關于建筑電氣系統能效提升的思考

韓占強

(中國中建設計研究院有限公司，北京 100037)

0 引言

堅持節能減排、推動綠色低碳發展是我國的基本國策。 2021 年全國兩會上，中央又提出了“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”的目標，“十四五”規劃也將加快推動綠色低碳發展列入其中。

節能減排關系到國民經濟發展的各行各業，建筑作為人們從事生活和生產活動的場所，一直是重要的能耗大戶。 據統計，全國建筑的運行能耗占全國能源消費總量的21.7%(2018 年數據)，目前建筑能耗以電能為主，燃氣和市政熱力為輔。 為減少建筑對化石能源的使用，電力在終端能源消費的占比將會大幅增加，可再生能源在電力供應中的比例也將會大幅提高。

建筑電氣系統是建筑內電能傳輸、分配和使用的載體，包括建筑紅線范圍內的所有電氣設備和線路，可以比較全面地反映建筑的用能狀況。 因此，提高建筑電氣系統的能效對于建筑節能具有重要的意義。

1 建筑電氣系統能效的定義

建筑電氣系統能效是在滿足建筑使用功能和電氣安全的前提下，電氣系統的電能使用效率。 在相同的使用條件下，電氣系統消耗的電能越少，系統的能效越高。

從廣義上來講，建筑電氣系統的能效是建筑所消耗的電能轉化為其他能量的綜合效率。 例如:電能可轉化為光，為人們提供照明；電能可轉化為機械能，驅動電梯、風機、水泵等，機械能又能通過熱泵提升進行制冷(熱)；電能還可以直接轉化為熱能，例如電加熱設備等。 近年來隨著電氣技術的快速發展，電氣設備的能效越來越高。

從狹義上來講，建筑電氣系統的能效是建筑紅線范圍內電氣系統本身的電能傳輸和設備用電效率，是建筑機電系統能效的一部分。 建筑機電系統主要包括暖通系統、給排水系統、電氣系統，其中空調系統和給排水系統在電氣系統里是作為終端用電設備出現的，其設備能效會對電氣系統的能耗有重要影響。

建筑電氣系統的能效受多種因素影響，包括電能傳輸效率、用電設備能效、人員使用情況、外部環境因素等。

2 建筑電氣系統組成和能耗分析

從電能全過程使用的角度來看，建筑電氣系統包括電能傳輸環節和用電環節。

(1)電能傳輸環節由市政電力進線處起至終端用電設備的電力線路、電能變換設備及開關控制設備組成，包括建筑紅線范圍內的高壓線路、高壓開關設備、變壓器、電容器、濾波器、UPS 設備、低壓開關和控制設備、低壓配電線路等。 對于低壓用戶，傳輸環節不包括變壓器、高壓開關設備和高壓線路。

傳輸環節的損耗主要由線路損耗和電能變換設備損耗組成(高低壓開關設備的損耗通常小于1/1 000，可以忽略不計)。 建筑中常見的電能變換設備包括變壓器、UPS、變頻器等。 電容器、濾波器可使線路或變壓器在傳輸同樣的有功功率下，有效降低電能損耗。

(2)用電環節由各種終端用電設備組成，分為固定安裝的用電設備和非固定安裝的用電設備。

固定安裝的設備包括:建筑照明、各種風機、水泵、電梯等，此部分設備含在建筑電氣安裝工程內，設備容量是確定的，其能耗和設備使用情況有關。

非固定安裝的用電設備是建筑完工后用戶自行接入的設備，例如辦公電腦、家用電器等，此部分設備一般通過插座進行供電，其容量不太確定，使用工況和建筑內人員占用率密切相關，存在較大的不確定性。 設計階段可以通過對類似建筑的負荷統計進行分析計算。

