国际电气工程先进技术译丛 电能效率：技术与应用.pdf

国际电气工程先进技术译丛电能效率：技术与应用（西班牙）Andreas Sumper（意大利）Angelo Baggini 著阚江明 李 胜 许彦峰 等译机 械 工 业 出 版 社本书介绍了国外许多专家学者近些年在提高电能效率方面所做的工作和一些最新的成果。其内容涉及发电、输电、用电的各个环节，如分布式发电、变压器、电缆、电动机、照明、空调系统等主要电力设备的电能效率问题。同时还以建筑、工厂、数据中心等具体系统为目标，综合考虑提高电能效率的研究方案。本书既可以作为高等学校电气工程相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考书，也可作为企事业单位从事电气工程相关工作的电能设计工程师、安装工程师、M&E 设计师和经济工程师的参考手册，还可以作为能源研究者、政策制定者等从事电能效率相关工作的科技工作人员的辅导材料。Copyright2012 John Wiley&Sons，Ltd.All Right Reserved.This translation published under license.Authorizedtranslation from English language edtion，entitled，ISBN：978-0-470-97551-0，by Andreas Sumper，Angelo Baggini，Published by John Wiley&Sons.Nopart of this book may be reproduced in any form without the written permis-sion of the original copyrights holder.本书中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。版权所有，翻印必究。北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2012-8707 号。图书在版编目（CIP）数据电能效率：技术与应用/（西）萨姆普，（意）巴吉尼著；阚江明等译.北京：机械工业出版社，2014.7（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Electrical energy efficiency：technologies and applicationsISBN 978-7-111-47145-5.电.萨巴阚.电能效率-研究.TM92中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 137116 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：顾 谦 责任编辑：顾 谦版式设计：纪 敬封面设计：刘 岚霍永明 责任校对马精明 责任印制2014 年 9 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm22.5 印张443 千字0 0012500册标准书号：ISBN 978-7-111-47145-5定价：98.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教 材 网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版北京云浩印刷有限责任公司印刷译者序电能是我们最方便使用的能源形式，离开了电能，现代的生活简直不可想象。然而电能却主要来源于煤炭、石油、天然气等化石能源。这些化石能源的有限性和不可逆转性使我们随时面临着电能中断的威胁。化石能源的过度使用同时使我们的生存环境受到极大影响，环保问题已成为世界各国的战略性问题。我们正在努力寻找清洁的、可持续使用的新能源来替代化石能源进行发电，尽管已经有了很多成果，但目前距离完全替代化石能源的使用还相距太远。也许在当前，减少电能的消耗才是我们减少化石能源消耗、保护环境资源最直接、最有效的手段。减少电能消耗并不仅仅代表我们不使用或少使用电能，而是要减少电能的浪费，提高电能的使用效率。本书介绍了国外许多专家、学者近些年在提高电能效率方面所做的工作和一些最新的成果。其内容包括发电、输电、用电的各个环节，如分布式发电、变压器、电缆、电动机、照明、空调系统等主要电力设备的电能效率问题。同时还以建筑、工厂、数据中心等具体系统为目标，综合考虑电能效率的提高。这些方面我国的专家们研究得并不是很多，可以作为我们很好的借鉴。本书第 1、2、8 章由阚江明、庞帅、崔鑫彤负责翻译，第 3、6、9 章由许彦峰、柏晓鹤、陈芃、张智鹏、刘欢负责翻译，第 5、7、10 章由李胜、朱阅、詹传栋、刘念、王亚雄负责翻译，第 4、13 章由郑一力、葛桃桃、单芳婷、李晨乐、魏豪杰负责翻译，第 11、12 章由闫磊、王明枝负责翻译。统稿由阚江明负责。由于译者水平有限，错误之处难免，欢迎广大同仁批评指正。译 者原书序毋庸置疑，能源安全和气候变化是被政策制定者讨论最频繁的两个话题。石油价格现在大概在 100 美元/桶，而且由于需求的增长和储量的持续减少，石油价格将会保持这个水平甚至可能会增长。在科学界，人类在气候变化上的影响已无争议，同时还有一些令人担忧的消息，例如不可逆转的影响也已经开始，只有显著降低 CO2排放量才能减轻其对社会产生的巨大和成本高昂的影响。作为许多国家和国际战略的关键组成部分，能源效率和能源保护得到了重视，用来减轻气候变化的影响，提高能源供应的安全性，增加竞争力，保护自然资源（其中包括能源、材料和水等），并且减少其他与能源相关的环境污染。然而，建筑、设备和工业系统领域从研发到实施在能源效率技术的投入远低于其在经济、能源和气候变化所应有的投入。能源效率的政策、项目和支持方案仍然很需要克服来自市场、制度、财政和法律的障碍，并且在一个可以证明合理的经济行为水平上，为能源效率投资创造良好的市场。