建筑供配電節能

MAE視代建筑電氣0 12 Vol 3供配電·建筑供配電節能韓銀鳳,趙麗,董偉,蔡麗敏(長(cháng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院,陜西西安710061)摘要:針對世界范圍內能源短缺現狀,分析了建筑節能、建筑電氣節能、建筑供配電節能對建設節約型社會(huì ),發(fā)展節約型經(jīng)濟的重要性,并著(zhù)重論述了建筑供配電節能的具體方法及措施,對建筑節能研究有重要意義。關(guān)鍵詞:節能;功率因數;變壓器;經(jīng)濟運行;諧波;需用系數韓銀鳳(1988),女,碩士研究生,研究方向中圖分類(lèi)號:TU852文獻標志碼:A文章編號:16748417(2012)12002207為建筑供配電、建筑電0引言舉足輕重的作用。同時(shí),也是保障國家能源安全保護環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量、貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展目前,全世界范圍內均存在能源短缺及能源觀(guān)的一項重要舉措。因此,建筑電氣節能顯得尤危機,有關(guān)節能、生態(tài)、環(huán)境保護和可持續發(fā)展等為重要,如何將節能技術(shù)合理應用到實(shí)際工程項問(wèn)題已成為全社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn),也引發(fā)了人類(lèi)對目中,已是當務(wù)之急。建筑供配電是建筑電氣節于生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的反思。我國是一個(gè)能源相對能的重要組成部分,且與人們的工作生活密切相匱乏的能源消耗大國,節約能源、保護環(huán)境顯得關(guān),所以研究建筑供配電節能具有重大意義。尤為重要,多方位降低能耗則是我國的艱巨任務(wù)在實(shí)際工程中建筑供配電節能措施主要著(zhù)與目標。在歐美一些發(fā)達國家,節能型建筑的比眼于以下幾個(gè)方面。例已達40%。我國能源消耗急劇增加,能源危機日益嚴重。作為能耗大戶(hù)的建筑能耗,已是影響1提高系統功率因數社會(huì )可持續發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題。為此,中央經(jīng)對于大量感性負載所需的滯后無(wú)功,由電容濟工作會(huì )議提出建設節約型社會(huì )、發(fā)展節約型經(jīng)器的超前無(wú)功來(lái)補償,提高個(gè)體設備或整體系統濟的目標,要求各地大力推廣節能型建筑。由此的電能轉換效率,進(jìn)而提高系統電源的利用效可見(jiàn),建筑節能已成為必然。國家與地方相繼出率,減小無(wú)功功率在線(xiàn)路上傳輸時(shí)對應產(chǎn)生的線(xiàn)臺了建筑節能相關(guān)設計規范與標準。路損耗,進(jìn)而提高電網(wǎng)輸送效率。建筑電氣占建筑總能耗量的33%,是建筑能1.1功率因數耗大戶(hù)。一項完善的建筑電氣節能設計將為建筑在建筑供配電系統中,有三種功率,即有功長(cháng)期低能耗運行奠定良好的基礎,對于促進(jìn)能源功率、無(wú)功功率、視在功率。合理利用、節約能源、緩解能源緊張、加快發(fā)展循(1)有功功率。有功功率是指用電設備將環(huán)經(jīng)濟、實(shí)現我國國民經(jīng)濟可持續、高速發(fā)展有著(zhù)電能轉化為其他能,如電動(dòng)機將電能轉化為機械趙麗(1959—),女,副教授,研究方向為建筑供配電、建筑電氣。董偉(1959—),男,碩士研究生,研究方向為建筑供配電、建筑電氣。蔡麗敏(1988-),女,碩士研究生,研究方向為建筑供配電、建筑電氣。