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［摘要］对于大部分主体结构位于地下的全密封式建筑物，为使建筑空间内保持着适宜的温湿度和光照度，空调和照明的电能消耗占据日常用电的绝大部分。按照国家关于节能减排的要求，结合国家大剧院建设期变配电系统节能设计和运营期的管控措施，综合分析大剧院在电气节能方面的技术应用。
［关键词］节能设计;节能措施;应用分析
低碳环保的概念现阶段已普及到社会的各个领域。“十三五”期间，国家继续把大幅度降低能源消耗强度、二氧化碳排放强度和主要污染物的排放总量作为重要的约束性指标，并将采取更加强有力的措施力促节能减排。作为国家表演艺术的最高殿堂，国家大剧院(以下简称我院)在探索“中国特色、世界一流”的先进经营模式的同时对节能减排工作高度重视，力争为人民群众营造一个低碳环保的观演场所，创建一个绿色节能的文化舞台。从长远发展和战略高度来看，一个建筑物从项目立项到竣工投入使用应全过程贯彻节能降耗的思想。电气设计时除满足各项规范和技术指标要求外，还应当尽量减少电能损耗，提高电能利用率，从而达到降低成本、延长使用周期的目的;投入运营后加强设备管理，各专业系统及时对设备设施进行维护保养，定期对设备设施进行维修检修。合理调整设备的运行模式，并结合新技术、新工艺、新材料、新设备的推广对耗能设备进行更新改造，以确保单位能耗水平得以有效控制。
一、控制节能源头，优化设备选型
我院在设计阶段从变配电系统拓扑结构、主要电气设备选型和运行方式的节能入手，确定了采用“三站四路四联络”的10kV供电设计方案。
(一)合理设计供配电系统
我院建筑占地面积较大，东西向长度250米，南北向长度450米。根据负荷容量、供电距离及用电设备分布特点等因素，在南北两端采用两个高压供电负荷配送中心共同向9个变配电站供电。每个变配电站靠近各自负荷中心，强弱电间靠近电气主路由，供电网络分布合理，使低压供电半径控制在100米以内，供电线路的电压损失满足规范的允许值，减少了低压电气线路电压损失，提高供电网络的供电质量及网络运行的经济效益。这种供电方式有效缩短高低压电缆敷设长度，供电半径小可减少建设投资，并且最大限度降低线路电压衰减造成的能源损耗。由于外电源由城区三个高压开闭站引出四路出线，两个高压站间另有四条电源互为联络，从而形成双联络环网系统确保了供电的安全可靠性。高压供电系统图
(二)电气设备优选节能产品
据统计，变压器总电能损耗占总发电量的2%～3%，变压器经历了由油浸式变压器转向干式变压器的发展过程，SCB10型变压器具有损耗低、重量轻、噪声低、效率高、抗冲击、节能等显著特点。与S9型的干式变压器相比，其空载损耗也平均降低8%，负载损耗平均降低5%左右，节能特点显著。强制风冷状态下，变压器短时过载能力可达到额定值的150%。我院供配电系统共有18台10kV干式变压器，型号为SCB10－10/0．4。变压器铁芯选用的是0．27mm进口优质硅钢片，采用先进的5步进叠片工艺树脂浇注而成，产品可靠性高，使用寿命长。节能方面，SCB10系列变压器比现行国标《干式电力变压器技术参数和要求》(GBT10228－1997)空载损耗P0下降33%，负载损耗PK平均下降15%，总损耗平均下降约19%。电机在全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收7倍的电机额定电流。启动电流过大即浪费电力，对电网也会造成一定程度上的电压波动，增加了线损和变损。采用软启动和变频控制后，可控制电机启动电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电能源，也减少了启动惯性对设备的转速冲击，延长了设备的使用寿命。同时根据现场对温湿度、新风量以及用水量进行电机速度调节，从而减低了电能源消耗。机电设备在设计配用动力驱动时，一般都留有一定的裕量，以确保电机不在满负荷状态下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。采用变频器节能调速后，其性能使负载特性发生了变化，对电网的阻抗特性呈阻性，减少了无功损耗，提高了功率因数。我院采暖空调系统用电负荷占剧院总用电负荷的22%左右，由于气候变化、人员密集度等各种因素的变化，负荷始终处于5%～60%范围内动态改变之中。因此，在采暖空调系统(包括给排水系统)大量选用节能型电机，容量大于30KW的电机全部采用软启动器和变频器进行启动与运转速度控制调节，解决了能源浪费问题。电梯、自动扶梯系统配备的电机也是高效节能的EcoDisc碟式电机，采用先进的VVVF变频驱动系统。碟式电机非常经济，只消耗同等传统设备所需的一半能量，启动瞬间峰值电流为同等的液压和拖动设备的30%－40%，运行经济，节约用电，使用上安全可靠。
(三)合理选择供电线路和导线截面
