摘要：文章闡述了建筑電氣設(shè)計(jì)中的節(jié)能原則、節(jié)能方法，從變壓器容量選擇、功率因數(shù)補(bǔ)償、照明調(diào)光設(shè)備、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)設(shè)備選擇等方面，論述電氣設(shè)計(jì)中的幾種節(jié)能方法。

　　關(guān)鍵詞：電氣節(jié)能　變壓器損耗　功率因數(shù)　照明節(jié)能　變頻調(diào)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(jī)迫在眉睫。因此，各行各業(yè)提出了節(jié)能的要求，節(jié)約二次能源——電能，也就成為民用建筑電氣設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能的原則建筑電氣節(jié)能應(yīng)堅(jiān)持以下三個(gè)原則：

　　1.滿足建筑物的功能

　　即滿足照明的照度、色溫、顯色指數(shù)；滿足舒適性空調(diào)的溫度及新風(fēng)量，也就是舒適衛(wèi)生；滿足上下、左右的運(yùn)輸通道暢通無阻；滿足特殊工藝要求，如娛樂場(chǎng)所的一些電氣設(shè)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(jì)效益

　　節(jié)能應(yīng)按國(guó)情考慮實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，不能因?yàn)楣?jié)能而過高地消耗投資，增加運(yùn)行費(fèi)用。而是應(yīng)該讓增加的部分投資，能在幾年或較短的時(shí)間內(nèi)用節(jié)能減少下來的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行回收。

　　3.節(jié)省無謂消耗的能量

　　節(jié)能的著眼點(diǎn)，應(yīng)是節(jié)省無謂消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是與發(fā)揮建筑物功能無關(guān)的，再考慮采取什么措施節(jié)能。如變壓器的功率損耗，傳輸電能線路上的有功損耗都是無用的能量損耗，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(jié)能措施也應(yīng)貫徹實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的原則。

　　建筑電氣節(jié)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(fù)載率。

　　Po部分為空載損耗又稱鐵損，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(yīng)選用節(jié)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(jié)構(gòu)，使接縫密合性好，以減少漏磁損耗。

　　Pk是傳輸功率的損耗，即變壓器的線損，決定于變壓器繞組的電阻及流過繞組電流的大小，即負(fù)載率β的平方成正比。因此，應(yīng)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(fù)載，變壓器的能耗最小。因此，在80年代中期設(shè)計(jì)的民用建筑，變壓器的負(fù)載率絕大部分在50％左右，在實(shí)際使用中有一半變壓器沒有投入運(yùn)行，這種做法有的設(shè)計(jì)人員一直沿襲至今。但是，這僅是為了節(jié)能，而沒有考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值。舉下例可看出其不可取的程度。

　　SC3－2000KVA的變壓器，當(dāng)β＝50％時(shí)相對(duì)于β＝85％時(shí)可節(jié)能為P＝16.01×（0.852－0.52）＝7.56KW，按商場(chǎng)最高用電小時(shí)計(jì)：每天12小時(shí)，365天全營(yíng)業(yè)，則總節(jié)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(jì)，則每年節(jié)約：33113×0.78＝25828元。

　　按每千瓦的初裝費(fèi)投資：2000KVA變壓器應(yīng)是大型民用建筑，必然雙電源進(jìn)線，則初裝費(fèi)每KVA為2240元，每年節(jié)能省下的電費(fèi)只能提供（25828／2240＝11.53）11.53KVA的初裝費(fèi)。還有988.5KVA的初裝費(fèi)，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開關(guān)柜、母聯(lián)柜增加引起的設(shè)備購置費(fèi)，安裝上述設(shè)備使土建面積增加而引起的土建費(fèi)用，這是筆相當(dāng)可觀的投資，還沒有計(jì)及折舊維護(hù)等費(fèi)用。由此可見，取變壓器負(fù)載率為50％是得不償失的。

　　事實(shí)上50％負(fù)載率僅減少了變壓器的線損，并沒有減少變壓器的鐵損，因此也不是最節(jié)能的措施。計(jì)及初裝費(fèi)、變壓器、低壓柜、土建的投資及各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用，又要使變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜萘�，變壓器的�?fù)載率應(yīng)在75％～85％為宜。這樣也可以做到物盡其用，因?yàn)樽儔浩鹘^緣的使用年限滿負(fù)荷計(jì)為20年，20年后可能有更好的變壓器問世，這樣就可以有機(jī)會(huì)更換新的設(shè)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(dāng)容量大而需要選用多臺(tái)變壓器時(shí)，在合理分配負(fù)荷的情況下，盡可能減少變壓器的臺(tái)數(shù)，選用大容量的變壓器。例如需要裝機(jī)容量為2000KVA，可選2臺(tái)1000KVA，不選4臺(tái)500KVA.因?yàn)檫x用前者可節(jié)能：△P＝4×（1.6＋4.44）－2×（2.45＋7.45）＝4.36KW（全按β＝100％計(jì)，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，即滿足了節(jié)約能源，又經(jīng)濟(jì)合理的原則。

