童 凌

(四川交通职业技术学院基本建设管理处，四川成都611130)

高职院校以工作过程为导向的教学体系，实验实训场所多，教学设备多，校企合作项目多，校园人员密集，是电能的高消耗区。在能源问题严峻的今天，作为节能减排倡导者的高职院校来说，应该具有更强的能源意识，并更加重视节能工作的开展。本文主要针对高职院校特点，对校园建筑进行能耗分析，并提出相关建筑电气节能设计措施。

1 能耗分析

对校园建筑的能耗分析主要从建筑物能耗和供配电系统能耗两方面来谈

1.1 建筑物能耗

1.1.1 冷热源能耗

冷热源能耗主要指空调用电能耗。众所周知，空调用电能耗在建筑能耗中占据最高比例。对于高校校园建筑来说，主要是办公楼、实验楼、图书馆、计算机中心、宿舍等场所的分体式空调用电以及诸如学术培训中心、科研综合楼等高层建筑配置的VRV空调用电。经能耗估算，分体式空调单台平均功率为1.5 kW，VRV空调单台平均功率为60 kW，根据实际使用情况，设年平均运行时间为1000 h，则单台分体式空调年耗电量为1 500 kW·h，折合电价约784元(取地区平均电价0.5224元/kW·h，下同);单台VRV空调年耗电量为60 000 kW·h，折合电价约31344元。能耗情况不容乐观。

造成空调能耗过高的主要原因是(1)空调配置不当。在房间或区域内配置空调时，未在施工图设计过程中予以准确考虑，配置随意性大，易造成“小面积，大空调”等空调规格选型过大的问题;(2)使用者节能意识淡漠，在夏季使用空调时，往往将空调制冷温度调得很低，或不根据人员多少对空调温度进行及时调整，在能进行自然通风时不采取自然通风降温的方式或在人离开房间后，不关闭空调等。(3)缺乏科学有效的管理手段或因条件限制未能配置先进的控制系统。

1.1.2 照明能耗

作为人员密集的高校教学性质建筑，诸如教学楼、图书馆阅览室等，均是用眼的高频率场所，对于这类建筑，其动力设备与冷热源负荷相对较少，主要用电负荷为照明负荷。由于我国高校的照明用电管理大多为开放式的模式，控制手段单一，选用的光源光效不高，照明用电能耗不容乐观。如一些学校教学楼采用按时统一送电的管理方式，加之白天人眼对自然光的敏感性差，即使在自然光充足的情况下，教室的灯依然开启。再者由于许多学生节能意识不高，“长明灯”现象非常突出，下课后，空无一人的教室里灯不关的情况比比皆是，造成了较大的电能浪费。

根据我国《建筑照明设计标准》(GB 50034－2004)对学校建筑照明功率密度(W/m2)现行值的规定，单位面积照明功率为11W，按照一栋六层主教学楼计算，设建筑面积约为20 000 m2，照明年平均运行时间为1200 h，则年总耗电约为26.4×104kW·h，加上维护成本，折合费用约15万元。根据某节能公司的改造数据，此类建筑的节电空间越为20—30%，因此，照明节能工作势在必行。

1.1.3 实验实训动力设备用电能耗

根据高职院校的教学体系，所开设的实验实训环节课程较多，校企联合项目多，实验实训场所安装了较多的动力设备和特种设备，此类场所也是建筑电气设计的重点和难点。在方案设计阶段，使用部门一般根据使用需求，提供设备清单。设计人员也按照清单提供的最大负荷考虑设计容量，但按这种方式计算出的负荷往往不准确。在实际工作中，许多进场设备与清单参数并不一致，某些特殊设备如焊接类设备，属于断续工作制性质，由于功能设计时诸如暂载率等参数不明确，导致负荷计算过大，再如对设备的功能性使用要求不明，实际使用时同时使用概率偏低，均导致负荷计算不准确。而计算负荷的选择失当影响了后续设计工序，如导致设备、线缆选择不当等，既加重了成本，对节能也不利。再如，以汽车钣金喷漆类实训场所为例，该类场所所涉及的设备众多，如烤漆房、干磨机、空压机、保护焊机、切割机、烤灯、调漆台等等，设备功率差异大，三相、单相制设备均有，容易造成三相负荷分配不均衡，产生一系列问题。

