以目的為導向的居住建筑電氣節(jié)能設計策略探討

李 毅， 王 強

(北京維拓時代建筑設計股份有限公司，北京100025)

0 引言

電氣節(jié)能設計要實現(xiàn)減少耗能，進而減少CO2排放的節(jié)能目標，需要經(jīng)過施工安裝環(huán)節(jié)，通過運行使用結果得到實現(xiàn)，建筑電氣節(jié)能設計應考慮全過程，進行系統(tǒng)性的思考，考慮最終的節(jié)能效果。所有耗能是由于人類的生存與活動引發(fā)的，在討論居住建筑耗能時，不應忽略建筑中人的行為模式，不應忽略人的感受、需求、活動特點。電氣節(jié)能設計應考慮人的行為因素影響。本文就以上問題進行探討。

1 居住建筑耗能構成

建筑能耗，即建筑使用過程中由外部輸入的能源，包括維持建筑環(huán)境的用能和各類建筑內活動的用能。建筑環(huán)境的用能包括供暖、制冷、通風、空調和照明等。建筑內活動的用能包括辦公、家電、電梯、生活熱水等。

按照GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標準》的分類方法，居住建筑能耗指標構成見圖1所示。

圖1 居住建筑能耗指標構成

圖1所示為民用(居住)建筑能耗構成，嚴寒和寒冷地區(qū)由3項指標構成，非嚴寒和寒冷地區(qū)無建筑供暖能耗指標。簡單的說，北方居住建筑能耗可以分為供暖能耗和非供暖能耗，南方居住建筑只有非供暖能耗。

非供暖能耗是指以電力為主的能耗，減少建筑電力能耗，是建筑電氣節(jié)能設計最終要實現(xiàn)的目標。

居住建筑耗能按區(qū)域劃分包括公共區(qū)域耗能及家庭耗能，公共區(qū)域耗能占比一般為10%。居住建筑非供暖電力耗能構成如圖2所示。

公共部分的節(jié)能可依靠電氣設計措施和物業(yè)的運營來實現(xiàn)，而戶內部分的節(jié)能要復雜得多。

對于精裝房設計，可以采用照明設計節(jié)能策略減少戶內照明電器能耗。對于毛坯房設計，建筑電氣設計師無法控制戶內照明節(jié)能。對于集中空調設計，電氣專業(yè)配合設備專業(yè)采取節(jié)能設計策略，減少環(huán)境設備耗能。對于非集中空調設計，電氣設計師對戶內空調部分的節(jié)能無能為力。家庭其他用電設備及家用電器的節(jié)能無法完全依靠建筑電氣設計實現(xiàn)，節(jié)能效果的實現(xiàn)很大程度上受到人的行為因素影響。

圖2 居住建筑電力耗能構成

2 居住建筑耗能指標分析

居住建筑非供暖能耗指標是以每戶每年能耗量為能耗指標。GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標準》給出的能耗指標約束值見表1。

居住建筑非供暖能耗指標約束值 表1

綜合電耗指標約束值制定以戶為單位(H)，按照年(a)周期制定，考慮了我國目前用能水平，各省市階梯電價的第一檔的上限值等因素，以滿足80%居民用電為依據(jù)。表1中數(shù)據(jù)包含了公共部分耗電分攤，各氣候分區(qū)綜合電耗指標的差異，是由于氣候環(huán)境所造成的空調使用強度的不同。

以寒冷地區(qū)為例，根據(jù)表1中指標，去除公共部分耗電分攤(10%)及夏季空調用電(按300 kWh)，每戶每天的正常耗電量大約為5～6kWh。因此，每天節(jié)省1度電，電力耗能指標能夠降低15%～20%。

真正減少家庭實際的年耗電量，是電氣節(jié)能設計實現(xiàn)的主要目的之一，家庭年耗電量是節(jié)能設計策略效果好壞的重要衡量指標。隨著人們生活品質的不斷提高，家庭耗電量會呈不斷上升趨勢，滿足表1中約束值的要求并在此基礎上進一步降低，需要付出一定的努力，從小處著手。

節(jié)能不能依靠降低環(huán)境的舒適度及人們對美好生活追求的標準來獲得，可以采取兩種方式實現(xiàn)進一步節(jié)能，一是不斷提升家用電器產(chǎn)品效能，降低其耗電指標，二是采用人性化的節(jié)能控制措施，減少能源浪費。

3 居住建筑耗能與人的行為耗能

環(huán)境用能是維持其使用功能的基本需求，包括供熱、供冷、通風、光環(huán)境用能。其實際耗能量由基本需求指標及人的特性需求決定。如冬季供暖溫度標準定為18℃，而不同的人有不同的要求，有的人可能覺得22℃才感覺舒適，集中供暖不滿足要求時，可能會使用電暖氣；有人習慣開窗補充新鮮空氣，會增加室內供熱、供冷的能耗。因此，室內環(huán)境耗能與人的行為有關。