　　減少線路上的能量損耗

　　由于線路上存在電阻，有電流流過時(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

　　芯線溫度70℃的50mm2銅芯線每公里電阻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，線路上的功率損耗相當(dāng)于每6m的線路上安一個(gè)100W的燈泡。

　　在一個(gè)工程中，線路左右上下縱橫交錯(cuò)，小工程線路全長(zhǎng)不下萬米，大工程更是不計(jì)其數(shù)，所以線路上的總有功損耗是相當(dāng)可觀的，減少線路上的能耗必須引起設(shè)計(jì)重視。

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

　　應(yīng)選用電導(dǎo)率較小的材質(zhì)做導(dǎo)線。銅芯最佳，但又要貫徹節(jié)約用銅的原則。因此，在負(fù)荷較大的二類、一類建筑中采用銅導(dǎo)線，在三類或負(fù)荷量較小的建筑中采用鋁芯導(dǎo)線。

　　減小導(dǎo)線長(zhǎng)度。首先，線路盡可能走直線，少走彎路，以減少導(dǎo)線長(zhǎng)度；其次，低壓線路應(yīng)不走或少走回頭線，以減少來回線路上的電能損失；第三，變壓器盡量接近負(fù)荷中心，以減少供電距離，當(dāng)建筑物每層平面在10000m2左右時(shí)，至少要設(shè)兩個(gè)變配電所，以減少干線的長(zhǎng)度；第四，在高層建筑中，低壓配電室應(yīng)靠近豎井，而且由低壓配電室提供給每個(gè)豎井的干線，不至于產(chǎn)生支線沿著干線倒送的現(xiàn)象。亦即低壓配電室與豎井位置的布局上應(yīng)使線路都分向前送，盡可能減少回頭輸送電能的支線。

　　增大導(dǎo)線截面。首先，對(duì)于比較長(zhǎng)的線路，除滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護(hù)的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級(jí)導(dǎo)線截面，所增加的費(fèi)用為M，由于節(jié)約能耗而減少的年運(yùn)行費(fèi)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(yīng)加大一級(jí)導(dǎo)線截面。一般而言，導(dǎo)線截面小于70mm2，線路長(zhǎng)度超過100m的增加一級(jí)導(dǎo)線截面比較容易實(shí)現(xiàn)上述條件。其次，利用某些季節(jié)性負(fù)荷的線路，這些用戶不用時(shí)，可提供給常期用戶作供電線路使用，以減少線路和電阻。例如，將空調(diào)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管與照明、電開水等計(jì)費(fèi)相同的負(fù)荷，集中在一起，采用同一干線供電，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(diào)不用時(shí)，使同樣大的干線截面?zhèn)鬏斴^小的電流，從而減小了線路損耗，這就相當(dāng)于充分利用了季節(jié)負(fù)荷的線路。

　　在設(shè)計(jì)中，認(rèn)真落實(shí)上述三條措施，就可減少線路上的能量損耗，達(dá)到了線路節(jié)能的目的。

　　提高系統(tǒng)的功率因數(shù)

　　提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無功在線路上傳輸，以達(dá)到節(jié)能的目的。

　　線路損耗的公式展開后得下列計(jì)算式：

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

　　式中：UL——線電壓（V）

　　P——有功功率（KW）

　　Q——無功功率（KVar）

　　前項(xiàng)RP2／UL2為線路上傳輸有功功率而引起的功率損耗，后項(xiàng)RQ2／UL2為線路上傳輸無功功率而引起的功率損耗。有功功率是滿足建筑物功能所必須的，因此是不可變的。系統(tǒng)中的用電設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都具有電感，會(huì)產(chǎn)生滯后的無功，需要從系統(tǒng)中引入超前的無功相抵消，這樣超前的無功功率就從系統(tǒng)經(jīng)高、低壓線路傳輸?shù)接秒娫O(shè)備，在線路上就產(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(shè)備的自然功率因數(shù)，以減少對(duì)超前無功的需求，可采用功率因數(shù)較高的同步電動(dòng)機(jī)；熒光燈可采用高次諧波系數(shù)低于15％的電子鎮(zhèn)流器；采用電感鎮(zhèn)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(shù)提高到0.85～0.95，這就可減少系統(tǒng)高、低壓線路傳輸?shù)某�前無功功率。

