(上海量子花光艺科技股份有限公司 上海 200030)
摘要：在全球化时代和“一带一路”宏大构想下，在我国城市建设高速增长的情况下，优化夜间照明产业布局、提高质量、发展夜景照明建设作为城市发展的一项新功能正在逐步加强。近年来，在国家政策的支持下，LED照明技术和灯光控制技术不断成熟。城市夜景照明发展的速度正在加快，能源消耗也在增加。在日益严峻的环境要求下，降低能耗、绿色节能已经成为行业内的共识，电气节能设计也越来越受到重视。在夜景照明供配电系统设计过程中，正确使用节能方法和技术可以大大降低系统能耗，缓解国内资源短缺的问题。
关键词：夜景照明；供配电；节能技术；绿色节能；电气节能设计
一、引言
随着国内经济的发展和人民生活水平的提高，人们对夜景的需求也不断增加，导致环境和能耗也面临着前巨大挑战。据相关资料显示，中国能源消耗的总量在2009年已经超过美国跃居为世界消耗能源量最多的国家。如何保证社会的可持续发展，实现节能减排绿色发展，已越来越受到社会各界的关注。由于夜景照明类型很多，且同一类型夜景照明的规模、智能化程度、用电设备布局等情况不同，所以夜景照明供配电设计也不相同。夜景照明项目的安全、高效运行，必须有一个安全、合理、节能、经济的供配电系统，以实现用电节约的经济性和理想化。通过对供配电系统的地理环境、供电条件和供电方式、用电负荷等资料的分析，为夜景照明系统寻找更加完善的供配电设计方案。本文主要从“成都天府国际机场”夜景照明供配电系统设计中的节能方法和措施方面探讨了电气节能设计在夜景照明工程中的应用。
二、项目设计资料
1.项目概况
成都天府国际机场（成都第二机场）位于成都高新东区简阳芦葭镇，距离天府广场51km，是“国家十三五”规划中计划将要建设的我国最大的民用运输枢纽机场项目，定位为国家级国际航空枢纽、丝绸之路经济带中等级最高的航空港，将负责成都出港的全部国际航线，将建成“国际一流、国内领先”的人文、智慧、绿色机场。
2.设计范围
T1航站楼、T2航站楼、综合换乘中心及停车楼（简称GTC）、PRT交通系统工程部分区域（简称PRT）、机场旅客过夜用房（酒店）夜景照明工程配电及控制系统。（参见图1）
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图1航站区建筑位置示意图
主要建筑分区域定义（参见图2，图3）
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图2航站区建筑分区示意图
航站楼顶部：航站楼的顶面，如上图所示。
酒店顶部：酒店顶部的结构分上下两面，如上图所示。
酒店立面：酒店的幕墙立面部分，如上图所示。
GTC立面：GTC外围立面一圈，如图上所示。
GTC顶面：GTC顶面金属铝板部分，如上图所示。
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图3航站楼建筑分区示意图
外檐：航站楼边沿外侧面，如上图所示。
内檐：航站楼底面，如上图所示。
采光窗：航站楼面对酒店方向的玻璃窗，如上图所示。
3.用电负荷
用电符合如下表1所示。
表1总体配电负荷表
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4.供配电方案概述
本夜间照明工程分五大区域，因充分考虑到路径、压降、控制等方面合理性、最优化性，同时保证系统供电电压设备端的偏差不超过10%，各区域的配电柜合理的安放于强电井或电气间内，详见下列各表。
T1航站楼配电方案如下表2所示：
表2 T1航站楼配电负荷表
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T2航站楼配电方案如下表3所示：
表3 T2航站楼配电负荷表
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GTC配电方案如下表4所示：
表4 GTC配电负荷表
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PRT配电方案如下表5所示：
表5 PRT配电负荷表
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旅客过夜用房配电方案如下表6所示：
表6旅客过夜用房配电负荷表
