建筑電氣設(shè)計中，應(yīng)從選用低損耗節(jié)能型配電設(shè)備、優(yōu)化供配電系統(tǒng)及線路設(shè)計、提高系統(tǒng)功率因數(shù)、照明節(jié)能、智能化監(jiān)控、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用等方面挖掘潛力、采取措施，將電氣節(jié)能技術(shù)合理高效地應(yīng)用到工程中。
1、供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計
1.1變電所數(shù)量和位置的確定
合理的變電所位置對提高電源質(zhì)量、減小傳輸線路上的電能損耗有重要意義。變電所數(shù)量和位置要結(jié)合土建布局、根據(jù)負荷大小和低壓供電半徑綜合考慮，盡可能設(shè)在負荷中心。本工程共設(shè)三處10kv變電所，分別位于地下一層西側(cè)和東南側(cè)及東北側(cè)。
[圖1]變電所位置示意
在選取體育場變電所位置時要特別注意驗算末端用電設(shè)備電壓偏移，采取措施保證電壓偏移不超過允許值。場地照明是按燈具光源的額定值計算的，電壓偏移會影響照度計算的準確性。本工程場地照明采用沿罩棚分段光帶布燈與燈塔相結(jié)合的方式，場地?zé)舻淖冸娛以O(shè)在體育場西側(cè)主看臺地下室，通過采取將燈具分組配電、加大場地照明配電干線和分支干線電纜截面、燈控室至頂棚燈具配電盤的分支干線按遠近采用不同截面等措施，將場地照明燈的電壓偏移控制在-2.1%至-3.0%之間，可以滿足《體育建筑設(shè)計規(guī)范》jgj31-2003中“重要比賽場地的燈頭末端電壓偏移，相互間不宜大于正負1%”的要求。
1.2變壓器選型及臺數(shù)的確定
按照變壓器的制造標準，sb10系列比sb9系列空載損耗降低10%、負載損耗降低5%。本工程變壓器選用低損耗的sb10系列，減小了變壓器日常運行的損耗。
選擇變壓器容量時，變壓器負載率一般控制在65%~85%之間，使變壓器工作在經(jīng)濟運行范圍內(nèi)。
本體育場除體育比賽、訓(xùn)練使用外，還建有平時使用的文體活動、餐飲、住宿等附屬用房，考慮用電負荷的特點和變壓器經(jīng)濟運行的條件及供電系統(tǒng)的可靠性，選擇了多臺小容量變壓器的供電方案，并為僅在比賽期間才使用的大型用電設(shè)備設(shè)置專用變壓器，平時退出運行。通過減少變壓器臺數(shù)、使運行的變壓器負載率在經(jīng)濟運行的范圍內(nèi)，達到節(jié)能的目的。
各變電所裝機容量和配電范圍如下表：
變電所
變壓器
編號
變壓器容量
(kva)
設(shè)備額定容量(kw)
變壓器
負荷率
配電范圍
a#
a1
1250
1845
69.9%
東半場附屬用房
（全民健身用房、餐廳、車庫、部分運動員公寓等）
a2
1250
1835
69.5%
b#
b1
1600
1626
64.0%
南、北、西半場配套用房
（設(shè)備機房、人防、車庫、體育工藝用房、運動員公寓等）
b2
1600
1633
64.5%
c1
800
626
61.8%
場地照明、電子大屏幕、場地工藝用電設(shè)備、演出用電設(shè)備專用
c2
800
652
64.3%
d#
d1
1250
1578
77.9%
冷凍機房專用
d2
1250
1608
79.3%
表中，c1#c2#、d1#d2#變壓器為臨時性和季節(jié)性負荷供電，在非使用時段可以退出運行，減少變壓器空載運行損耗。
1.3線纜
電氣節(jié)能設(shè)計中，線纜選擇是重要一環(huán)，體育場低壓供電半徑大，線路上的總有功損耗相當可觀。在設(shè)計中，主要采取以下措施減少線路上的能量損耗：
（1）線路選用電導(dǎo)率較小的銅材，還要貫徹節(jié)約用銅的原則。本工程電纜采用銅芯導(dǎo)體，密集母線則選用了鋁芯外包覆合金導(dǎo)體。