　　由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無功，可采用電容器補(bǔ)償，因?yàn)殡娙萜鳟a(chǎn)生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q＝QL－QC，因此無功補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，因而也減小了無功的需求量。

　　無功補(bǔ)償裝置應(yīng)就地安裝，實(shí)行就地補(bǔ)償，這樣才能使線路上的無功傳輸減少，達(dá)到節(jié)能的目的。

　　目前，民用建筑設(shè)計(jì)中，絕大部分采用變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償，這種做法僅減少了區(qū)域變電站至用戶處的高壓線路上的無功傳輸，提高了用戶處的功率因數(shù)，可以不受或少受電業(yè)局的罰款。而對(duì)用戶，無功仍由變壓器低壓母線經(jīng)傳輸線路輸送到各用戶點(diǎn)，低壓線路上的無功傳輸并沒有減少，那么無功補(bǔ)償也就達(dá)不到節(jié)能的目的。

　　在日本，東京電力公司的法規(guī)規(guī)定�]容量達(dá)0.75KW的電動(dòng)機(jī)端，都要安裝30μF的靜電電容器，以減少由于線路上傳輸無功而引起的有功損耗。在我國(guó)即將頒布的《工業(yè)與民用供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定�]"容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)又長(zhǎng)期使用的用電設(shè)備的無功負(fù)荷宜單獨(dú)就地補(bǔ)償，……".

　　陜西省"三電辦"在1989年就規(guī)定"10KV及以上的異步電動(dòng)機(jī)，負(fù)荷較穩(wěn)定的應(yīng)采用就地補(bǔ)償，……".我國(guó)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(jī)無功獲得就地補(bǔ)償。

　　為什么常提到負(fù)荷平穩(wěn)的電動(dòng)機(jī)可采用就地補(bǔ)償，因?yàn)樨?fù)荷變動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓也變化，使電容器沒有放完電又充電，這時(shí)電容器會(huì)產(chǎn)生無功浪涌電流，使電機(jī)易產(chǎn)生過電壓而損壞。因此，斷續(xù)負(fù)載，如電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)步行道等不應(yīng)在電動(dòng)機(jī)端加裝補(bǔ)償電容器；另外，如星三角起動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)也不能在電動(dòng)機(jī)端加裝補(bǔ)償電容器，因?yàn)樗�起�?dòng)過程中有開路閉路瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，使電容器在放電瞬間又充電，也會(huì)使電機(jī)過電壓而損壞。

　　在民用建筑中應(yīng)改變電容器集中安裝的做法，對(duì)容量超過10KW的風(fēng)機(jī)、水泵、傳送帶等電動(dòng)機(jī)端設(shè)置就地補(bǔ)償裝置，空調(diào)主機(jī)及冷凍泵等常在其附近設(shè)專用變配電所，可以集中補(bǔ)償，但若供電距離超過20m時(shí)也最好采用就地補(bǔ)償。

　　電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償裝置的接線有二種方式，一是并接在熱元件的一次線后，熱元件的整定電流應(yīng)按補(bǔ)償后的電機(jī)工作電流計(jì)，這種接線適合新安裝的電機(jī)；另一種是裝補(bǔ)償電容器在接觸器主接點(diǎn)之后，熱元件一次線圈之前，熱元件的整定電流就不計(jì)補(bǔ)償?shù)挠绊懀�這適合于進(jìn)行改造的電機(jī)接線，這樣做可使電容器與電動(dòng)機(jī)一起投切。

　　處理好上述三部分，即減少自然無功、無功補(bǔ)償及補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)合理的選擇無功補(bǔ)償方式而達(dá)到節(jié)能的目的。

