电源侧提高民用建筑电气能效的方法探究

电源侧提高民用建筑电气能效的方法探究

李雨轩

华东建筑设计研究院有限公司       上海      200000

摘要：民用建筑电气在配电设计时，应保护人身安全、财产安全、经济性和供电可靠性，同时应考虑节能和技术的先进性。通过在电气设计过程中的相关研究，为提高民用建筑电气能效提供些技术参考。

关键词：供配电设计；负荷计算；电源侧能效；变压器负载率；太阳能光伏系统。

随着国家对“双碳”目标的推动，建筑行业的节能越来越受到关注。查阅公开的一些资料，建筑行业的碳排放量占据全球总量的40%。到2050年，有高达80%的存量建筑还需要进行大规模改造、翻新来实现减排，因此如何提高建筑的能效是摆在广大设计人员面前的迫切问题。

建筑电气配电系统主要包括：电源（变压器）、配电设备（包括开关、表计等元器件）、配电线路、终端用电设备、控制系统。

目前，配电设备、终端设备国家已制定了较为完善的能效标准，设计人员的选型都能满足能效要求。从电源出线到设备终端的设计有规范的约束，也能满足节能要求。

从电源出线侧到各终端设备所有的能耗情况最终会反映到电源侧，所以对电源侧的考核可以对一个项目的能效做出判断。

-以下本人想就电源侧提高建筑电气能效的策略谈一点看法。

一、选用高能效的变压器

我们国家目前在网运行的变压器数量大概有一千七百万台左右，总的容量大约为一百一十亿千伏安。在输电和分配电力的过程当中，变电设备所产生的损耗大约占全部电力损耗的40%左右，根据估计，我国每年因此而损失的电量高达2500亿度电，由此可见，如何节省能源拥有极大的潜力。2020年5月29日，新版的《电力变压器能效限定值和能效等级》国家标准（GB 20052-2020）被正式发布，与2013年版本（GB 20052-2013）相比，最新修订对变电设备的能耗界限进行了下调，幅度在10%至45%之间。接着，在当年的12月，工业和信息化部联合国家市场监管总局和国家能源局共同发布了一项《变压器能效提升计划（2021-2023年）》，此规划重点强调生产和应用高效节电型变压器，明确了数额和品质的双重目标。预计到2023年，符合GB 20052-2020国家标准中能效一级或二级的高效节能型变压器在电网使用中所占比例至少提高10个百分点，新增型号中高效节能产品所占比例达到75%或以上。执行这一阶段性行动方案以提升变压器能效，不但对促进变压器行业的技术革新和改良有利，加快能效提升，也有助于减轻电力输配环节的能耗，增强企事业单位的用电成效。此外，它还会进一步推动生态环境朝着绿色、低碳的方向发展和实现质量上的提升，对于拓宽高效变压器的市场供应和壮大环保节能的新力量亦具有不可小觑的重要意义。

本院也将以GB20052-2020规范《三相配电变压器能效限定值及能效等级》提及的无负载和有负载损耗指标为准绳，严苛贯彻执行不得低于二级能效标准的变压器设计规定。

二、合理规划变压器的安装容量

负荷计算是选用变压器的依据。在实际工程设计中，设计人员往往根据项目内所有设备容量计算出一个（最大）负荷，通过该数据来进行变压器容量选择。由于变压器的实际最大负载需要在项目投入使用后经过较长时间的运行才能得出准确数据，在设计阶段如何通过合理的方法计算出贴近实际运行的最大容量（对应变压器计算负载率）成为摆在设计人员面前的一道难题。

目前，民用建筑负荷计算普遍采用的是需要系数法。我国的需要系数值引自国外，且已在国内沿用了数十年，从未进行过调整和修改。需要系数值普遍偏大，导致最终通过需要系数法计算出来的变压器容量偏大。即便算出来的负载率超过80%，实际上很多项目变压器实际运行的负载率在50%以下，造成资源浪费。

拿医疗机构来说，依照2009年发布的《全国民用建筑工程设计技术措施·电气》所提供的数据，其用电量的标准是根据每平方米30至70瓦来估算的。设计人员在实际工作中也基本是按照这一数据执行的。下表为几家医院建筑变压器设计数据：

而实际运营中，几家医院用电情况：

从上数据显示，医院变压器设计单位装机容量基本在70~90VA/m2，而实际运营中，高峰用电指标基本在30~50VA/m2。设计和实际运营用电数据存在较大差异。

故合理设计变压器的安装容量，从而达到合理的单位装机指标，是实现电源侧能效最大化的途径。

而要达到上述目的，需要对现行需要系数进行修编。由于能耗监测系统从设计到实施已经过多年，各种类型的建筑已积累了大量的运行数据，建议相关部门牵头，通过大数据分析，对不同类型负载的需要系数进行调整，从而提高负荷计算数据的真实性，贴近实际运行参数，帮助设计人员更合理选择变压器容量，有效节约资源。

《民用建筑电气设计规范》GB51348-2019在第24.1.4条中提出，将变压器的额定容量作为衡量建筑电能效率的一种标准，并规定了这一容量指标的具体要求。

该规范条文解释中阐释了表格中罗列的是广州、北京、上海等城市的203栋大楼，这些建筑的数据是经实际运作记录后进行评估和编排得来的。在评价建筑电气设计中变压器容积选择是否得当时，节省能源的数值则作为衡量标准，一般而言，所选变压器的容积不宜超出规定的最高限度。若建筑电气设计满足24.1.4表所列，我们可以视之为建筑电气节能设计达到了合理的水准。