（2）線路盡可能短捷，避免迂回配線。本工程冷凍機房設(shè)備額定容量達3186kw，緊鄰冷凍機房為其專設(shè)變電站，縮短了低壓配電干線長度，減小線路損耗，降低了工程造價。
（3）合理選擇導(dǎo)線截面。導(dǎo)線截面的選擇要滿足溫升、電壓損失、機械強度等條件，還要注意使線纜初始投資和經(jīng)濟壽命期內(nèi)線路損耗費用之和最少，即按經(jīng)濟電流選擇截面。有資料測算，如果全面推行按經(jīng)濟電流選擇截面，將減少35%-42%的線路損耗(見參考文獻[4]493頁)，經(jīng)濟意義十分重大。許多設(shè)計手冊都提供了按經(jīng)濟電流選擇截面的計算表格可供選用。
本工程配套用房等長期負荷線路按經(jīng)濟電流選擇導(dǎo)線截面，從樓層總配電箱配出的分支干線導(dǎo)線均按允許載流量所選截面放大1-2級；而對體育比賽專用線路，因其年最大負荷利用小時數(shù)很小，且多數(shù)線路較長，為了減小電壓損失已經(jīng)加大了截面，故未按經(jīng)濟電流選擇截面。
1.4功率因數(shù)補償
無功補償是配電系統(tǒng)的重要節(jié)能措施，合理的無功補償投資少、收效快，可以減少輸送無功電流造成的電能損耗，改善電壓質(zhì)量。
無功補償分為在終端設(shè)備處補償和在變壓器低壓側(cè)集中補償兩種方式。就體育場而言，因其負荷分散，不同比賽用電量有較大差別，不適宜采用就地補償?shù)拇胧?。本工程采用在變壓器低壓?cè)集中補償，根據(jù)用電負荷的變化，自動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進行跟蹤補償，保持變壓器低壓側(cè)的功率因數(shù)不低于0.95，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損起到一定作用。
功率因數(shù)補償系統(tǒng)的電容與輸變電設(shè)備連接形成諧振回路，系統(tǒng)諧振后可導(dǎo)致諧波放大、電容過載、電壓電流畸變、變壓器和輸電設(shè)備的過載等后果。本工程電容器組串接有7%電抗率的調(diào)諧濾波電抗器，使電容器組在電力系統(tǒng)中含量較高的5次、7次諧波危險頻率內(nèi)時對系統(tǒng)表現(xiàn)為純感性，對50hz工頻而言呈容性，保證功率因數(shù)補償裝置的穩(wěn)定運行。
1.5諧波抑制
隨著變頻調(diào)速設(shè)備等非線性用電負荷的大量使用，配電系統(tǒng)的諧波問題日益嚴重，體育場的諧波源主要有：電子大屏、金屬鹵化物燈鎮(zhèn)流器、熒光燈、電子計算機、變頻器等。電機、變壓器等電氣設(shè)備由于諧波電流而產(chǎn)生附加損耗；導(dǎo)線中電流加大，線路損耗增加。治理諧波的手段主要是裝設(shè)濾波器，將諧波限制在合理范圍內(nèi)。
諧波電流隨著用電設(shè)備負荷電流的大小而相應(yīng)變化，本工程受投資和負荷不確定性的制約未實裝濾波器，在低壓總進線處設(shè)置電力儀表監(jiān)視記錄諧波分量，為日后治理諧波提供依據(jù)。低壓配電室預(yù)留有裝設(shè)濾波器的位置，日后可根據(jù)實際需要裝設(shè)。
設(shè)計中，對電子大屏等諧波含量高的大型設(shè)備的配電干線加大了中性線截面，防止中性線過流，保證供電系統(tǒng)的可靠運行。
2、照明的節(jié)能設(shè)計
照明節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分。場地照明燈具數(shù)量多、容量大，節(jié)能設(shè)計不容忽視，本工程從以下幾個方面考慮場地照明的節(jié)能：
2.1照度標準的選取
體育場平時使用率較低，設(shè)計中選取一個與體育場規(guī)模、等級相適應(yīng)的照度標準對節(jié)約能源、控制投資十分重要，不宜超級別設(shè)計。本工程定位在舉辦全國比賽和單項國際比賽，按照《體育場館照明設(shè)計及檢測標準》jgj153-2007，使用功能分級為iv級，照度標準為：水平1500lx，垂直1000lx(主攝像方向)。
