智能建筑中的电气节能措施

1、智能建筑中的电气节能措施    0 引言传统建筑电气设计与智能建筑电气设计相比，传统建筑电气设计存在不利于节能、管理效率低、建筑安全系数较低、使用不方便等不足之处。随着现代科技的进步，经济的飞速发展，人们对办公环境、生活环境的要求也随之提高，此时智能建筑电气设计应运而生。它拥有分布型智能，具有学习能力，电气系统功能重塑性强，一般采用模块化设计，具有很好的扩展性，把多种传统建筑电气设备的控制集成于一体。此技术采用现场控制总线技术，融合弱电技术和强电技术，融合计算机网络技术、以弱电通信的方式控制强电。这样不仅方便了使用者及管理者，而且提高了建筑安全性能，并可

2、以高效节能。智能建筑电气设计技术主要集中在管理方面的节能，对于现在的节能措施来说显得有些单一，远远达不到现行的节能目标，作者认为还应从供配电设计节能，减小智能建筑负载谐波，优化能源配置避开用电高峰，节能产品的选用等几个方面对其进行深入的探讨。1 电气设计节能的原则智能建筑电气节能设计应把握“满足功能、经济合理、技术先进”的原则。不能以牺牲建筑功能、降低使用需求为代价，也不能为节能而盲目增加投资。(1)满足建筑物的功能。这主要包括：满足舒适性空调所需要的温度及通风量；满足建筑物不同场所、部位对照明照度、色温、显色指数的不同要求，如展厅、多功能厅等的工艺照明等；满足特殊工艺要求，如体育场馆、医疗建

3、筑、酒店、餐饮娱乐场所等一些必需的电气设施用电。(2)考虑实际经济效益。节能应考虑国情，顾及实际经济效益，不能因为追求节能而过高地消耗投资，增加运行费用，而是应该通过比较分析，合理进行投资，使增加的节能投资能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。同时在选用节能设备时，要了解其原理、性能及效果。从技术经济上进行全面的比较，并结合实际建筑情况，再最终选定节能设备，达到真正节能目的。(3)最大限度地减小无谓的消耗。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如怎样进行无功补偿，提高系统的功率因数，减小电能的损耗；怎样减小建筑负载的谐波，降低功率损

4、耗，避免电能的浪费。2 提高建筑供配电系统的功率因数2.1 提高功率因数的意义为了满足智能建筑物功能的需求，传输有功功率是必须的，但输电线路会有有功和无功损耗。建筑物的某些用电设备，如电动机、变压器、灯具的镇流器以及很多家用电器等都具有电感性，会产生滞后的无功电流，并从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端，无形中增加了线路的无功损耗。为了减小电能的损耗必须提高功率因数，目前一般是采用电容性无功补偿装置产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流，从而达到提高功率因数减少整体无功电流。进而达到节能目的。提高功率因数具有如下意义：可以减少电压损失。可以减少线路电能损失。可以降低变压器损耗。可以增加

5、变压器输出功率。2.2 提高功率因数的途径(1)对于交流电机调速，采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。在设计中，根据变频的种类和具体的电机设备，来选用适合的变频调速装置，如普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT等电力电子器件组成的静止变频器。(2)正确设计和选用变流装置。对直流设备的供电和励磁，应采用硅整流或晶闸管整流装置，取代变流机组、汞弧整流器等直流电源设备。(3)与普通电机相比，高效电动机的效率要高3%6%，平均功率因数高7%9%，总损耗减少20%30%，故具有很好的节能效果。条件允许时，采用功率因数较高的

6、电动机，如Y、YZ、YZR等系列高效电动机；也可以用等容量同步电动机代替异步电动机，在经济合算的前提下也可采用异步电机同步化运行。(4)荧光灯选用高次谐波系数低于15%的电子镇流器；气体放电灯的电感镇流器，单灯安装电容器就地补偿等，都可使自然功率因数提高到0.850.95。目前智能建筑无功补偿方案一般有以下几种方式：(1)固定补偿。固定补偿一般适合大规模的建筑集群，主要综合整个智能建筑集群的各项年平均参数，根据无功的分布情况选取若干个补偿点，每个点投入若干单位的电容量，使得全年节能效益与经济投入之比达到最佳。这种方法的优点是能综合考虑整个建筑集群的运行特点，既取得了最佳经济效益，又兼顾了全局无

7、功补偿的平衡。缺点是补偿容量不能跟随建筑物的实时运行状况，其最佳值是年平均意义上的，当某个建筑物负荷发生变化时，这种方法就无能为力了。(2)手动补偿。手动补偿通过若干电容器组的组合，达到改变补偿容量的作用，适用于时间上呈一定规律变化的建筑负荷。缺点是分组过于粗糙，设备体积庞大，需专人守护，并且只针对采样点参数进行补偿，不能达到最佳补偿效果。(3)自动补偿。自动补偿是电子技术在智能建筑上的应用。控制器根据传感器的数据，计算出当前建筑集群所需的无功补偿量并控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的。近几年，由于电脑技术的应用，功率因数自动补偿系统的发展进入了一个新阶段。虽然各种电脑功率因数自动控制器硬

