建筑供配电节能

MAE视代建筑电气0 12 Vol 3供配电·建筑供配电节能韩银凤,赵丽,董伟,蔡丽敏(长安大学电子与控制工程学院,陕西西安710061)摘要:针对世界范围内能源短缺现状,分析了建筑节能、建筑电气节能、建筑供配电节能对建设节约型社会,发展节约型经济的重要性,并着重论述了建筑供配电节能的具体方法及措施,对建筑节能研究有重要意义。关键词:节能;功率因数;变压器;经济运行;谐波;需用系数韩银凤(1988),女,硕士研究生,研究方向中图分类号:TU852文献标志码:A文章编号:16748417(2012)12002207为建筑供配电、建筑电0引言举足轻重的作用。同时,也是保障国家能源安全保护环境、提高人民生活质量、贯彻落实科学发展目前,全世界范围内均存在能源短缺及能源观的一项重要举措。因此,建筑电气节能显得尤危机,有关节能、生态、环境保护和可持续发展等为重要,如何将节能技术合理应用到实际工程项问题已成为全社会关注的焦点,也引发了人类对目中,已是当务之急。建筑供配电是建筑电气节于生态环境问题的反思。我国是一个能源相对能的重要组成部分,且与人们的工作生活密切相匮乏的能源消耗大国,节约能源、保护环境显得关,所以研究建筑供配电节能具有重大意义。尤为重要,多方位降低能耗则是我国的艰巨任务在实际工程中建筑供配电节能措施主要着与目标。在欧美一些发达国家,节能型建筑的比眼于以下几个方面。例已达40%。我国能源消耗急剧增加,能源危机日益严重。作为能耗大户的建筑能耗,已是影响1提高系统功率因数社会可持续发展的一个重大问题。为此,中央经对于大量感性负载所需的滞后无功,由电容济工作会议提出建设节约型社会、发展节约型经器的超前无功来补偿,提高个体设备或整体系统济的目标,要求各地大力推广节能型建筑。由此的电能转换效率,进而提高系统电源的利用效可见,建筑节能已成为必然。国家与地方相继出率,减小无功功率在线路上传输时对应产生的线台了建筑节能相关设计规范与标准。路损耗,进而提高电网输送效率。建筑电气占建筑总能耗量的33%,是建筑能1.1功率因数耗大户。一项完善的建筑电气节能设计将为建筑在建筑供配电系统中,有三种功率,即有功长期低能耗运行奠定良好的基础,对于促进能源功率、无功功率、视在功率。合理利用、节约能源、缓解能源紧张、加快发展循(1)有功功率。有功功率是指用电设备将环经济、实现我国国民经济可持续、高速发展有着电能转化为其他能,如电动机将电能转化为机械赵丽(1959—),女,副教授,研究方向为建筑供配电、建筑电气。董伟(1959—),男,硕士研究生,研究方向为建筑供配电、建筑电气。蔡丽敏(1988-),女,硕士研究生,研究方向为建筑供配电、建筑电气。Ha中国煤化工CNMHG现代建筑电气MAE·供配电·o 12 Vol 3(Serial No 36)2012能、电光源将电能转化为光能,微波炉将电能转|行缺乏经济性、科学性和合理性,电力系统管理化为热能等对应消耗的功率。有功功率用P表不到位且利用效率较低。提高功率因数可提高示,单位为W(瓦)。发电机与变压器的电能供给能力。如1台(2)无功功率。无功功率是指感性用电设100VA的变压器,求可带P为10kW,cosg为备工作时必须取用的一种交换功率,并非用电目0.5的电动机台数。若将电动机cosφ提高为0.9,的,而是为达到某用电目的,必须向电源索取的又可带几台?交换功率。如荧光灯的工作目的是将电能转化(1)功率因数为0.5时可带电动机台数:为光能,但为保证其正常启辉,且运行时限流,就cosco =0.5必须使用镇流器,而镇流器要向系统电源索取用P10来交换的无功功率。无功功率用Q表示,单位为cosp 0.5=20 kVAvar(乏)。100(3)视在功率。视在功率是指用电设备向电源取用的总功率,用S表示,单位为VA(伏安)。