建筑电气节能措施的探讨

建筑电气节能措施的探讨

张闯

长春黄金设计院有限公司 吉林长春130012

摘要：结合工程实际案例，针对建筑电气项目涉及到的变压器、照明配电灯具、供配电线路截面、变频调速装置的节能措施及效果进行分析，列举常用方案、给出设计思路，并通过收集的数据进行计算，探讨节能方案实施后的经济效益成果。

关键词：节能；变压器；照明系统；配电线路；变频

Abstract：Combined with practical engineering cases, the paper analyzes the energy-saving measures and effects of transformers, lighting distribution lamps, power supply and distribution line sections, frequency conversion speed regulating devices involved in building electrical projects; lists common schemes, gives design ideas, and calculates through the collected data to discuss the economic benefits after the implementation of energy-saving schemes.

Key words：Energy saving;transformer;lighting system;distribution line;frequency conversion

0 引言

节能设计一直是各行业中的热门话题，从源头减少能源产品的投入、降低年电能消耗量既能为双碳目标的实现做贡献，又可以为企业节省成本的投入。下面就设计中几个使用频率高的环节进行节能分析。

1 变压器节能效果分析

变压器是把一次高压转换成用户设备所需二次低压的重要电气元件，其本身也属于消耗电能的元件，变压器一年中投入使用的时间比较多，全国范围内使用的数量比较多，研究变压器能效节约电费的前景是非常有必要的，接下来结合工程实例对变压器节能效果进行分析。

某选厂总降安装一台运行25年容量为12500kVA、属于S7系列的变压器，变压器负载率为81%，年工作小时数为8760h，年最大负荷损耗小时数为7600h，电容投资为32元/kvar，电价为0.725元/ kWh,变压器的修理费用为46000元。变压器的空载损耗（P0）为36kW，变压器的短路损耗（Pk）为93kW,变压器空载时的无功功率（Q0）为320kvar，变压器额定负载时的无功功率（Qk）为820kvar，短路电压百分比（Uk%）为8%，空载电流百分比（I0%）为2.9%。

根据《高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录》以及最新的《电力变压器能效限定值及能效等级》规范，需要更新变压器；根据市场调研，现有一台S18系列的变压器满足规程要求，其参数如下：变压器的空载损耗（P0）为10.6kW，变压器的短路损耗（Pk）为67.2kW,变压器空载时的无功功率（Q0）为98kvar，变压器额定负载时的无功功率（Qk）为800kvar，短路电压百分比（Uk%）为8%，空载电流百分比（I0%）为0.8%。

更换变压器可节省的有功功率和无功功率分别为：

全年节约的有功电量和无功电量分别为：

减少电容器的总投资为：

年运行节约电费为：

由上述案例的数据可以分析出更换为能效等级高的变压器之后，节约的电费效益比较可观。

在新建工程或者旧变压器更新的选型中，同样符合要求可供选择的变压器有多种，如何选择合适能效等级的变压器？根据规程，变压器能效等级分为3级，1级的能效最高、对应的损耗最低[2]。接下来分析能效等级为1级、2级的变压器分别相较于能效等级为3级变压器的节能效果。

下面列出某66kV额定容量为20000kVA的油浸式三相双绕组变压器各能效等级的参数，变压器负载率为76%。1级：空载损耗（P0）为9.7kW，变压器的短路损耗（Pk）为76.1kW；2级：空载损耗（P0）为11.4kW，变压器的短路损耗（Pk）为76.1kW；3级：空载损耗（P0）为14.1kW，变压器的短路损耗（Pk）为80.4kW；

能效等级为1级的变压器较3级可节省的有功功率为：

能效等级为2级的变压器较3级可节省的有功功率为：

由此可见，1级、2级较3级在单位量纲上节省的电量相差不多；故在变压器选型时首先要结合规范和能评要求确定最小能效等级的产品，其次结合年使用小时数、电价、变压器的购置费综合评判选用哪个等级产品。

2 照明系统节能分析

根据文献[1]，照明系统的节能方式有如下几种：第一种是采取分区控制等措施合理的控制灯具开启的时间，可以采用手动控制，也可以采用程序进行控制、分时段进行控制使得浪费最小化。第二种是采取提高功率因数等措施减少线路损失，主要的措施是无功补偿来提高功率因数，功率因数提高可以带来两个好处，一个是线路的电流小了这样线损就随着降低了；另一个是降低配电端的容量，开关、电缆等规格的选型规格降低，可以节约原材料，对于限定容量的照明配电系统如专用照明变压器供电的井下IT系统，可以让照明变压器带更多的灯具、节约成本；第三种是采用降低电能损耗的高效光源，随着产品的不断升级，越来越多高效率灯具面世较之前的灯具节能效果显著；第四种是利用新能源，如太阳能路灯。