在設計階段建筑能耗分析中，可以通過ETAP電力分析軟件進行仿真，見圖1。 利用其潮流分析功能，根據類似建筑使用情況建立分析模型，按照分時負荷法進行模擬計算。 經過對一些典型項目的建模計算分析，建筑電氣系統傳輸環節損耗占總能耗的3%～8%，用電設備環節能耗占總能耗的92%～97%。 由于用電設備能耗在系統總能耗中占比較高，因此提高用電設備的能效對建筑節能效果更顯著。 此結論對節能設計或改造具有重要的意義，可以用來評估不同投資方案的實際節能效果，把有限投資花在刀刃上。 以照明光源為例，傳統白熾燈的光效為10～15lm/W，直管熒光燈的光效為80～100lm/W，目前LED 光源的能效為90～130lm/W。 用LED 燈代替傳統白熾燈，系統可節能85%以上；而如果僅考慮傳輸環節節能，同樣投資下節能效果將會差別巨大。

圖1 ETAP 分析軟件建模分析圖

3 建筑電氣系統節能措施和控制策略

通過以上分析可以得出，建筑電氣系統節能的基本思路是:從整個系統的角度，在滿足建筑基本使用功能的前提下，盡量減少傳輸環節損耗，降低終端用電設備損耗，

3.1 傳輸環節的節能

3.1.1 減少電能變換的中間環節，優化系統運行方式

從建筑電源進線處起，電能每進行一次變換(例如降壓、整流、逆變等)，就會造成一定的電能損失，因此通過減少電能變換的次數，可以起到降低損耗的作用。 應用舉例如下。

(1)對于大型用電設備，經技術經濟比較，可以采用高壓供電方式，減少中間降壓變壓器的損耗。電動機容量在350～550kW 時，宜采用高壓供電；電動機容量大于550kW 時，應采用高壓供電。

(2)A 級數據中心在滿足供電可靠性和電能質量要求時，末端雙電源IT 設備可以采用1 路市電和1 路UPS 電源供電，相較于UPS 2 N 供電系統，減少了1 組UPS 設備(圖2)。 市電直供電源由于減少了UPS 電源變換的損耗，提高了系統效能。

圖2 A 級數據中心一路市電加一路UPS電源供電系統圖

(3)A 級數據中心機房精密空調采用1 路市電和1 路UPS 電源供電，末端設置ATS 互投(圖3)。在正常工作情況下，通過設置ATS 把市電作為主用電源，UPS 作為備用電源；市電停電時，自動投入UPS 電源。 這樣在正常工作時，UPS 輸出端只有電壓，不輸出工作電流，此種運行方式可以有效減小UPS 的運行損耗。

圖3 A 級數據中心機房空調供電系統圖

3.1.2 提高電能變換設備的能效

傳輸環節的電能變換設備包括變壓器、UPS 等設備，可以通過選用高效節能設備，優化設備運行方式來降低損耗。 下文進行應用措施舉例。

(1)降低變壓器損耗。 1)選用高效節能變壓器，根據國家標準《電力變壓器能效限定值和能效能級》GB 20052—2020，優先選用一級能效和二級能效的變壓器。 2)優化變壓器負載率和運行方式，使變壓器運行在節能區間。 例如在正常工作時，變壓器負荷率控制在40%～80%范圍內。

(2)選用高效能UPS。 目前高頻模塊化UPS 的效率要優于工頻UPS，成為數據中心的首要選擇。對于2 N 配置的UPS 供電系統，正常工作時UPS 的負載率小于50%，由于UPS 的效率隨著負載的減小而降低，所以應選擇在低負載率下效率高的UPS，以降低設備損耗。

3.1.3 降低配電線路損耗

(1)變電室和各級配電箱深入或接近負荷中心設置，是電氣設計的基本原則之一。 對于某一確定的建筑，變壓器和各級配電箱越接近其所服務對象的負荷中心，低壓配電線路的長度越短，線路的損耗就越小。 負荷中心可以采用重心法計算(參考IEC 60364-8-1 附錄A)，其方法如下:

