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建筑电气设计能效评价指标的研究与应用

时间：2020-08-04 来源：炳华话电气浏览：

1引言

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年至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P_max、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。

表1 办公建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
GZO-1	30000	212.79	7.09	GZO-23	21225	648.44	30.55
GZO-2	9600	93.19	9.71	GZO-24	28300	875	30.92
GZO-3	48730	735.48	15.09	GZO-25	31800	1064.21	33.47
GZO-4	30000	804.28	26.81	GZO-26	33291	1122.58	33.72
GZO-5	35680	1070.35	30.00	GZO-27	36000	1341.94	37.28
GZO-6	14369	457.96	31.87	GZO-28	25673	1034.04	40.28
GZO-7	11000	381.72	34.70	GZO-29	170000	3586.7	21.10
GZO-8	23146	825.96	35.68	BJO-30	207850	8205.2	39.48
GZO-9	3000	120	40.00	BJO-31	232000	5789.4	24.95
GZO-10	20228	812.9	40.19	BJO-32	9209	292	31.71
GZO-11	19714	843.96	42.81	BJO-33	65000	1994	30.68
GZO-12	9620	420	43.66	BJO-34	79200	705	8.90
GZO-13	6400	33.83	5.29	BJO-35	319380	1654	5.18
GZO-14	36000	1248	34.67	SHO-36	85531	2563	29.97
GZO-15	20600	22.8	1.11	SHO-37	20000	2023	101.15
GZO-16	20131	90	4.47	SHO-38	74642	735.48	9.85
GZO-17	55890	532.8	9.53	SHO-39	52000	804.28	15.47
GZO-18	53256	590.28	11.08	SHO-40	75000	1070.35	14.27
GZO-19	43000	679.48	15.80	SHO-41	47170	457.96	9.71
GZO-20	25700	545.58	21.23	SHO-42	56000	381.72	6.82
GZO-21	24592	600	24.40	SHO-43	29665	825.96	27.84
GZO-22	58318	1497.27	25.67	SHO-44	56860	120	2.11

注：BJO-北京某办公建筑；GZO-广州某办公建筑；SHO-上海某办公建筑。

表2 商业建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
GZB-1	30000	1860	62.00	GZB-16	126000	4391.49	34.85
GZB-2	37600	1332	35.43	GZB-17	69871	2571.43	36.80
GZB-3	39050	1740	44.56	GZB-18	29458	1200	40.74
GZB-4	50000	2172	43.44	BJB-19	91000	1580	17.36
GZB-5	60000	2880	48.00	BJB-20	480635	1209	2.52
GZB-6	155432	2155	13.86	BJB-21	224026	5091	22.73
GZB-7	10717	160	14.93	SHB-22	66000	5114	77.48
GZB-8	22642	478	21.09	SHB-23	18000	1305	72.50
GZB-9	20010	435	21.74	SHB-24	145000	9492	65.46
GZB-10	34579	808	23.37	SHB-25	70000	1232	17.60
GZB-11	22701	547.83	24.13	SHB-26	230000	5088	22.12
GZB-12	65000	1697.3	26.11	SHB-27	100000	4154	41.54
GZB-13	63397	1695.65	26.75	SHB-28	104633	3867	36.96
GZB-14	111134	3387.23	30.48	SHB-29	40000	2065	51.63
GZB-15	27115	842.55	31.07

注：GZB-广州某商业建筑；BJB-北京某商业建筑；SHB-上海某商业建筑。

表3 酒店建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
GZH-1	100838	919.15	9.12	GZH-21	74700	1132	15.15
GZH-2	20001	483.92	24.19	GZH-22	33800	1227	36.30
GZH-3	24395	1050	43.04	BJH-23	127667	2953.9	23.14
GZH-4	45350	1603.3	35.35	BJH-24	48719	2256	46.31
GZH-5	24654	1137.45	46.14	BJH-25	120000	1550	12.92
GZH-6	75346	3604.87	47.84	BJH-26	133671	2972	22.23
GZH-7	153378	1791.29	11.68	BJH-27	35600	774	21.74
GZH-8	35043	214.13	6.11	BJH-28	48666	476	9.78
GZH-9	46000	1687.27	36.68	BJH-29	480000	2748	5.73
GZH-10	45792	1745.45	38.12	BJH-30	74700	1132	15.15
GZH-11	33000	1322.45	40.07	BJH-31	33800	1227	36.30
GZH-12	179126	7380.81	41.20	SHH-32	54802	3467	63.26
GZH-13	29417	1402.25	47.67	SHH-33	43182	1374	31.82
GZH-14	127667	2953.9	23.14	SHH-34	120000	6078	50.65
GZH-15	48719	2256	46.31	SHH-35	54129	2388	44.12
GZH-16	120000	1550	12.92	SHH-36	60000	2152	35.87
GZH-17	133671	2972	22.23	SHH-37	53984	1670	30.94
GZH-18	35600	774	21.74	SHH-38	40000	1646	41.15
GZH-19	48666	476	9.78	SHH-39	54000	2466	45.67
GZH-20	480000	2748	5.73