Ha中國煤化工CNMHG現代建筑電氣MAE·供配電·o 12 Vol 3(Serial No 36)2012能、電光源將電能轉化為光能,微波爐將電能轉|行缺乏經(jīng)濟性、科學(xué)性和合理性,電力系統管理化為熱能等對應消耗的功率。有功功率用P表不到位且利用效率較低。提高功率因數可提高示,單位為W(瓦)。發(fā)電機與變壓器的電能供給能力。如1臺(2)無(wú)功功率。無(wú)功功率是指感性用電設100VA的變壓器,求可帶P為10kW,cosg為備工作時(shí)必須取用的一種交換功率,并非用電目0.5的電動(dòng)機臺數。若將電動(dòng)機cosφ提高為0.9,的,而是為達到某用電目的,必須向電源索取的又可帶幾臺?交換功率。如熒光燈的工作目的是將電能轉化(1)功率因數為0.5時(shí)可帶電動(dòng)機臺數:為光能,但為保證其正常啟輝,且運行時(shí)限流,就cosco =0.5必須使用鎮流器,而鎮流器要向系統電源索取用P10來(lái)交換的無(wú)功功率。無(wú)功功率用Q表示,單位為cosp 0.5=20 kVAvar(乏)。100(3)視在功率。視在功率是指用電設備向電源取用的總功率,用S表示,單位為VA(伏安)。(2)功率因數為0.9時(shí),可帶電動(dòng)機臺數:在實(shí)際中,系統向電源取用的總功率為S(視0.9在功率)分為兩部分:其一為有功功率,是將電P10能轉化為其他能的對應功率,是用電目的;其二cosp 0.9=11 kVA是無(wú)功功率,是為保證系統正常工作而必須付出Sr100N的交換功率,并非用電目的。實(shí)際工程中,希望有功功率在視在功率中占的比例越大越好,而無(wú)可見(jiàn),提高功率因數可充分挖掘電源的利用功功率在視在功率中占的比例越小越好。電路率。由P=Bco公式可看出,在發(fā)電機發(fā)出功理論中三者關(guān)系符合功率三角形,如圖1所示。率及輸電網(wǎng)電壓一定的情況下,功率因數cosφ增大,輸電網(wǎng)電流減小。這樣可減小輸電網(wǎng)有色金屬的投入量,也相應減小了輸電網(wǎng)的線(xiàn)路輸電損耗。同時(shí),輸電網(wǎng)的線(xiàn)路輸送壓降減小,進(jìn)而保證了受電端用戶(hù)的電能質(zhì)量。綜上所述,提高功率因數的意義有以下幾點(diǎn):(1)提高電源設備、發(fā)電機、變壓器的利用圖1功率三角形效率。(2)減小輸電網(wǎng)有色金屬的投入量。為表達電源的利用效率,將有功功率與視在功率之比定義為系統功率因數,用功率三角形中(3)減小輸電網(wǎng)的線(xiàn)路輸電損耗。的阻抗角余弦cosq表示。(4)減小輸電網(wǎng)的線(xiàn)路輸送壓降,進(jìn)而保證受電端用戶(hù)的電能質(zhì)量P(1)(5)對于個(gè)體用電設備,可降低其向電源索顯然,cosq越大,說(shuō)明總視在功率中有功成取的總視在功率分越大,電源的利用效率就越高,即功率因數的2優(yōu)化系統設計大小直接表征了電源利用效率的高低。1.2提高功率因數的意義優(yōu)化設計方案的措施有:合理確定系統電網(wǎng)在實(shí)際工程中,由于系統感性負荷較多,類(lèi)型;盡可能將系統電源設立在負荷中心,減小cos小,對應電源在輸電線(xiàn)路上產(chǎn)生感性無(wú)功電不必要的線(xiàn)路中國煤化工妥裝,減流分量,引起較大的電網(wǎng)線(xiàn)路輸送損耗。系統運小不對稱(chēng)電流ICNMHGMA圍現代建筑電氣No 12 Vol3 (Serial No. 36)2012·供配電·L—輸電網(wǎng)導線(xiàn)長(cháng)度,km。2.1系統導線(xiàn)與節能負荷中心的確定過(guò)程如圖2所示。強電系統有四大類(lèi)導線(xiàn):架空線(xiàn)、母線(xiàn)、電纜、低壓絕緣導線(xiàn)。