(2)功率因数为0.9时,可带电动机台数:在实际中,系统向电源取用的总功率为S(视0.9在功率)分为两部分:其一为有功功率,是将电P10能转化为其他能的对应功率,是用电目的;其二cosp 0.9=11 kVA是无功功率,是为保证系统正常工作而必须付出Sr100N的交换功率,并非用电目的。实际工程中,希望有功功率在视在功率中占的比例越大越好,而无可见,提高功率因数可充分挖掘电源的利用功功率在视在功率中占的比例越小越好。电路率。由P=Bco公式可看出,在发电机发出功理论中三者关系符合功率三角形,如图1所示。率及输电网电压一定的情况下,功率因数cosφ增大,输电网电流减小。这样可减小输电网有色金属的投入量,也相应减小了输电网的线路输电损耗。同时,输电网的线路输送压降减小,进而保证了受电端用户的电能质量。综上所述,提高功率因数的意义有以下几点:(1)提高电源设备、发电机、变压器的利用图1功率三角形效率。(2)减小输电网有色金属的投入量。为表达电源的利用效率,将有功功率与视在功率之比定义为系统功率因数,用功率三角形中(3)减小输电网的线路输电损耗。的阻抗角余弦cosq表示。(4)减小输电网的线路输送压降,进而保证受电端用户的电能质量P(1)(5)对于个体用电设备,可降低其向电源索显然,cosq越大,说明总视在功率中有功成取的总视在功率分越大,电源的利用效率就越高,即功率因数的2优化系统设计大小直接表征了电源利用效率的高低。1.2提高功率因数的意义优化设计方案的措施有:合理确定系统电网在实际工程中,由于系统感性负荷较多,类型;尽可能将系统电源设立在负荷中心,减小cos小,对应电源在输电线路上产生感性无功电不必要的线路中国煤化工妥装,减流分量,引起较大的电网线路输送损耗。系统运小不对称电流ICNMHGMA围现代建筑电气No 12 Vol3 (Serial No. 36)2012·供配电·L—输电网导线长度,km。2.1系统导线与节能负荷中心的确定过程如图2所示。强电系统有四大类导线:架空线、母线、电缆、低压绝缘导线。民用建筑供配电系统常用母线、电缆、低压绝缘导线三大类。在实际系统中,三大类导线一般均用铜芯线,铜虽价格高于铝但其综合效应在电专业中却远优于铝,原因如下:①铜芯导线载流量大于相同截面铝芯导线1.3倍;②在相同应力下,铝排变形而铜排完好无缺,对于机械强度及对短路电流产生的破坏力的图2负荷中心的确定承受能力,铜母线是140MPa,铝母线是70MPa,分别以电源S为中心,求出S至A、B、C、D、铜是铝的2倍:③是铜的阻燃性优于铝:④铜和EF各终端负荷产生的线路输送损耗总量。不铝的电阻率p分别为001889·mm2/m和断调整S位置,求出对应损耗,直至损耗最小。0.0317g·mm2/m,显然采用铜芯导线可减少这时的电源位置对节能而言为最佳,即为真正的输电线路的损耗。综上所述,铜芯导线在电气照负荷中心。明系统中的综合优势远大于铝芯导线,达到了经2.3负荷三相平衡济性目的。建筑供配电及照明系统中,系统设计的平面在实际电气照明工程中,终端用户无论功能布置及系统方案应尽可能做到三相对称布置。如何,均有灯具与插座。由于灯具与插座安装的因在电气照明系统设计中,选导线时先选一相线特殊性因此在导线的敷设中,有对应的敷设方截面,再确定另两相线截面,进而最终确定中性式。对于住宅、办公室、教室、设计室、会议室等线与EE线截面。三相越接近,管线电材使用越终端用户,其灯具的供电导线敷设方式多为沿顶经济,且能耗也最小。究其原因,建筑供配电及或沿吊顶敷设,而插座的供电导线敷设方式多为照明系统中终端用户的供电形式均为三相五线沿地暗敷。选择最适宜的敷设方式,就近敷设导制工作方式。中性线中通过系统三相负荷运行线,可大大减少供电导线用量,节省有色金属,也中的不平衡电流;若系统三相负荷对称运行,中相应减少线路的输送损耗。