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［摘要］對于大部分主體結構位于地下的全密封式建筑物，為使建筑空間內保持著適宜的溫濕度和光照度，空調和照明的電能消耗占據日常用電的絕大部分。按照國家關于節能減排的要求，結合國家大劇院建設期變配電系統節能設計和運營期的管控措施，綜合分析大劇院在電氣節能方面的技術應用。
［關鍵詞］節能設計;節能措施;應用分析
低碳環保的概念現階段已普及到社會的各個領域。“十三五”期間，國家繼續把大幅度降低能源消耗強度、二氧化碳排放強度和主要污染物的排放總量作為重要的約束性指標，并將采取更加強有力的措施力促節能減排。作為國家表演藝術的最高殿堂，國家大劇院(以下簡稱我院)在探索“中國特色、世界一流”的先進經營模式的同時對節能減排工作高度重視，力爭為人民群眾營造一個低碳環保的觀演場所，創建一個綠色節能的文化舞臺。從長遠發展和戰略高度來看，一個建筑物從項目立項到竣工投入使用應全過程貫徹節能降耗的思想。電氣設計時除滿足各項規范和技術指標要求外，還應當盡量減少電能損耗，提高電能利用率，從而達到降低成本、延長使用周期的目的;投入運營后加強設備管理，各專業系統及時對設備設施進行維護保養，定期對設備設施進行維修檢修。合理調整設備的運行模式，并結合新技術、新工藝、新材料、新設備的推廣對耗能設備進行更新改造，以確保單位能耗水平得以有效控制。
一、控制節能源頭，優化設備選型
我院在設計階段從變配電系統拓撲結構、主要電氣設備選型和運行方式的節能入手，確定了采用“三站四路四聯絡”的10kV供電設計方案。
(一)合理設計供配電系統
我院建筑占地面積較大，東西向長度250米，南北向長度450米。根據負荷容量、供電距離及用電設備分布特點等因素，在南北兩端采用兩個高壓供電負荷配送中心共同向9個變配電站供電。每個變配電站靠近各自負荷中心，強弱電間靠近電氣主路由，供電網絡分布合理，使低壓供電半徑控制在100米以內，供電線路的電壓損失滿足規范的允許值，減少了低壓電氣線路電壓損失，提高供電網絡的供電質量及網絡運行的經濟效益。這種供電方式有效縮短高低壓電纜敷設長度，供電半徑小可減少建設投資，并且最大限度降低線路電壓衰減造成的能源損耗。由于外電源由城區三個高壓開閉站引出四路出線，兩個高壓站間另有四條電源互為聯絡，從而形成雙聯絡環網系統確保了供電的安全可靠性。高壓供電系統圖
(二)電氣設備優選節能產品
據統計，變壓器總電能損耗占總發電量的2%～3%，變壓器經歷了由油浸式變壓器轉向干式變壓器的發展過程，SCB10型變壓器具有損耗低、重量輕、噪聲低、效率高、抗沖擊、節能等顯著特點。與S9型的干式變壓器相比，其空載損耗也平均降低8%，負載損耗平均降低5%左右，節能特點顯著。強制風冷狀態下，變壓器短時過載能力可達到額定值的150%。我院供配電系統共有18臺10kV干式變壓器，型號為SCB10－10/0．4。變壓器鐵芯選用的是0．27mm進口優質硅鋼片，采用先進的5步進疊片工藝樹脂澆注而成，產品可靠性高，使用壽命長。節能方面，SCB10系列變壓器比現行國標《干式電力變壓器技術參數和要求》(GBT10228－1997)空載損耗P0下降33%，負載損耗PK平均下降15%，總損耗平均下降約19%。電機在全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網吸收7倍的電機額定電流。啟動電流過大即浪費電力，對電網也會造成一定程度上的電壓波動，增加了線損和變損。采用軟啟動和變頻控制后，可控制電機啟動電流，減少了啟動電流對電網的沖擊，節約了電能源，也減少了啟動慣性對設備的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。同時根據現場對溫濕度、新風量以及用水量進行電機速度調節，從而減低了電能源消耗。機電設備在設計配用動力驅動時，一般都留有一定的裕量，以確保電機不在滿負荷狀態下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。采用變頻器節能調速后，其性能使負載特性發生了變化，對電網的阻抗特性呈阻性，減少了無功損耗，提高了功率因數。我院采暖空調系統用電負荷占劇院總用電負荷的22%左右，由于氣候變化、人員密集度等各種因素的變化，負荷始終處于5%～60%范圍內動態改變之中。因此，在采暖空調系統(包括給排水系統)大量選用節能型電機，容量大于30KW的電機全部采用軟啟動器和變頻器進行啟動與運轉速度控制調節，解決了能源浪費問題。電梯、自動扶梯系統配備的電機也是高效節能的EcoDisc碟式電機，采用先進的VVVF變頻驅動系統。碟式電機非常經濟，只消耗同等傳統設備所需的一半能量，啟動瞬間峰值電流為同等的液壓和拖動設備的30%－40%，運行經濟，節約用電，使用上安全可靠。
(三)合理選擇供電線路和導線截面
