现代配电系统优化设计与能效提高研究

现代配电系统优化设计与能效提高研究

现代配电系统优化设计与能效提高研究

配电系统作为建筑能源传输的“动脉”，其运行状态和效率直接影响到建筑内部各用电设备的正常运行和能耗水平。在建筑能耗中，配电系统的损耗往往占据一定比例，线路损耗、变压器损耗和无功损耗等不仅会增加建筑的总能耗，还可能导致电能质量的下降，影响用电设备的性能和寿命。此外，配电系统的设计和运行状况还会直接影响建筑的可靠性和安全性。不合理的配电系统设计可能导致电力负荷分配不均、电压波动大、短路故障频发等问题，严重影响建筑的正常使用和居民的生活质量。鉴于建筑电力能耗的严峻形势和配电系统在建筑能耗中的重要地位，优化配电系统设计与提高能效已成为当前亟待解决的问题。

一、现代建筑配电系统现状分析

（一）现状及存在问题

建筑配电系统主要由电源系统（含电源接入点、变压器、发电机）、配电设备（如高压配电柜、低压配电柜、开关、导线、插座、照明设备）和控制系统（智能电能管理系统、电力监控系统）组成。电源系统能够确保电力供应的稳定与应急，配电设备用以负责电能的传输、分配与控制，而控制系统则能通过智能监测与优化控制，提高能源利用效率，保障电力供应的安全与可靠。随着城市化进程的加快和建筑业的蓬勃发展，建筑配电系统作为保障建筑正常运行的基础设施，其规模和复杂度不断增加。多数建筑配电系统能够满足基本的电力供应需求，为建筑内的照明、动力、空调、电梯等设备提供稳定可靠的电能。同时，随着智能电网、物联网等技术的不断应用，部分建筑配电系统开始实现智能化管理，提高运行效率和能源利用效率。然而，在配电系统的实际运行过程中，仍存在一些问题和不足。具体表现为：1．设备老化与性能下降：部分建筑配电系统使用年限较长，设备老化严重，性能下降明显；2。部分区域用电负荷过大，导致电力供应紧张，甚至引发断电事故；而部分区域则用电负荷较小，造成电力资源的浪费；3．很多配电系统仍然采用传统的控制方式，缺乏实时监控、数据分析、故障预警等智能化功能，难以及时发现和解决潜在问题；4．部分建筑配电系统在能耗管理方面存在不足，缺乏有效的能耗监测和管理手段。这些问题共同影响了配电系统的稳定运行和能效表现。

（二）能耗损失来源分析

建筑配电系统的能耗主要源自变压器损耗、线路损耗、用电设备损耗及无功功率损耗，这些能耗来源共同构成了建筑配电系统的主要能耗部分，如表1所示。

表1 建筑能耗具体来源

二、优化设计与能效提高路径

（一）配电系统优化路径

1．优化电气线路路径与长度

一方面，应合理规划线路路径，在设计电气线路时，应尽量避免线路迂回，可以采用直线或短路径的方式供电，以减少电能在线路传输过程中的损耗。为此可以将配电设备如变压器、配电柜等设置在靠近负荷中心的位置以缩短供电线路的长度，降低线路损耗。另一方面，施工人员在规划线路路径的时候应充分考虑建筑结构的实际情况。楼层高度、墙体厚度、梁柱位置等都会影响线路敷设的路径和长度。对于某些大型建筑，可以采用分区供电的方式，将建筑划分为若干个供电区域，每个区域设置独立的配电设备，以减少长距离供电的需求。在高层建筑中，电缆桥架和竖井作为电气线路的主要通道，可以通过优化这些设施的位置和布局，可以缩短线路长度。

2．合理选择导线

选择导线截面，需要根据负载的电流大小和传输距离来确定。一般来说，负载电流越大、传输距离越远，所需的导线截面就越大。在满足负载需求的前提下还需要考虑导线的经济性和安全性。过大的导线截面会增加投资成本，而过小的导线截面则可能引发安全隐患。铜芯电缆的导电性能优于铝芯电缆，但成本也相对较高。在实际应用中，可以根据负载的重要性和经济性来选择。对于重要负载或长距离传输的线路，可以优先选用铜芯电缆；而对于一般负载或短距离传输的线路，则可以考虑使用铝芯电缆。

3选用高效节能设备与材料

电气设备应优先选用符合国家和行业能效标准的高效节能产品。这些产品通常具有较低的能耗和较高的能效比，能够在满足使用需求的同时，有效降低能源消耗。在配电系统的材料选择上，应注重选用导电性能好、电阻率低、耐腐蚀性强的优质材料。这些材料不仅能够降低线路损耗，提高电能传输效率，还能延长设备使用寿命，降低维护成本。

（二）能效提高路径

1.应用节能技术。具体包括推广LED照明技术和应用变频调速技术。LED照明具有高效、节能、环保、寿命长等特点，在建筑内部和外部广泛采用LED照明灯具，替换传统的高能耗灯具。同时，利用智能照明控制系统，根据环境光照强度和人员活动情况自动调节照明亮度，能够实现按需照明进一步节约能源。变频调速技术可以通过调整电机转速来控制设备运行状态，在空调、风机、水泵等系统中应用变频调速技术，可以根据实际需求调整设备功率，避免能源浪费。