性线上通过电流则为零,若三相负荷越不对称,2.2电源设在负荷中心中性线上的三相不对称电流就越大,对应系统输在实际工程设计中,无论是变电所位置,还电线路电能的损耗也就越大。是建筑体内电井或配电箱位置,均应设在系统负3变压器经济运行荷中心。所谓负荷中心,是指由电源至所有终端负荷用户所产生的系统输电线路损耗总量。影要实现变压器经济运行,可选择节能型变压响线路损耗的因素有:①电网输电线路长度;器;减小变压器空载损耗(铁损)及运行损耗(铜②2通过电网的电流;③输电网导线单位长度电损);将变压器的负荷率调整至合理区间;提高系阻值。它们之间满足如下关系统功率因数;治理系统谐波,进而实现变压器经P=LR2)济科学运行等措施R=RoL(3)3.1减少变压器的有功损耗式中:P—输电网功率损耗,W;变压器有功损耗的计算公式为输电网电流,A;△P=Pa+2BP(4)R—输电网导线电阻,9;式中:△PR。—输电网单位长度电阻值,P YH中国煤化工;PCNMHG24现代建筑电气MMAE·供配电o 12 Vol3 (Serial No. 36)2012Pk—变压器的短路损耗kW;4抑制系统谐波降低系统损耗B变压器的负载率。32降低空载损耗实际建筑供配电系统存在大量谐波源,如气P0作为变压器的空载损耗,又称铁损,是由体放电光源、感应电动机、电焊机、变压器、各种铁心涡流损耗及漏磁损耗组成,其值与铁心材料整流器、逆变器、斩波器、开关电源及不间断电源及制造工艺有关,与负荷大小无关。所以,在选等。正弦波电压施加在这些非线性元件上时,产用变压器时,最好选择节能型变压器,如S9、SC8生大量谐波,出现电气设备发热、绝缘老化、损耗等其采用优质冷轧取向矽钢片,由于“取向”处|增加、负荷能力下降系统二次计量及继电保护理,使矽钢片的磁畴方向接近一致,减少了铁心出现误差及误动、干扰通信系统、引起系统谐振涡流损耗。45°全斜度接缝结构,使接缝密合性等危害。为防止危害,降低系统损耗,治理谐波好,减少了漏磁损耗。是非常必要的。3.3降低负载损耗4.1谐波Pk是变压器额定负载传输的损耗,又称变谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里压器线损,取决于变压器绕组的电阻及流过绕组叶级数分解,所得到的大于基波频率整数倍的各电流的大小,与负荷率平方成正比。因此,在选次分量。电网谐波的产生,主要在于系统中存在择变压器时,应选用阻值较小的绕组,如铜心变大量非线性元件,如气体放电光源、感应电动机、压器。电焊机、变压器、各种整流器、逆变器、斩波器、开3.4选择适宜的负载率关电源及不间断电源( Uninterruptible Power负载重的计算公式如下:Supply,UPS)等,是电网中的主要谐波源。当正B=S/S(5)弦波电压施加在非线性元件上时,电流就变为非式中:B—变压器的负载率;正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,使Sn—变压器额定容量;电压波形畸变。S——变压器运行中的实际容量。4.2谐波的危害由于变压器在运行过程中,外界负荷经常变谐波对系统的危害主要体现在以下几方面化,因此应采取一段时间内的平均负荷率。从理(1)谐波电流通过变压器,可使变压器铁心论而言,用微分求极值,在负载率β=50%时,变损耗明显增加,进而使变压器发热,降低其过载压器能耗最小,但此时仅减少变压器的线损,并能力缩短使用寿命。未减少变压器的铁损,因此也不是最节能的。考(2)谐波电流通过电动机,不仅会使电动机虑到变压器初装费高低压柜、土建投资及各项铁心损耗增加而且严重时,会使电动机转子发运行费用,要使变压器在使用期内预留适当的容生振动现象,影响机械加工产品的质量量,变压器最经济的节能运行负载率一般应为(3)由于容抗与频率成反比,电容器对谐波75%~85%。