建筑电气设计能效评价指标的研究与应用

　　 1 前言

　　随着我国城市化的加速进行，各种类型的建筑物拔地而起。在实际的工程实践中，由于各种原因造成变压器容量普遍选择较大，大大超过建筑用电高峰时期的用电负荷。据相关文献[1][2]介绍，许多民用建筑的变压器负荷率在高峰时没有达到30%，在非用电高峰时变压器的负荷率则更低，实际运行的变压器负荷率最低只有4.3%，造成能源浪费和固定资产投资增加。因此，有必要引进一种能效评价体系对建筑电气设计进行评价，以保障变压器负荷率运行在合理的范围之内，达到节能减排、减少投资的目的。

　　当前，我国的能效评价体系被已广泛应用，比如家电、电动机、变压器、光源、 镇流器等产品已有相应的能效评价指标（简称EEEI，下同）的国家标准[1][3][6]，照明设计所采用的照明功率密度值LPD则是照明设计的能效评价指标，这些产品或设计的EEEI已经使用十多年，有较成熟的经验。受此启发，建筑电气设计能否也引入能效评价指标对其进行评价？为此，笔者通过对北京、上海、广州等不同气候特点的典型城市采集不同类型民用建筑的实际用电数据，并对这些数据进行整理、分析与处理，来探讨建筑电气设计的EEEI.

　　 2 建筑电气设计能效评价指标的研究

　　2.1 数据采集

　　数据采集是一项基础性的工作，周期长、数据多，通过与北京、上海、广州三地供电部门的协商、沟通与合作，笔者将上述三地2012~2013年中的部分民用建筑用电数据加以采集与整理。数据采集包括建筑名称、建筑类型、建筑面积、变压器容量和台数、一年中最大用电负荷Pmax、最大负荷时的功率因数cosΦ等。所采集的数据为建筑物一年中连续运行30min的最大平均值。

　　另外由于不同建筑类型的用电情况有着明显的区别，因此在整理数据时，将不同类型的建筑用电数据加以分类处理。

　　表1~7分别为办公类建筑、商业类建筑、酒店、医院建筑、体育建筑、学校建筑、展览类建筑的实际用电数据。

　　2.2 数据分析

　　2.2.1 能效指标

　　不同产品或行业的能效评价指标有自己的评价标准。比如配电变压器能效评价指标是以配电变压的损耗作为评价标准[3]，其能效限定值定义为在规定测试条件下空载损耗和负载损耗的允许最高限定值；而节能评价值定义为在规定测试条件下配电变压器空载损耗和负载损耗比能效限定值更低的标准值。建筑电气设计行业常用的指标有变压器容量指标（单位VA/m2）、负荷密度（单位W/m2）及用电指标（单位kWh/m2）[6]，这三个指标都有各自的用途和侧重点，负荷密度是以设备的安装容量为基础，它是为了方便对各级配电箱（柜）、变压器等容量的选择；用电指标是实际运行时的数据，它与建筑电气设计并没有必然的联系，主要反映了建筑物实际用电情况；变压器容量指标是用来评价建筑电气设计的重要指标，当设计按照规范合理的设计时，通过它能反映建筑电气设计是否达到了应有的节能要求。因此，建筑电气设计的EEEI采用变压器容量指标进行能效评价。

　　2.2.2 分析方法

　　为了便于应用，建筑电气设计的EEEI设定为2级指标，即能效限定值和节能值，文献6对此有详细说明，请读者参考。笔者采用除峰谷最大值法[6]确定能效限定值及能效节能值，结合最新的IEC60364-8-1的初步结论，当变压器的负载率在40%~65%时，变压器的效率最高，并能满足高等级民用建筑二级及以上等级负荷的供电可靠性要求[7]。这样既可保证供电可靠性，又能提高供配电系统的效率，有效地减少电能的浪费。变压器负荷率为40%对应于能效限定值，负荷率为65%对应于能效节能值。