2．优化照明系统。一方面，可以通过增加窗户面积、采用透光性好的建筑材料等方式，提高室内自然光照度，减少人工照明需求；另一方面，可以采用智能照明控制系统，实现照明系统的自动化控制和智能化管理。通过设定不同的照明场景和模式，满足不同场景下的照明需求，同时降低能耗。

3．升级空调系统。这需要合理设置空调温度和湿度参数。即根据室内外环境条件和人员活动情况，科学设定空调运行参数。建筑内部可选用能效比高的空调机组和末端设备，同时采用变风量控制、变水量控制等空调控制技术，提高空调系统的整体能效水平。

4．集成可再生能源与配电系统。在建筑配电系统设计阶段，应充分考虑可再生能源的接入和利用。根据建筑的能源需求和可再生能源资源条件，合理规划可再生能源发电系统的规模和布局，确保可再生能源发电系统与建筑配电系统的兼容性和互补性，以实现可再生能源的高效利用。城市大型建筑、高层建筑可以根据情况，在建筑屋顶、外墙或空闲区域安装太阳能光伏板，将太阳能转化为电能，供给建筑使用或并入电网，这种系统能够显著减少对传统能源的依赖，降低建筑的能源消耗和碳排放。另外，该系统还可以利用太阳能集热器将太阳辐射能转化为热能，为建筑提供热水供应，这种系统简单实用，且能够显著降低热水供应的能耗。

5．储能技术应用。在建筑配电系统中引入储能设备，如电池储能系统、超级电容器等，将可再生能源发电系统中多余的电能储存起来，在用电高峰时释放，以平衡电网负荷和稳定电网电压。

（三）案例分析

上海黄浦区某综合商业楼，集办公、会议、商业等多种功能于一体。随着入驻企业的不断增加，楼宇原有配电系统逐渐显露出能耗高、管理效率低下等弊端，严重制约了大厦的运营效率和租户的满意度。面对这一挑战，大厦管理方决定针对智慧水电配套系统进行优化升级。在新能源配电系统改造方面，项目团队可以通过更换老旧变压器为高效节能型，并采用智能开关柜显著减少了电能损耗；智能电力管理系统的引入，更是实现了电力负荷的精准预测、优化调度及故障预警，大幅度提高了供电的可靠性和能效。此外，项目还积极探索了分布式能源的应用，将太阳能光伏板作为建筑幕墙进行了改造设计（如图1所示），大厦顶层也采用了光伏板，减少了夏季阳光直射的问题，降低了空调使用率，并将太阳能转化为电能供大厦使用，使得耗电率明显降低。

图1 太阳能光伏幕墙

在照明方面，项目团队设计了基于物联网技术的智能照明控制系统架构，包括照明灯具、传感器、控制器等组成部分，并通过无线通信技术，实现了各组成部分之间的数据传输和指令控制。在建筑内部各区域部署LED照明灯具和传感器设备，传感器负责实时采集光线强度、人员活动等信息，并上传至控制器。控制器根据智能照明控制算法，根据室内光线强度和人员活动情况自动调节照明亮度；在空调系统方面，项目团队将变频调速技术与空调系统进行集成设计，将原有的定速风机和水泵更换为变频调速设备，通过调整变频调速设备的控制参数和运行模式，确保空调系统能够在不同工况下实现节能运行。

节能电气设备方面，项目团队选用了S11、S13型节能变压器，这些变压器采用了卷铁芯改变常规叠片式铁芯结构，能极大降低磁阻，减少空载电流，降低空载损耗约20-35%。与旧型号如S9型相比，其空载、负载损耗可降低约10%。将原有的输电总线改为铜芯电缆后，由于铜的导电性能优异，电阻率低，能有效降低线路传输过程中的电能损耗。经过一系列的努力与实践，该商务大厦水电配套系统优化项目取得了显著的成效。大厦的用电量较之前降低了约21%，实现了显著的节能效果（如表2所示）。

表2 经济效益分析

智能管理系统的引入使得大厦的水电管理更加便捷高效，管理人员能够实时掌握系统运行状态并快速响应各类问题。此外，大厦内环境的舒适度与服务品质也得到了显著提高，赢得了广大租户的广泛好评。项目的成功实施不仅为大厦带来了显著的经济效益和社会效益，还为城市节能减排事业提供了新的思路。

结语

随着智能电网、物联网、大数据等先进技术的不断融合与创新，配电系统的智能化、高效化水平也得到了显著提高，为实现建筑能源的精细化管理提供了技术支撑。通过集成先进的传感器技术、物联网（Internet of Things，IoT）、大数据分析及人工智能算法，系统能够实现对水电生产、传输、分配及消费全链条的智能化监控与管理，这种设计思路不仅可以提高系统的自动化水平和响应速度，还可以使得水电资源的调度更加精准高效。在“双碳”目标指引下，今后智能水电配套系统的发展将更加注重绿色、低碳和智能的深度融合，并在能源转型和生态文明建设中发挥更加重要的作用。