王 忠， 张 俊

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

随着技术的进步，以及政府对节能的重视，民用建筑内的用电设备已经发生了巨大变化。 随着LED 灯具的普及，个人电脑等电子设备的大量使用，以及变频器在风机、水泵、电梯、空调等用电设备的大规模应用，建筑内各类负载的实际运行功率因数发生了很大的变化。 笔者依托现有建筑能耗监控系统的实测数据，对比平时设计过程中功率因数的取值以及采取的功率因数补偿措施，对功率因数取值进行一定程度上的修正，并提出优化设计措施，希望各位同行批评指正。

1 研究现状

笔者搜集了几个大型甲级设计院的负荷计算书，统计了计算书中各类型负载的功率因数，取值如表1 所示。

各负载类型功率因数设计值 表1

各设计院在变压器低压母线无功补偿容量的配置上，有两大主流设计原则，一部分设计院以表1中各类负载功率因数为依据，通过一系列计算，求得变压器低压侧的自然功率因数后换算取得需配置的补偿容量；而大部分设计院以变压器容量的30%配置补偿容量。

国家电网科［2008］1 282 号文件《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》对10／0.4kV变压器低压侧集中补偿容量做了如下规定：配电变压器的无功补偿装置容量可按变压器最大负载率为75%，负荷自然功率因数为0.85 考虑，补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量的20%～40%进行配置。 这份文件发布于2008 年，到目前负载功率因数有了较大变化，同时大部分设计院在按此文件设计时，直接取中间值，即按30%变压器容量配置补偿容量，而未按该条文前半段所描述的方法进行计算。

2 案例分析

以某办公楼及某商业综合体能耗监测数据为依据，选取照明、风冷热泵、地源热泵、电梯、LED屏、数据机房等负载在实际运行中的功率因数，同时对变压器低压侧无功补偿运行情况进行统计。

案例一是位于湖南省长沙市的一栋多层办公建筑。 建筑高度23.9m，办公楼地上7 层，面积约2.5 万m2，配套地下室面积约1.1 万m2。 项目设有两台1 000kVA 变压器。 项目特点：内部照明大范围采用LED 光源；空调采用风冷热泵与地源热泵相结合的形式；内部办公以电脑、打印机等设备为主。

案例二是位于湖南省长沙市某个集办公、商业于一体的大型商业综合体建筑，地下共4 层为车库、设备用房及部分商业，地上裙房共7 层均为商业，另包含3 栋超高层塔楼均为办公。 项目建筑面积约50 万m2，共设9 个配电房，24 台变压器，变压器安装容量共计33 600kVA。 本文仅对该项目商业部分变压器数据进行了统计。 项目特点：内部照明大范围采用LED 光源；空调采用水冷主机＋燃气锅炉结合的中央空调形式，影院空调采用风冷热泵形式；商业部分为集购物、餐饮、娱乐为一体的大型商业综合体。

2.1 负载实测功率分析

2 个案例中各项负载实测功率因数值如表2所示。

各负载类型功率因数实测值 表2

部分负载在凌晨等低谷时间段待机功率因数与平时运行功率因数有较大差距，考虑待机功率较小，对配电系统功率因数影响有限，所以表格中未体现待机时间段的功率因数。

由于所测数据均取自于能耗监控系统平台，笔者对办公楼项目每个回路实际所接负载进行了核实，各回路标注负载与实际所带负载互相对应；但商业综合体项目由于物业方管理规定等原因，无法对现场进行核实，故不能确保各回路标注负载与实际所带负载互相对应。

从各项负载功率因数实测值来看，由于负载特点、设备品牌等原因，不同项目同类型负载功率因数有一定差距，但大体接近。 下面以办公楼项目照明的日功率因数曲线图为例进行分析。

办公楼普通照明日功率因数曲线如图1 所示，办公楼普通照明除了在夜晚负载较低的情况下功率因数在－0.7 左右，其他时间段功率因数基本在－0.9 左右。

图1 普通照明日功率因数曲线

办公楼的普通照明负载一直处于容性状态，而商业综合体项目功率因数基本维持在0.92 以上，呈高功率因数的感性状态。 对比两个项目的负载情况，办公楼项目的普通照明负载中除了LED 照明外，还有大量的个人电脑，笔者推测这些个人电脑可能是导致办公楼项目普通照明功率因数呈容性的主要原因，但出于条件限制，目前无法对这个推测进行核实。