1.2 供配电系统能耗

1.2.1 变压器损耗

变压器作为供配电系统中的重要设备，其损耗包括有功功率损耗和无功功率损耗。

式中:ΔP为变压器有功功率损耗(kW);P0为空载损耗，铁损(kW);PK为短路损耗，铜损(kW);β为变压器负载率;SC为计算负荷的视在容量(kVA);SN为变压器的额定容量(kVA);

变压器的无功损耗也由两部分组成，一部分是变压器空载时，主磁通励磁电流造成的无功损耗。另一部分是由变压器负荷电流在一次、二次绕组电抗上产生的无功损耗。其公式为:

式中:ΔQ为变压器无功功率损耗(kVar);Q0为空载损耗，铁损(kVar);QK为短路损耗，铜损(kVar);β为变压器负载率。

1.2.2 供配电系统线路损耗

电能在传输过程中，由于线路自身电阻，所产生的损耗称为线路损耗。其有功损耗计算公式为

式中:ΔP为三相供配电线路的有功功率功率损耗(kW);I为线路相电流(A);R为线路电阻(Ω)。

当输送功率与电压不变时，功率损耗主要取决于线路电阻值，线路越长电阻值越高。学校建筑供配电方式一般采用放射式为主，放射式与树干式结合的方式，由于用电点多，线路较长，线路损耗问题不容忽视。

有功损耗由两部分构成，其一为空载损耗，也称铁损，它是变压器主磁通在铁芯中产生的有功损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成。铁损只与铁芯材料和制造工艺有关，而与负荷大小无关。另一部分是短路损耗，也称铜损，它是变压器负荷电流在一次绕组和二次绕组的电阻中产生的有功损耗，与负荷电流的平方成正比。变压器有功损耗的计算公式为:

2 电气节能设计措施

2.1 冷热源系统节能设计

2.1.1 空调设备的选型与布置

根据我国强制性国家标准《房间空气调节器能效限定值及能效等级》(GB 12021.3－2010)相关规定，校园建筑所选择的空调器必须达到国家2级能效标准要求，并加强使用过程中对设备的维护管理，严格禁止使用淘汰产品或不满足相关规范的高能耗产品。在布置室外机时，应将设备设置在进风通畅、排风不回流的地方，以保证室外机的制冷量(制热量)。

2.1.2 最大限度利用室外新风

应根据建筑维护构造特点，采用节能的通风设备，最大限度利用室外新风进行自然冷却。在春秋季过渡季节，为便于利用低温室外空气供冷，在暖通设计时，应注意设置足够的新风通道以便直接将室外新风引入室内。在能够进行自然通风时，宜开启外窗，尽量采用引室外自然新风，以热压、风压通风方式实现无组织换气。

2.1.3 改进管理，配置空调控制系统

在工作中加强设备运行管理，有条件时，应配置空调控制系统，对建筑物内的空调系统进行优化控制。如在设置VRV空调系统的公共区域，应根据人流量，分高峰、中峰、低峰时段对空调开启数量及风速进行调节，在无人时，应关闭空调;在演讲厅、图书馆阅览室、阶梯教室等重点区域，宜根据使用者数量及分布情况，调节空调风速，并根据使用时间及时对空调进行启闭控制。对办公场所，可在夏季设定空调制冷温度下限，如不得低于26℃等管理措施。可采取行政化管理机制强化节能管理成果。

2.2 照明系统节能设计

学校是典型的教学建筑聚集区，也是用眼频率极高的场所。在营造一个健康、高效的的光环境的同时，还应在设计时，采取相应措施，降低照明能耗。主要有以下一些措施:

