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一、高层和超高层智能建筑的用电负荷
一般来讲，现在的高层建筑及超高层建筑有两大特点：一是智能化程度越来越高．二是建筑内的设备电气化程度越来越高．且用电负荷越来越大，在《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16—92)4．3．6条款中规定“低压为0．4kV变电所中单台变压器不宜大于1000kVA”的上限也常常在实际工程设计中被突破。现在0．4kV配电系统中．单台变压器容量为1600kVA、2000kVA甚至2500kVA的变配电所在高层建筑中已屡见不鲜。另外由于用电负荷越来越大，且存在不少高压用电设备，以至于需要采用两路110kV或35kV市政电源供电。在这种情况下，不仅要设置一座110kV或35kV变电站，还要设置若干个10/0．4kV变配电所。如在广州国际会议展览中心就设有一座110kV变电站，17个10/0．4kV变配电所，详见附表一。
下面是最近几年国内一些高层建筑的供电电压等级及主变容量统计．详见附表二。
由此可见，高层建筑及超高层建筑已逐渐成为城市电网中的主要用电负荷之一，其负荷计算应加以重视。合理的负荷计算能使所选变配电设备得到充分利用，对降低电气设备投资有重大意义。俄罗斯就设立了“电气负荷委员会”这一专门机构．长期对电气负荷进行研究。日本
则以通产局和电力公司为主的“合理用电指导委员会”专门对用电情况进行调查和评价。在香港中华电力公司和香港电灯公司也都十分注意对用电负荷的研究并及时制订相应的指标。
二、目前高层和超高层智能建筑的用电负荷计算出现的不同设计理念
目前对高层智能建筑特别是超高层智能建筑的电力负荷计算，国内还没有这方面的专门论述．在实际工程设计中基本上是套用一般民用建筑电气设计中的常规计算方法，如需要系数法、二项系数法，单位密度法等。在方案设计阶段一般采用单位指标法，在初步设计及施工图设计阶段则常采用需要系数法，不同设计单位或设计人员，由于不同的设计理念．在一些系数的取值方面有不同的偏好．结果往往会导致不同的电气设备选型。例如上海某超高层建筑，总建筑面积为14．1万m2，使用性质为五星级酒店和商场，其中酒店部分面积为8．7万m2．商场部分面积为5．4万m2。在地下一层设有一座35kV变电站，另外在地下三层、地下一层、第十一层(避难层)、第二十八层(避难层)和第四十七层(避难层)分别设置了六处变配电所。由于对用电负荷计算的设计理念不同，施工图设计单位与业主聘请的香港某著名机电工程顾问公司对6座变配电所的变压容量有较大的分歧意见，具体表现如附表三。
通过分析他们的用电负荷计算说明书，可知这两家单位都是用需要系数法进行负荷计算，但是在用电项目需要系数取值上却各不相同，如“车库排水”的需要系数香港顾问公司取0．65，设计院取0．45；电梯的需要系数香港顾问公司取0．85，而设计院取0．65。这两种算法中的需要系数取值，一种是沿用一般民用建筑的电力负荷计算的保守取值，另一种是考虑智能建筑用电新特点的合理取值。另外两台变压器的互为备用的冗余容量考虑的也不一样。
用电负荷计算直接影响着供配电系统的设计，变压器的计算容量的差异，不仅会影响变压器、开关柜、无功补偿电容柜、母线等电气设备的选型，按照GBl094规定，我国变压器容量采用国际标准的R10系列，即按R10=101／10=1．26的倍数递增，常见的容量有100、125、160、200、250、315、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500kVA等（一般来讲高层建筑中超过2500kVA的变压器很少采用)。如果负荷计算相差20％，则变压器的容量就会相差一档。变压器的选型还会给变配房的配套专业如土建、通风等专业设计造成不同影响。如不同容量的变压器，其低压出线开关也不一样，不同容量的变压器，其外形尺寸、散热量也不同这些也影响着土建和通风专业的设计。因此合理的负荷计算对建筑电气设计具有重要意义。