8、件、软件设计不同，但其基本原理如附图所示： 检测单元通过电压、电流互感器采得电压和电流信号，并利用运放电路、门电路得到反映相位差的方波信号，传给控制单元。微处理器接收到检测信号，经过逻辑运算得到实时cos，分别送到显示和比较单元。在比较单元中与设定值进行比较；确定是否发出投切命令。同时控制单元还具有过压、过流、欠补及振荡报警和保护功能。执行单元接到命令后，通过投切装置完成电容器组的投切。微计算机技术的应用进一步加强了控制单元的功能，集成化程度大大提高了，自诊能力、扩充能力都得到了加强。3 抑制建筑电力谐波建筑电力系统谐波产生的原因是整流器、UPS电源、电子调速装备、荧光灯系统、计算机

9、、微波炉等电力、电子设备的使用。民用建筑，尤其现代智能建筑中存在的大量3次谐波污染，不仅会严重影响电能质量，还将增加功率损耗，造成电能的浪费。治理谐波的措施主要有2种：主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。被动治理，即外加滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。3.1 主动治理主动治理主要是从谐波源着手，从源头上减小谐波及进行无功补偿提高功率因数，主要途径有：(1)改善配电系统。选用D，Yn11接线组别的三相配电变压器，为3次谐波电流提供环流通路；尽可能保持三相电压平衡；对谐波源负荷采用专用回路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也

10、有助于集中抑制和消除谐波。(2)降低谐波源的谐波含量。在谐波源设备选型上，尽量选用谐波含量少的设备，最大限度地避免谐波的产生。采用主动治理方式可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可能的。3.2 被动治理被动治理措施主要有以下几种：(1)采用无源滤波器PF(Passive Filter)。PF利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、成本低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难以克服的缺点：只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消

11、除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且要根据高次谐波次数的多少，需设置多个LC滤波电路。(2)采用有源滤波器APF(Active Power Filter)。APF的基本工作原理是将系统中所含有害电流(电压)检出，并产生与其相反的补偿电流(电压)，以抵消输电线路中的有害电流(电压)

12、。与PF相比，APF具有以下一些优点：滤波性能不受系统阻抗的影响。不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。可以对多个谐波源进行集中治理。4 优化能源配置避峰用电从1995年起供电企业实行了峰谷电价，在建筑电气设计中推广应用峰谷电表，鼓励用户避峰用电，更要大力推广冰蓄冷空调、蓄热式电锅炉等蓄能技术，避开高峰用电。虽然利用电力系统的低谷电能，实行避峰用电，不是智能建筑电气设计上的直接节能，但是对国家提倡

13、的节能政策有重大的意义。智能建筑要达到以优化能源配置来避峰用电，应从以下3个方面着手：(1)在满足使用要求的前提下，尽可能减小负荷，同时将负荷昼夜均摊，比如：夜间用电负荷低谷时，进行建筑物内的换热、通风等工作，以避免白天高峰用电。(2)对建筑物的空调通风系统、给排水系统、室内温度、相对湿度、CO2浓度、照度、窗户开启状态、辐射板控制、照明开关、调光、户外遮阳板、室内百叶窗控制和风速等进行自动化集中管理。通过先进的建筑技术集成化设计和结构设计，控制运行、监测及管理等各个环节，实现能源高效利用。BEMS(建筑能源管理系统)系统通过传感器、变送器、控制器等设备，使各功能模块之间组成一个局域网。这样随

14、时可更新、扩展和维护系统都不会影响建筑物的良好运行状态，所有的现场控制器以对等的方式通过BAC netIP网络相连，并由高度智能化、专家化的中央管理器统一管理、调度。(3)冰蓄冷技术实际上是不节能的，其主要特点是调节用电负荷。根据大量的统计数据得知，民用公共建筑的空调用电量约占整个建筑用电量的40%50%。冰蓄冷空调就是制冷机组利用低谷时段(夜间)电力制冰，将冷量蓄存起来。而在用电高峰时段(白天)化冰取冷，以供空调系统之需要。冰蓄冷“削峰填谷”效果十分明显，同时由于电价的差异，也降低了运行费用。5 结论及展望建筑物的使用寿命为50100年，在长期使用过程中，其能量消耗是巨大的，所以建筑节能一直是需要深入研究的课题。本文在依据智能建筑电气节能设计原则的基础上，从提高建筑供配电系统功率因数、抑制建筑电力谐波、避峰用电3大方面对建筑电气节能进行了深入探讨。关于智能建