2.2.1 确定合理的照度值水平

在照明设计中，照度值的确定是一个十分重要的工作，关系到照明功率等后续参数的计算与确定，选择合理的照度值有利于照明能耗控制的实现。一旦选择错误，不仅影响设计效果，而且会造成能源浪费。在实际设计工作中，应根据建筑空间性质，按照相关规范与设计标准，结合经济条件确定。教学楼、图书馆、实验楼、办公楼等建筑应按照《建筑照明设计标准》(GB 50034－2004)的要求进行照度值选取，校园广场、道路等区域可参照《城市道路照明设计标准》(CJJ 45－2006)的相关要求选取。

2.2.2 充分利用天然光

在《建筑照明设计标准》(GB 50034－2004)第6.2条中，对充分利用天然光以实现照明节能做了相关规定及建议。主要有:房间的采光系数或采光窗地面积比应符合《建筑采光设计标准》(GB/T 50033)的规定。有条件时，宜随室外天然光的变化自动调节人工照明照度宜利用各种导光和反光装置将天然光引入室内进行照明;宜利用太阳能作为照明能源。

在进行设计时，应根据建筑物朝向、结构、造型等客观因素，与建筑装饰专业充分配合，充分利用天然光照明，做到自然照明与人工照明的最佳结合。这是照明节能的最佳模式，也是绿色照明思想的体现。

2.2.3 选用高效光源、低损耗镇流器以及高效灯具

在光源选择时，除合理运用配光曲线的同时，选择高效、节能的光源十分必要，针对不同性质场所，选择相适应的高效光源。对于教学楼、图书馆等公共区域，选择建议采用T8(有条件选择T5)型直管细管型三基色荧光灯，该光源显色性好、光效高、且节能效果明显，且应带有电子镇流器或节能型电感镇流器。若建筑物配置有智能照明控制系统，则应广泛采用可调光电子镇流器。对于学生宿舍则建议采用居住性节能灯，如U型、H型、O型、2D型等。若经济条件许可，还可选用LED光源，该光源光线质量好、光效高、寿命长、能耗低，节能潜力大，是近年来被逐步认可的绿色光源。

教学楼教室灯具宜选取非对称光分布，光效比不低于75%的开启式配照型配光灯具;对于图书馆阅览室、报告厅等高大空间场所，其天棚反射比高，可采用半间接照明灯具。

2.2.4 改进控制方式，配置智能化的照明控制系统

可改进传统的灯具控制模式，如在公共区域如楼梯间、走道等，建议采用声、光控、延时控制或红外开关等。针对校园建筑特点，若有条件建议配置智能照明控制系统。系统可与BAS系统实现集成，通过光照度传感器、红外传感器、声波传感器等探测装置，固定于墙面或演讲台的控制面板以及无线遥控等设施，根据被控区域照度水平、人员存在状态对区域内照明设备进行自动启闭、调节等操作，实现最佳光环境的营造，能显著的降低照明用电能耗，节电率可高达近30%。

2.3 实验、实训楼/实习车间节能设计

2.3.1 准确确定计算负荷

在对此类建筑物进行电气设计时，首先应尽可能明确用电设备，特别是大功率用电设备与特种工作制设备(如点焊机、对焊机、桁吊等)，应请设备供应商做好设备的工艺性设计或提供明确的安装使用要求，避免对设计质量造成影响。在进行电气设计时，准确的计算负荷，特别是对功率因数和同时性系数的选取尤为重要，避免因负荷计算不准确造成配电设备与线缆选型过大，造成浪费，建议采用需要系数法进行计算，还应注意三相负载的平衡。

2.3.2 优化动力设备控制方式

根据使用需求，对电动机进行控制系统设计，优化动力设备控制方式。如根据设备性质及工作顺序进行分组，设置合理的末级出线点，减少线缆、桥架耗量，设置群组开关控制箱;正确选择电动机起动方式与运行方式，如降压启动，加装变频装置等，并考虑动力设备无功功率补偿的就地投切等。

2.4 供配电系统节能设计

2.4.1 对配电点合理布置

在设计配电点位置时，变配电所(间)、配电柜(箱)应尽量靠近负荷中心，配电间应尽量靠近强电井，以缩短配电半径减少线路损耗，一般来说低压线路供电线路不宜超过200 m。通过对配电点的合理布置，可降低线路损耗并提高运行可靠性。

