高层建筑供配电系统节能设计分析

低压电器(2009󰀂22)现代建筑电气篇

高层建筑供配电系统节能设计分析

王忠勇

(福建武夷学院电子工程系,福建武夷山!354300)

*

摘!要:针对高层建筑物结构复杂,功能要求齐全,供配电系统设计内容多等现状,介绍了高层建筑电气设计的主要内容。从节能的角度,分析了变压器、供配电系统等各个不同功能单元的设计原则。提出应在满足基本使用条件的前提下,重点采用新的设计方法、新材料进行高层建筑的供配电系统设计。

关键词:高层建筑;供配电系统;节能

中图分类号:TU201.5!文献标识码:B!文章编号:1001󰀁5531(2009)22󰀁0061󰀁04

王忠勇(1972 ),男,工程师,硕士,从事电气工程的设计、施工与教学科研工作。

AnalysisaboutDesignofEnergySavingofPowerSupply

andDistributionSysteminHigh󰀁RiseBuilding

WANGZhongyong

(DepartmentofElectronicEngineering,WuyiUniversity,Wuyishan354300,China)

!!Abstract:Aimingatthecurrentsituationofthecomplexstructureofhigh󰀁risebuilding,itscompletefunctiondemandandaboundantcontentofpowersupplyanddistributionsystemdesign,themaincontentofhigh󰀁risebuild󰀁ingelectricdesignwasintroduced.Fromthepointviewofenergysaving,

thedesignprinciplesofeachdifferent

functionalpartliketransformer,powersupplyanddistributionsystemwereanalyzed.Itwaspointedoutthatempha󰀁sisshouldbepaidonthenewtechnologyandmaterialstodesignpowersupplyanddistributionsysteminhigh󰀁risebuildingonthebasisofmeetingthebasicusecondition.

Keywords:high󰀁risebuilding;powersupplyanddistributionsystem;energysaving

0!引!言

高层建筑如大型写字楼、商业大厦、购物中心等结构比较复杂,其中包括大量的动力设备、电气设备、复杂的照明系统以及完善的消防安全系统,对电气功能要求比较高。由于商业场所自身的特点,其对电能的消耗量相当大,节能潜力也很大。据统计,在综合性建筑的电能消耗中通风空调系统等占总能耗的35.6%,照明能耗占总能耗的33%。因此,建筑节能这项迫切的任务,尤其在设计阶段是应该着重注意的问题。

高层建筑的电气节能设计应遵循以下3个原则。

(1)应满足建筑物的电气功能,即照明系统要满足照明的照度、色温、显色指数要求;通风空调系统要能提供舒适的温度及恰当的新风量;电

梯系统要使上下、左右的运输通道畅通无阻;满足特殊要求,如娱乐场所中一些电气设施的用电、展厅的工艺照明及电力用电等。

(2)应考虑实际经济效益,出于综合性建筑运行的长期性考虑,减少运行期间的维修费用,使增加的投资能在几年或较短的时间内用节能措施节省的运行费用相抵扣。

(3)综合性建筑电气设计的内容复杂,要求高,节能要从长远着手,贯彻经济、合理、技术和材料先进的原则,精心考虑,仔细斟酌具体的设计细节。

总之,基于节能的电气设计,就是要通过详细的计算做好设计分析,选用合理的电气设备,尽量采用已经推广的新材料、新技术等。本文以笔者参与设计的某高层建筑为例,从电气设计的角度来分析和探讨高层建筑的电气节能问题。

*基金项目:福建省科技厅省属高校基金(2008F5059);福建省教育厅A类课题基金项目(JA08245)

61

低压电器(2009󰀂22)现代建筑电气篇

󰀁建筑节能󰀁

1!变压器的选择

对变压器的选择,首先要进行高层建筑的电气设计,通过参考电力负荷曲线详细地计算,然后确定设计的方法,使负荷曲线尽量平坦,尽量减少闲置设备和闲置容量,使功率得到最大的利用,减少浪费。

1.1!变压器的类型选择

!!变压器的类型选择对于高层建筑的日常用电节能非常关键。变压器的空载损耗(铁损)主要发生在变压器铁心叠片内,它是因交变的磁力线通过铁心产生磁滞及涡流而带来的损耗。近年来,变压器的铁心材料已采用最新的非晶态磁性节能材料,非晶合金铁心变压器便应运而生。另外,S11、S13等型号变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构,大大减少了磁阻,空载电流减少了60%~80%,提高了功率因数,降低了电网线损,改善了电网的供电质量,使空载损耗降低20%~35%。1.2!变压器的容量选择

