冷軋取向矽鋼片，由于"取向"處理，使矽鋼片的磁疇方向接近一致，以減少鐵芯的渦流損耗；45°全斜接縫結構，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。Pk是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，決定于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小，即負載率β的平方成正比。因此，應選用阻值較小的繞組，可采用銅芯變壓器。從Pkβ2用微分求它的極值，在β＝50％處每千瓦的負載，變壓器的能耗最小。因此，在80年代中期設計的民用建筑，變壓器的負載率絕大部分在50％左右，在實際使用中有一半變壓器沒有投入運行，這種做法有的設計人員一直沿襲至今。但是，這僅是為了節能，而沒有考慮經濟價值。舉下例可看出其不可取的程度。SC3－2000KVA的變壓器，當β＝50％時相對于β＝85％時可節能為P＝16．01×（0．852－0．52）＝7．56KW，按商場最高用電小時計摘要：天天12小時，365天全營業，則總節約電能摘要：W＝7．56×12×365＝33113KW·h。按營業性電價每度0．78元計，則每年節約摘要：33113×0．78＝25828元。按每千瓦的初裝費投資摘要：2000KVA變壓器應是大型民用建筑，必然雙電源進線，則初裝費每KVA為2240元，每年節能省下的電費只能提供（25828／2240＝11．53）11．53KVA的初裝費。還有988．5KVA的初裝費，加上由于加大變壓器容量而多付的變壓器價格，由于變壓器增加而使出線開關柜、母聯柜增加引起的設備購置費，安裝上述設備使土建面積增加而引起的土建費用，這是筆相當可觀的投資，還沒有計及折舊維護等費用。由此可見，取變壓器負載率為50％是得不償失的。事實上50％負載率僅減少了變壓器的線損，并沒有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節能的辦法。計及初裝費、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項運行費用，又要使變壓器在使用期內預留適當的容量，變壓器的負載率應在75％～85％為宜。這樣也可以做到物盡其用，因為變壓器絕緣的使用年限滿負荷計為20年，20年后可能有更好的變壓器問世，這樣就可以有機會更換新的設備，才能使該建筑總趨技術領先地位。為減小變壓器損耗，當容量大而需要選用多臺變壓器時，在合理分配負荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺數，選用大容量的變壓器。例如需要裝機容量為2000KVA，可選2臺1000KVA，不選4臺500KVA。因為選用前者可節能摘要：△P＝4×（1．6＋4．44）－2×（2．45＋7．45）＝4．36KW（全按β＝100％計，同等條件，SC3變壓器）。在變壓器選擇中，能把握好上述三點原則，即滿足了節約能源，又經濟合理的原則。減少線路上的能量損耗由于線路上存在電阻，有電流流過時，就會產生有功功率損耗。其公式如下摘要：△P＝3IΦ2R×10－3（KW）式中摘要：IΦ--相電流（A）R--線路電阻（Ω）例如，在L＝100m的VV－3×50＋2×25的電纜上傳輸60KW，cosφ＝0．8的電能，其有功損耗量，可由以下步驟求得摘要：IΦ＝60×103／（×380×0．8）＝113．6A芯線溫度70℃的50mm2銅芯線每公里電阻R0＝0．44，則R＝0．1×0．44＝0．044（Ω）△P＝3×113．62×0．044×10－3＝1．704KW從以上可看到，線路上的功率損耗相當于每6m的線路上安一個100W的燈泡。在一個工程中，線路左右上下縱橫交錯，小工程線路全長不下萬米，大工程更是不計其數，所以線路上的總有功損耗是相當可觀的，減少線路上的能耗必須引起設計重視。線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R＝P×L／s，即線路電阻和電導P成正比，和線路截面S成反比，和線路長度L成正比，因此減少線路的損耗應從以下幾方面入手。應選用電導率較小的材質做導線。銅芯最佳，但又要貫徹節約用銅的原則。因此，在負荷較大的二類、一類建筑中采用銅導線，在三類或負荷量較小的建筑中采用鋁芯導線。減小導線長度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導線長度；其次，低壓線路應不走或少走回頭線，以減少往返線路上的電能損失；第三，變壓器盡量接近負荷中心，以減少供電距離，當建筑物每層平面在10000m2左右時，至少要設兩個變配電所，以減少干線的長度；第四，在高層建筑中，低壓配電室應靠近豎井，而且由低壓配電室提供給每個豎井的干線，不至于產生支線沿著干線倒送的現象。