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三、供配电系统节能设计
1.夜景照明方案设计
夜景照明的用电量直接取决于照明方案的设计，在方案设计阶段应该把节能技术考虑在内。如本项目五大部分按照每个区域照度、亮度的需求，通过光学软件的科学分析和模拟现场的光学试验，得出准确合理的照度、亮度数据，由此推断出每个区域使用灯具的单灯功率和总功率，做到总功率科学合理地分配，整个照明方案做到了科学有效的节能。在方案用电量计算上，要根据现行的照明设计规范和标准，对照明亮度、功率密度进行严格核算。
2.控制系统设计
夜景照明的智能开关灯控制系统，通过控制线路将系统中的各种智能模块及设备连接成一个控制网络，用可编程软件控制配电柜内的智能模块，对所控区域进行手自动开关操作，实现配电系统的自动控制。同时对系统用电进行实时监测，实现整个系统的节能运行；另外，智能场景实时控制系统，通过软件在线控制系统中的每个智能灯具，进行各种灯光效果的变换和各个区域之间的实时联动。笔者认为，如果将夜景照明智能开关灯控制系统与和智能场景实时控制系统相互结合，可以使系统节能控制大幅提升。例如，本项目系统可设置不同时间点或日期，自动开启运行。灯光场景可以分为平日，节日，重大节日等播放模式。在平日，只开一些基本场景，亮度适当降低。同时在一天的不同时段，开启的灯具数量及灯光的亮度都不相同，这种控制方式的节能效果非常明显，根据以往工程项目经验，节能可达50%以上。
各种场景每运行一小时电费如下表7所示：
表7场景运行负荷表
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注：供电收费标准参考：国家电网，非居民用电价格表。
3.用电容量估算
准确的灯具布置方案，是合理配置开关电源等设备的前提。对系统用电负荷的性质、远期规划充分调查分析，才能正确的估算用电容量，选择合适的配电变压器。如果照明用电负荷的性质和功率计算不准确或项目远期规划预留过大，会使系统的估算负荷偏高，导致变压器容量选择偏大。这样必然会增加变压器采购、安装和运行维护的费用，造成不必要的资源浪费。反之，如果计算用电负荷确定太小，则会引起选择的变压器容量偏小，使配电变压器处于过载运行状态。因此，在夜景照明供配电系统的设计中，对项目用电容量的估算在一定程度上决定了供配电方案是否合理。在我国长期工程设计中，对项目用电规模的控制非常严格。往往，在项目投入使用后不久，因为后期负荷的增加，可能需要对其进行扩容改造，从而致使不必要的重复投资。此外，由于对用电设备扩展的过度考虑，估算用电量偏大，造成工程投入使用后很长一段时间内，变压器处于低负载运行状态，损耗增加，实际上也是一种资源的浪费。然而，对于项目设计者而言，变压器的实际用电负荷需要更多的调查研究，而不是闭门造车盲目地进行简单估算，电气设计人员应该从项目的夜景控制效果、负载性质、运行时间等影响实际用电量的因素分析，并要考虑以后用电设备更新换代所造成的负荷增加。所以，项目用电容量的合理估算是供配电系统节能设计的重点。如果缺乏这项工作，无论在设计中如何选择节能产品和方法，都很难确保项目在设备用电方面真正实现节能。
4.变配电站的位置选择
夜景照明供配电工程节能的另一个关键环节是合理的系统设计，其核心是变配电站的位置选择。近年来，随着铜的价格持续上涨，电力电缆的价格也不断增高，为了减少电缆线路的损耗和项目的投资，10kv变压器应尽可能的靠近用电终端负载。但是，在以往设计中，建设单位为了减少初次投资，削减变配电站的建设位置。这样导致低压电缆供电半径过长，造成线路损耗严重，供电质量也大大降低。在设计过程中，电气设计人员只能用增大电缆截面的措施减少线路损耗。这样必然会造成采购电缆费用增多，工程造价也会随之提高。根据项目的特点、规模和发展规划，变电站位置的选择不仅要考虑近期需要同时也要考虑远期计划，并适当留有扩展的可能性。因此，供配电系统设计时不能只考虑初次投资，而且要注意项目的长期运行成本，力求供配电系统更加经济、合理。在项目设计时，电气设计人员还应该灵活设置相同容量的变压器。系统总容量一定的条件下，初期投资选择单台大容量的变压器比相同容量的两台或多台变压器组合具有价格优势，但是在运行过程中难以灵活调整。例如，对面积较大的室外夜景照明供配电系统设计时，设置多台小容量箱式变电站，不仅可以减少低压电缆的数量，同时又使系统更加灵活，对节约能耗十分有利。因此，合理设置变配电站的位置及灵活的配置方案，能从源头上减少变配电过程中的铁损和线损，从而达到更有效的节省电能和节约有色金属材料。
