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摘要：电气节能作为建筑节能的重要组成部分，已成为建筑电气设计的重要内容。因此，有必要对建筑电气节能设计进行深入的研究。本文结合某大型商业建筑，从变压器的选择、供配电系统、照明系统、电动机的选择与控制、能效管理系统、光伏发电系统、BIM技术的应用等方面论述了城市综合体建筑电气的节能设计，为此类建筑电气节能设计提供指导。
关键词：供配电系统；节能；计算；管理系统；BIM技术
引言
近年来，城市综合体越来越多，由于其具有面积规模大、人员密集、建筑功能复杂等特点，此类建筑的电气设计一般难度较大。在现代建筑的电气设计中，电气的节能设计能够有效提升电能的利用效率，减少工程项目的电能成本，从而让工程项目获得更多的社会效益与经济效益。因此，在建筑电气工程的设计阶段必须要充分考虑建筑节能的应用。但如何将建筑电气节能技术合理应用到工程设计中，做到电气系统安全可靠，节约投资，减少能耗，使用管理方便，是广大电气设计工作者应该深入思考和研究的问题。本文将对城市综合体建筑的电气节能设计工作进行研究。
1 项目供配电系统
某大型商业建筑负荷等级为一级，从周边电网引入两路独立电压35kV、频率50Hz的电源电缆。该项目计算总容量为14057kW，视在功率为14796kVA，每路35kV进线的供电容量为9617kVA。
－1F设置35kV高压配电房1座，变配电所4座，柴油发电机房1座。各变电所的变压器参数如表1所示。
(1)高压系统。高压主结线采用单母线分段，中间设母联开关的配电型式，每路进线电源均能承担所有的一、二级负荷，出线为12路35kV高压电缆，通过专用桥架引至各变电所。
(2)低压系统。各变电所低压主结线均采用单母线分段，中间设母联开关的配电型式。主进线开关、联络开关之间设电气、机械联锁。柴油发电机所提供的自备电源与变压器配出的断路器采用ATS开关互投于应急母线。
(3)应急电源系统。当两路市电均停电时，发电机在30s内能投入正常带负荷运行，机组电源与市电不得并列运行。楼内的应急照明采用集中式EPS电源供电，切换时间不大于1.5s。楼内特别重要的负荷，如消防中心、安全防范机房及信息通信系统等加设UPS电源处理。
2 变压器和柴油发电机组的节能计算和选择
2.1 变压器和柴油发电机组的安装容量计算
电气负荷计算是供电总体方案确定、变电所规划、配电系统设计及配电平面设计的依据。针对该项目的特点，在变压器安装容量计算时主要采取以下节能措施。
(1)办公建筑的用电量相对稳定，装修照明用电量不会很大，主要用电负荷为计算机等办公设备。因此，在负荷计算时，各类系数采用中间偏下的数值，以避免变压器的实际运行负荷率偏低。
(2)研究各类用电负荷运行的特点，采用经济合理的计算方法，尽量满足建设方各部门提出的大容量用电需求。以下分析两个典型部门的用电需求。
①餐厅及厨房所占区域约为2万m2，后勤部门提供的设备安装总容量非常高。考察厨房制作的流程和时间段，并调研类似规模厨房运营情况，计算时采用以下原则:各中、西式厨房内的需要系数为0.8～0.9；变电所低压侧母线上的同期系数取较低数值，为0.5～0.6，不仅考虑厨房使用的同期率，也兼顾了厨房与其他区域的错峰用电。因此，总计算容量大幅降低，但仍能满足各厨房的用电需求。
②行政部门提出露天广场每年要进行节目演出，舞台用电量至少需要1000kW。采取了化整为零的方法，把容量分摊至各变电所。同时，通过用电的管控手段，该部分用电量可不计入相关变压器的容量。
(3)项目复杂程度高，为进一步提高消防电源的可靠性，柴油发电机组中计入消防设备的容量。按全楼消防设备的总容量来选取柴油发电机组，其台数和安装容量将远大于常规计算所需，不仅初期投资和维保费用过高，甲方无法接受，也不利于节能减排。采取只按一处最不利场所发生火灾时所需消防设备总容量的方法来计算。经分析，－1F餐厅和厨房区域火灾时涉及到相关消防设备，总用电量最高。按该方法选取的柴油发电机组既可最大程度满足火灾时消防设备供电的需求，又相对经济、合理。
2.2 配电变压器应取较大的负载率
电力变压器的铜损等于铁损时，变压器的损失率最低，节能效果最佳，负载率为0.5～0.6。实际选择负载率时，还应考虑以下因素:
(1)新建民用项目在投入使用的前几年，人员和设备通常处于半饱和或更低的状态，变压器负载率很低。虽然低负荷率不会造成低功率因数，但若负荷率太低，负载的功率因数也很低，自动补偿柜很难补偿。因现在无功补偿普遍采用分级自动投入，负载太轻，无功补偿投入一级都会过补偿，不投就欠补，所以功率因数很低。供电部门对用户“大马拉小车”导致的过低功率因数会处以罚款，电费显著增加，虽然理论计算的变压器损失率最小，但事实上不仅未起到节能作用，反而浪费运营成本。
(2)一般情况下，扩初阶段的单位功率密度取值较保守，施工图阶段的预留容量及需要系数取值较大，造成变压器负载率在计算书中体现得较合理，但实际运营时却处在较低的水平。这在调研的几个大型办公总部的变电所运营中均有明显的体现。
综上所述，办公建筑的变压器负载率在计算时应取偏上的数值，为0.8～0.9。通过回访易购总部一年的运营情况，其员工人数已经达到设计值的60%，除冷冻机房专用变压器外，各变压器负载率最高峰约为40%，随着员工人数增加及设备满载运行，变压器负载率可达70%以上。因此，该项目变压器在计算取值时仍略显保守。
