建筑电气设计中的节能方法

（１）满足建筑物的功能
满足照明的照度、色温、显色指数；满足舒适性空调的温度及新风量，也就是舒适卫生；满足上下、左右的运输通道畅通无阻；满足特殊工艺要求，如娱乐场所一些电气设施的用电、展厅的工艺照明及电力用电等。

（２）考虑实际经济效益
节能应考虑国情及经济效益，不能因为节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而是应该让增加的投资在几年或较短的时间内用节能效益进行回收。

（３）节省无谓消耗的能量
节能的着眼点应是节省无谓的能量。首先找出哪些地方的能量消耗与发挥建筑物功能无关，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗、传输电能线路上的有功损耗都是无用的能量损耗；又如量大面广的照明容量，要采用先进技术使其能耗降低。因此，节能措施也应贯彻实用、经济合理、技术先进的原则。

１　变压器的节能

１．１　变压器的损耗及效率
　　有功损耗包括铁损和铜损，铁损又称空载损失，其值与铁芯材质等因素有关，与负荷大小无关，且基本不变；铜损与负荷电流平方成正比，变压器的有功损耗可用下式计算：

　　无功损耗由两部分组成，一部分是由励磁电流即空载电流造成的损耗Ｑ0，它与铁芯有关而与负荷无关，可用下式计算：
　　　　　　　
　　另一部分无功损耗是指一、二次绕组的漏磁电抗损耗，其大小与负载电流的平方成正比，此损耗又称变压器无功漏磁损耗Ｑｋ，用下式计算：
　　　　　　　

　　变压器综合功率损耗是指变压器的有功损耗、无功损耗折算成有功损耗的两者之和，可用下式计算：
无功功率损耗，引起连接系统有功损耗下降的千瓦值．
变压器的效率η是变压器二次侧输出功率Ｐ２与电源侧输入功率Ｐ１之比的百分数，可按下式计算：
   

　　变压器的效率与变压器的负荷和损耗有关，也与负荷功率因数有关。负载率为０．３～１时效率都比较高，为０．５～０．６时效率最高；当负载一定时，功率因数越高变压器效率也越高。

１．２　变压器的节能措施
　　变压器节能的实质就是降低其损耗，提高其运行效率，可具体采取以下措施：

（１）合理选择变压器的容量和台数。选择变压器容量和台数时，应根据负荷情况综合考虑投资和年运行费用，对负荷进行合理分配，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效区。当负荷率低于３０％时，应调整或更换；当负荷率超过８０％，且通过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器。

（２）选用节能型变压器，更换或改造高能耗变压器。新建或扩建工程应选用ＳＬ９、ＳＣ８、ＳＣ９等。企业为了节省投资，也可对原有的高能耗变压器如ＳＪ１、ＳＬ１进行技术改造，但改造后应达到国家对配电变压器能耗标准的要求即①空载损耗降低４５％～６５％；②空载电流降低７０％；③短路损耗达到ＳＬ７标准；④阻抗电压为４％～４．９％。

（３）加强运行管理，实现变压器经济运行。在企业负荷变化的情况下，如投运变压器的台数和容量不变，其负荷率和运行效率都将发生变化，使其超出经济的运行范围，因此，要及时投入或切除部分变压器，防止变压器轻载或空载运行。对长期轻载（负荷率小于３０％）的变压器，必要时按实际负荷更换小容量变压器。

２　供配电系统的节能

２．１　供配电系统线损率
从公司电网到企业的电能，经一次或二次降压后，经高、低压线路送到各车间、各部门的用电设备，就构成企业供配电系统。电能在变压输送过程中造成损耗，这部分损耗称线变损或简称电损，在《评价企业合理用电技术导则》ＧＢ/Ｔ３４８５中规定，线损率要求为：一次变压不得超过３．５％；二次变压不得超过５．５％；三次变压不得超过７％。

２．２　供配电系统节能的主要环节

（１）合理设计供配电系统
根据负荷容量、供电距离及分布、用电设备的特点等因素，合理设计供配电系统和选择供电电压，供配电系统应尽量简单可靠，同一电压供电系统变配电级数不宜超过两级。
变电所应尽量靠近负荷中心，以缩短供电半径，减少线路损失，企业内部变电所之间宜敷设联络线，根据负荷情况，可切除部分变压器，减少损耗。
根据负荷情况合理选择变压器的容量、台数，其接线应能适应负荷变化，按经济运行原则灵活投切变压器。对分期投产的企业，宜采用多台变压器方案，避免因轻载运行增大损耗。
按经济电流密度合理选择导线截面，一般按年综合运行费用最小的原则确定单位面积经济电流密度。