式中，xb，yb，zb為計算得到的負荷中心位置三維坐標；xi，yi，zi為各負荷位置三維坐標；EACi為各負荷每年的估算耗電量，kWh。

需要注意的是，以上計算公式中所采用的參數是設備能耗EAC，而非設備的功率P。 這樣計算得到的是能耗最優的負荷中心。 如果采用設備功率P計算，得到的負荷中心是功率負荷中心，雖可在一定程度上減少線纜長度，但不一定能使整體能耗最低。 由于不同設備的運行時間是不同的，設備之間的能耗與其功率不是正比關系。 采用基于能耗的重心法計算得到的負荷中心可以使線路損耗相對較小。

(2)合理增大回路導體截面。 由于回路電阻和導體截面成反比，增大導體截面可以減少導體電阻，進而減少導體有功損耗。 但要同時考慮投資收益比，從全壽命期的角度降低總體擁有成本TCO。

應用舉例:對于雙路電源供電的負荷，盡量采用三開關切換方式(2 進線1 母聯，正常情況下雙路電源同時工作、每路電源各帶一半負荷見圖4)。

圖4 舞臺照明雙進線一母聯主接線系統圖

由于任何一路線路都可以承載全部負荷電流，采用雙路電源同時工作的方式相當于將線路截面增大一倍，線路損耗減少為兩電源一用一備工作方式的1/4。 典型應用為某大型劇場的舞臺照明供電，由于負荷容量較大(該劇場舞臺照明安裝容量為PeΣ＝5 013kW，計算容量Pj＝1 013kW)，一般從變電所采用雙路母線供電，引至舞臺硅控室的舞臺照明總配電柜，總配電柜采用雙路進線、中間帶母聯的主接線形式，正常工作時每路電源各帶一半負荷，母聯開關處于斷開狀態。 這樣的雙回路同時工作方式不但使供電線路損耗減小，也可使兩臺變壓器負載更加均衡，提高變壓器的運行效率。

3.1.4 低壓無功補償和諧波治理措施

低壓無功補償可以提高系統的功率因數，減少流經線路和變壓器的無功電流，從而降低傳輸環節損耗。 根據電容器安裝位置，分為集中補償和分散補償。 在變電室低壓側進行集中補償時，可以減少變壓器的負載損耗，但不能降低低壓配電線路的損耗。 對于長時間運行的大容量用電設備，推薦采用就地無功補償方式，可以同時降低低壓配電線路和變壓器的損耗。 對于三相負荷不平衡的負荷，建議采用分相無功補償方式。

諧波電流可在線路和設備中造成損耗，對于大型諧波源設備，建議在設備安裝處就地安裝有源濾波裝置。 也可在變電室低壓側集中設置有源電力濾波器，以減少變壓器發熱損耗，并滿足電網對用戶諧波治理的要求，提高電能質量。

在實際工程中，電容補償和諧波治理應根據實際負荷特性，采用集中和分散相結合的形式，以期獲得最大效益。

3.2 終端用電設備的節能

終端用電設備的節能主要通過以下兩種方式來實現。

3.2.1 降低用電設備的安裝容量

(1)采用高效節能用電設備。 例如采用高效節能電動機，電動機能效應滿足國家標準《電動機能效限定值及能效等級》GB 18612-2020 的規定，并推薦選用1 級和2 級能效的電機。 除選用高效電機外，還應關注所拖動負載的整體效能，以離心式空調制冷機組為例，選用磁懸浮離心式機組(壓縮機為磁懸浮軸承)比普通離心式機組能效比值(COP)提高30%以上，參見表1。 在產生同樣冷量的情況下，電機功率大大降低。

表1 離心式制冷機組能效值

(2)合理進行系統設計，減少設備安裝容量。以照明系統為例，除選用高效節能燈具以降低燈具安裝容量外，還可以通過合理設計，在滿足規范功照明質量的前提下，盡量采用直接照明方式，采用單燈功率較大的燈具，減少照明功率密度值，提高系統整體能效。

3.2.2 減少用電設備的運行時間或運行功率

在滿足建筑使用功能的前提下，主要是通過合理的控制方式來實現設備運行時間的減少。 例如設置建筑設備監控系統，采用主動節能控制策略?？梢愿鶕ㄖ纫韵氯N不同的負荷特性，采用相應控制策略。

