0、引 言
我国是一个资源相对匮乏、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。国务院发出《关于做好建设节约型社会近期重点工作》的通知,特别指出/要坚持资源开发与节约并重,把节约放在首位的方针0。根据建设部和国家建材局的统计,目前,我国建筑能耗约占全社会总能耗的27%左右。
目前,在建筑维护墙结构、新型保温材料以及优质设备选型等方面取得了比较明显的节能效果,但对电气节能尚未引起足够的重视。事实上,随着社会的发展、人民生活水平的提高,整个社会的用电需求量直线上升,建筑电气能耗在建筑能耗中占有相当大的比例。如果每户每年节约用电60 kWh,则可为国家节省投资约30亿元,并可延缓温室效应,减轻对生态环境的破坏,经济和社会效益非常可观。
所以,建筑电气的节能设计就显得尤为重要,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。电气节能的途径很多,主要从供配电系统、用电设备及智能控制等方面节能。供配电系统的节能主要包括变压器的节能和供配电线路的节能;用电设备的节能主要包括照明系统的节能和动力设备系统的节能。由于讨论变压器节能、照明系统节能、动力设备系统节能及智能控制方面节能的相关文章较多,且供配电线路的损耗占有很大比例,所以,本文主要讨论供配电线路的节能问题。
1、有关电力节能的法律、法规与标准
法律:《中华人民共和国电力法6;5中华人民共和国节约能源法6;5中华人民共和国可再生能源法》。
法规:国家电力监管委员会制定的《供电营业规则》;中华人民共和国建设部颁布的《民用建筑工程质量监督管理办法》。
标准:GB50411-2007《建筑节能工程施工质量验收规范》;GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》; GB/T50378 -2006《绿色建筑评价标准》;GB50034-2004《建筑照明设计标准》; JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》;GB/T3485-1998《评价企业合理用电技术导则》。
2、供配电线路的损耗分析
由于线路上存在电阻,有电流流过时,就会产生有功功率损耗。其公式为:
式中 Ip——相电流;
R——线路电阻。
例如,在100m长的VV3*50十2*25的电缆上传输80 kW, cosØ=018的电能,其计算电流为:
Ip=P/3UPcosØ=80*1000/3*220*018≈151.52 A
若芯线温度70℃的50 m2铜芯线每公里电阻
R’= 0.44Ω,则R=0.1*0.44=0.044Ω。故在该线路上的有功损耗为:
从上面的计算可以看出,线路上的功率损耗相当于每2 m的线路上安装了一个60 W的灯泡
(3000/(100/2)=60)。
在一个大的工程中,如一个高档住宅小区、新建的工厂厂区等,线路纵横交错,线路总长度动辙数万米,线路上的总有功功率损耗是不容忽视的,减少线路上的能耗必须引起足够的重视。
3、供配电线路节能要点
3.1 负荷计算必须准确
电力负荷是供电设计的依据参数。计算准确与否,对合理选择设备及安全可靠与经济运行,均起决定性作用。用电负荷计算方法选择得当,会达到节约有色金属、节约能源的目的,若选择不当,会给用户带来不必要的投资和能源浪费。
用电负荷计算方法宜按下列原则选取:在方案设计阶段可采用单位指标法;在初步设计阶段及施工图设计阶段,宜采用需要系数法;对于住宅建筑,在设计的各个阶段均可采用单位指标法和单位面积法;对工业建筑,宜采用二项式法。
3.1.1 需要系数法
式中 Pi——第i台设备容量;
Kd——需要系数。
需要系数是以电气设备的性质为分类原则分类得到的,因此使用时,应首先对所要计算的设备进行归类。给出的需要系数常常是一个范围,使用时,应根据实际设备的数量决定取值的大小,设备数量越多,需要系数取值应越小,反之则大。
3.1.2 二项式法
单组用电设备组中设备台数\3台时的计算负荷为:
多组用电设备组的计算负荷为:
式中 j——用电设备组序号,j=1,2,…,m;
(cPx)max——各组中的该部分最大值;
tgØmax——与(cPx)max对应的功率因数角正切值。
3.1.3 负荷密度法
Pc=ρS
式中S——计算范围的使用面积,单位为m2;
ρ——负荷密度指标,单位为(kW /m2)。
3.1.4 住宅用电量指标法
Pc=K∑βN
式中β——住宅用电量指标,单位为(kW /户);
N——供电范围内的住宅户数;
K∑——住宅用电同时系数。
3.2 合理选择供电电压
同等情况下,电压越高,损耗越小。民用建筑用电设备电压等级大部分为220/380 V,但一些大型或特大型的民用建筑的空调主机为了达到节能目的,经方案比较,可以选择10(6)kV的制冷设备。