三、一般民用建筑的用电负荷计算方法
在民用建筑的供配电系统设计中．首先碰到的关键问题是如何计算该建筑供配电系统的计算负荷。计算负荷是按发热条件选择电气设备的一个假想负荷．“计算负荷”产生的热效应和实际运行中变动负荷所产生的最大热效应相等，所以根据计算负荷选择电气设备．在实际运行中电气设备的最高温升不会超过容许值。其实计算负荷求解的最准确的办法是首先绘制出典型日负荷曲线，负荷曲线上的PMAX、QMAX、IMAX就是计算负荷(注：负荷曲线应是不同季节的典型负荷曲线，按30min时间间隔绘出)，用PJS、QJS、IJS表示。但是在进行工程设计时，工程是虚拟的，并未投入实际运行，因此在设计时还无法绘制出实际的负荷曲线。目前通用的实际计算方法是参照有关建筑电气设计标准的负荷曲线或现有类似的建筑典型负荷曲线，利用该负荷曲线上的特征参数，来进行理论计算。
常用的计算方法有(1)需要系数法；(2)利用系数法：(3)二项式法。上述几种计算方法都是一种近似算法，其理论依据是相似性原理．即性质相同．功能。档次相似的高层建筑，其负荷曲线相似，尽管建筑面积及规模不同，用电量也不同．但其负荷曲线的特征参数相近似。因此根据已投入正常运行的不同性质建筑绘制出不同类型的负荷曲线，并统计出负荷曲线的特征参数如需要系数KX．利用系数KL和二项式系数b、c等，供建筑电气设计时参考使用。
1．负荷曲线
表示电力负荷随时间变化情况的图形称为负荷曲线．日负荷曲线表示一天24小时内负荷变化的情形，而年负荷曲线表示一年中的负荷变化情况．如图一所示。
图中用负荷系数α表示有功负荷的变化程度 (α又称高层和超高层智能建筑电力负荷分析
负载因素，填充系数或负荷率） α=有功平均负荷/有功最大负荷= Pv/Pmax 同理，可用无功负荷系数β表示无功负荷的变化程度
β=有功平均负荷/有功最大负荷=QAB/Qmax
一般来讲，无功负荷曲线较有功负荷曲线较平坦，因此β＞α，β值一般比α值高10-15％左右。根据有关设计手册介绍．一般民用建筑的负荷系数范围为：
α=0.65-0.75， β=0．70-0．82 2．需要系数Kx
需要系数Kx为负荷曲线的主要特性参数之一。民用建筑的电力负荷计算通常采用需要系数法 Kx=负荷曲线最大有功负荷/设备总安装容量=Pmax/∑pe
(1)各用电设备因工作情况不同，可能不同时工作，所以在负荷计算时要考虑一个同时使用系数KT。以反映在最大负荷时，工作中的用电设备与全部用电设备总设备容量的比值。
(2)各用电设备工作时，也未必全在满负荷情况下运行，所以在负荷计算时要考虑一个负载系数KF。
(3)各用电设备在工作时存在功率损耗，所以在负荷计算时考虑一个用电设备组和平均效率ηd。
(4)用电设备的供电线路功率损耗，所以要考虑一个线路的效率ηx。 (5)加工条件和工人操作水平也是影响用电设备取用功率的因素，考虑一个工作系数KG。
因此，用电设备组的计算负荷应为： PJS=KT·KF/ηd.ηk=·KG.∑pe=Kx.∑pe
Kx与KT、KF、ηd、ηx、KG等有关，而这些因素的确定是既复杂又困难．所以通常通过实测得出Kx。Kx不是一成不变的，它不仅与建筑的使用性质有关．而且KT、KF、ηd、ηx、KG随着科学技术的发展而变化。
用需要系数法求计算负荷方法简便实用，但这种方法的缺点是把需要系数KX当作与一组设备中设备的多少及容量是否相差悬殊等因素都无关的固定值．这样考虑是不全面的。