民用建筑供配電系統常用母線(xiàn)、電纜、低壓絕緣導線(xiàn)三大類(lèi)。在實(shí)際系統中,三大類(lèi)導線(xiàn)一般均用銅芯線(xiàn),銅雖價(jià)格高于鋁但其綜合效應在電專(zhuān)業(yè)中卻遠優(yōu)于鋁,原因如下:①銅芯導線(xiàn)載流量大于相同截面鋁芯導線(xiàn)1.3倍;②在相同應力下,鋁排變形而銅排完好無(wú)缺,對于機械強度及對短路電流產(chǎn)生的破壞力的圖2負荷中心的確定承受能力,銅母線(xiàn)是140MPa,鋁母線(xiàn)是70MPa,分別以電源S為中心,求出S至A、B、C、D、銅是鋁的2倍:③是銅的阻燃性?xún)?yōu)于鋁:④銅和EF各終端負荷產(chǎn)生的線(xiàn)路輸送損耗總量。不鋁的電阻率p分別為001889·mm2/m和斷調整S位置,求出對應損耗,直至損耗最小。0.0317g·mm2/m,顯然采用銅芯導線(xiàn)可減少這時(shí)的電源位置對節能而言為最佳,即為真正的輸電線(xiàn)路的損耗。綜上所述,銅芯導線(xiàn)在電氣照負荷中心。明系統中的綜合優(yōu)勢遠大于鋁芯導線(xiàn),達到了經(jīng)2.3負荷三相平衡濟性目的。建筑供配電及照明系統中,系統設計的平面在實(shí)際電氣照明工程中,終端用戶(hù)無(wú)論功能布置及系統方案應盡可能做到三相對稱(chēng)布置。如何,均有燈具與插座。由于燈具與插座安裝的因在電氣照明系統設計中,選導線(xiàn)時(shí)先選一相線(xiàn)特殊性因此在導線(xiàn)的敷設中,有對應的敷設方截面,再確定另兩相線(xiàn)截面,進(jìn)而最終確定中性式。對于住宅、辦公室、教室、設計室、會(huì )議室等線(xiàn)與EE線(xiàn)截面。三相越接近,管線(xiàn)電材使用越終端用戶(hù),其燈具的供電導線(xiàn)敷設方式多為沿頂經(jīng)濟,且能耗也最小。究其原因,建筑供配電及或沿吊頂敷設,而插座的供電導線(xiàn)敷設方式多為照明系統中終端用戶(hù)的供電形式均為三相五線(xiàn)沿地暗敷。選擇最適宜的敷設方式,就近敷設導制工作方式。中性線(xiàn)中通過(guò)系統三相負荷運行線(xiàn),可大大減少供電導線(xiàn)用量,節省有色金屬,也中的不平衡電流;若系統三相負荷對稱(chēng)運行,中相應減少線(xiàn)路的輸送損耗。性線(xiàn)上通過(guò)電流則為零,若三相負荷越不對稱(chēng),2.2電源設在負荷中心中性線(xiàn)上的三相不對稱(chēng)電流就越大,對應系統輸在實(shí)際工程設計中,無(wú)論是變電所位置,還電線(xiàn)路電能的損耗也就越大。是建筑體內電井或配電箱位置,均應設在系統負3變壓器經(jīng)濟運行荷中心。所謂負荷中心,是指由電源至所有終端負荷用戶(hù)所產(chǎn)生的系統輸電線(xiàn)路損耗總量。影要實(shí)現變壓器經(jīng)濟運行,可選擇節能型變壓響線(xiàn)路損耗的因素有:①電網(wǎng)輸電線(xiàn)路長(cháng)度;器;減小變壓器空載損耗(鐵損)及運行損耗(銅②2通過(guò)電網(wǎng)的電流;③輸電網(wǎng)導線(xiàn)單位長(cháng)度電損);將變壓器的負荷率調整至合理區間;提高系阻值。它們之間滿(mǎn)足如下關(guān)系統功率因數;治理系統諧波,進(jìn)而實(shí)現變壓器經(jīng)P=LR2)濟科學(xué)運行等措施R=RoL(3)3.1減少變壓器的有功損耗式中:P—輸電網(wǎng)功率損耗,W;變壓器有功損耗的計算公式為輸電網(wǎng)電流,A;△P=Pa+2BP(4)R—輸電網(wǎng)導線(xiàn)電阻,9;式中:△PR?！旊娋W(wǎng)單位長(cháng)度電阻值,P YH中國煤化工;PCNMHG24現代建筑電氣MMAE·供配電o 12 Vol3 (Serial No. 36)2012Pk—變壓器的短路損耗kW;4抑制系統諧波降低系統損耗B變壓器的負載率。