（２）提高功率因数减少电能损耗
提高功率因数可减少线路损耗。假设输电线路每相导线的电阻为Ｒ（Ω），则三相线路的功率损耗可按以下公式计算：

　　由式（５）可知，在有功功率一定的情况下，ｃｏｓφ值越小，功率损耗△Ｐ就越大。反之，将ｃｏｓφ值提高后，△Ｐ值就会相应减小。
提高变压器二次侧的功率因数，可使总的负荷电流减少，从而减少变压器的铜损。
提高了功率因数，就减少了无功电流，且相应减少了线路及变压器的电流，从而减少了电压降。
另外，在基建时提高功率因数，可减少电源线路的截面及变压器的容量，节约设备投资。

（３）提高功率因数的措施
减少供用电设备的无功消耗，提高企业自然功率因数；用静电电容器进行无功补偿：按全国供用电规则规定，高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，在当地供电局规定的电网高峰负荷时功率因数应大于或等于０．９。

３　电动机的节能

　　减少电动机的电能损耗的主要途径是提高电动机的效率和功率因数。电动机的节电方法如下：

　　（１）采用高效率电动机。采取各种切实可行的措施，减少电动机的各部分损耗、提高电动机的效率和功率因数。减少损耗的措施如下图所示。

　　采取各种减少损耗的措施后，高效电动机的总损耗比普通标准电动机减少２０％～３０％，电动机的效率可比普通的标准型提高３％～６％。
另外，ＹＺＲ系列新型电机与以前的ＪＺＲ或ＪＺＲ２系列电机相比，平均效率要高２％，空载电流减少２０％，平均功率因数高９％，具有较好的节能效果。因此，在设计和技改当中，应选用Ｙ、ＹＺ、ＹＺＲ等新系列电动机以节省电能。普通高效电机的价格比一般电机高２０％～３０％，采用时要考虑资金回收期，即需在短期内靠节电费用收回多花的费用。符合下列条件时可选用普通高效电机：
　　①负载率在０．６以上；
　　②每年连续运行时间在３０００h以上；
　　③电机运行时无频繁启、制动；
　　④单机容量较大。

　　（２）根据负荷特性合理地选择电动机。对旧有设备使用的电机，要进行必要的测试与计算，结合电机的工作环境及负载特点，选用适当的电机取代“大马拉小车”的电机，提高电机运行的效率和功率因数。当电机的负载率大于０．６５时，可不用更换；小于０．３时，不经计算就可更换；在０．３～０．６５之间时，则需经过计算再确定。

　　（３）轻载电动机采取降压运行，对经常处于轻负荷运行的电动机，应采用三角——星型切换装置，将三角形接法的电动机改为星形接法，可以达到良好的节电效果。电动机的星形接法和三角形接法的效率比ηｙ/ηｄ与负荷系数β的关系见下表。

　　由上表可知，只有在负荷系数低于０．３以后，将电动机的三角形接法改为星形接法才能使电动机的效率明显提高。当负荷系数为０．５时，星形接法和三角形接法的效率基本相等，无节电效果；当负荷系数大于０．５时，电动机星形接法的效率反而低于三角形接法。电动机由三角形改为星形接法后，其极限容许负载大致为铭牌容量的３８％～４５％。因此，在采用三角形改星形接法作为节电方法时，一定要考虑到改接后的电动机的容量是否能满足负载的要求。一般认为，由三角形改星形接法转换点β在０．２～０．４之间。对不同型号的电动机，其转换点不一定相同，应该进行分析计算才能确定。根据经验，当β小于０．３时，将三角形改为星形接法往往可以节电。

　　（４）根据负载情况对电动机采取无功就地补偿。对距供电点较远的大容量电动机应对电动机进行就地无功补偿。电动机无功功率就地补偿，对改变远距离送电的电动机低功率因数运行状态、减少线路损失、提高变压器负载率有着明显的效果。有数据表明，每千乏补偿电容每年可节电１５０～５００ｋＷｈ，是一项值得推广的措施。对单台电动机补偿容量不宜过大，以防产生自励磁过电压，应保证电动机在额定电压下断电时电容器的放电电流不大于铭牌上的空载电流。

　　（５）需要根据负荷变化调节的设备应采用调速电机。交流电动机的调速分为三种形式：变极、变频和变转差率调速。在所有电动机中，风机和水泵调速节能的效果最明显。

４　照明设备的节电

４．１　实施节能照明的要点
　　从理论上讲，照明用电量（Ｌ）可用公式表示：
　　　　

　　因此，如果要降低照明电耗，必须设法增大公式中的分母值，即提高照明率、使用高效光源、提高灯具的维修率；或者减少分子值，即减少开灯时间、保持适当的照度和尽量采用局部照明等。但是，照明节能的原则是在保证足够的照明亮度和质量的前提下节约电能，不允许采取降低《建筑照明设计标准》ＧＢ５００３４－２００４中的推荐照度来实现节能。