注： GZH-广州某酒店建筑；BJH-北京某酒店建筑；SHH-上海某酒店建筑。

表4 医院建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
GZY-1	37285	75	2.01	BJY-12	74000	2305	31.15
GZY-2	120000	934.74	7.79	BJY-13	71719	1630	22.73
GZY-3	32765	283.56	8.65	BJY-14	106320	4889	45.98
GZY-4	10431	166.53	15.96	BJY-15	85000	1440	16.94
GZY-5	30000	1107.69	36.92	BJY-16	61900	1288	20.81
GZY-6	30000	1250	41.67	BJY-17	70000	1662	23.74
GZY-7	34617	2021.05	58.38	SHY-18	61000	3689	60.48
BJY-8	43785	1083.50	24.75	SHY-19	79982	3498	43.73
BJY-9	150000	5632.00	37.55	SHY-20	44200	2819	63.78
BJY-10	50649	1517	29.95	SHY-21	45000	77	1.71
BJY-11	70000	2312	33.03	SHY-22	84382	4480	53.09

注： GZY-广州某医院建筑；BJY-北京某医院建筑；SHY-上海某医院建筑。

表5 体育场馆建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
BJT-1	34383	1370	39.85	BJT-8	84000	2861	34.06
BJT-2	8056	230	28.55	BJT-9	80890	2861	35.37
BJT-3	30000	792	26.40	BJT-10	10561	512	48.48
BJT-4	258000	4781	18.53	BJT-11	254000	3956	15.57
BJT-5	15507	414	26.70	BJT-12	93000	4536	48.77
BJT-6	57000	2651	46.51	SHT-13	60000	2789	46.48
BJT-7	8609	593	68.88	SHT-14	187900	5026	26.75

注： BJT-北京某体育场馆；SHT-上海某体育场馆。

表6 学校建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
BJS-1	627787	6083	9.69	BJS-20	77958	1100	14.11
BJS-2	225800	4950	21.92	BJS-21	71319	628	8.81
BJS-3	232424	2812	12.10	BJS-22	8300	147	17.71
BJS-4	50000	1125	22.50	SHS-23	89823	410	4.56
BJS-5	180000	828	4.60	SHS-24	240000	6083	25.34
BJS-6	44106	790	17.91	SHS-25	13000	228	17.54
BJS-7	23000	321	13.96	SHS-26	250000	908	3.63
BJS-8	21133	257	12.16	SHS-27	398000	649	1.63
BJS-9	26618	615	23.10	SHS-28	28012	272	9.71
BJS-10	39000	269	6.90	SHS-29	29000	233	8.03
BJS-11	42600	746	17.51	SHS-30	24301	508	20.90
BJS-12	16305	278	17.05	SHS-31	21100	794	37.63
BJS-13	137840	1300	9.43	SHS-32	30000	138	4.60
BJS-14	10050	627	62.39	SHS-33	4500	99	22.00
BJS-15	2500	33	13.20	SHS-34	3190	180	56.43
BJS-16	55700	5020	9.01	SHS-35	4709	107	22.72
BJS-17	557000	83	2.48	SHS-36	6184	80	12.94
BJS-18	23800	200	8.40	SHS-37	5249	12	2.29
BJS-19	6363	487	76.54

注： BJS-北京某学校；SHS-上海某学校。

表7 展览馆建筑数据

建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）	建筑物编码	建筑物建筑面积（m²）	最大用电负荷（kW）	最大负荷密度（W/ m²）
BJE-1	63390	1097.89	17.32	BJE-7	63390	1043	16.45
BJE-2	60000	1128.63	18.81	SHE-8	250000	5432	21.73
BJE-3	102280	4934	48.24	SHE-9	98000	4824	49.22
BJE-4	60000	1088	18.13	SHE-10	46434	2241	48.26
BJE-5	11000	473	43.00	SHE-11	166100	6667	40.14
BJE-6	426130	689	1.62	SHE-12	7000	483	69.00

注：BJE-北京某展览馆；SHE-上海某展览馆。

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]。这样即可保证供电可靠性，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。