2.3 选择变压器台数
为减少变压器损耗，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，尽可能减少变压器台数，选用大容量的变压器，不仅可降低变电所造价，而且可减少变电所的面积。该项目各变电所内选取1600kVA或2000kVA的变压器，如需选2台2000kVA变压器时，不选4台1000kVA变压器。
2.4 选用节能型变压器
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。减少变压器的有功功率损耗，应重点考虑变压器设备的选择。
变压器的空载损耗又称铁损，由铁心的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与硅钢片的性能及铁心制造工艺有关，而与负荷大小无关。变压器满载损耗又称铜损，主要是由通过变压器绕组的电流大小决定的，所以在选择变压器时应尽量选择阻值较小的铜芯作为绕组。
该项目优先选用SCB10节能型变压器，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，与上一代产品比，其空载和短路损失分别降低5.9%和23.33%。
3 供配电系统及线路
根据负荷容量及分布、供电距离、用电设备特点等因素，该项目同一电压等级的配电级数应尽量不多于两级，这样配电系统较经济合理、简单可靠。
由于该项目体量巨大，干支线等线路总长度达近几万米，线路上总有功损耗较大，所以需减少线路上的耗损。设计时，首先采用电导率较小的铜芯材质做导线，其次使各变电所尽量靠近负荷中心，以缩短线路的供电距离，减少线路损失。以低压线路的供电半径不超过200m为原则，－1F设置4个变电所。4#变电所紧邻冷冻机房，低压出线柜兼做各类水泵控制柜，不仅最大限度地减少线损，更节约了大量的水泵控制柜。
各低压配电间均靠近强电竖井，防止支线回头输送电能；高低压线路尽量直线布置，以减少导线长度。
4 照明系统节能
该项目以办公、会议、车库为主，照明量大而面广，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，照明节能设计应从以下几方面着手。
4.1 选择高效光源
按照各工作场所的条件，选用不同种类的高效光源，可降低电能消耗，节约能源。
(1)一般办公、展厅、会议室等室内场所照明，优先采用LED灯或荧光灯等高效光源，在综合比较成本、寿命、光衰等因素后，推荐采用T5细管、U型管节能荧光灯，以满足GB50034—2013《建筑照明设计标准》对照明功率密度的限值要求。
(2)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及LED灯。
(3)车道、停车位采用优质LED光源，照明功率密度控制在1.5W/m2以下，虽然一次性投入成本增加，但运行成本大幅降低。
(4)气体放电灯应采用能耗低的镇流器，且荧光灯和气体放电灯必须安装电容器，补偿无功损耗。
4.2 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。
(1)非对称光分布灯具具有减弱工作区反射眩光的特点，在一定的照度下能大大改善视觉条件，获得较高的效能。
(2)选用变质速度较慢材料制成的灯具，如玻璃灯罩、搪瓷反射罩等，以减少光能衰减率。
(3)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%)。
4.3 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、分片控制灯具启停。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，以便管理和节能。
(2)对于大面积场所的照明设计，采取分区控制方式，增加照明分支回路控制的灵活性，无需照明的地方不开灯，有利于节能。
(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。
(4) 室外照明系统中采用光电控制器代替照明开关，有利于节电。
5 电动机节能
5.1 选用高效率电动机
GB18613—2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》规定自2011年7月1日起，中小型异步电机实施国家二级能效标准。因此，目前占据市场份额85%的Y系列电动机在2011年7月1日后应淘汰，即不能生产、使用、销售。GB18613—2012规定2016年9月1日起，中小型异步电机实施新标国家二级(即IE3超高效电机)。该项目在选择符合上述规定的电动机时，明确要求至少执行GB18613—2006，即采用IE2级高效电机。IE2级高效电机从导磁材料选择、冲片研究、通风改善等方面进行改进，比一般电动机损耗下降约20%，效率平均比Y系列电机提高2.76%，长期连续负荷可节约大量能耗。
5.2 选用交流变频调速装置