3.3 合理选择线路路径以减小导线长度
变配电室及配电箱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200 m,当建筑物每层面积不少于10000 m2时,至少要设2个变配电所,以减少干线的长度。
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0的现象,线路尽可能走直线,少走弯路,以减少导线长度。
3.4 均衡三相负荷
采用三相四线制配电线路,在各相负荷均衡的情况下,中性线的电流为零,当然,中性线上就没有能耗,也没有电压降,所以,中性线上电流越小,能耗就越少。三相配电系统的住宅或办公楼,其同类负荷应均匀地分配于各相上,避免如L1相均为照明负荷,L2相均为插座负荷,L3相均为电热负荷的情况出现。单相供电的住宅,应将各种户型的负荷均匀地分配到各相序。
3.5 选用电阻率较小的材质作导线
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。
3.6 合理选择电缆、导线截面
在满足允许载流量、运行电压损失、机械强度、动热稳定等各种技术指标前提下,应按经济电流密度合理选择导线截面,并应从降低电能损耗、减少投资和节约有色金属等方面综合衡量。但是,经济电流密度的确定很复杂。目前,我国按最大负荷利用小时数Tmax查经济电流密度选择导线、电缆截面。然而,该经济电流密度是有缺陷的,它没有考虑负荷的功率因数对经济电流密度的影响,且线路的投资、年运行费是变化的。因此,比较准确的经济电流密度,可用以下方法求取。
电力线路的投资费Z与导线、电缆截面有关,可近似用导线、电缆截面S的函数来表示,即
Z=aS b
式中 a——投资截面系数;
b——投资常数。
电力线路的年运行费F包括线路的年折旧维护管理费FY和年电能损耗费FS。线路的年折旧维护管理费由线路的年折旧费、维护修理费和管理费组成,它们一般用线路投资费百分数计算,即FY=KYZ
线路的年电能损耗费由下式计算:
FS=3I2maxρτP/S*10-7
式中 Imax——线路最大负荷电流;
ρ——导线电阻率;
τ——最大损耗时间;
P——电价。
最优经济电流密度的目标函数(综合计算投资)为:
minV=cZ F
式中 c——补偿系数,c=1/T,T为补偿年限。
由目标函数可求得最优经济电流密度为:
Jcc=a(a KY)/30ρτP*104
由最优经济电流密度,可求得导线、电缆截面,达到电力线路建设经济上的最优。
此外,对于环形供电方式,为降低线路的电阻值,将开式网运行改为闭式网运行,同样可明显降低线路损耗。
3.7 合理地提高供配电系统的功率因数
若系统自然功率因数达不到接入电网要求时,应进行无功补偿,提高功率因数,减少能量损耗。
具体方法如下。
(1)在设计中,尽可能采用功率因数高的用电设备,减少用电设备无功损耗,提高用电设备的自然功率因数。
(2)安装无功补偿装置。目前,民用建筑设计中,绝大部分采用变压器低压侧集中补偿,这种作法
仅减少了区域变电站至用户处的高压线路上的无功传输,提高了用户处的功率因数,可以不受或少受电业局的罚款。而对用户,无功仍由变压器低压母线经传输线路输送到各用户点,低压线路上的无功传输并没有减少,那么,无功补偿也就达不到节能的目
的。JGJ 16-20085工业与民用供电设计规范6中规定,容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备宜单独就地补偿。
3.8 合理调剂季节性负荷
如将空调风机、风机盘管与一般照明、电开水器等计费相同的负荷,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,从而减小线路损耗。
4、总 结
以上从负荷计算、供电电压,三相负荷平衡度,供电导线材质、截面、路径,供配电系统的功率因数以及合理调剂季节性负荷等方面,讨论了建筑电气节能设计中供配电线路的节能设计问题。
实际上,建筑电气设计的节能潜力很大,在工程设计中应精心考虑,采用各种措施节约电能,同时应满足科学性、经济性的要求。由于我国属于典型的冬冷夏热气候,采暖、空调能耗都很高,这些决定了我国建筑能耗基数大。因此,在建筑节能技术上的微小改进,节约的能源总量都是十分可观的。尤其与发达国家相比,在技术上我国处于相对落后状态,这更决定了我国的建筑节能工作潜力很大。只要我们能够科学规划,努力研究,认真实施,我国的建筑节能工作就一定能取得很大的成绩,以达到节能和缓解我国能源紧张的局面。
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