下面结合工程实例，通过灯具选型分析照明节能效果。某采区拟建设一座二层的46×16m办公楼、36间办公室，采用规格为36W、2500lm的普通灯具进行照明设计，一个办公室需要配置四盏；若采用规格为36W、3960lm的高效灯具，一个办公室需要配置三盏，并且照度提高3.6lx；假设全年灯具点亮时间为2500h，高效灯具年节电量：

新出版的文献[4]较文献[3]在照明功率密度要求有了新规定，其限值普遍有所降低，在照度不变的情况下，为了满足新限值要求就需要采用高效的节能型灯具；以普通办公室为例，文献[4]要求是≤8W/m2，文献[3]的现行值是≤9W/m2，以上述采区办公楼为例，走廊等公共建筑占地约190m2，按照新规范最低要求设计时年节电量约为：

3 供配电线路节能分析

供配电线路的功率损耗主要取决于两个因素，一个是线路本身的阻抗、另一个是流过线路的电流，损耗越低、电能的有效利用率就更高[5]。供电端和用电端确定后，线路的距离就确定了，决定线路阻抗的因素就取决于导体的材质和导体截面，一般导体材质在工程初期已经确定好，剩下的就是结合载流量、压降、经济效益、热稳定校验等确定导体截面，显然截面越大阻抗越小，但要结合导体自身费用适中选择截面。对于导体的电流，可以采取无功补偿提高功率因数、提高电压等级等措施来降低，下面结合工程实例分析一下节能措施的应用。

某矿井拟由三组分散布置的通风机联合运行构建通风系统，通风机功率110kW，功率因数0.8，附近无其它用电设备；选定在三组通风机的负荷中心建一座变电硐室，距离最近的风机距离为150m、最选的为160m；风机可供选择的电压等级有380V和660V，单台风机的电流分别为：

结合电缆载流量及最远供电距离满足压降规定的原则，针对两种电压等级选用铜芯电缆的截面分别为95mm2、50mm2。

从生产工艺来说，10/0.69kV的变压器较10/0.4kV的变压器制造上可以减少变压器线圈的匝数，节约金属耗材；由于电流的降低，风机保护用断路器、接触器、启动保护装置的选择可以降低，测量用电流互感器也降低[6]；电缆截面降低、节约金属耗材；660V供电方案的工程整体购置费较380V供电方案低，从经济效益来说方案可行，从后期维护方面来说也便利很多。若后期较远处增加用电设备，比如说500m之外增加局扇等用电设施，本变电硐室在剩余容量允许的情况下可为其供电、节约了新建变电硐室耗费的工程量及电气设备的采购费。

4 变频节能分析

变频的选择主要取决于工艺设备的运转要求，一般有调速需求的电机会配置变频器[7]；选择变频器时要与电机功率，是否存在重载、频繁启动等情况相匹配；变频器馈出端电缆过长要考虑对地耦合电容的影响[8]。下面通过一个工程案例来分析变频器的节能效果。

某破碎车间选用一台额定电压为10kV、额定功率为1600kW的风机作为除尘系统的主电机，额定转速为1500r/min，根据排风量的要求有四种转速的工作状态：1200r/min、950r/min、650r/min、300r/min；根据运行统计，四种转速状态下每年累计的工作天数分别为：100天、60天、90天、70天；前两种工作状态每天平均工作18小时，后两种工作状态每天平均工作12小时；初期采用液力耦合器调速，后期拟采用变频器调速进行工艺改造，变频器效率为0.96，变频器购置、工艺改造安装等费用合计为120万元，电价为0.75元/kWh，先计算变频改造后年节约的电费：

变频改造回收期为：

由此可见，变频改造经济效益比较显著。

5 结语

不同行业、不同工艺实现电气节能的方式有很多，本文结合工程实例就几种有代表性的用电环节进行节能方案分析，介绍相应的节能措施，希望对电气同仁的节能设计有所帮助。

参考文献

[1] 陈延镖.钢铁企业电力设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1996.

[2] 国家市场监督管理总局.GB 20052-2020 电力变压器能效限定值及能效等级[S].北京:中国标准出版社,2020.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50034-2013 建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 55015-2021 建筑节能与可再生能源利用通用规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2021.

[5]马淑杰.“双碳”背景下园区节能降碳综合改造路径研究[J].煤炭加工与综合利用,2023(02):87-92.DOI:10.16200/j.cnki.11-2627/td.2023.02.022.

[6]檀姊静,柳天祥,赵敬源,孙德宇,张婧.碳中和背景下中日建筑节能标准对比研究[J].建筑科学,2023,39(02):171-182+214.DOI:10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2023.02.21.

[7]黄兰.节能设计在建筑设计中的有效应用分析[J].智能建筑与智慧城市,2022(12):133-135.DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2022.12.038.

[8]陈汝根.节能理念在建筑施工中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2022(32):118-120.

作者简介：张闯、男、长春黄金设计院有限公司、工程师