人的活動會產(chǎn)生耗能，居住建筑中人的活動包括洗衣、餐飲、娛樂、學習、工作等。人的活動通過使用家用電器產(chǎn)生耗能，家用電器耗能＝家用電器電功率×運行時間，家用電器的選擇及運行時間取決于人的行為需求。以電冰箱為例，相同容量的不同品牌、型號的電冰箱，其耗電量大小是不一樣的，節(jié)能效率高的產(chǎn)品往往價格也會偏高。同樣是3口之家，有的家庭選擇120L，有的家庭選擇240L，有的家庭選擇更大尺寸的電視機或更多的家用電器，對于家用電器的使用頻次也不相同。

因此，受到人的行為方式、習慣的影響，各家庭的實際耗電量存在一定的差異。當討論居住建筑的節(jié)能實際效果時，應考慮和研究人的行為因素。

合理的需求及消費行為不應該被抑制，不合理的浪費行為應避免?！半S手關燈”是典型的行為節(jié)能，人的節(jié)能意識提升不屬于設計考慮的范疇。但可以通過電氣設計措施來提供行為節(jié)能的可實施性，如電氣分區(qū)控制、分時控制、一鍵控制等。

4 居住建筑無效電力耗能

滿足人的需求所產(chǎn)生的電力耗能為合理電力耗能，無需求工況下備運行所產(chǎn)生的電力耗能為無效電力耗能。如在房間無人的情況下，燈具繼續(xù)點亮所產(chǎn)生的電耗為無效電力耗能，家用電器的待機耗電為無效電力耗能。以某品牌電熱水器為例，分析無效電力耗能的產(chǎn)生，該電熱水器24h運行情況用電監(jiān)測曲線見圖3所示。

圖3 某品牌電熱水器24h運行情況用電監(jiān)測曲線

圖3中將1天24h分為4個時間段，時間段1為0:00-6:00點，時間段2為 6:00-9:00點，時間段3為9:00-18:00點，時間段4為18:00-24:00。時間段1一般為睡眠時間，該階段耗電為無效電力耗能，大約占1天耗能的17%。對于3口之家的雙職工家庭，時間段3家中無人，該段時間的耗電亦為無效電力耗能，大約占1天耗能的33%。根據(jù)不同家庭結構及人員活動特點情況，采用以上分析方法發(fā)現(xiàn)，其他家用電器亦存在無效電力耗能情況，如淋浴用電熱水器、網(wǎng)絡路由器、電視機頂盒等。對于雙職工家庭，時間段1、時間段3大部分家用電器的待機耗電為無效電力耗能。根據(jù)居住建筑內人的活動規(guī)律進行一天的時間分段，見圖4所示。

圖4 居住建筑內人的活動時間分段示意圖

圖4所示的時間分段只作為本文討論節(jié)能問題的參考，并非準確的時間定義。如圖4所示，居住建筑內人的活動集中的時間段是時間段2與時間段4，時間段1與時間段3內有可能產(chǎn)生無效電力耗能。

5 居住建筑電氣節(jié)能設計策略

實際建筑的運行能耗與建筑和機電系統(tǒng)的設計有關，與施工質量和機電設備質量有關，更與建筑的運行管理水平及使用者使用方式有關。要實現(xiàn)降低建筑能耗的目標，必須從以上方面全面入手。在實現(xiàn)建筑使用功能的前提下，實現(xiàn)更高建筑節(jié)能效果的建筑能耗指標期望目標值，需要綜合高效利用各種建筑節(jié)能技術和管理措施。對于居住建筑，可以采取的主要電氣節(jié)能策略可以歸類為以下幾種。

(1)配電系統(tǒng)節(jié)能

選擇節(jié)能變壓器、節(jié)能配電設備，合理選擇配電電纜、導線截面，優(yōu)化配電線路敷設路徑，減少配電系統(tǒng)的固定損耗和運行損耗。

(2)照明系統(tǒng)節(jié)能

采用節(jié)能光源、高效燈具，合理的照明設計，滿足照明功率密度值的要求。采用合理的控制方式，如光控、聲控、定時控制等，減少公共區(qū)域照明耗能及地下車庫照明耗能。