!!为了使变压器负载率接近最佳值,考虑变压器铜耗与负载率的平方成正比,在不同的负载下变压器的有功损耗不同,计算公式为

2

󰀁P=P0+󰀂Pk式中!P0 空载损耗标称值

Pk 短路损耗标称值

󰀂 负载率

以S9-400kVA/10kV变压器为例,计算结果如表1所示。变压器的相关数据为I0%=1.0,ud%=4.0,P0=0.8kW,Pk=4.3kW,cos =0.9。

表1!变压器容量选择

󰀂1.00.80.60.40.30.1

󰀁P/kW5.103.552.351.491.190.84

!/%98.6098.7698.9298.9898.9197.71

器的效率逐渐降低。因此,变压器的负荷率过高,也会增加电能损耗。由于现在综合性建筑物中的非线性负载日益增多,电力系统中的高次谐波分量增加,也就增加了变压器的负荷,而由谐波电流增加的这部分谐波负荷在负荷计算时是无法准确

计算的。另外,设计中又要考虑长期发展预留的一定余量,这些因素都不允许将变压器的负荷率取得过高。通常变压器负荷率在65%~80%比较合适。

当变压器长期在轻载下运行,使空载损耗的比重增加和功率因数降低(低于0.5),这将会造成电力系统的电能损耗增加。但是,若变压器的负荷率过高(高于0.85),则变压器的寿命将缩短,效率变低。

以某高层建筑为例,其总建筑面积为20110m,使用性质为高级写字楼。设置变压器4台。表2、表3对4台变压器设计容量分别进行分析。

表2!某高层建筑变压器容量设计比较(单位:kVA)

变电所

安装位置分析方法1分析方法2

2∀20002∀20002∀10002∀2050

2∀16002∀16002∀8002∀1600

2

D3Z/1/1、2号变压器地下3层D1Z/2/1、2号变压器地下1层F11Z/1、2号变压器F19Z/1、2号变压器

11层19层

表3!某高层建筑变压器指标分析指标总安装容量/kVA单位负荷密度指标

/(VA/m2)

分析方法110100502.3

分析方法28000397.8

!!两者的用电负荷计算均采用需要系数法,而用电项目的需要系数取值不同。如电梯的需要系数取0.185或0.165,而且其他用电项目中根据规范也有不同的取值差别,从而造成两个设计结果的不同。方法1对需要系数的取值是保守的,没有反映现代高层建筑的负荷特点,没有考虑节能问题;方法2考虑到了现代高层建筑中用电设备出现的新特点,如电梯、水泵除采用变频调速方式运行,也考虑到科学优化的运行管理,以最佳的组

!!由实践数据可知,变压器的负荷率在0.5左右时效率最高。随着变压器负荷率的增加,变压

62

󰀁建筑节能󰀁

低压电器(2009󰀂22)现代建筑电气篇

合方式控制设备的起停。因此,在设计时认为方法2的需要系数取值更趋合理,符合节能的目的。1.3!供电方式的最优选择

!!福州几乎每年都受台风袭击,因此,高层建筑对供电的可靠性有更高的要求,采用除市电电源外的柴油发电机组供电是必备的设计要求。但是在设计供电方式时,还要针对具体的情况来确定,以达到最好的节能效果。所以,该建筑的设计采用两路独立电源运行方式,原则上是两路同时供电,互为备用。

在设计时,重点考虑图1和图2所示两种连接方式(只画出柴油发电机组和第一台变压器的连接部分)。一种是变压器和柴油发电机组互不联系,各自独立,发电机组有独立的母线(见图1);另一种是发电机组不设专用的母线,和变压器共用一条母线(见图2)。

具的应用将达到85%,在公共设施、宾馆、商厦、写字楼以及住宅中推广高效节能照明系统是#十一五∃期间中国十大节能重点工程之一。高层建筑物使用面积大,有不同的功能区(包括工作区和服务区),照明的类别比较复杂(包括工作区、工作间、走廊过道、消防通道、洗手间等的照明),因此照明系统的节能措施是考核建筑物照明设计是否合理的重要指标。通常照明系统的节能设计从两方面着手:降低照明装置的单位耗电率;在设计阶段采取节电措施减少不必要的损耗。2.1!充分利用自然光源

!!照明的节能除了有效设计灯具和照明控制系统外,如何最大程度地利用天然光源,确定采光方式,将自然光和人工照明结合起来是一个很关键的问题。自然光的利用分为两方面:一是室内引入阳光,提高白天阳光的利用率;二是充分利用光能的转换,白天积蓄能量,晚上供应灯具照明用。

(1)对室外的灯具或者部分装饰灯具,采用太阳能灯具,虽然灯具价格较高,但从长远来看,可以大大减少电能的损耗。

(2)对于室内灯具,可以采用太阳能蓄电池系统。这两方面都涉及到初始投资和长期电能的

图1!变压器和柴油发电机组的连接方式1

节约问题,从能源节约角度来看是很有必要的。(3)选用高效的灯具,在不同的工作场所采用不同的照明灯具。2.2!合理确定照明方式

!!对房间照明可以采用技术措施,用小功率的照明设施完成预定的照明功能,来减少照明损耗。通常采取以下几个方面的措施:采用适当的反射系数高的饰面,增加亮度;限制照明范围,由于照