推广交流电机调速节电技术，也是当前我国节约电能的措施之一。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压、频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还具有过流、过压、过载保护等功能。
该项目为满足通排风和室内温度的要求，设置了大功率的冷冻、冷却水泵及大量的空调机、排风机、新风机。对水泵、空调机、新风机的控制，设计时采用了交流变频调速装置。通过该项目近一年的电动机耗电数据的分析，安装变频调速器的风机节能近30%。
6 综合能效管理系统
大型公共建筑要节能降耗，管理控制及计量应先行一步。该项目采用综合能效管理系统，主要包括建筑设备管理系统、能耗监测系统和空气质量监测系统。
(1)建筑设备管理系统。基于建筑物特性，机电设备在建筑物内的布置较为分散，在BA系统选择时采用TCP/IP楼宇控制系统，利于建筑物楼内结构化布线系统提供的信息端口和建筑设备专网完成DDC控制器与BA系统管理主机的组网，使系统的配置更加灵活、易于扩展和调整。DDC控制器对空调、公共照明、给排水、变电所、电梯等系统中的相关设备进行现场监控，通过计算机网关接入BA系统，实现统一的管理。
(2)建筑能耗监测系统。该项目设置建筑能耗监测系统对各楼层照明、动力、空调、给水的能耗进行监测，对建筑的能耗数据信息进行采集、分析，实现对能源的有效管理，并达到降低能耗的目的。该系统由能效管理工作站、采集计量单元和数字式计量表(电能表、水表)组成。能效管理工作站和采集计量单元设在大楼监控中心内，通过设备专网连接分散各处的数字式计量表进行集中管理和自动监测。系统定期采集数字式计量表的数据，自动生成报表，可通过Internet上传至某省建筑能效检测数据中心，接受主管部门的集中监管，也可通过信息导引及发布系统将能耗图表进行实时发布显示。
(3)空气质量监测系统。根据建筑物控制质量状况(地下室CO浓度、地上CO2浓度)，自动控制排风、新风机组的启停和新风阀门的开启度。
(4)能源管理平台。建设能源管理平台对各用能设备和系统进行测控、节能、能源分配管理。能源管理平台软件是基于客户端/服务器的软件程序包，客户端通过IE浏览器即可监视和控制受控对象以及执行一系列的能量分析和设备优化管理功能，管理整个BA系统。能源管理平台提供图形化页面，显示实时系统信息，可调整参数；发生报警，及时弹出画面，提醒用户，并按照预定响应执行；显示实时或历史记录的曲线和底层历史数据；提供机电设备优化运行策略，确保各类设备系统运行稳定、安全可靠，并达到节能和环保的管理要求。
7 光伏发电系统
根据该建筑自身特点及DGJ32/J96—2010《公共建筑节能设计标准》的相关规定，选择在室外1F公交车站顶棚上建设1座太阳能光伏电站，安装容量为变压器总装机容量的0.002，即40kW。该太阳能光伏系统为地下2层汽车库的照明提供电源。
太阳能光伏系统由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，不配置蓄电池组，可优先采用并网的工作方式。该方案省去蓄电池及其维护的费用，避免了废旧电池造成的环境污染。系统发电量相对于整个总部的用电量来说，比重非常小。
8 BIM技术的应用
建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术可实现建筑全生命周期的信息共享，实现建筑全生命周期可预测、可控制。总部外形及结构复杂多变，二维无法完整表达，机电施工难度大，安装易出现返工。基于以上原因，该项目采用了BIM技术。电气专业Autodesk Revit MEP软件在土建模型平台上可视化协同设计，实现了各专业间信息的及时、精确、完整交流。
在协同平台上电气专业与水暖等专业可进行管线综合碰撞检查，集中解决、调整各种冲突。经检查，各类桥架、明敷管线在设计过程中与其他专业各类碰撞点有200多处。通过协同平台和专业碰撞软件，及时发现了这些问题，并快速响应，同步进行变更。据估算，该项目减少因碰撞各安装工序不合理返工节约的成本在总造价的1%以上。利用BIM技术对水管、风管、母线、桥架等的路由及尺寸进行优化，找出最短的路由及最优的尺寸，节省材料的需用量而降低成本达总造价的3%以上。
9 结语
总而言之，大型商业建筑电气的节能技术对于建筑整体来说意义重大，同时也有利于人民生活和居住水平的提高，对于我国节能建筑电气设计的发展和深化具有十分重要的作用，因此需要不断的加强研究。在建筑电气节能设计过程中，设计工作者应精心设计，认真考虑，以绿色集成设计为理念，综合采用多种有效的节能技术，合理布置线路和利用节能电气设备及材料，达到减少支出和资源总量的消耗，真正把节能理念落到实处，促进资源节约型社会的更好建立，为保护环境和促进社会的持续发展作出贡献。
参考文献
[1] 张建文.建筑电气节能设计探讨[J].城市建设理论研究.2014(15)
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[3] 林巨鹏.对建筑电气的节能设计方法探讨[J].商品与质量•建筑与发展.2015
论文作者:郭福斌
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/20
标签：变压器论文; 节能论文; 系统论文; 变电所论文; 建筑论文; 该项目论文; 负荷论文; 《基层建设》2016年第34期论文;