5.建筑室内配电设计
建筑夜景照明项目中，大部分灯具依附于建筑物表面，其供配电系统与建筑内部配电设计密切相关。笔者认为，建筑内部配电设计的主要节能方法有两点：第一尽量减少配电级数；第二合理规划配电路径。配电级数的增加不仅导致断路器数量增多，而且上级和下级选择性配合会非常复杂，必定会导致系统故障增多和资源浪费。配电回路过长，会导致线损增大，供电质量下降，从而不得不放大电缆的截面，这些对于供配电节能非常不利。往往配电级数的增加大部分情况是由于配电节点较多，而每个节点都采用断路器控制保护，这样就导致配电级数偏多。所以设计人员应充分考虑现场实际情况，在允许采用隔离开关代替断路器的场所应尽量使用隔离开关，这种方法能有效减少配电级数。配电路径不合理主要原因是配电间(楼层配电间)的位置设置不合理，从而导致配电柜位置设置受限。因此，在多层建筑照明配电设计中，变配电站的位置应尽量接近电气竖井，以缩短竖向干线的敷设长度。而单层面积较大的建筑物，应将电气竖井设在建筑物中心位置或设置多个电气竖井，最大程度的缩短水平线路敷设长度。所以在建筑初步设计阶段，电气设计人员就要参与以上位置的协调配合，以免在后期设计时无法调整；而建筑夜景照明的室内配电设计在室外配电设计上游，所以室内、外配电设计应结合在一起充分优化。
6.减少线路损耗
采用减少线路损耗的技术措施，可进一步增强夜景照明系统的节能效果，其重点在于如何选择合适的线缆。因为导线自身存在电阻，所以在负载运行过程中，电流经过导线时就要产生功率损耗。在电流通过量恒定的情况下，导线的电阻越大，引起的电流损耗就越大。那么电气设计人员在导线选型时，应优先选用电阻较小的导线。例如，夜景照明工程设计中大量使用铜芯导线。同时线缆路径设计时，应尽量横平竖直，避免走弯路，以减少线缆路径长度，而且在低电压和特低电压情况下，线路要尽量不走回头路。特别是室外夜景照明配电回路普遍较长，在选择电缆时，应在满足载流量、继电保护和压降要求的前提下，增大一级导线截面。虽然增加了线路的初期投资，但是降低了线路损耗，为系统节省电能，根据以往项目经验，因增加导线截面而增加的费用可在1～2年内回收，系统长期运行具有显著的节能效果。
7.提高功率因数
由于夜景照明供配电系统中非线性用电设备使用量较大，如何提高供配电网络的功率因数，实行无功补偿，是夜景照明电气节能的又一环节。在夜景照明供配电系统中，大量使用的开关电源（交流变直流设备）和灯具镇流器都是感性负载，会产生延迟的无功电流，，实际上增加了线路的功率损耗。实际工程设计时，通常采用安装无功补偿柜的方法，无功补偿柜内的电容器可产生超前的无功电流，将电气设备滞后的无功电流抵消，使系统的总无功电流降低。这种方法可以有效提高配电系统的功率因数。当系统功率因数由0.7提高到0.9时，线路损耗可减少约40%。因此，在夜景照明供配电节能设计中，应尽可能提高系统的功率因数。
8.三相平衡负载
在夜景照明供配电设计中，很多项目采用单相回路配电。因此在低压线路中，由于单相回路负载分配不均，使三相负载不平衡。电气设计人员在供电回路分配时应合理分析，严格执行相关规范及行业标准，尽可能使三相负载趋于平衡，这样可以减少因三相负载不平衡造成的损耗。通常设计过程中，首先按负载区域均匀的分配回路，并按一定顺序排列，相线（a，b，c）按规范颜色标识清楚使其尽量平衡化，然后采用滤波器抑制高次谐波的方法。也可以使用节电装置达到三相电压或电流平衡的目标。实际应用表明，节电装置能净化电源，提高供电质量，使三相配电回路基本区域平衡，从而大幅减少了系统线路上的损耗，提高用电设备运行效率。
9.抑制谐波危害
夜景照明系统中大量LED及开关电源的使用，会对其配电网络产生高次谐波危害。在供配电系统中，电能质量的主要参数有：电压、波形和频率。谐波电流是影响电气设备寿命、安全和继电保护动作的主要因素之一，对供配电系统安全产生很大危害，也导致电能损耗增大。所以抑制谐波危害在实际应用中得到设计人员的高度重视，通常采用在变压器低压侧设置有源滤波器、无源滤波器，或将两种设备混合使用。也可采用装设无功补偿装置和采用节电装置等方法。以上措施不仅净化了电路，而且减少了系统功率损耗，提高了电源质量，使系统更安全可靠的运行。
10.新能源应用
