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(dòng)機起動(dòng)設備選擇等方面，論述電氣設計中的幾種節能方法。

　　關(guān)鍵詞：電氣節能　變壓器損耗　功率因數　照明節能　變頻調速　軟起動(dòng)器

　　由于人口的增加，工業(yè)的發(fā)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(yè)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(diǎn)。建筑電氣設計節能的原則建筑電氣節能應堅持以下三個(gè)原則：

　　1.滿(mǎn)足建筑物的功能

　　即滿(mǎn)足照明的照度、色溫、顯色指數；滿(mǎn)足舒適性空調的溫度及新風(fēng)量，也就是舒適衛生；滿(mǎn)足上下、左右的運輸通道暢通無(wú)阻；滿(mǎn)足特殊工藝要求，如娛樂(lè )場(chǎng)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(shí)際經(jīng)濟效益

　　節能應按國情考慮實(shí)際經(jīng)濟效益，不能因為節能而過(guò)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(shí)間內用節能減少下來(lái)的運行費用進(jìn)行回收。

　　3.節省無(wú)謂消耗的能量

　　節能的著(zhù)眼點(diǎn)，應是節省無(wú)謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是與發(fā)揮建筑物功能無(wú)關(guān)的，再考慮采取什么措施節能。如變壓器的功率損耗，傳輸電能線(xiàn)路上的有功損耗都是無(wú)用的能量損耗，又如量大面廣的照明容量，宜采用先進(jìn)技術(shù)使其能耗降低。

　　因此，節能措施也應貫徹實(shí)用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進(jìn)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：△Pb＝Po＋Pkβ2其中：

　　△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(chēng)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(yōu)質(zhì)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(xiàn)損，決定于變壓器繞組的電阻及流過(guò)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(shí)際使用中有一半變壓器沒(méi)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(méi)有考慮經(jīng)濟價(jià)值。舉下例可看出其不可取的程度。

　　SC3－2000KVA的變壓器，當β＝50％時(shí)相對于β＝85％時(shí)可節能為P＝16.01×（0.852－0.52）＝7.56KW，按商場(chǎng)最高用電小時(shí)計：每天12小時(shí)，365天全營(yíng)業(yè)，則總節約電能：W＝7.56×12×365＝33113KW.h.按營(yíng)業(yè)性電價(jià)每度0.78元計，則每年節約：33113×0.78＝25828元。

　　按每千瓦的初裝費投資：2000KVA變壓器應是大型民用建筑，必然雙電源進(jìn)線(xiàn)，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(jià)格，由于變壓器增加而使出線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜、母聯(lián)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(guān)的投資，還沒(méi)有計及折舊維護等費用。由此可見(jiàn)，取變壓器負載率為50％是得不償失的。

　　事實(shí)上50％負載率僅減少了變壓器的線(xiàn)損，并沒(méi)有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節能的措施。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(mǎn)負荷計為20年，20年后可能有更好的變壓器問(wèn)世，這樣就可以有機會(huì )更換新的設備，才能使該建筑總趨技術(shù)領(lǐng)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(shí)，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：△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，能掌握好上述三點(diǎn)原則，即滿(mǎn)足了節約能源，又經(jīng)濟合理的原則。

　　減少線(xiàn)路上的能量損耗

　　由于線(xiàn)路上存在電阻，有電流流過(guò)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生有功功率損耗。其公式如下：△P＝3IΦ2R×10－3（KW）

　　式中：IΦ——相電流（A）

　　R——線(xiàn)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：IΦ＝60×103／（×380×0.8）＝113.6A

　　芯線(xiàn)溫度70℃的50mm2銅芯線(xiàn)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(xiàn)路上的功率損耗相當于每6m的線(xiàn)路上安一個(gè)100W的燈泡。

　　在一個(gè)工程中，線(xiàn)路左右上下縱橫交錯，小工程線(xiàn)路全長(cháng)不下萬(wàn)米，大工程更是不計其數，所以線(xiàn)路上的總有功損耗是相當可觀(guān)的，減少線(xiàn)路上的能耗必須引起設計重視。

　　線(xiàn)路上的電流是不能改變的，要減少線(xiàn)路損耗，只有減小線(xiàn)路電阻。線(xiàn)路電阻R＝P×L／s，即線(xiàn)路電阻與電導P成正比，與線(xiàn)路截面S成反比，與線(xiàn)路長(cháng)度L成正比，因此減少線(xiàn)路的損耗應從以下幾方面入手。

　　應選用電導率較小的材質(zhì)做導線(xiàn)。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(lèi)、一類(lèi)建筑中采用銅導線(xiàn)，在三類(lèi)或負荷量較小的建筑中采用鋁芯導線(xiàn)。