2.2燈具安裝位置的確定
燈具的安裝高度對垂直照度、眩光程度都產(chǎn)生影響，燈具的安裝高度越高，越有利于控制眩光，但不利于提高垂直照度。本工程采用燈帶與燈塔結(jié)合的布燈方式，場地西側(cè)在罩棚下設(shè)置燈帶，場地東側(cè)設(shè)南、北2個燈塔。經(jīng)計算，燈塔上的燈拍中心高度在55m時，可以滿足場地照度要求，眩光值gr=45.6。當然，加高燈塔能夠進一步減小場地眩光，但為了保證場地的照度需要增加燈具數(shù)量及線纜長度，燈塔的土建費用也會增加。
[圖2]燈塔示意
2.3光源及燈具的選型
金屬鹵化物燈發(fā)光效率高、顯色性好，在體育場地照明中廣泛使用。金屬鹵化物燈常用的有1.5kw和2kw（1.8kw）兩種，標稱電壓為230v或400v。本工程主要光源選用2kw/400v產(chǎn)品。按照產(chǎn)品樣本，相同條件下大功率、高電壓光源的光效可提高約5%，更為節(jié)能。同樣的照度下采用大功率、高電壓光源，燈具總數(shù)能夠減少，相應(yīng)末端線纜數(shù)量、線徑及日后維護工作量都可以減小。
2.4場地照明自動控制
場地照明要符合各種比賽要求，同時還要兼顧文藝演出、展示會等非競技比賽的要求。本工程場地照明分為以下多種模式：田徑訓(xùn)練、田徑國內(nèi)比賽、田徑tv轉(zhuǎn)播的國內(nèi)比賽、田徑tv轉(zhuǎn)播的國際比賽、田徑應(yīng)急電視轉(zhuǎn)播的比賽、足球ⅳ級國內(nèi)比賽、足球ⅲ級國內(nèi)比賽、足球ⅱ級聯(lián)賽、足球訓(xùn)練及觀眾進退場等。通過照明自動控制系統(tǒng)，可以方便地實現(xiàn)各模式間的轉(zhuǎn)換。在不同照明模式下，關(guān)閉不用的燈具，節(jié)約能源。照明自動控制系統(tǒng)還可實現(xiàn)燈具分組延時啟動和延時再啟動，避免燈具同時啟動產(chǎn)生較大沖擊電流和短時再啟動對光源的損害，提高供電可靠性，延長光源壽命。
3、智能化控制
3.1變配電智能控制系統(tǒng)
變配電智能控制系統(tǒng)可以集中進行數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)的遙測、遙調(diào)、遙控和遙信。通過變配電智能控制系統(tǒng)可以進行諧波分析、電壓波動探測、中性線電流監(jiān)測，提高電能質(zhì)量；可以隨時察看電力消耗情況，進行負荷調(diào)整，降低運行成本；可以提供故障的預(yù)警、分析，減少事故發(fā)生、加快故障的排除。智能控制系統(tǒng)的設(shè)置使供配電系統(tǒng)“透明化”，提高了供配電系統(tǒng)可靠性和能耗管理水平。
本體育場變配電智能控制系統(tǒng)采用系統(tǒng)管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、現(xiàn)場測控層構(gòu)成的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，三處變配電所聯(lián)網(wǎng)控制，采用modbus通訊協(xié)議。在a#變電值班室內(nèi)設(shè)管理主機，三個變電室之間通訊線采用光纜，末端設(shè)備采用rs485接口，有良好的兼容性，方便系統(tǒng)擴展和第三方設(shè)備接入。通過智能電力儀表，還可對每個低壓出線回路計量電費。
3.2建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)