影響線路損耗的主要是供電方式和導線截面積，在滿足允許載流量、運行電壓損失等各種技術指標的前提下，按經濟電流密度合理選擇電纜及導線的截面，從降低電能損耗、減少投資等方面綜合進行選擇，按經濟電流密度合理選擇導線截面。一是選用電阻率較小的銅芯導線，二是盡可能減少導線敷設長度，三是增大導線截面積。對于較長的線路，在滿足載流量、熱穩定、保護配合及電壓降要求的前提下，選擇導線截面時加大一級導線截面。這樣增加的線纜投資，可由節約能耗而減少了年運行費用得到補償，從而達到節能、經濟的目的。我院除應用于消防設施上的氧化鎂礦物質電纜外，高低壓變配電系統全部選用YJV電纜。這種電纜的絕緣材料(聚乙烯)經過交聯改性使其性能得到大幅度的改善，耐高溫性、耐腐蝕性、抗蠕變性和電性能等綜合指標優越，最大限度地確保劇場安全運行。
二、合理調整變配電系統運行模式
變壓器的技術特性決定了變壓器在變換電壓及傳遞功率的過程中，自身要產生有功功率損耗和無功功率損耗，隨著負載的變化而產生非線性的變化，變壓器的損耗在電網中的線損所占的比例較大，尤其是輕負荷時占的比例更大。變壓器的經濟負荷區在額定容量的50%～70%之間，因此要隨時注意調整系統的運行模式，保證各變配電站兩臺變壓器負荷均衡，避免變壓器負荷過高或過低，使其運行在經濟負荷區。根據國家電網《功率因數調整電費辦法》，我院加強對系統的無功補償措施。有功功率是滿足演出運營用電所必需的，因此是不可變的。但是系統中的電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器都為感性用電設備，會產生滯后的無功功率，需要從系統中引入超前的無功相抵消，這部分損耗通過變壓器二次側補償電容器加以調控，根據系統功率因數變化及時進行電容器投切，提高系統的功率因數以達到節能的目的。我院運行九年多來，系統功率因數始終控制在0．95以上，每月都得到供電公司無功補償電費獎勵，月度平均節約資金2．3萬余元，由此可見，通過無功補償提高功率因數進行節能其經濟效益十分明顯。
三、電力線載波集中抄表系統
結合精細化成本核算的需求以及電能計量裝置新技術的發展情況，在保護好成品設施，不破壞現有建筑結構，最大限度保持現有建筑裝修不變動的前提下，新裝低壓電力線載波集中抄表系統以加強我院的能源計量管理工作。低壓電力線載波自動抄表系統技術成熟、工作效率高、電量計量準確，支持分時計量功能并且具有更強的實用性和可擴充性。電力線載波通信技術使電力線這一資源得到充分的利用，無需額外鋪設通信線路便可實現理想的數據傳輸，同時預留擴展端口，根據實際工作需求來增加相應終端模塊進行功能擴展，并且各系統方案可分步分項實施。目前該系統經過三期建設已經覆蓋我院劇場舞臺用電設備、冷凍站制冷設備、車庫和食堂以及容量在75KW及以上電氣裝置。本系統的實施不僅能夠實現電能計量手段的自動化，還可以在今后的設備改造過程中，逐步建成一個覆蓋水、電、氣、熱等能源消耗的準實時監測平臺，為成本管理、節能管理和節能技術改造提供客觀計量依據，為節能改造效果評估提供準確可靠的數據，為我院統計和分析電能源消耗提供數據支持。
四、細化照明控制模式，強化光源管控措施
我院照明系統共有各類光源點位近4萬個，主要有日光燈、鹵鎢燈、金屬鹵化物燈和節能燈、LED等，總功率約6500kW。通過幾年來電能消耗的統計分析，僅公共區域照明的耗能比例就約占全部電耗的28．78%，見圖3，如果加上分散在其他五個區域的照明能耗，所占比例約上升到年用電量的33%左右，是我院的用電大戶。劇院建成7年來，節能型照明技術的快速發展為我院通過技術改造實現照明系統節能提供了重要技術保證。
(一)改造照明系統，優選節能產品，提升光照效率
首先，在公共大廳及車庫、劇場、通道及機房照明配電間的照明配電箱前端加裝節電裝置，將電網的電壓穩定在一個合理的范圍內，使能源利用更加合理，節電可達20．7%。同時照明線路工況得到優化，有效降低了故障率，延長燈具使用壽命，節約維護成本。為衛生間燈具安裝紅外感應開關，大量減少長明燈。其次，根據光源的光效、色溫、顯色指數、壽命和價格選擇高效節能型、光通量高的光源。如:T5系列直管熒光燈、緊湊型熒光燈(節能燈)、LED燈(發光二極管)?；瘖y間化妝燈、舞臺工作燈采用LED光源替代傳統熒光燈，都取得了良好的節能效果。
(二)制定多種照明模式，根據運營需求實現樓宇自控
建筑物樓宇自動控制系統(BAS)按照劇院演出(參觀)開放時間不同、演出場次不同、季節性日落日出時間不同相應調整照明區域開關燈時刻，對各個區域照明系統的運行模式進行精細化管理。例如將公共區域大部分燈具納入到光感控制子系統內，并根據參觀、演出、重要活動的不同模式要求，制定了《我院演出、活動開關燈模式表》《我院演出、參觀及無活動光感控制模式表》等多種控制模式，實現了照明系統節能控制。
五、結語
通過對以上各專業系統的電氣節能效果分析，我院無論是建設期的方案設計還是運營中的科學管理、技術改造，一直都把節能降耗作為通用機電設備管理工作的重中之重。運營近十年來，商業演出雖逐年遞增，但年度電能消耗卻呈逐年下降趨勢，節能降耗工作取得了很好的成效。結合新技術、新工藝、新材料、新設備的發展和普及，繼續發掘節能減排工作潛力，對耗能設備進行更新改造，以確保單位能耗水平得以有效控制。
參考文獻:
［1］涂逢祥．建筑節能［M］．北京:中國建筑工業出版社，2008.
［2］姚志松，新型節能變壓器選用運行與維修［M］．北京:中國電力工業出版社，2010.
［3］周建．變頻器［M］．北京:中國電力工業出版社，2013.
作者:白若洲 單位:國家大劇院
