【电气技术分享】减少照明负载的技术措施

1999年由卡德摩斯集团东北能源效率公司提供的调研报告中，提出设计需求与测量需求之间的分歧是伴随着暖通空调的自动控制更加先进和LED照明系统的低功率要求产生的。但在NEC 2014版220.12中对支路负荷计算提出了一种新的计算方法，为照明电源电路设计的新构思提供了灵感。


作为由国家消防协会（NEPA）制定的消防安全文件，NEC的主要关注点并不是节能。而是将与火灾相关的过载变压器、开关柜和楼宇布线等问题作为重点。许多业内专家在几十年来，一直认为NEC标准的第2章和第4章以“大量能源浪费和热量损失”为基础的需求计算应该进行修改，但这些建议一直没有被采纳，直到密歇根大学的联合会向NEC的技术委员会提供了足够的数据来证明建筑内火灾隐患的根本原因在于向建筑内引入了过多的能源。

1.相关内容

照明负载可能是变化最明显的，因为照明带来的连续负载相当于一个普通商业建筑或学校的负载的30%~40%。照明负载也在其他非电气标准开发的绿色议程中被提及，例如美国的暖气和空调工程师学会（ASHRAE）和国际法典委员会（ICC），这两个组织都对于照明功率密度进行了总结，如表1所示。

表1 照明功率密度表

仔细阅读2014版NEC的第220条和附录D可发现，许多行业（如农业、建筑、餐厅）在过去的几年都存在不按照第2章所规定的设计规则进行设计的成功案例。其中占有率最高的商业建筑至今也没有找到有效的方法来缩小设计要求与实测负载之间的差距。在NEC技术委员会最新更新的规范条款中提出的个案，确实提供了及时的帮助，而且这种做法是从之前4次美国化学理事会提交的建议中得到了灵感。

2.负载监测

用于监测照明负载的方法需要引起重视。尽管许多新建建筑都要求在暖通空调系统中增加能源管理系统，但在220.12章节中没有严格要求要有一个完善的能源管理系统，而只是要求提供一种照明负载监测方法，以便业主或者管理员可以实时监测建筑中的照明总负载（并非在建筑生命周期内出现的其他负载）。软件与恰当的电流继电器（或其他传感器）相结合，可以在新的能源管理平台上提供一个电流值或电压值。在建筑中增加一个新的监测点大约需要花费2 500美元，测量点与监测点之间的管线的成本并不是很高。许多变压器都拥有综合计量的选项，可以有效降低成本。

规范条款中保留了设计师用来判断整个建筑中需要监测的照明负载的位置的部分。图2中显示了两个照明负载可以被测量的位置，一处是单独照明负载的一个或多个专用馈线，另一处是由局部照明变压器提供的照明面板。

图2 照明负载测量位置

此外，规范条款中并没有指定具体的照明计算方法。由于能源条款更新地很快，这需要节能和电气两方面规范的协调。

3.小型变压器

现在拥有更小型的网络、480V三角形和480V/277V三角形-星形照明回路，可以重新构思更多的照明系统。800A专用变电站照明馈线及其相应配电盘，现在可以围绕一个三线反馈式设计，可以提供体积更小的变压器放置在更接近电柜的位置。

这也可能会引起一系列的后续设计。因为规模较小的本地变压器中的三角形绕组可以有效地捕捉服务器中来自于能源的接地故障电流，向小型变压器中注入的能源被减少了。当有人站在梯子上更换277V的荧光灯镇流器或安装277V LED电源时，上述情况会在电力安全方面引起很大的差异。

4.商业建筑计算案例

可以使用2012 IECC来说明如何在50 000平方英尺的办公建筑中应用NEC条款（大部分面积可以划分为商业类和办公类）。

NEC中的表220.12办公建筑照明每平方英尺的负荷为3.5VA。对50000平方英尺的建筑来说，按此标准可计算出该建筑的总照明负荷为175kVA。根据2012 IECC的要求，相同建筑的最大安装密度为0.9VA每平方英尺，这样总负荷为45kVA。无论如何分配，这两种规范之间产生的13kVA的差距是非常明显的。

图3 房间尺寸计量

图3的左侧是没有参考NEC 220.12章节所进行的尺寸计量，右侧是参考了NEC 220.12进行的尺寸计量，参考NEC 220.12后，80平方英尺的房间可以简化为52平方英尺。

如图3所示，这种简化可以改变电柜的型号以及暖通空调系统中设备的型号（如风机盘管和风管等）。全国每年会新建数以百万的办公建筑，若都应用上述方法将之进行简化，则在安全和经济方面的收益是非常明显的。

5.学校建筑计算案例

可以使用2010 ASHRAE 90.1 标准来说明新NEC条款在学校建筑中的应用。

表2

表2中，2011 NEC 部分没有相关条款来支持照明电路与能源规范相结合的情况，要求所有的照明都要达到每平方英尺3VA。2014 NEC 部分中，220.12章节条款允许按照类似于IECC的能源条款来进行照明设计，其中要求每平方英尺不超过0.87VA。

NEC表220.12规定了学校或教室的允许照明负载每平方英尺不能低于3VA，对整个建筑来说，允许的标准为每平方英尺0.99VA。如表2所示，建筑中的照明负载减少了201kVA，并且可以使变电站变压器的负荷从1 500kVA降低至1 000kVA，较小的变压器的二次配电电流也会降低（从2 500A降至1 600A），并且根据不同断路器的要求也可能减小二级开关的大小。

6.通过大幅度提高效率来降低预期的限制问题

许多部门或许会将220.12章节的条款解释为，除了热追踪器或某特殊设备外，没有其他277V负载可以使用专用照明变压器。然而，与整个建筑的运行和经济性相比，这只是照明方面安全性和成本效益方面的较小的限制，并且在非照明电路中可以通过升压或降压变压器进行弥补。

许多电气改造都可能推动经济的转变。但这单一的理由并不足以推动整个建筑电气系统的全面升级，现在可以将其定义为电气改造的绿色升级，而不是单纯的集资、安全施工和经济运行。对电气系统的利益包括：

■ 中压变压器每年的空载损耗每10kVA将消耗43 800美元；

■ 1000英尺，400A的馈线（铜导线）的成本为7 500美元，现在可以替换为300A馈线（铝导线），成本仅为2 500美元。校园中的建筑距离较近，建筑之间馈线的低压服务器可以完全取代中压服务器；

■ 使用小型变压器之后，能源管理系统（医院或学校的）的操作者会发现负载明显减小，100MVA网络中的功率因数提高1%~2%每年就可以节约成千上万美元，这还取决于当地电力公司的税率；

■ 应急及备用的现场发电机的额定值可明显降低。