　　減小導線(xiàn)長(cháng)度。首先，線(xiàn)路盡可能走直線(xiàn)，少走彎路，以減少導線(xiàn)長(cháng)度；其次，低壓線(xiàn)路應不走或少走回頭線(xiàn)，以減少來(lái)回線(xiàn)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(shí)，至少要設兩個(gè)變配電所，以減少干線(xiàn)的長(cháng)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(gè)豎井的干線(xiàn)，不至于產(chǎn)生支線(xiàn)沿著(zhù)干線(xiàn)倒送的現象。亦即低壓配電室與豎井位置的布局上應使線(xiàn)路都分向前送，盡可能減少回頭輸送電能的支線(xiàn)。

　　增大導線(xiàn)截面。首先，對于比較長(cháng)的線(xiàn)路，除滿(mǎn)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(xiàn)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(gè)月或一、二年，則應加大一級導線(xiàn)截面。一般而言，導線(xiàn)截面小于70mm2，線(xiàn)路長(cháng)度超過(guò)100m的增加一級導線(xiàn)截面比較容易實(shí)現上述條件。其次，利用某些季節性負荷的線(xiàn)路，這些用戶(hù)不用時(shí)，可提供給常期用戶(hù)作供電線(xiàn)路使用，以減少線(xiàn)路和電阻。例如，將空調風(fēng)機、風(fēng)機盤(pán)管與照明、電開(kāi)水等計費相同的負荷，集中在一起，采用同一干線(xiàn)供電，既可便于用一個(gè)火警命令切除非消防用電，又可在春秋兩季空調不用時(shí)，使同樣大的干線(xiàn)截面傳輸較小的電流，從而減小了線(xiàn)路損耗，這就相當于充分利用了季節負荷的線(xiàn)路。

　　在設計中，認真落實(shí)上述三條措施，就可減少線(xiàn)路上的能量損耗，達到了線(xiàn)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(wú)功在線(xiàn)路上傳輸，以達到節能的目的。

　　線(xiàn)路損耗的公式展開(kāi)后得下列計算式：

　　△P＝3IΦ2R×10－3＝（RP2／UL2＋RQ2／UL2）10－3（KW）

　　式中：UL——線(xiàn)電壓（V）

　　P——有功功率（KW）

　　Q——無(wú)功功率（KVar）

　　前項RP2／UL2為線(xiàn)路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項RQ2／UL2為線(xiàn)路上傳輸無(wú)功功率而引起的功率損耗。有功功率是滿(mǎn)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(dòng)機、變壓器、線(xiàn)路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會(huì )產(chǎn)生滯后的無(wú)功，需要從系統中引入超前的無(wú)功相抵消，這樣超前的無(wú)功功率就從系統經(jīng)高、低壓線(xiàn)路傳輸到用電設備，在線(xiàn)路上就產(chǎn)生了有功損耗，而這部分損耗是可以想辦法改變的，其措施有以下幾種。

　　提高設備的自然功率因數，以減少對超前無(wú)功的需求，可采用功率因數較高的同步電動(dòng)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(xiàn)路傳輸的超前無(wú)功功率。

　　由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無(wú)功，可采用電容器補償，因為電容器產(chǎn)生的是超前的無(wú)功，兩者可以相互抵消，即Q＝QL－QC，因此無(wú)功補償，可以提高功率因數，因而也減小了無(wú)功的需求量。

　　無(wú)功補償裝置應就地安裝，實(shí)行就地補償，這樣才能使線(xiàn)路上的無(wú)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(hù)處的高壓線(xiàn)路上的無(wú)功傳輸，提高了用戶(hù)處的功率因數，可以不受或少受電業(yè)局的罰款。而對用戶(hù)，無(wú)功仍由變壓器低壓母線(xiàn)經(jīng)傳輸線(xiàn)路輸送到各用戶(hù)點(diǎn)，低壓線(xiàn)路上的無(wú)功傳輸并沒(méi)有減少，那么無(wú)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(dòng)機端，都要安裝30μF的靜電電容器，以減少由于線(xiàn)路上傳輸無(wú)功而引起的有功損耗。在我國即將頒布的《工業(yè)與民用供電設計規范》中規定�]"容量較大，負荷平穩又長(cháng)期使用的用電設備的無(wú)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(dòng)機，負荷較穩定的應采用就地補償，……".我國目前生產(chǎn)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(dòng)機無(wú)功獲得就地補償。

　　為什么常提到負荷平穩的電動(dòng)機可采用就地補償，因為負荷變動(dòng)時(shí)電機端電壓也變化，使電容器沒(méi)有放完電又充電，這時(shí)電容器會(huì )產(chǎn)生無(wú)功浪涌電流，使電機易產(chǎn)生過(guò)電壓而損壞。因此，斷續負載，如電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)步行道等不應在電動(dòng)機端加裝補償電容器；另外，如星三角起動(dòng)的異步電動(dòng)機也不能在電動(dòng)機端加裝補償電容器，因為它起動(dòng)過(guò)程中有開(kāi)路閉路瞬時(shí)轉換，使電容器在放電瞬間又充電，也會(huì )使電機過(guò)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(guò)10KW的風(fēng)機、水泵、傳送帶等電動(dòng)機端設置就地補償裝置，空調主機及冷凍泵等常在其附近設專(zhuān)用變配電所，可以集中補償，但若供電距離超過(guò)20m時(shí)也最好采用就地補償。