上述条文仅对办公、商业和旅馆建筑给出了变压器的设计限定值和节能值，建筑类型太少，有局限性，同时对上述参数的满足并不强制要求，只是作为建筑电气节能设计合理性的一个评判指标。

建议由主管部门牵头，对全国各类建筑的能耗进行大数据统计分析，完善并制定各类建筑的变压器容量指标，后续出台的电气节能规范将该指标纳入，并升级为强制性条文，对工程设计变压器的容量进行约束，从而实现建筑用电节能的最大化。

须明确一点，设计过程中必须依循既定设计准则进行，而设计完成的产物须通过相应的评估标准进行检验。决不可将评价标准作为设计准则的替代手段。

三、合理规划变压器的负载率

不同类型的项目，设计规范对于变压器负载率有明文规定：

遵循GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》第4.3.2条规定，供电变压器在持续运转期间的负载率需保持在85%以内。

住户居所的供电网络布置需根据规定优先选择节能型变压器。变压器的联接模式宜选D，yn11方式，同时应确保其运行载荷率维持在85%以下。

根据《金融建筑电气设计规范》JGJ284-2012的 5.3.4条款，金融设施专用变压器的负载率需要满足以下条件：其长期运行的负载率不能超过75%。

根据《科研建筑设计标准》JGJ91-2019第9.2.7条规定，配电变压器的负载率应在70%~85%之间。

根据《公共建筑节能改造技术规范》JGJ 176-2009第4.4.2条，如果变压器的平均负载率持续低于20%并且未来不会增加电力需求，那么应该对其进行改良。

《交通建筑电气设计规范》JGJ243-2011第3.4.2条规定，对于大规模和关键的交通设施，变压器的持续工作负载比例应在60%~75%之间；而两台互相备用的变压器，一台因故障停止运行，另一台则需要能够承受所有一、二级负荷。

可见，规范普遍认可的变压器负载率在60%~85%之间，长期负载率低于20%被认为是不合理的，需要改造。

GB51348-2019《民用建筑电气设计标准》第24.2.4条规定：应使变压器工作在经济运行范围内。根据条文解释，当变压器的铜损等于铁损时，变压器效率最高，此时变压器的负载系数宜为40％～65％。

根据《电力变压器经济运行》GB/T 13462-2008的规定，双绕组变压器的最优经济运行范围为1.33ßjz2≤ß≤0.75。在此，ßjz代表变压器的综合功率经济负载系数。

Pz%=ƒ（ß）为变压器负载损耗率与变压器负载率的函数特性曲线，理论上变压器的经济负载率上限为75%。

四、太阳能光伏系统作为建筑能源的补充

据美国国家再生能源实验室（NREL）新近更新的研究电池效率排行榜（即太阳能电池转换效率图）显示，实验环境下太阳能电池的最高转换效率现已攀升至47.1%，而目前工业生产的晶硅太阳能板转化效率亦可轻松超越22%，同时成本亦已降至原先的十分之一。

随着双碳目标的推进，绿色能源作为传统能源的补充，正日益受到重视。太阳能光伏系统作为一种技术成熟，安装便利的绿色能源，正越来越得到广泛的应用。目前，国标和一些地方标准都将太阳能光伏应用作为设计中的强制项：

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015 - 2021第5.2.1条明确指出，新建的建筑必须配备太阳能设备。

光伏电池主要分为两大类：晶硅电池（单晶硅、多晶硅）及薄膜电池（碲化镉、铜铟镓硒等）。

本公司近期作为顾问参与了某银行总部大楼的机电系统近零碳设计，其中一项策略就是大规模采用太阳能光伏系统。

本项目推荐采用单晶硅光伏组件，其中屋面采用常规组件，转化效率可达21%，安装方式简单；立面结合建筑效果建议采用灰蓝色单晶硅BIPV组件，在满足里面装饰效果，也最大可能满足产能需要（电池转化效率高达15%）。

因该项目屋顶光伏板的安装容量没有达到预期，另外在塔楼南立面设置了光伏玻璃。整体光伏输出容量约600kW，且该大厦采用了光储直柔技术。

根据光储直柔建筑负荷曲线，可见光储直柔系统供电区域可以显著降低建筑的配电容量。

例如，某大楼的直流配电系统使用了DC±375V和DC48V两种电压等级，并配备了150kW的光伏系统，储能总容量达到300kWh。通过整合使用光储直柔技术，大幅度减少了建筑配电的容量。在与电网的联合测试过程中，我们在半小时的反应时间内将大约60kW的用电负荷降低到了28.9kW，同时，响应削峰的比例也达到了51.6%。

以上便是本人对电源侧提高建筑电气能效的一点粗浅认识，总结如下：

1、目前，使用的高能效变压器至少需要满足GB 20052-2020 《电力变压器能效限定值及能效等级》中的2级能效标准。

2、合理进行负荷计算，所选择变压器的单位容量指标不超过规范所规定的限定值，并追求接近节能值；

3、合理设计变压器的负载率，使之运行在高效区间；

4、采用新能源技术进一步提高建筑电气能效；

如果有不妥之处，欢迎各位设计人员指正。

参考文献

1、莫理莉，陈志忠，王静，商晓峰.“光储直柔”建筑电气设计探究-《智能建筑电气技术》;2022-06-20

2、上海证券报.国网英大股份有限公司；2022-04-21

3、李战赠，杜兴.“双碳”战略之变压器配置研究-《智能建筑电气技术》；2022-08-15

4、汪贝，陈金猛，张婧卿，孔宪国，李萍.电力变压器能效限定值扩展研究-《变压器》；2024-02-23

5、纪亮.三部门印发《变压器能效提升计划（2021-2023年）》-《中国计量》；2021-02-10