　　在设计建筑物照明时应注意以下几点：

　　（１）光源和灯具的选择
　　在考虑照明时，一定要依据照明目的来选择合适的光源和灯具。

　　（２）照度和年龄
在辨认文字时，年龄越大需要的照度也越高。在确定照度时，除考虑目的和用途之外，还必须考虑使用人的年龄。

　　（３）荧光灯的光通量与环境温度的关系
荧光灯的使用环境温度通常设计在２０℃，在这个温度下工作，荧光灯可以获得最高的效率。所以在使用时，应注意尽量符合这个温度。

　　（４）照明设备减光的原因
　　如果设备的维修工作跟不上，不仅给工作和安全带来不利，而且还会造成电能浪费。本应获得的光通量没能得到，实际上就是浪费能量。因此，把维修工作作为节能措施的重要一环是非常必要的。灯射出的光通量的减退，灯具变脏带来的光通量减退，天棚和墙壁造成的减光是三个主要原因。

４．２　建筑照明节能相关技术措施

4.2.1　采用高效长寿命光源
　　光源是节能的首要因素，而光源和节能又取决于发光效率，高效光源主要指气体放电灯。低压气体放电灯以荧光灯为代表，高压气体放电灯主要为高压钠灯和金属卤化物灯。近年来，进一步提高光源的性能和技术参数呈现以下趋势：

　　（１）提高发光效率
未来，预计气体放电灯的光效将普遍超过１００ｌｍ/Ｗ，ＨＩＤ灯还会更高，白炽光源将通过多种技术革新进一步提高光效。

　　（２）提高显色性能
　　多数光源的显色指数将超过８０，荧光灯将普遍使用三基色荧光粉。

　　（３）提高使用寿命
　　气体放电灯的寿命将超过１００００ｈ，将会有多种更长寿命的新光源出现。各种光源的主要技术性能如下：
在第一类场所，即高大工业厂房、户外场地，主要推广金属卤化物灯和高压钠灯，前者以其较优的色温和显色指数获得了更多应用；而后者则以更高光效和更长寿命受到客户的欢迎，尤其是在户外（道路、广场等）占有绝对优势，而在户内，则由于其显色指数太低，应用受到很大限制，但显色改进型高压纳灯由于大大提高了显色指数而获得广泛应用。

　　在第二类场所，即较低矮的室内场所，如办公楼、教室、图书馆、商场，以及高度在４．５ｍ以下的生产场所（如仪表、电子、纺织、卷烟生产厂房等），应积极推广使用直管荧光灯，目前主要趋势是使用Ｔ８灯管（直径２６ｍｍ）取代Ｔ１２灯管（直径３８ｍｍ）。无论是光效和寿命，Ｔ８灯管都大大优于Ｔ１２灯管，若用Ｔ８取代Ｔ１２灯管则可以节电１０％以上，用带电子镇流器的Ｔ８灯管代替带铁芯镇流器的Ｔ１２灯管可节电３０％左右。Ｔ８与Ｔ１２可以完全互换，只是Ｔ８要求启辉器质量更好一些。此外，由于Ｔ８灯管的直径变小，体积减少近一半，荧光粉等有害物质的消耗量也大幅减少，有利于环保。

　　目前，我国正在积极推广用Ｔ８灯管取代Ｔ１２灯管。欧美地区的主要国家已经研制出管径为１６ｍｍ的Ｔ５荧光灯，我国于１９９７年也成功研制出了Ｔ５灯管。Ｔ５灯管以更细的管径，比Ｔ１２管减少８０％以上的体积，减少了８０％以上的荧光粉材料，因而大大降低了环境污染，获得更好的环保效益。

　　在第三类场所，如家庭住宅、旅馆、餐厅、门厅、走廊等，以紧凑型荧光灯（包括“Ｈ”型、“Ｕ”型、“Ｄ”型，环形等）为主，替代白炽灯。紧凑型荧光灯的功率有５Ｗ、７Ｗ、９Ｗ、１１Ｗ、１３Ｗ、１６Ｗ、１８Ｗ、２４Ｗ、３６Ｗ等，色温为２７００～６５００Ｋ，能适应不同光色的要求。在既要节能又要提高照明水平的情况下，使用紧凑型荧光灯虽然初投资略高于白炽灯，但节电效果显著，节能费用足以补偿初期投入。如以１个１１Ｗ的紧凑型荧光灯与１个６０Ｗ的白炽灯相比，光通量可增加１/３，如果以寿命为３０００ｈ计算，可节电１３２ｋＷｈ，况且紧凑型荧光灯的寿命还远远高于白炽灯。