图2!变压器和柴油发电机组的连接方式2

!!从长远节能和满足使用功能的角度分析,选择了第二种方案作为大厦的供电连接方式。相对于第一种方案,第二种方案的优点在于:首先当停电时,柴油机组可以迅速起动,供电给连接母线上的重要负荷;其次,该设计中柴油机组的容量相对于变压器容量较大,同时所连接的母线为建筑物内比较重要的用电设备。

明范围的大小,可以很大程度地影响工作面的照度,因此采用对不同方位、不同用途的房间进行分区,合理布置照明,根据照度决定工作区。如文件资料室可以采用低照度照明,一般办公、休息室采用中等照度照明,设计工作等要求采用高照度照明。在走道等区域,可以在允许的情况下借助其他照明措施。

可以采取如下具体的照明措施:(1)对洗手间、走廊、楼梯间等,可以定时智能开关,感应到有人时灯亮,人员离开时自行断电。

(2)采用调光开关,调整灯具的亮度。

63

2!照明系统的节能设计

建设部公布的#十一五城市绿色照明工程规划纲要∃指出,到2010年城市照明中高效节能灯

低压电器(2009󰀂22)现代建筑电气篇

󰀁建筑节能󰀁

(3)灯具应有独立的开关控制,每盏灯分别控制。

要,空调系统是必备的设备,以满足建筑物的温度调节和通风功能。在考虑节能的前提下,通风空调系统的设计在满足室内舒适度的前提下,应改变室内温度和湿度条件,根据需要进行通风工作;通风系统在冬、夏取最小的新风量,过渡季节采用全新风;配备检测室内温度成分的仪器,决定通风量的大小;合理布置通风空调设备的安装位置,减少系统的阻力;运用智能控制系统,使通风空调系统的运行达到最大的经济化,实现最大的节能效果。

3!动力设备的节能设计

在综合性建筑中,动力设备的节能主要考虑水泵和风机。如某星级酒店中水泵的能耗占总能耗的30%,因此对风机和水泵采取节能措施是十分必要的。

3.1!变频调速的节能原理

!!对动力设备的节能分析,关键要考虑电动机的调速方式。以水泵为例,调速问题主要归结为减速问题。

根据风机的比例定律,对于风机和来泵,流体流量与转速成正比,即

qn=qene

扬程与转速的2次方成正比,即

H=HeP=Pe

nnenne2

4!结!语

鉴于高层建筑物结构比较复杂,线路和电器设备数量很多,所以进行电气节能化设计是很有必要的。总之,主要从下面几个角度考虑:

(1)采用设计方法,从设计角度通过精确的计算,对整个电气系统做合适的估计,在满足使用的前提下,不做超过使用要求的设计。

(2)采用新技术,对电气系统的各个部分评估初始投资和运行期的损耗与维修费用,尽可能采用新的、成熟的技术,最终达到节能的目的。

(3)采用新材料,如灯具可采用太阳能灯具(尤其是室外或者利用蓄电池白天存储,晚上用于室内照明),电源采用太阳能光伏系统。

%参考文献&

[1]!陈众励,赵济安,邵民杰.建筑电气节能技术综述

[J].低压电器,2007(4):1󰀁5.

[2]!任元会.提高认识,实施标准,推进建筑照明节能

[J].建筑电气,2005(2):15󰀁18.

[3]!朱庆元,高文怡.建筑电气基础设计[M].北京:中

国建筑工业出版社,1990.

[4]!GB50054 1995!低压配电设计规范[M].[5]!郭立君.泵与风机[M].北京:中国电力出版社,

1996.

收稿日期:2009󰀁05󰀁04

(5)

(6)

功率与转速的3次方成正比,即

3

(7)

式中!q、n、H和P 分别表示流量、转速、扬程

和功率

由上面的公式可以分析:当转速减小时,电动机的功率将以其3次方的速率下降,因此变频调速的节电效果显著。如果流量由100%降低到70%,则转速相应降到70%,压力降到49%,而电极的功率降到34.3%,即节约电能65.7%,节能效果显著。

目前,变频技术应用于风机、泵类设备驱动,取得了显著的节能效果,是一种理想的节能方式,提高了设备效率,大大减少了设备维护和维修费用。

3.2!通风空调系统

!!在现代综合性建筑物中,由于工作性质的需(上接第55页)

版.北京:中国电力出版社,2007.

%参考文献&

[1]!王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].2

[2]!曹荣桂,于冬.医院管理学[M].北京:人民卫生出

版社,2003.

收稿日期:2009󰀁09󰀁14

64