特别是对能源效率技术的支持方案上饱受争议，如大多数人认为未来能源节约成本的诸多考虑应该合理，能够激励终端用户应用能源效率技术。另一个主要问题是我们要意识到如果想要减少不可避免的全面的气候变化影响，减少绝对能源需求才是最重要的。能源需求的降低可以通过改善服务提供（技术的方面）的能源效率和不通过进行技术改革（行为方面，例如减少过度加热或者过度制冷及减少驾驶）来实现能源节约。能源效率是实现能源节约的一个重要的组成部分，因为它允许在更少的能源消耗下具有相同的服务（例如照明、制冷和加热）。然而，改进的能源效率，也就是说用一个更有效率的技术去替代原有的技术，本身并不能保证节约能源。这里有大量相关案例，引入更高效的技术结果导致它的实际消耗量却增加，这是由于反弹效应或是更大、更多的装置与设备（体积更大、使用更频繁的设备）的安装造成的。众多的政策制定者、经济学家和学者（来自科技、经济、政策和人类行为等各个方面）对能源效率和节能方面越来越感兴趣，这就需要更深入探索节能技术（例如控制系统、半导体照明、变速传动和真空绝缘装置），并且收集在政策和与能源使用、消耗和行为相关的社会经济问题上的新证据。与此同时，随着在能源效率和能源节约领域的政策活动的增加，对于在不同的国家评价过去和现在的政策有一个新的需求，以此来表明能源效率在能源安全和减轻气候变化影响方面的明确贡献。Paolo Bertoldi欧盟委员会联合研究中心伊斯普拉，意大利原 书 序原 书 前 言能源效率技术是不同工程领域的一项常用（共性）技术，用来减少提供产品和服务所需要的能量。正如电能是人们所知的最为灵活的能量形式，且也是在工业和商业应用中最重要的能源形式之一，因此电能效率值得特别关注。电能效率技术是一套用来提高电能应用效率的工程技术，这些工程技术应用得非常广泛，并且与电能质量工程及电能应用中的热能工程有所不同，还包括经济方面的内容。在未来几年，连同电能安全一起，电能效率将会成为包括安装和建设等每一道工序的强制性设计准则。电能效率工程的困难在于如何获得具体应用的整体认识。在大多数情况下，需要具备具体应用的专业知识，同时为了实现全面的效率目标，对于工业工序和要解决的问题的深入理解也是必需的。通常部分问题最优解决方案对工序的全面能源效率提供了一个适度的贡献。工程师应该掌握多学科的专业知识，例如电力应用、电能质量、控制技术和热能传递等相关专业知识。此外，工程师还应具有分析工业过程和决定需要采取什么样的效率行动的能力。电能效率的提高与采取的效率措施的评价密切相关，主要由投资分析进行评价。高效的解决方法通常需要更高的投资，并且这些经常需要管理部门的许可。管理者也必须理解能源高效的解决方法是如何提高过程效率及如何实现更高的生产率。在 2000 年，一个由学者和工业家组成的团体推动了一个由欧盟委员会联合资助的终身学习项目，该项目致力于被称作“莱昂纳多电能质量倡议”（LeonardoPower Quality Initiative，LPQI）的电能质量问题的解决，并组建了一个能源专家网络。该能源专家网络推动了数个后续项目，如 LPQIves 和莱昂纳多能源。关于这些项目的更多信息可以在莱昂纳多能源主页上查找到（http：/www.leonardo-ener-gy.org）。受到这些项目的启发，部分工作组成员撰写了 Handbook of Power Quality（电能质量手册），该手册在 2008 年由 Angelo Baggini 编辑。2008 年在布鲁塞尔的一个项目会议上，能源专家们产生了撰写电能效率综合图书的想法，并且在随后的几年中，这本书的内容被逐渐撰写完成。本书的创新之处是通俗易懂地向读者介绍提高电能效率技术与应用的知识。读者将会发现在这本综合性图书中，对电力工程最重要的工业和商业领域的电能效率技术都给出了专家观点。本书每一章都覆盖了一种不同的技术，这些技术的目的是在一个很宽泛的应用领域中实现节能目标。在开始学习本书之前，我们要感谢来自不同国家对本书各章做出贡献的作者，没有他们的专业观点，这项工作是不可能完成的。我们希望你会饶有兴致地阅读本书。Andreas Sumper，巴塞罗那，西班牙Angelo Baggini，帕维亚，意大利原 书 前 言作 者 名 单作 者 名 单目录译者序原书序原书前言作者名单第 1 章 能源效率标准化概述1 1.1 标准3 1.1.1 ISO3 1.1.2 IEC4 1.1.3 CEN 与 CENELEC5 深入阅读材料7第 2 章 电缆和线路8 2.1 热传递原理8 2.1.1 传导9 2.1.2 对流9 2.1.3 辐射9 2.2 架空电缆的额定电流值10 2.3 经济因素13 2.4 电流额定值计算：总体费用14 2.4.1 CJ 估计14 2.5 经济导体尺寸的决定16 2.5.1 经济电流范围计算16 2.5.2 给定负荷的经济导体尺寸计算16 2.6 小结17 参考文献17第 3 章 电力变压器18 3.1 变压器中的损耗20 3.1.1 无负荷损耗20 3.1.2 有负荷损耗20 3.1.3 辅助设施损耗21 3.1.4 由于谐波、不平衡和无功功率所产生的额外损耗21 3.2 效率和负荷因数25 3.3 损耗和冷却系统27 3.4 能效标准和规则27 3.4.1 MEPS32 3.4.2 强制性标识32 3.4.3 非强制性项目32 3.5 生命周期成本35 3.5.1 变压器的生命周期成本35 3.5.2 细节问题38 3.6 设计、材料和制造41 3.6.1 铁心42 3.6.2 绕组46 3.6.3 其他发展47 3.7 案例研究 工业变压器的约束理论评价48 3.7.1 方法49 3.7.2 结果50 3.A 附录53 3.A.1 MEPS 选录53 参考文献60 深入阅读材料61第 4 章 楼宇自动化、控制和管理系统62 4.1 节约能源的自动化功能63 4.1.1 温度控制64 4.1.2 采光64 4.1.3 驱动器和电动机65 4.1.4 技术报警和管理65 4.1.5 远程控制66 4.2 自动化系统66 4.2.1 KNX 系统67 4.2.2 SCADA 系统