4.2.2　采用高效节能的照明灯具

　　灯具是除光源外的第二要素，而且是不容易为人们所重视的因素。灯具的主要功能是合理分配光源辐射的光通量，满足环境和作业的配光要求，并且不产生眩光和严重的光幕反射。在选择灯具时，除考虑环境光分布和限制眩目的要求外，还应考虑灯具的效率。对于高光效灯具的基本要求如下：

　　（１）提高灯具效率。现在市场上有些灯具效率仅为０．３～０．４，光源发出的光能大部分被吸收，能量利用率比较低。要提高效率，一方面要有科学的设计构思和先进的设计手段，运用计算机辅助设计来计算灯具的反射面和其它部分；另一方面要从反射罩材料、漫射罩和保护罩的材料等方面加以优化。

　　（２）提高灯具的光通维持率，要从灯具的反射面、漫射面、保护罩、格栅等材料和表面处理上下功夫，使表面不易积尘、腐蚀且容易清扫，采取有效的防尘措施。有防尘、防水、密封要求的灯具，应经过试验达到规定的防护等级（等级）。

　　（３）提供配光合理、品种齐全的灯具，应该用多种配光的灯具，以适应不同体形的空间，不同使用要求（照度、均匀度、眩光限制等）的场所的需要。

　　（４）提供与新型高效光源配套、系列较完整的灯具。现在有一些灯具是借用类似光源的灯具，或者几种光源、几种尺寸的灯泡共用灯具。要达到高效率、高质量，应该按照光源的特性、尺寸专门设计配套的灯具，形成较完整的系列，以供使用。

　　有了高效的灯具，还必须正确应用。因为灯具效率高，解决了把光源的光通量最大限度发散出灯具以外的问题，为了让光更多地照射到视觉需要的工作面上，还必须提高光通的利用系数。利用系数取决于灯具效率，灯具配光与房间体形的适应状况，还与室内屋表面（墙、顶棚、地面、设备、家具等）材料的反射比有关。

　　选用灯具时还要处理好能量效率与装饰性的关系。当前在民用建筑和一部分工业建筑中，照明设计有一种偏向，强调了灯具的装饰性能，而忽视了灯具效率和光的利用系数，造成过大的能源消耗，而且得不到良好的照明效果。这些应该从审查照明设计资格，制定各类场所照明能量标准等方面去解决。　

4.2.3　采用高效节能的照明电器附件

　　绝大多数节能光源都是气体放电灯，它们需要镇流器才能工作。普通电感式镇流器功耗大、光闪烁严重。目前已成功开发的节能镇流器——节能型电感式镇流器和电子镇流器，都比原电感镇流器的功耗减小一半以上。如直管荧光灯的电感镇流器自身功耗约为灯管功率的２３％～２５％，有的低质量产品甚至达到了３０％，而国外有一些低功耗镇流器可达１２％～１５％。提高镇流器的质量，对节能很有意义。若使用电感镇流器，则应带电容补偿，使每个灯具的功率因数在０．９以上。

4.2.4　镇流器发展的两种途径

　　（１）低功耗电感镇流器，自身功耗减小，可靠性高，无电磁污染。

　　（２）高频电子镇流器，功耗更小，可提高光源光效，发光稳定，无频闪，无噪声，有利节能和改善视觉效果，将在进一步降低谐波量和电磁辐射、提高可靠性方面改进，逐步成为荧光灯的主要配套产品。

4.2.5　采用合理的照明控制

　　有了好的光源、好的灯具、好的照明附件，还要有合理的照明控制方式。

　　（１）公共建筑和工业建筑的走廊、楼梯间、门厅等公共场所的照明，要采用集中控制，并按建筑使用条件和天然采光状况采取分区、分组控制措施。

　　（２）体育馆、影剧院、候机厅、候车厅等公共场所要采用集中控制，并按需要采取调光或降低照度的措施。

　　（３）宾馆的每套客房要设置节能控制型总开关。

　　（４）居住建筑有天然采光的楼梯间、走道的照明要多采用光控开关。

　　（５）每个照明开关所控灯具数量不宜太多。

　　（６）照明场所装设有两列或多列灯具时，要按下列方式分组控制：所控灯列与侧窗平行；生产场所按车间、工段或工序分组；电化教室、会议室、多功能厅、报告厅等场所按靠近或远离讲台分组。

５、结束语

　　我国是一个能源短缺的国家，但能源浪费却非常严重，节能降耗已经成为我国一项长期的基本国策。作为建筑电气设计人员，如何以最合理的设计尽量做到既节能降耗又大量增加投资，以此来造福社会，是一个值得思考的问题。