　　電動(dòng)機就地補償裝置的接線(xiàn)有二種方式，一是并接在熱元件的一次線(xiàn)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(xiàn)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(diǎn)之后，熱元件一次線(xiàn)圈之前，熱元件的整定電流就不計補償的影響，這適合于進(jìn)行改造的電機接線(xiàn)，這樣做可使電容器與電動(dòng)機一起投切。

　　處理好上述三部分，即減少自然無(wú)功、無(wú)功補償及補償裝置的安裝地點(diǎn)，就可以實(shí)現合理的選擇無(wú)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(zhù)手：

　　采用高效光源。白熾燈過(guò)去用得最廣泛，因為它便宜，安裝維護簡(jiǎn)單，它致命的弱點(diǎn)是發(fā)光率太低，因此目前常被各種發(fā)光率高，光色好，顯色性能優(yōu)異的新光源取代。表1列出了各種光源每W的光通量�JLm�K。從表中可以看出低壓鈉燈和高壓鈉燈的發(fā)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(chǎng)照明用，其中顯色指數在60的高顯色性鈉燈可與汞燈組成混合燈，用于工廠(chǎng)及體育館照明，這也是量大面廣的照明部分；發(fā)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特別好，因此除用作商場(chǎng)、展廳的照明外，還廣泛用在車(chē)站的候車(chē)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(xiě)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(chǎn)廠(chǎng)房的照明。盡量不用或少用白熾燈，只有在局部藝術(shù)照明或防止高頻光譜照射的古董字畫(huà)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(mén)窗開(kāi)大，采用透光率較好的玻璃門(mén)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(chǎng)照度，進(jìn)行燈光自動(dòng)調節。

　　對氣體放電燈，采用燈光無(wú)級自動(dòng)調節，即調節燈絲從而達到調光的目的。但其代價(jià)太高，每套36W的燈管需要增加2000元～3000元的投資，而節省下來(lái)的電能，其電價(jià)是有限的，因為這僅在白天日照強時(shí)（一般在上午10時(shí)到下午3～4點(diǎn)鐘　這段時(shí)間內）可減少一點(diǎn)人工照明，每支燈充其量節能25％，每天按12小時(shí)計，每年按365天計，則節省運行費用：

　　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(méi)有實(shí)用意義的。在工作照明中采用這種調光方案是不可取的。它只適宜用于特殊條件下，如氣象臺、導航站等小面積控制室，要求室內的照度與室外自然光自然協(xié)調的環(huán)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(chǎng)合，可采用分組分片自動(dòng)開(kāi)停的控制方案，雖然會(huì )有突變過(guò)程，但不會(huì )影響視力，也不會(huì )影響人的情緒，是可取的方式。

　　對長(cháng)期需要開(kāi)停，但又要按人流的多少自動(dòng)調整照度的場(chǎng)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(zhù)。因為，氣體放電燈的發(fā)光是靠離子在高電壓下產(chǎn)生碰撞，達到一定能級而使熒光粉發(fā)光，因此光通量并不與電壓成正比，電壓下降10％，光通量差不多下降30％～40％，電壓下降30％，燈會(huì )全熄。因此，氣體放電燈采用調壓方式調光，在實(shí)際工程中也很少采用。

　　照明節能中，除了滿(mǎn)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(dòng)控制開(kāi)停方式，可達到照明節能的效果。

　　電動(dòng)機在運行過(guò)程中的節能

　　在建筑電氣中的電動(dòng)機都是與暖通、水道、建筑等工種的設備配套的，由設備制造廠(chǎng)商統一供應的。因此，其節能措施只能貫徹在運行過(guò)程中，除了上述的用就地補償電容器以減少線(xiàn)路由于輸送超前無(wú)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，消耗的電能并不與負載的下降成正比。采用變頻調速器，使其在負載下降時(shí)，采用變頻的方式，自動(dòng)調節轉速，使其與負載的變化相適應。采用這種方式，可提高電機在輕載時(shí)的效率，達到節能的目的。但是，這種設備的價(jià)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(dòng)器，軟起動(dòng)器設備是按起動(dòng)時(shí)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(dòng)平穩，起動(dòng)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(dòng)機容量較大，又需要頻繁起動(dòng)的設備，以及附近用電設備對電壓的穩定要求較高的場(chǎng)合。因為它從起動(dòng)到運行，其電流變化不超過(guò)三倍，可保證電網(wǎng)電壓的波動(dòng)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(huì )返回電網(wǎng)。因此，它要求散熱、通風(fēng)措施完善。其價(jià)格比變頻器便宜，在水泵系統中的大容量電動(dòng)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(shù)、經(jīng)濟上進(jìn)行比較后，再選定節能設備，以達到真正節能的目的。