无论是办公项目还是商业综合体项目，从整体来看，普通照明负载的功率因数实测值相对于平时设计过程中功率因数取值均有较大区别。

办公楼空调主机包括风冷热泵、地源热泵，从图2～3 数据显示，风冷热泵和地源热泵的实际功率因数都在0.9 左右。 平时设计过程中采用的功率因数0.8 相对偏低。

图2 空调系统（风冷热泵）日功率因数曲线

图3 空调系统（地源热泵）日功率因数曲线

生活水泵作为纯动力负载，并未呈现出明显的感性状态，功率因数基本接近于1。 目前生活水泵普遍采用变频水泵，笔者通过查阅一些资料了解到，单变频器输入端功率因数较低，约为0.7～0.75，但大部分变频器都在内部加装了电抗器，使得变频器调速系统的功率因数提高到了0.95 以上。 平时设计过程中针对生活水泵的功率因数取值均为0.8，相对实测值偏低。 生活水泵日功率因数曲线见图4。

图4 生活水泵日功率因数曲线

根据图5 电梯系统日功率因数曲线显示，电梯设备功率因数在较大幅度内变化。 电梯的拽引电机有一般电机、变频电机、永磁同步电机等形式，运行工况也较复杂，这些都会直接影响到电梯功率因数的表现，同时由于能耗监控平台数据为离散数据，无法完整反映数据的实时变化情况。 但考虑到本样本中电梯用电量在建筑能耗中占比较小，对配电网络的整体功率因数影响也较小，故不再展开讨论。

图5 电梯系统日功率因数曲线

弱电机房属于常年稳定运行的负载，无论是功耗还是功率因数都很稳定，如图6 所示，实测出功率因数均接近于1 或呈－0.98 左右的低容性状态，平时设计过程中选取的0.85 相对较低。

图6 弱电机房日功率因数曲线

2.2 无功补偿投入情况

根据对两个案例的实地考察，了解到配电房低压补偿量基本按变压器容量的30%配置。 由于变配电所电容补偿投入情况无统计数据，但通过现场情况及从物业管理人员处了解到的情况看，不同变压器的无功补偿电容投入情况各不相同：办公楼两台变压器无功补偿电容在绝大部分时间未投入，系统整体自然功率因数均维持在较高的水平；而商业综合体无功补偿电容普遍投入率偏低，空调系统专用变压器补偿电容投入率相对较高，但高负荷时投入容量也不足补充容量的30%。

笔者调取了办公楼变压器低压出线开关处的功率因数数据，分别摘取了空调季节和非空调季节中某一天的数据，如图7～8 所示。

图7 变压器低压侧（2019－8－11）日功率因数曲线

图8 变压器低压侧（2019－10－21）日功率因数曲线

非空调季节，变压器低压侧功率因数基本在－0.8～－0.98，呈容性状态运行；空调季节，白天功率因数基本在感性0.97 以上，而夜间也变为了容性状态。 考虑非空调季节空调没有运行，负载以容性的照明负载为主，故长期处于容性状态运行。 空调季节呈感性的空调负载在白天投入运行，将运行状态由容性变为了感性状态。

由此可见，在设计过程中，变压器补偿容量配置大多数情况下可能偏高，补偿投入率偏低，造成了较大的一次投资浪费。

3 设计优化

3.1 负荷计算功率因数取值优化

在设计过程中，进行负荷计算时建议综合考虑所带负载特性，如照明灯具是否大量采用LED灯、空调主机是否为变频空调、电梯是否为变频电机等，根据负载特性合理选择功率因数取值，为无功补偿容量的配置提供更加准确合理的数据支撑。

笔者根据对以上两个案例的实测数据分析，提出各类型负载功率因数设计参考值供参考，如表3所示。

各类型负载功率因数设计参考值 表3

3.2 无功补偿容量配置优化

在设计过程中配置电容补偿容量时，建议充分参考负荷计算结果，同时针对负荷计算可能出现的误差留有一定裕量，不要盲目地根据变压器容量来确定补偿容量。

同时考虑到目前实测数据中，有大量负载在运行过程中呈容性状态，建议在配置无功补偿措施时，适当考虑采用基于电力电子技术的静止无功发生装置SVG，该设备采用全控型半导体器件组成的逆变电路，实现动态无功补偿，可以对负荷实现感性、容性双向快速补偿和连续调节。

4 结束语

随着科学技术的发展，民用建筑内的用电设备也发生了翻天覆地的变化，电力电子、智能化等更多的新技术应用在各种用电设备上。 用电设备的功率因数情况也随之发生了较大变化。 设计师在进行民用建筑配电设计时应综合考虑负载实际情况，选用合理的功率因数取值，同时结合负荷计算结果，合理确定无功补偿方案，在满足政策、规范要求的前提下，以经济的投资，提供最优的设计方案。