影响线路损耗的主要是供电方式和导线截面积，在满足允许载流量、运行电压损失等各种技术指标的前提下，按经济电流密度合理选择电缆及导线的截面，从降低电能损耗、减少投资等方面综合进行选择，按经济电流密度合理选择导线截面。一是选用电阻率较小的铜芯导线，二是尽可能减少导线敷设长度，三是增大导线截面积。对于较长的线路，在满足载流量、热稳定、保护配合及电压降要求的前提下，选择导线截面时加大一级导线截面。这样增加的线缆投资，可由节约能耗而减少了年运行费用得到补偿，从而达到节能、经济的目的。我院除应用于消防设施上的氧化镁矿物质电缆外，高低压变配电系统全部选用YJV电缆。这种电缆的绝缘材料(聚乙烯)经过交联改性使其性能得到大幅度的改善，耐高温性、耐腐蚀性、抗蠕变性和电性能等综合指标优越，最大限度地确保剧场安全运行。
二、合理调整变配电系统运行模式
变压器的技术特性决定了变压器在变换电压及传递功率的过程中，自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗，随着负载的变化而产生非线性的变化，变压器的损耗在电网中的线损所占的比例较大，尤其是轻负荷时占的比例更大。变压器的经济负荷区在额定容量的50%～70%之间，因此要随时注意调整系统的运行模式，保证各变配电站两台变压器负荷均衡，避免变压器负荷过高或过低，使其运行在经济负荷区。根据国家电网《功率因数调整电费办法》，我院加强对系统的无功补偿措施。有功功率是满足演出运营用电所必需的，因此是不可变的。但是系统中的电动机、变压器、线路、气体放电灯中的整流器都为感性用电设备，会产生滞后的无功功率，需要从系统中引入超前的无功相抵消，这部分损耗通过变压器二次侧补偿电容器加以调控，根据系统功率因数变化及时进行电容器投切，提高系统的功率因数以达到节能的目的。我院运行九年多来，系统功率因数始终控制在0．95以上，每月都得到供电公司无功补偿电费奖励，月度平均节约资金2．3万余元，由此可见，通过无功补偿提高功率因数进行节能其经济效益十分明显。
三、电力线载波集中抄表系统
结合精细化成本核算的需求以及电能计量装置新技术的发展情况，在保护好成品设施，不破坏现有建筑结构，最大限度保持现有建筑装修不变动的前提下，新装低压电力线载波集中抄表系统以加强我院的能源计量管理工作。低压电力线载波自动抄表系统技术成熟、工作效率高、电量计量准确，支持分时计量功能并且具有更强的实用性和可扩充性。电力线载波通信技术使电力线这一资源得到充分的利用，无需额外铺设通信线路便可实现理想的数据传输，同时预留扩展端口，根据实际工作需求来增加相应终端模块进行功能扩展，并且各系统方案可分步分项实施。目前该系统经过三期建设已经覆盖我院剧场舞台用电设备、冷冻站制冷设备、车库和食堂以及容量在75KW及以上电气装置。本系统的实施不仅能够实现电能计量手段的自动化，还可以在今后的设备改造过程中，逐步建成一个覆盖水、电、气、热等能源消耗的准实时监测平台，为成本管理、节能管理和节能技术改造提供客观计量依据，为节能改造效果评估提供准确可靠的数据，为我院统计和分析电能源消耗提供数据支持。
四、细化照明控制模式，强化光源管控措施
我院照明系统共有各类光源点位近4万个，主要有日光灯、卤钨灯、金属卤化物灯和节能灯、LED等，总功率约6500kW。通过几年来电能消耗的统计分析，仅公共区域照明的耗能比例就约占全部电耗的28．78%，见图3，如果加上分散在其他五个区域的照明能耗，所占比例约上升到年用电量的33%左右，是我院的用电大户。剧院建成7年来，节能型照明技术的快速发展为我院通过技术改造实现照明系统节能提供了重要技术保证。
(一)改造照明系统，优选节能产品，提升光照效率
首先，在公共大厅及车库、剧场、通道及机房照明配电间的照明配电箱前端加装节电装置，将电网的电压稳定在一个合理的范围内，使能源利用更加合理，节电可达20．7%。同时照明线路工况得到优化，有效降低了故障率，延长灯具使用寿命，节约维护成本。为卫生间灯具安装红外感应开关，大量减少长明灯。其次，根据光源的光效、色温、显色指数、寿命和价格选择高效节能型、光通量高的光源。如:T5系列直管荧光灯、紧凑型荧光灯(节能灯)、LED灯(发光二极管)。化妆间化妆灯、舞台工作灯采用LED光源替代传统荧光灯，都取得了良好的节能效果。
(二)制定多种照明模式，根据运营需求实现楼宇自控
建筑物楼宇自动控制系统(BAS)按照剧院演出(参观)开放时间不同、演出场次不同、季节性日落日出时间不同相应调整照明区域开关灯时刻，对各个区域照明系统的运行模式进行精细化管理。例如将公共区域大部分灯具纳入到光感控制子系统内，并根据参观、演出、重要活动的不同模式要求，制定了《我院演出、活动开关灯模式表》《我院演出、参观及无活动光感控制模式表》等多种控制模式，实现了照明系统节能控制。
五、结语
通过对以上各专业系统的电气节能效果分析，我院无论是建设期的方案设计还是运营中的科学管理、技术改造，一直都把节能降耗作为通用机电设备管理工作的重中之重。运营近十年来，商业演出虽逐年递增，但年度电能消耗却呈逐年下降趋势，节能降耗工作取得了很好的成效。结合新技术、新工艺、新材料、新设备的发展和普及，继续发掘节能减排工作潜力，对耗能设备进行更新改造，以确保单位能耗水平得以有效控制。
参考文献:
［1］涂逢祥．建筑节能［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008.
［2］姚志松，新型节能变压器选用运行与维修［M］．北京:中国电力工业出版社，2010.
［3］周建．变频器［M］．北京:中国电力工业出版社，2013.
作者:白若洲 单位:国家大剧院