阻抗很小,因此谐波对电容器影响更为突出,易3.5实施无功补偿发生电容器过负荷甚至烧毁现象。对变压器所在系统实施电容器组无功补偿,(4)谐波电流可使电力系统电能损耗与电提高系统功率因数,可提高变压器的负载能力,压损耗增加。在变压器容量一定的情况下,提高了利用效率。(5)谐波使二次计量出现误差,二次继电保积极治理系统谐波,减小变压器铁心损耗护装置发生误动作减小变压器输出端不平衡电流,提高变压器负荷(6)在三相中国煤化工由于流能力,延长使用寿命使变压器经济、合理科学过大量的3次及CNMHG成中性地运行线过热。TY中国煤化工CNMHG规代建筑电气MAE·供配电·12 Vol3(Serial No 36)2012度。所以,综合考虑系统几种因素,认真分析,找7电气设备额定效率。到需用系数取值。在满足系统安全稳定运行条5.3提高需用系数的科学性与合理性件下,做到安全、科学、经济、合理、节能。在实际工程设计中,应充分考虑不同建筑功5.1需用系数在实际工程中应用能间用电同时系数不同,需用系数取值不同。如在实际建筑供配电工程中,电气设备铭牌数相同的一栋楼做职工宿舍或做旅店时,用电同时据不能参与系统设计,所以,为完成系统设计,必率不同,需用系数取值也不同。同为酒店,客房须根据实际建筑功能间中电气设备的布置情况数不同时,客房数多的同时用电率小于客房数少统计负荷量。统计电力负荷的目的是为供电系的,前者需用系数取值相对较小。民用建筑电气统设计提供正常状态下的系统理论数据(计算数设计规范中,住宅的需用系数是随着户数的递增据),并以其为依据设计一、二次系统,即选择设而减小。同理,酒店、写字楼职工宿舍楼也应考备、导线,进行二次系统整定。统计电力负荷是虑相应递减梯度。将设备铭牌数据科学地转化为系统理论数据,包对建筑工地、车间的电气设备群,酒店与办括系统损耗与尖峰电流的计算,根据系统计算数公楼空调等,应对电气设备的负荷率给予重点考据选择的导线、设备,能保证其正常使用寿命,也虑,需用系数取值就会更科学、合理。保证了整个系统安全、稳定、经济、合理地运行。实际工程中力求提高电气设备的工作效率。实际工程中统计负荷量的方法有多种需用如提高电气设备功率因数减小电气设备损耗,系数法是其中一种,且在民用建筑中应用最为减小系统谐波提高电气设备的制造工艺等均广泛。可改善电气设备的电能与其他能之间的转换5.2需用系数法的物理意义效率。供配电系统在实际运行中的负荷容量往往实际工程设计中,由系统负荷实际分布情况小于其铭牌容量,这是由于系统设备工作的同时确定系统供电负荷中心,即系统电源位置;选择率是随机变化的,且设备的负荷情况不同,工作最住供电路径,力求在保证电网正常运行条件下方式也不同。考虑到上述情况及系统、设备的工减小电网总长度;使用电阻率小的铜芯输电导线作效率,在统计系统负荷量时引入科学的计算系减小电网输电损耗;提高电力系统供电电源电能数K,称为需用系数。质量,均可达到提高系统电网传输效率目的。需用系数的定义为6结语P(6)全世界范围内均存在能源短缺及能源危机。式中:P——系统有功计算负荷,W;中央提出建设节约型社会、发展节约型经济的要P—系统设备容量,W;求,实现建筑节能、建筑电气节能、建筑供配电节K一系统需用系数能成为当务之急。建筑供配电节能在建筑电气需用系数的物理意义为节能中具有举足轻重的作用。对建筑供配电节KK能的具体方法和措施的分析为实际工程节能提们nN供了理论支持。式中:Kx—系统用电设备同时系数K1——负荷系数,运行设备并非全满载,设备组在系统出现最大负荷时,运行设备实际功率与设备组总容量参H文超中国煤化工Ps之比,一般情况下K1<1CNMHGm—供电线路传输效率[1]曹祥红,张华,陈继斌,建筑供配电系统设计[M]TY中国煤化工CNMHG