　　表1~表7可以采用散点图表示，以更加直接、形象表示所采集的数据，便于分析和研究。图中◆为广州数据，■为北京数据，▲为上海数据。

　　由于采集样本数据较多，加之实际运行情况的复杂性，有的数据明显离散，应将其除去，本研究用除峰谷最大值法与莱茵达准则[6]相结合的方法来寻找坏点[5]并处理数据。

　　由图1~图7可知，除峰谷后，广州、北京、上海三地的最大值比较接近，分别为（请补充），因此，在我国建筑物的等级和档次决定了某类建筑物的用电量LDmax，与地域及其气候条件关系不大。

　　由上可得，办公建筑的最大负荷密度值LDmax=43.66W/m2，商业建筑的最大负荷密度值LDmax=65.46W/m2，酒店的最大负荷密度值LDmax=47.84W/m2，医院建筑（医技楼除外）的最大负荷密度值LDmax=58.38W/m2，体育场馆建筑的最大负荷密度值LDmax=60.32W/m2，学校建筑（主要指教学楼、办公楼等，实验楼除外）的最大负荷密度值LDmax=62.39W/m2，展览馆建筑的最大负荷密度值LDmax=49.22W/m2.根据所得的不同建筑类型的最大负荷密度值，用公式（1）即可确定不同建筑类型的建筑电气设计EEEI的节能值及限定值（如表8~表14所示）。

TCI=LDmax/(η•cosΦ)（1）

　　式中，TCI—变压器的容量指标，单位：VA/m2；

　　LDmax—建筑物年最大负荷密度，单位：W/m2；

　　η—变压器负荷率，分别取40%和65%；

　　cosΦ—功率因数，取0.9.

　　2.2.3 地域差异对数据处理结果的影响

　　由于此次数据采集是北京、上海、广州三地的数据，三地所处的纬度都有所差异，气候条件差别较大，北京是寒冷地区，上海是夏热冬冷地区，广州是夏热冬暖地区，因此人们必然会提出三地不同气候条件对用电负荷影响的质疑。显然有必要讨论地域差异对数据处理结果的影响，在比较三地数据时应秉承三地数据样本大体相同的原则，这样才有可比性。由于本次数据采集样本不是很全面，有的建筑类型广州的数据较多、有的则是北京或者上海的较多，所以在选择建筑类型时应尽可能的选择三地样本数量大体相当的建筑类型，经比较医院建筑类型符合此原则。采用除峰谷最大值之后，广州医疗建筑的最大负荷密度值LDmax=41.67W/m2，北京医疗建筑的最大负荷密度值LDmax=45.98W/m2，上海医疗建筑的最大负荷密度值LDmax=43.73W/m2。最终结果是采用的三地处理结果的最大值北京医疗建筑的最大负荷密度值，广州与北京医疗建筑最大负荷密度的差值为4.31W/m2，上海与北京医疗建筑最大负荷密度的差值为2.25W/m2，其差值分别占所采用数据45.98W/m2的9.37%及4.89%.由于此次数据采集样本量不是很大，在大样本的情况下这种差异会进一步减小，因此可以采取三地所处理数据的最大值作为最终的结果值。可见地域差异对数据处理结果的影响是在合理的可接受的范围之内。

　　 3 结论

　　建筑电气设计能效指标的研究与应用，对建筑电气设计行业有着重大的意义，将上述研究总结而得出EEEI的指标如表15所示。

　　需要说明，EEEI是节能的评价指标，不是设计指标，切不可用表中的数值反推变压器总装机容量。

　　本文仅起到抛砖引玉的作用，希望引起电气届的同仁对建筑电气节能设计的重视。由于所采集的数据有限，诸如体育、医疗、教育、展览等类型建筑的研究尚有明显不足之处，有待完善和深入研究，也希望更多的同仁参与到建筑电气节能设计研究之中，以提高我国建筑电气节能设计的水平。