在供配电节能设计中，新能源的利用是国家和政府层面作为新兴产业予以大力支持和推动的，它具有环保、清洁、可持续等优势。近年来，随着新能源电力系统技术的不断进步，其应用也不断增加，特别是建筑行业在利用新能源方面具有一定优势。例如，太阳能光伏发电可用于建筑物屋面。新能源的大量普应用将大大降低我国的能源消耗，如果在夜景照明系统中加入新能源的利用，可进一步节约项目用电量。
四、主要设备选择和应用
1.节能灯具的选择和应用
在夜景照明系统节能产品中，最重要的无疑是高效、节能光源的应用，而LED的广泛使用尤其引人注目。城市夜景照明灯光效果令人着迷，其中大部分灯具采用LED光源。在照度相同的条件下，LED光源比传统光源的功耗降低了50%以上。在笔者设计项目中：同等条件下，一支LED光源灯具可以替代多支传统光源灯具，且光色、照度各方面更具有优势。提高灯具效率不能只从光源角度考虑，其配件的优化也很重要。例如，传统的电感镇流器功率因数只能达到0.5～0.6左右，使用效率较低。随着电子技术的不断成熟，节能型电感镇流器功率因数大幅提升，而且具有很高的可靠性，较长的使用寿命和较低的谐波含量;目前市场上新型电子镇流器的功率因数可以到达0.95以上，对提高灯具节能有显著成效。从近几年趋势来看，夜景照明工程设计中越来越多的新技术、新产品推广应用，使得电气节能的效果显著提高。在城市夜景照明系统中，灯具的耗电量占绝大部分。高效节能照明设备的选择是设计人员不可忽视的重点。在选择照明灯具时，能充分的利用高效节能产品，进行合理的选型，对夜景照明系统节能极为有利。例如，本项目节能灯具选择参数：灯具效率：≥80%；采用高光效LED；采用高透光透镜；透镜采用透光率达93%的进口PMMA材料，透镜角度根据每个实际场合精确定制，出光效率高，有效利用率提高；采用高透光罩；采用高透光率的光学玻璃制成灯具透光罩，在起到防护作用的同时，极大提高了光输出，降低了对光线的吸收和反射；采用高效驱动电路；采用高效恒流驱动芯片，其效率可达到92%以上；安装支架，根据现场实际情况精确定制，保证了灯具投射方向的精确有效，既确保了投射效果，同时对单灯功率和总功率起到有效降低作用。
2.开关电源的选择和应用
开关电源是夜景照明系统中非常重要的设备，对系统的安全可靠运行有着至关重要的作用。设计时，首先确定合适的输入电压范围，选择合适的功率，功因矫正（PFC），考虑负载性。为了提高系统的可靠性，建议开关电源工作在65%-80%负载为佳。例如，本项目开关电源选择参数：交流输入电压：90～265VAC；抗电压波动：±15%；输入电压频率：47Hz～63Hz；功率因数：≥0.95；效率：≥90%；谐波含量：THD≤10%；输出电压精度：≤±2%；纹波峰峰值：≤1%；工作环境温度：-30～+60℃；保护：过流、短路、过温、过压保护；符合安规和电磁兼容规范；使用寿命：≥30000h；防护等级IP65以上。
3.变压器的选择和应用
供配电系统中对于节能产品而言，选择高效节能的变压器也很关键。随着技术的发展，传统的油浸式变压器逐步被市场淘汰，高效、节能、低损耗的干式变压器会逐步取代它们。变压器设备的铁损是不可避免的，只能优化配置方案尽量使其降低，当变压器在实际功率负载为其额定功率的75%～85%运行时，铁损最小，工作效率最高，节能效果也最好。而且随着科技进步，产品也在不断更新换代，节能型干式变压器的自身损耗越来越低，效率不断提高。目前夜景照明行业内10kV电压等级的变压器应用广泛，随着近几年行业发展速度较快，变压器的使用量也随之增加，所以节能型变压器的普及应用对于整个行业具有十分重要的意义。选择高效节能型变压器不仅对节能非常重要，而且可以大幅降低变压器的运行维护成本，同时提高了夜景照明工程建设的经济效益。因此，设计人员在选择变压器时，应优先采用高效节能型变压器。
五、结束语
电能是夜景照明系统运行的主要能源，在系统设计中加入供配电节能技术具有重要意义。在工程初期设计中必须考虑用电的安全性、可靠性、经济性及节能性，选择合理的设计方案和节能产品，想办法减少电能损耗，提高系统运行的效率，节约电能，为城市营造更好的夜晚景色。综上所述，笔者认为，夜景照明供配电系统的节能设计工作核心是应用及推广节能技术，同时加强新能源的利用。让我们每个人共同努力，将我国夜景照明行业的电气节能技术提升一个新的高度，从而给全国减少资源消耗、绿色节能的发展添上重要一笔。
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