3．二项式法 二项式法求取计算负荷的基本公式： PJS=b·∑pe+C·Pn 式中 b、c————随用电设备组类别而定的系数
∑pe————该用电设备组的设备容量总和 Pn————该用电设备组中n台容量最大用电设备的设备容量之和 b·∑pe--——该用电设备组的平均负荷
c·pn————由n台容量最大用电设备所造成的使计算负荷大于平均负荷的一个附加负荷
四、高层和超高层智能建筑的电力负荷特性分析
1．高层和超高层智能建筑中的用电设备的出现的一些新特点：
(1)现在的高层超高层智能建筑都有中央空调系统．而且越来越多的空调系统采用四管制，空调水系统也采用二次泵系统。空调系统经常性地处于部分负荷和低负荷状态下运行，整个冷冻制冷系统的能量大约有15％-20％消耗于冷冻水的循环的输配中，冷源水回路与负荷水分配回路的水量在部分负荷回路中产生供需矛盾，包括二次回路负荷之和大于机组制冷负荷及冷源侧供水量变化的阶梯性与负荷侧需求量动态变化的不协调性。采用变频调速的二次泵系统可使之更好地处于较低负荷状态，且更加节能。
(2)电梯、扶梯多．通风系统设备多．另外电梯、空调系统、给排水系统中的拖动电机采用变频器进行调速的方式也越来越普及。
(3)照明设备普遍采用高效电光源和高效率的灯具，由于无功补偿技术的提高，使得现在灯具的功率因素一般可在0．90以上。另外公共区域照明的灯光自动控制系统也被广泛采用。
(4)随着高层特别是超高层建筑的消防措施越来越完善．消防用电设备越来越多，其负荷(包括消防年时兼用负荷)也比一般民用建筑大的多。
2．BAS的广泛应用
智能建筑都采用楼宇自动化系统(BAS)，利用该系统对楼中的机电设备进行科学管理，其运行特性与传统的建筑负荷特性应不一样，电力负荷的合理调度会使得负荷曲线变得比较平坦，显然再利用原来的负荷需要系数Kx，二项式系数b，c来计算实际负荷必然偏大。
BAS系统中常见的节能措施有：
(1)限制电力高峰：能源管理程序可以根据一定的算法，分析出该大厦的电力需求的趋势，如果在未来的异常时间中，电力的需求将超过限值，系统会自动关掉一些不重要的设备；
(2)合理设定冷冻水温度：提高冷冻水的温度可以达到节能效果。比如当冷冻水出水温度设在60C时，供水阀门的开度分别是75％，70％，60％．这时冷冻机的功率为723W；当将冷冻水出水温度提高到80C时，供水阀门的开度分别是79％，76％，68％．这时冷冻机的功率为679W，阀门的开度在70％—90％之间是合理的．节能达6％，效果明显。
(3)交替运行：优化设备启停，定期关掉一些设备，交替运行．节约能耗。 (4)夜间设定：通过降低夜间房间的温度控制指标，可减少能量消耗。
(5)自然冷却：在可能的情况下，尽可能使用室外新风。 (6)控制优化：以最佳的组合方式控制设备的启停。
(7)VAV控制技术：采用变风量控制技术，使系统工作在节能状态。 (8)节能照明技术：采用高效的节能照明装置，降低能源消耗。
据美国有关研究资料统计，在高层和超高层建筑中，主要能源消耗为：空调占60％，照明占23％，电梯占6％。而良好的楼宇自控系统，通过有效的节能措施，可以得到较好的节能效果。据有关专业资料介绍，采用完善BA系统的智能大厦能源节省可达15％-25％。
3．城市供电部门计费方式的影响
现在很多城市为了降低峰时用电负荷，鼓励用户在电网的低谷时段用电，采用分段计费的复费率计算方式，分平时用电计费和低谷时段计费，且低谷时段计费单价仅为平时用电计费单价的1／2-1／4。因此可以将高层和超高层建筑中不一定需要在白天工作的用电设备，通过BAS设定在夜间工作，这样既可降低电费，又可以减小负荷曲线中的峰值。
4． 中央空调系统采用的形式不同，其用电负荷特性也不同。