32降低空載損耗實(shí)際建筑供配電系統存在大量諧波源,如氣P0作為變壓器的空載損耗,又稱(chēng)鐵損,是由體放電光源、感應電動(dòng)機、電焊機、變壓器、各種鐵心渦流損耗及漏磁損耗組成,其值與鐵心材料整流器、逆變器、斬波器、開(kāi)關(guān)電源及不間斷電源及制造工藝有關(guān),與負荷大小無(wú)關(guān)。所以,在選等。正弦波電壓施加在這些非線(xiàn)性元件上時(shí),產(chǎn)用變壓器時(shí),最好選擇節能型變壓器,如S9、SC8生大量諧波,出現電氣設備發(fā)熱、絕緣老化、損耗等其采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向矽鋼片,由于“取向”處|增加、負荷能力下降系統二次計量及繼電保護理,使矽鋼片的磁疇方向接近一致,減少了鐵心出現誤差及誤動(dòng)、干擾通信系統、引起系統諧振渦流損耗。45°全斜度接縫結構,使接縫密合性等危害。為防止危害,降低系統損耗,治理諧波好,減少了漏磁損耗。是非常必要的。3.3降低負載損耗4.1諧波Pk是變壓器額定負載傳輸的損耗,又稱(chēng)變諧波是指對周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里壓器線(xiàn)損,取決于變壓器繞組的電阻及流過(guò)繞組葉級數分解,所得到的大于基波頻率整數倍的各電流的大小,與負荷率平方成正比。因此,在選次分量。電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生,主要在于系統中存在擇變壓器時(shí),應選用阻值較小的繞組,如銅心變大量非線(xiàn)性元件,如氣體放電光源、感應電動(dòng)機、壓器。電焊機、變壓器、各種整流器、逆變器、斬波器、開(kāi)3.4選擇適宜的負載率關(guān)電源及不間斷電源( Uninterruptible Power負載重的計算公式如下:Supply,UPS)等,是電網(wǎng)中的主要諧波源。當正B=S/S(5)弦波電壓施加在非線(xiàn)性元件上時(shí),電流就變?yōu)榉鞘街?B—變壓器的負載率;正弦波,非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降,使Sn—變壓器額定容量;電壓波形畸變。S——變壓器運行中的實(shí)際容量。4.2諧波的危害由于變壓器在運行過(guò)程中,外界負荷經(jīng)常變諧波對系統的危害主要體現在以下幾方面化,因此應采取一段時(shí)間內的平均負荷率。從理(1)諧波電流通過(guò)變壓器,可使變壓器鐵心論而言,用微分求極值,在負載率β=50%時(shí),變損耗明顯增加,進(jìn)而使變壓器發(fā)熱,降低其過(guò)載壓器能耗最小,但此時(shí)僅減少變壓器的線(xiàn)損,并能力縮短使用壽命。未減少變壓器的鐵損,因此也不是最節能的?？?2)諧波電流通過(guò)電動(dòng)機,不僅會(huì )使電動(dòng)機慮到變壓器初裝費高低壓柜、土建投資及各項鐵心損耗增加而且嚴重時(shí),會(huì )使電動(dòng)機轉子發(fā)運行費用,要使變壓器在使用期內預留適當的容生振動(dòng)現象,影響機械加工產(chǎn)品的質(zhì)量量,變壓器最經(jīng)濟的節能運行負載率一般應為(3)由于容抗與頻率成反比,電容器對諧波75%~85%。阻抗很小,因此諧波對電容器影響更為突出,易3.5實(shí)施無(wú)功補償發(fā)生電容器過(guò)負荷甚至燒毀現象。對變壓器所在系統實(shí)施電容器組無(wú)功補償,(4)諧波電流可使電力系統電能損耗與電提高系統功率因數,可提高變壓器的負載能力,壓損耗增加。在變壓器容量一定的情況下,提高了利用效率。