亦即低壓配電室和豎井位置的布局上應使線路都分向前送，盡可能減少回頭輸送電能的支線。增大導線截面。首先，對于比較長的線路，除滿足載流量、熱穩定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導線截面，所增加的費用為M，由于節約能耗而減少的年運行費用為m，則M／m為回收年限，若回收年限為幾個月或一、二年，則應加大一級導線截面。一般而言，導線截面小于70mm2，線路長度超過100m的增加一級導線截面比較輕易實現上述條件。其次，利用某些季節性負荷的線路，這些用戶不用時，可提供給常期用戶作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調風機、風機盤管和照明、電開水等計費相同的負荷，集中在一起，采用同一干線供電，既可便于用一個火警命令切除非消防用電，又可在春秋兩季空調不用時，使同樣大的干線截面傳輸較小的電流，從而減小了線路損耗，這就相當于充分利用了季節負荷的線路。在設計中，認真落實上述三條辦法，就可減少線路上的能量損耗，達到了線路節能的目的。提高系統的功率因數提高系統的功率因數，減少無功在線路上傳輸，以達到節能的目的。線路損耗的公式展開后得下列計算式摘要：△P＝3IΦ2R×10－3＝（RP2／UL2＋RQ2／UL2）10－3（KW）式中摘要：UL--線電壓（V）P--有功功率（KW）Q--無功功率（KVar）前項RP2／UL2為線路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項RQ2／UL2為線路上傳輸無功功率而引起的功率損耗。有功功率是滿足建筑物功能所必須的，因此是不可變的。系統中的用電設備，如電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會產生滯后的無功，需要從系統中引入超前的無功相抵消，這樣超前的無功功率就從系統經高、低壓線路傳輸到用電設備，在線路上就產生了有功損耗，而這部分損耗是可以想辦法改變的，其辦法有以下幾種。提高設備的自然功率因數，以減少對超前無功的需求，可采用功率因數較高的同步電動機；熒光燈可采用高次諧波系數低于15％的電子鎮流器；采用電感鎮流器的氣體放電燈，單燈安裝電容器等，都可使自然功率因數提高到0．85～0．95，這就可減少系統高、低壓線路傳輸的超前無功功率。由于感抗產生的是滯后的無功，可采用電容器補償，因為電容器產生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q＝QL－QC，因此無功補償，可以提高功率因數，因而也減小了無功的需求量。無功補償裝置應就地安裝，實行就地補償，這樣才能使線路上的無功傳輸減少，達到節能的目的。目前，民用建筑設計中，絕大部分采用變壓器低壓側集中補償，這種做法僅減少了區域變電站至用戶處的高壓線路上的無功傳輸，提高了用戶處的功率因數，可以不受或少受電業局的罰款。而對用戶，無功仍由變壓器低壓母線經傳輸線路輸送到各用戶點，低壓線路上的無功傳輸并沒有減少，那么無功補償也就達不到節能的目的。在日本，東京電力公司的法規規定容量達0．75KW的電動機端，都要安裝30μF的靜電電容器，以減少由于線路上傳輸無功而引起的有功損耗。在我國即將頒布的《工業和民用供電設計規范》中規定"容量較大，負荷平穩又長期使用的用電設備的無功負荷宜單獨就地補償，……"。陜西省"三電辦"在1989年就規定"10KV及以上的異步電動機，負荷較穩定的應采用就地補償，……"。我國目前生產的自愈式靜電電容器的最小容量為3KVar，可以使7．5KW及以上的電動機無功獲得就地補償。為什么常提到負荷平穩的電動機可采用就地補償，因為負荷變動時電機端電壓也變化，使電容器沒有放完電又充電，這時電容器會產生無功浪涌電流，使電機易產生過電壓而損壞。因此，斷續負載，如電梯、自動扶梯、自動步行道等不應在電動機端加裝補償電容器；另外，如星三角起動的異步電動機也不能在電動機端加裝補償電容器，因為它起動過程中有開路閉路瞬時轉換，使電容器在放電瞬間又充電，也會使電機過電壓而損壞。在民用建筑中應改變電容器集中安裝的做法，對容量超過10KW的風機、水泵、傳送帶等電動機端設置就地補償裝置，空調主機及冷凍泵等常在其四周設專用變配電所，可以集中補償，但若供電距離超過20m時也最好采用就地補償。電動機就地補償裝置的接線有二種方式，一是并接在熱元件的一次線后，熱元件的整定電流應按補償后的電機工作電流計，這種接線適合新安裝的電機；另一種是裝補償電容器在接觸器主接點之后，熱元件一次線圈之前，熱元件的整定電流就不計補償的影響，這適合于進行改造的電機接線，這樣做可使電容器和電動機一起投切。處理好上述三部分，即減少自然無功、無功補償及補償裝置的安裝地點，就可以實現合理的選擇無功補償方式而達到節能的目的。照明部分的節能因為照明用量大而面廣，因此，照明節能的潛力很大，應從下列幾方面著手摘要：采用高效光源。