通風(fēng)空調(diào)和給排水系統(tǒng)的節(jié)能控制是基于建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的，確定控制方案時應(yīng)挖掘系統(tǒng)潛能，提高節(jié)能效果。本體育場冷凍機房有3套冷凍機組，建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)不同的運行模式，設(shè)置了靈活的控制方式，可以根據(jù)平時/比賽的不同負荷情況，調(diào)整冷凍機組及附泵的運行臺數(shù)，保證系統(tǒng)的最佳運行效率。
3.3照明智能控制系統(tǒng)
采用照明智能控制系統(tǒng)的主要目的是節(jié)約能源，方便管理。設(shè)置照明智能控制系統(tǒng)應(yīng)考慮可靠性、開放性和互連性、實用性、經(jīng)濟性等因素。
照明智能控制系統(tǒng)借助各種不同的預(yù)設(shè)置控制方式和控制元件，對不同時間不同環(huán)境的光照度進行精確設(shè)置和合理管理，根據(jù)不同場合、不同的人流量，進行時間段、工作模式的細分，關(guān)掉不必要的照明，實現(xiàn)節(jié)能。這種自動調(diào)節(jié)的方式，充分利用自然光，只有當必需時才把燈點亮或點到要求的亮度，利用最少的能源保證所要求的照度水平，節(jié)電效果十分明顯，一般可達30%以上。另一方面，由于照明控制器的控制性能特點改善了照明燈的運行工作條件，從而延長了燈的使用壽命，減少換燈量，降低維護費用。
本工程在疏散平臺、配套用房、比賽場地、室外道路、廣場等場所設(shè)置照明智能控制系統(tǒng)。利用控制系統(tǒng)的群組控制功能可控制整個體育場的燈光，實現(xiàn)照明的遠控、多點、定時控制等。
4、可再生能源利用
電氣系統(tǒng)中可再生能源利用主要是太陽能光伏電源系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。太陽能光伏電源系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池等組成，在將光能轉(zhuǎn)換為電能的同時，不產(chǎn)生廢氣、振動、噪聲等污染，還可節(jié)省火力發(fā)電消耗的燃煤等資源，是綠色能源。
太陽能光伏電源系統(tǒng)按運行模式分為獨立系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計中可以考慮采用獨立型系統(tǒng)為附屬用房照明、室外照明等較平穩(wěn)的非重要負荷供電。
本體育場初步設(shè)計時，曾考慮采用太陽能光伏電源系統(tǒng)為地下車庫提供20kw照明電源，經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較最終沒有實施，主要原因是：
（1）工程所在地為3類地區(qū)，年日照時數(shù)約2500小時，是太陽能資源中等類型地區(qū)。
（2）目前太陽能光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率約為17%，若要提供20kw照明電源，至少需要350m2太陽能電池組件，體育場的罩棚為一定角度的鍍鋁鋅鋼板和半透明登普板，太陽能電池組件安裝困難且影響建筑物造型。
（3）初投資過大。初步估算，若采用一套20kw獨立型太陽能光伏電源系統(tǒng)為車庫照明供電，至少需要8年節(jié)約下的電費才夠太陽能光伏電源系統(tǒng)的初裝成本，這還未計及惡劣天氣下仍需使用市電的情況。
盡管本工程最終沒有采用太陽能光伏電源系統(tǒng)，但是積極推廣利用可再生能源，對增加能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)，保護環(huán)境很有意義。太陽能做為一種取之不盡的清潔能源，其利用是未來發(fā)展的方向，隨著國家的政策扶植和太陽能技術(shù)開發(fā)的深化，太陽能光伏電源系統(tǒng)的效率、性價比將得到提高，必將會得到廣泛的應(yīng)用。