(5)諧波使二次計量出現誤差,二次繼電保積極治理系統諧波,減小變壓器鐵心損耗護裝置發(fā)生誤動(dòng)作減小變壓器輸出端不平衡電流,提高變壓器負荷(6)在三相中國煤化工由于流能力,延長(cháng)使用壽命使變壓器經(jīng)濟、合理科學(xué)過(guò)大量的3次及CNMHG成中性地運行線(xiàn)過(guò)熱。TY中國煤化工CNMHG規代建筑電氣MAE·供配電·12 Vol3(Serial No 36)2012度。所以,綜合考慮系統幾種因素,認真分析,找7電氣設備額定效率。到需用系數取值。在滿(mǎn)足系統安全穩定運行條5.3提高需用系數的科學(xué)性與合理性件下,做到安全、科學(xué)、經(jīng)濟、合理、節能。在實(shí)際工程設計中,應充分考慮不同建筑功5.1需用系數在實(shí)際工程中應用能間用電同時(shí)系數不同,需用系數取值不同。如在實(shí)際建筑供配電工程中,電氣設備銘牌數相同的一棟樓做職工宿舍或做旅店時(shí),用電同時(shí)據不能參與系統設計,所以,為完成系統設計,必率不同,需用系數取值也不同。同為酒店,客房須根據實(shí)際建筑功能間中電氣設備的布置情況數不同時(shí),客房數多的同時(shí)用電率小于客房數少統計負荷量。統計電力負荷的目的是為供電系的,前者需用系數取值相對較小。民用建筑電氣統設計提供正常狀態(tài)下的系統理論數據(計算數設計規范中,住宅的需用系數是隨著(zhù)戶(hù)數的遞增據),并以其為依據設計一、二次系統,即選擇設而減小。同理,酒店、寫(xiě)字樓職工宿舍樓也應考備、導線(xiàn),進(jìn)行二次系統整定。統計電力負荷是慮相應遞減梯度。將設備銘牌數據科學(xué)地轉化為系統理論數據,包對建筑工地、車(chē)間的電氣設備群,酒店與辦括系統損耗與尖峰電流的計算,根據系統計算數公樓空調等,應對電氣設備的負荷率給予重點(diǎn)考據選擇的導線(xiàn)、設備,能保證其正常使用壽命,也慮,需用系數取值就會(huì )更科學(xué)、合理。保證了整個(gè)系統安全、穩定、經(jīng)濟、合理地運行。實(shí)際工程中力求提高電氣設備的工作效率。實(shí)際工程中統計負荷量的方法有多種需用如提高電氣設備功率因數減小電氣設備損耗,系數法是其中一種,且在民用建筑中應用最為減小系統諧波提高電氣設備的制造工藝等均廣泛?？筛纳齐姎庠O備的電能與其他能之間的轉換5.2需用系數法的物理意義效率。供配電系統在實(shí)際運行中的負荷容量往往實(shí)際工程設計中,由系統負荷實(shí)際分布情況小于其銘牌容量,這是由于系統設備工作的同時(shí)確定系統供電負荷中心,即系統電源位置;選擇率是隨機變化的,且設備的負荷情況不同,工作最住供電路徑,力求在保證電網(wǎng)正常運行條件下方式也不同?？紤]到上述情況及系統、設備的工減小電網(wǎng)總長(cháng)度;使用電阻率小的銅芯輸電導線(xiàn)作效率,在統計系統負荷量時(shí)引入科學(xué)的計算系減小電網(wǎng)輸電損耗;提高電力系統供電電源電能數K,稱(chēng)為需用系數。質(zhì)量,均可達到提高系統電網(wǎng)傳輸效率目的。需用系數的定義為6結語(yǔ)P(6)全世界范圍內均存在能源短缺及能源危機。式中:P——系統有功計算負荷,W;中央提出建設節約型社會(huì )、發(fā)展節約型經(jīng)濟的要P—系統設備容量,W;求,實(shí)現建筑節能、建筑電氣節能、建筑供配電節K一系統需用系數能成為當務(wù)之急。建筑供配電節能在建筑電氣需用系數的物理意義為節能中具有舉足輕重的作用。對建筑供配電節KK能的具體方法和措施的分析為實(shí)際工程節能提們nN供了理論支持。式中:Kx—系統用電設備同時(shí)系數K1——負荷系數,運行設備并非全滿(mǎn)載,設備組在系統出現最大負荷時(shí),運行設備實(shí)際功率與設備組總容量參H文超中國煤化工Ps之比,一般情況下K1<1CNMHGm—供電線(xiàn)路傳輸效率[1]曹祥紅,張華,陳繼斌,建筑供配電系統設計[M]TY中國煤化工CNMHG