(1)即時類用電設備。 此類設備不含慣性或儲能環節，典型設備如照明、辦公電腦用電等，此類設備的控制要點在于將設備的工作狀態和實際使用需求真正對應。 以照明系統為例，在有自然采光的場所，可根據光線情況，由亮度傳感器控制燈具的開啟；會議室設置移動感應探測器，無人時自動關燈。 以上控制方式通過傳感器來主動感知建筑的真正需求，減少燈具不必要的開啟時間，達到節能目的。

(2)慣性類用電設備。 此類設備本身或其服務對象包含慣性能量環節，在設備停止運行后，仍能使其輸出參數在一定時間內保持在需求范圍內。例如房間空調系統，當設備停止運行后，由于房間存在熱慣性，溫度上升/下降到設定值的上限或下限時，還需要一段時間，可以利用該特性，在滿足房間基本需求的情況下，調整房間的設定參數，適當改變機組的運行方式，減少機組運行時間，實現降低能耗的目的。

(3)儲能類用電設備。 設備本身包含儲能環節，例如蓄電池或其他儲能介質。 可以根據其良好的負荷特性，削峰填谷，降低建筑運營成本。 以電動汽車充電樁為例，可以利用充電樁充電管理系統，制定主動管理策略，在每天用電高峰期間減少投入充電樁數量，在用電低谷期間增加充電樁數量，這樣可以使配電系統得到充分利用，相比于不受控制的自然使用狀態，最大需求功率值大為降低，配電系統的整體損耗降低。

通過以上措施可以減少終端用電設備的能耗，同時也使傳輸環節的電能損耗減小，建筑電氣系統整體能耗相應降低。

4 提高與創新——綠色可再生能源的應用

從能源輸入的角度來看，提高建筑電氣系統能效可以理解為在滿足建筑使用功能的前提下，從市政電網輸入的電能最小。 按照此思路，建筑因地制宜合理采用可再生能源，也是間接提高建筑能效的一種方式。

可再能源包括光伏發電、風力發電、燃料電池等。 根據國家能源局《關于2021 年風電、光伏發電開發建設有關事項的通知》，2021 年全國風電、光伏發電發電量占全社會用電量的比重約達11%，后續逐年提高，2025 年非化石能源消費占一次能源消費的比重將達到20%左右。

目前建筑中應用最多的是分布式太陽能光伏發電系統，隨著近年光伏發電效率的不斷提高和安裝成本的降低，光伏發電優勢將日益明顯。 北京地標《居住建筑節能設計標準》 DB11/891—2020 3.1.8 條規定:對于新建居住建筑，12 層以上的應有不少于全部屋面水平投影面積40%的屋面設置太陽能光伏組件；12 層及以下的建筑，應設計供全樓用戶使用的太陽能生活熱水系統或有不少于全部屋面水平投影面積40%的屋面設置太陽能光伏組件。 光伏發電系統裝機容量越大，年發電量越大，對建筑的節能貢獻越大，建筑的能效就越高。

光伏發電系統宜采用和市電并網運行模式，并宜設置儲能系統。 儲能系統可以優化可再生能源的使用，其本身并不能提高電氣裝置的效率，但可以減少市電電網的供電損失，可視為一種間接的節能措施。 在IEC 60364-8-1 中，設置儲能系統可以作為建筑能效評估加分項。

5 結束語

電氣系統的節能應從系統的角度出發，分析各個環節耗電情況，采用被動式節能和主動式節能相結合的方式。 從系統架構、設備選擇、負荷控制三個維度進行綜合考慮。

從以上分析看出，提高建筑電氣系統能效，首要是提高用電環節的能效，減少用電設備本身的能耗，這是最有效的方式，節能潛力最大；其次是降低電能傳輸環節的損耗；最后是因地制宜合理利用可再生能源，減少從市政電網輸入的電能，提高整個建筑系統的能源效率。