上述表1~7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。

图1 办公建筑最大负荷密度散点图图2 商业建筑最大负荷密度散点图

图3 酒店建筑最大负荷密度散点图
图4 医院建筑最大负荷密度散点图
图5 体育场馆建筑最大负荷密度散点图
图6 学校建筑最大负荷密度散点图

图7 展览馆建筑最大负荷密度散点图

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。

由上可得，办公建筑的最大负荷密度值LD_max=43.66W/ m²，商业建筑的最大负荷密度值LD_max=65.46 W/m²，酒店的最大负荷密度值LD_max=47.84 W/m²，医院建筑（主要指医院整体）的最大负荷密度值LD_max=58.38W/m²，体育场馆建筑的最大负荷密度值LD_max=48.77 W/m²，学校建筑的最大负荷密度值LD_max=37.63 W/m²，展览馆建筑的最大负荷密度值LD_max=49.22 W/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。

TCI=LD_max/(η·cosΦ) （1）

式中，TCI——变压器的容量指标，单位：VA/m²；

LD_max——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。

表8 办公建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
办公	43.66	121.3	74.6	120	75
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于一类和二类办公建筑。

表9 商业建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
商业	65.46	181.8	111.9	180	110
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于大型及以上规模的商业建筑。

表10 酒店建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
酒店	47.84	132.9	81.8	135	80
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于三星级及以上等级的旅馆建筑。

表11 医院建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
医疗建筑	45.98	127．7	78.6	130	80
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于二级、三级综合医院，不适用于医技楼等医疗设备集中、用电负荷大的建筑。

表12 体育场馆建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
体育建筑	48.77	135.5	83.4	135	85
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于乙级及以上等级的封闭式体育建筑，不适用于敞开式的体育建筑。

表13 学校建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
教育	37.63	104.5	64.3	105	65
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于大专院校及规模较大的中学中教学楼、办公楼、实验楼等类型建筑，整个校园的变压器容量指标需根据校园规模取0.45~0.7的同时系数。

表14 展览馆建筑变压器限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	推导出变压器容量指标（VA/m²）		取整后变压器容量指标（VA/m²）
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	最大值	最小值	限定值	节能值
展览类建筑	49.22	136.7	84.1	135	85
对应变压器负荷率	-	40%	65%	40%	65%

注：本表适用于展览、会展、博物馆等文化类建筑。

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，从上述各图表可以看出，去除离散的数据后，北京、上海、广州各类建筑的除峰谷最大值差别不大，在工程可接受范围内。因此，本文所得出的结论与地域及其气候条件关系不大，适合于全国范围内的各类民用建筑。

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。

表15 民用建筑EEEI的限定值与节能值

建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	取整后变压器容量指标（VA/m²）		备注
建筑类型	最大负荷密度（W/m²）	限定值	节能值	备注
办公	43.66	120	75	适用于一类和二类办公建筑
商业	65.46	180	110	适用于大型商业建筑
酒店	47.84	135	80	适用于三星级及以上等级的旅馆建筑
医疗	45.98	130	80	适用于二级、三级综合医院，不适用于医技楼等医疗设备集中、用电负荷大的建筑
体育	48.77	135	85	适用于乙级及以上等级的封闭式体育建筑，不适用于敞开式的体育建筑
教育	37.63	105	65	适用于大专院校及规模较大的中学中教学楼、办公楼、实验楼等类型建筑，整个校园的变压器容量指标需根据校园规模取0.45~0.7的同时系数。
展览类	49.22	135	85	适用于展览、会展、博物馆等

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。

参考文献

[1] 《建筑电气节能技术及设计指南》，李炳华、宋镇江主编，北京：中国建筑工业出版社，2011年11月第一版

[2] “调整单位建筑面积电气设计容量重要性的研究”，张辉、李一力、钱秋延，《建筑电气》2011年01期

[3] “变压器能效标准与标识”，赵跃进，《电气制造》2012年08期

[4] 《民用建筑热工设计规范》GB50176-93

[5] “动态测试数据中坏点处理的一种新方法——绝对值法及应用研究”，杨世杰，《中国测量技术》，第32卷第1期.2006年1月

[6] “浅谈建筑电气设计的能效评价指标”，李炳华、周彬、岳云涛、李鹏、顾春雷、宋镇江，《电气应用》2014年5月

[7] 《民用建筑电气设计规范实施指南》，中国建筑学会电气分会编，中国电力出版社；2008年5月1日，第1版

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建筑电气设计能效评价指标的研究与应用

[3] “变压器能效标准与标识”，赵跃进，《电气制造》2012年08期

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