2.4.2 变压器选型

变压器的选型应遵从以下几个原则:(1)准确计算负荷，合理确定变压器容量，并综合考虑初始投资与运行维护费用，选择容量与负荷相匹配的变压器，并对根据负荷的分布情况、所供建筑物性质情况、对变压器设置位置、出线回路等作出合理设计，使其运行于高效低耗区。(2)选择节能型变压器，在选择变压器时候，应选择高效率、低损耗、抗冲击、噪音低、节能效果好的节能产品。为使变压器处于最经济节能运行状态，其负载率宜在75% ～85%之间，并不应超过85%。宜选用铁芯材料采用具有高导磁率的优质冷轧取向硅钢片制造的变压器，其涡流损耗与漏磁损耗低，节能效果显著。(3)由于校园负荷种类多，照明设备多，单相、三相设备分布广，因此谐波及三相负荷不平衡问题突出，根据我国《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16－2008)等相关规范，配电变压器宜选用D，ynll接线组别的变压器。(4)由于高职院校的实验实训楼等实践性教学场所大功率动力设备多，且有大起动电流设备存在，为避免此类设备工作时对计算机中心、教学楼等场所造成影响，对此类建筑物宜采用专设变压器供电。综上，本着综合考虑校园建筑的特点和节约成本的原则，建议选用SCB型干式变压器。

2.4.3 合理选择供配电线缆，降低线损，节约投资

由于校园建筑供配电系统线路损耗问题严重，除选择合理配电点以减小线路长度外，选择电阻率较小的线缆也很有必要。根据电阻值公式可知，线路电阻与截面成反比，对于较长的线路，在满足载流量、热稳定性、允许电压降要求所选定的截面外，可适当再加大一级导线的截面，这样可延长线缆的使用寿命，减少线路的损耗。将线路损耗减少以及维护费用降低与线路截面增大所产生的费用相权衡，仍不失为一技术经济可行的设计方案。

在进行导线、电缆截面选择时，首先应根据线路敷设环境，满足机械强度要求。在确定截面时，一般采用按发热条件，即根据线缆载流量进行选择，这就要求负荷计算一定要准确，避免因负荷计算失当导致计算电流偏差而造成浪费。

2.4.4 无功功率补偿设计

降低供配电系统无功功率可以提高系统功率因数cos，功率因数的提高可降低负荷电流，以便在选择设备型号与线缆截面缩小一级，以节省成本和降低维护费用。由于线损与功率因数有关，提高cos还可降低线路损耗。具体措施有:

(1)减少用电设备的无功功耗，在设计选型时，尽量选择功率因数高的设备。如选择高功率因数电动机，运行时使其保持较高的负载率，并尽量减少空载运行时间。有条件时，在实训动力设备选择时，考虑同步电动机替代异步电动机。合理选择变压器规格型号，避免长期轻载运行导致 cos降低。

(2)采用静电电容器进行无功功率补偿，提高功率因数。一般采用就地补偿和低压集中补偿的设计方式。

3 结束语

在各高职院校校园规模逐步扩大的同时，能耗及能源投资问题突出，从节能角度来看，节能潜力巨大，任务艰巨。在进行校园建筑设计工作时，建筑电气设计应提前介入，根据高职院校校园建筑物性质及特点，对负荷情况进行认真查勘。在设计过程中，应加强节能理念的贯彻，综合空间环境、安全性、可靠性、使用功能、建设投资等多种因素，确定科学、合理、高效、节能的设计方案，使高职院校节能工作的开展得到技术保证。

[1]GB 50034－2004建筑照明设计标准[S]

[2]GB/T 50378－2006绿色建筑评价标准[S]

[3]JGJ16－2008民用建筑电气设计规范[S]

[4]雍静.供配电系统[M].北京:机械工业出版社，2003

[5]吴伟光.供配电和照明系统节能设计[J].建筑电气，2008(6)