　　照明部分的節(jié)能

　　因?yàn)檎彰饔昧看蠖�面廣，因此，照明節(jié)能的潛力很大，應(yīng)從下列幾方面著手：

　　采用高效光源。白熾燈過去用得最廣泛，因?yàn)樗�便宜，安裝維護(hù)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(shù)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(shù)在60的高顯色性鈉燈可與汞燈組成混合燈，用于工廠及體育館照明，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(shù)又高，可達(dá)80～95，顏色失真度小，尤其金屬鹵化物燈對(duì)人的皮膚顯色性特別好，因此除用作商場(chǎng)、展廳的照明外，還廣泛用在車站的候車室、碼頭的候船室、航空港的候機(jī)樓以及舞臺(tái)的燈光照明等；一般熒光燈及稀土金屬熒光燈可用在寫字樓、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照明中才使用，雖然它光色好，顯色指數(shù)最高，但達(dá)不到節(jié)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(yīng)將門窗開大，采用透光率較好的玻璃門窗，以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照度，進(jìn)行燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　對(duì)氣體放電燈，采用燈光無級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)燈絲從而達(dá)到調(diào)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(jié)省下來的電能，其電價(jià)是有限的，因?yàn)檫@僅在白天日照強(qiáng)時(shí)（一般在上午10時(shí)到下午3～4點(diǎn)鐘　這段時(shí)間內(nèi)）可減少一點(diǎn)人工照明，每支燈充其量節(jié)能25％，每天按12小時(shí)計(jì)，每年按365天計(jì)，則節(jié)省運(yùn)行費(fèi)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，這是沒有實(shí)用意義的。在工作照明中采用這種調(diào)光方案是不可取的。它只適宜用于特殊條件下，如氣象臺(tái)、導(dǎo)航站等小面積控制室，要求室內(nèi)的照度與室外自然光自然協(xié)調(diào)的環(huán)境，才可采用這種調(diào)光設(shè)備。另外，這種調(diào)光設(shè)備用于稀土金屬熒光燈，其頻閃效應(yīng)使人眼不易接受。對(duì)于可以充分利用自然光而且需要調(diào)光的場(chǎng)合，可采用分組分片自動(dòng)開停的控制方案，雖然會(huì)有突變過程，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(duì)長(zhǎng)期需要開停，但又要按人流的多少自動(dòng)調(diào)整照度的場(chǎng)合，在增加投資不多的情況下，對(duì)熒光燈可利用調(diào)壓的方式，固定幾級(jí)調(diào)節(jié)，如北京地鐵采用澳大利亞的調(diào)光設(shè)備就是如此。

　　熒光燈采用調(diào)電壓調(diào)光，其節(jié)能效果并不顯著。因?yàn)�，氣體放電燈的發(fā)光是靠離子在高電壓下產(chǎn)生碰撞，達(dá)到一定能級(jí)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(diào)壓方式調(diào)光，在實(shí)際工程中也很少采用。

　　照明節(jié)能中，除了滿足照度、光色、顯色指數(shù)外，應(yīng)采用高效光源及高效燈具，對(duì)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)控制開停方式，可達(dá)到照明節(jié)能的效果。

　　電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的節(jié)能

　　在建筑電氣中的電動(dòng)機(jī)都是與暖通、水道、建筑等工種的設(shè)備配套的，由設(shè)備制造廠商統(tǒng)一供應(yīng)的。因此，其節(jié)能措施只能貫徹在運(yùn)行過程中，除了上述的用就地補(bǔ)償電容器以減少線路由于輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應(yīng)減少電機(jī)輕載和空載運(yùn)行。因?yàn)椋�在這種情況下，電機(jī)的效率是很低的，消耗的電能并不與負(fù)載的下降成正比。采用變頻調(diào)速器，使其在負(fù)載下降時(shí)，采用變頻的方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其與負(fù)載的變化相適應(yīng)。采用這種方式，可提高電機(jī)在輕載時(shí)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的。但是，這種設(shè)備的價(jià)格仍偏高，因此在應(yīng)用中受到一定的限制。另一種節(jié)能方式是采用軟起動(dòng)器，軟起動(dòng)器設(shè)備是按起動(dòng)時(shí)間逐步調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，以控制電壓的變化。由于電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)完畢，則全壓投入運(yùn)行。此設(shè)備也可采用測(cè)速反饋、電壓負(fù)反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導(dǎo)通角，以達(dá)到速度隨負(fù)載的變化而變化。它可用在電動(dòng)機(jī)容量較大，又需要頻繁起動(dòng)的設(shè)備，以及附近用電設(shè)備對(duì)電壓的穩(wěn)定要求較高的場(chǎng)合。因?yàn)樗鼜钠饎?dòng)到運(yùn)行，其電流變化不超過三倍，可保證電網(wǎng)電壓的波動(dòng)在所要求的范圍內(nèi)。但它是采用可控硅調(diào)壓，正弦波未導(dǎo)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(tǒng)中的大容量電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)備中可以應(yīng)用。

　　民用建筑的節(jié)能潛力很大，應(yīng)在設(shè)計(jì)中精心考慮。但是在選用節(jié)能的新設(shè)備上，應(yīng)具體了解其原理、性能、效果，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行比較后，再選定節(jié)能設(shè)備，以達(dá)到真正節(jié)能的目的。