白熾燈過去用得最廣泛，因為它便宜，安裝維護簡單，它致命的弱點是發光率太低，因此目前常被各種發光率高，光色好，顯色性能優異的新光源取代。表1列出了各種光源每W的光通量Lm。從表中可以看出低壓鈉燈和高壓鈉燈的發光率最高，但由于色溫低，光色偏暖，顯色指數在40～60之間，顏色失真度大，只能在路燈或廣場照明用，其中顯色指數在60的高顯色性鈉燈可和汞燈組成混合燈，用于工廠及體育館照明，這也是量大面廣的照明部分；發光率很高的金屬鹵化物燈，三基色熒光燈及稀土金屬熒光燈，由于色溫范圍廣，自3200K～4000K，光色選擇性好，顯色指數又高，可達80～95，顏色失真度小，尤其金屬鹵化物燈對人的皮膚顯色性非凡好，因此除用作商場、展廳的照明外，還廣泛用在車站的候車室、碼頭的候船室、航空港的候機樓以及舞臺的燈光照明等；一般熒光燈及稀土金屬熒光燈可用在寫字樓、住宅的照明；熒光高壓汞燈、自整流高壓汞燈、鈉燈及三者組合的混光燈常用于生產廠房的照明。盡量不用或少用白熾燈，只有在局部藝術照明或防止高頻光譜照射的古董字畫照明中才使用，雖然它光色好，顯色指數最高，但達不到節能的目的。建筑物盡量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面積，應將門窗開大，采用透光率較好的玻璃門窗，以達到充分利用自然光的目的。凡是可以利用自然光的這部分的照明，可采用按照度標準檢測現場照度，進行燈光自動調節。對氣體放電燈，采用燈光無級自動調節，即調節燈絲從而達到調光的目的。但其代價太高，每套36W的燈管需要增加2000元～3000元的投資，而節省下來的電能，其電價是有限的，因為這僅在白天日照強時（一般在上午10時到下午3～4點鐘這段時間內）可減少一點人工照明，每支燈充其量節能25％，天天按12小時計，每年按365天計，則節省運行費用摘要：m＝36×0．25×12×365×0．78×10－3＝30．7元所以增加控制的投資需要2000～3000／30．7＝65～97年才能回收，這是沒有實用意義的。在工作照明中采用這種調光方案是不可取的。它只適宜用于非凡條件下，如氣象臺、導航站等小面積控制室，要求室內的照度和室外自然光自然協調的環境，才可采用這種調光設備。另外，這種調光設備用于稀土金屬熒光燈，其頻閃效應使人眼不易接受。對于可以充分利用自然光而且需要調光的場合，可采用分組分片自動開停的控制方案，雖然會有突變過程，但不會影響視力，也不會影響人的情緒，是可取的方式。對長期需要開停，但又要按人流的多少自動調整照度的場合，在增加投資不多的情況下，對熒光燈可利用調壓的方式，固定幾級調節，如北京地鐵采用澳大利亞的調光設備就是如此。熒光燈采用調電壓調光，其節能效果并不顯著。因為，氣體放電燈的發光是靠離子在高電壓下產生碰撞，達到一定能級而使熒光粉發光，因此光通量并不和電壓成正比，電壓下降10％，光通量差不多下降30％～40％，電壓下降30％，燈會全熄。因此，氣體放電燈采用調壓方式調光，在實際工程中也很少采用。照明節能中，除了滿足照度、光色、顯色指數外，應采用高效光源及高效燈具，對能利用自然光部分的燈具或可變照度的照明采用成組分片的自動控制開停方式，可達到照明節能的效果。電動機在運行過程中的節能在建筑電氣中的電動機都是和暖通、水道、建筑等工種的設備配套的，由設備制造廠商統一供給的。因此，其節能辦法只能貫徹在運行過程中，除了上述的用就地補償電容器以減少線路由于輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應減少電機輕載和空載運行。因為，在這種情況下，電機的效率是很低的，消耗的電能并不和負載的下降成正比。采用變頻調速器，使其在負載下降時，采用變頻的方式，自動調節轉速，使其和負載的變化相適應。采用這種方式，可提高電機在輕載時的效率，達到節能的目的。但是，這種設備的價格仍偏高，因此在應用中受到一定的限制。另一種節能方式是采用軟起動器，軟起動器設備是按起動時間逐步調節可控硅的導通角，以控制電壓的變化。由于電壓可連續調節，因此起動平穩，起動完畢，則全壓投入運行。此設備也可采用測速反饋、電壓負反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導通角，以達到速度隨負載的變化而變化。它可用在電動機容量較大，又需要頻繁起動的設備，以及四周用電設備對電壓的穩定要求較高的場合。因為它從起動到運行，其電流變化不超過三倍，可保證電網電壓的波動在所要求的范圍內。但它是采用可控硅調壓，正弦波未導通部分的電能全部消耗在可控硅上，不會返回電網。因此，它要求散熱、通風辦法完善。其價格比變頻器便宜，在水泵系統中的大容量電動機的控制設備中可以應用。民用建筑的節能潛力很大，應在設計中精心考慮。但是在選用節能的新設備上，應具體了解其原理、性能、效果，從技術、經濟上進行比較后，再選定節能設備，以達到真正節能的目的。