据有关资料统计．设有中央集中空调系统的高层建筑．其空调负荷大．每平方米建筑面积平均用冷量0．031—0．045USTR(1US-TR=3．517kW)，
其空调系统的电力负荷占整座大厦总电力负荷的1／3-1／2，因此对空调系统进行节能便成了高层建筑节能的重要部分。既然对于高层建筑空调系统是不可缺少的设施，其耗电量大，且基本上又在用电高峰期间工作，若采用冷空调系统，在用电低谷期间，利用制冷机将蓄冷介质中的热量移出．进行蓄冷后．将此冷量在空调用冷高峰期，这样对高层智能建筑用电可以起到削峰填谷的作用．因此国家已将蓄冷空调作为一项重要的措施在全国范围内推广。对于一些大型建筑如大型会议中心、展览馆、甲级写字楼等，如果分时计费中．低谷时段计费单价仅为高峰时计费单价的1／3-1／5．更适合采用蓄冷空调系统。
蓄冷空调系统对电力负荷的削峰填谷的作用非常明显，上述建筑的用电负荷曲线也变得平坦的多，因此曲线中最大负荷肯定比不采用冰蓄冷空调系统的建筑的用电负荷曲线中最大值得多。因此再利用原来负荷计算方法来计算此类建筑的用电负荷．显然有失偏颇．必须针对原设计手册的需要系数KX，二项式系数b．c进行不同的修正。
通过对有中央空调的高层建筑日负荷曲线的分析，可知有功负荷系数α=0．70-0．75，即在高峰期(一般为夏季的15：OOPM-17：00PM)的负荷Pmax一般为平均负荷Pv的1．3-1．5倍左右，PV=／P(t)d(t0/24。引起负荷波动的90％原因为此阶段空调系统全部投入运行。如果能做到完全的削峰填谷，即有功负荷完全没有波动，则Pjs=PV采用蓄冷空调系统后，虽然不能完全做到削峰填谷，但有功负荷的峰值降下来很多，一般来讲可使有功负荷系数α提高到0．85-0．90。
五、综述
综上所述．高层和超高层智能建筑的用电设备越来越多，其用电设备总安装功率肯定越来越大．但其计算负荷应考虑智能建筑自身的特点，不能一味地照搬以前建筑电气设计手册中的一些系数的取值．否则有失偏颇。目前一些建筑电气的刊物上有文章指出，现在不少高层和超高层智能建筑的计算负荷偏大．导致变压器选型偏大．变压器实际运行的负荷率偏低。该文章还提出，高层和超高层智能建筑的需要系数Kx最好取一般民用建筑的下限值。
高层和超高层智能建筑的需要系数KX到底取多少合适，笔者认为还是按照高层和超高层智能建筑负荷曲线上的特征参数，来进行负荷计算。由于现在的智能建筑都采用了电力监控和能源管理系统，能够很方便地绘制出不同季节的典型负荷曲线，将这些负荷曲线进行数理统计分析，可以得到不同使用性质的高层和超高层智能建筑的特征参数，如需要系数Kx，利用系数KL和二项式系数b、c等，供设计时参考。
参考方献： 1． 暖通空调设计指南．中国建筑工业出版社．1996
2．工厂供电．中国建筑工业出版社．1990
3．建筑电气设计手册．中国建筑工业出版社．1991
4．高层建筑电气工程．水利电力出版社．
5．建筑电气设计与施工．中国建筑工业出版社．2000
6．建筑电气技术文集(2001年)；中国电力出版社．2001

ctlizheng

真是个好贴啊,多谢楼主!

ctlizheng

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ctlizheng

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ctlizheng

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YANGHONGYA

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