(3)建筑設備節(jié)能

采用節(jié)能高效風機、水泵，采用節(jié)能電梯及群控方式，降低公共區(qū)域建筑設備電氣耗能。

(4)節(jié)能控制技術節(jié)能

居住建筑的節(jié)能控制包括公共區(qū)域節(jié)能控制及戶內節(jié)能控制，公共區(qū)域節(jié)能控制措施相對比較明確，但對于進一步提高其降低能耗的貢獻率是有限的。戶內節(jié)能控制存在提升的空間，通過設計方法為用戶創(chuàng)造自主節(jié)能的條件，進而影響用戶的節(jié)能行為，減少家庭無效電力耗能。

6 戶內電氣節(jié)能設計策略

為實現(xiàn)戶內節(jié)能可以采用以下設計方法。

(1)一鍵節(jié)能開關控制技術

現(xiàn)在的許多家庭為雙職工，在早晨上班離家至傍晚回家之間時間段，住宅中處于無人狀態(tài)，但家用電器處于待機狀態(tài)，仍然耗電。如電飲水機、電熱水器仍處于通電狀態(tài)，一直在無效的消耗電能。

住宅的居住者離開家時，有時會忘記關閉燈、排風扇等電器的電源，這些電器一直保持運行狀態(tài)，消耗能源。

當住宅的居住者長時間離開家時，家中的電器設備均處于通電狀態(tài)，存在一定電氣安全隱患。住宅建筑可采用家庭節(jié)電配電箱，居住者可通過“一鍵控制開關”的簡單操作，方便切斷或接通住宅內的分路電源，可促進行為節(jié)能，減少家庭電器待機耗電量，同時提高家庭用電安全性。家庭節(jié)電配電箱系統(tǒng)圖見圖5所示。

圖5 家庭節(jié)電配電箱系統(tǒng)圖示例

(2)照明智能控制

現(xiàn)代家庭裝修照明設計要求越來越高，為實現(xiàn)各種家庭燈光效果，安裝的燈具越來越多。但頻繁進行燈具開關的操作比較麻煩，合理的智能照明控制設計可以方便用戶的操作。根據(jù)人的活動規(guī)律、生活習慣，優(yōu)化燈具的組合控制，設置合理的場景控制模式，可以實現(xiàn)便捷操作及照明節(jié)能的雙重目的。智能照明控制開關示例如圖6所示。

圖6 智能照明控制開關模式示例

智能照明控制開關模式的合理設置，需要進行生活場景模擬分析，體現(xiàn)“人性化”設計原則，使智能照明控制真正解決問題，真正實現(xiàn)舒適方便與節(jié)能。

(3)集中空調系統(tǒng)、地暖系統(tǒng)分區(qū)分控

當戶內采用集中空調系統(tǒng)時，電氣專業(yè)應配合設備專業(yè)設置分區(qū)控制面板，應分室設置溫控面板，對大空間區(qū)域應分區(qū)域設置。集中空調溫控系統(tǒng)、新風系統(tǒng)宜與家庭智能控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)空氣控制設備的聯(lián)動控制、自動控制、遠程控制。

當戶內采用地板采暖系統(tǒng)時，應分房間、分區(qū)域設置溫控開關，可手動調節(jié)分集水器分路水閥的開度，調節(jié)各房間、區(qū)域的設定溫度。

合理的環(huán)境控制系統(tǒng)設計，創(chuàng)造行為節(jié)能的條件，在提高人的舒適度、滿意度的同時降低建筑環(huán)境耗能。

(4)智能電源插座的無線控制

隨著智能家居產(chǎn)品的不斷豐富與進步，智能插座的使用將越來越普及。也許不遠的將來，智能電源插座將取代普通電源插座。智能電源插座的使用，可以實現(xiàn)對每個末端設備的精準控制。設計師可以根據(jù)各種家用電器使用特點，分別設置其電源開、斷時間，可以統(tǒng)計、顯示各種電器的耗電量，極大地豐富了家庭行為節(jié)電的手段。智能電源插座控制原理示意圖如圖7所示。

圖7 智能電源插座控制原理示意圖

利用手機APP程序，通過智能插座對家用電器進行個性化設定，根據(jù)個人的生活習慣對不同的電器設置不同的通電與斷電的時間，而且設置方案可隨時變更，靈活方便，滿足了個性化需求。不同的控制方案得到不同的節(jié)電效果，節(jié)電的效果是可以被預算出來的。設定一個家庭為雙職工家庭，以一個電視機頂盒電源控制方案為例進行分析，假定時間控制分段如圖8所示。工作日:時間段1、時間段2設定為電源關斷時間(假設此段時間不觀看電視)；周六、周日及節(jié)假日:僅將時間段1設定為電源關斷時間。

圖8 電視機頂盒電源時間控制分段示意圖

機頂盒待機耗電功率按15W(一般為10～20W之間)計，工作日時間按250天計，則時間段1減少待機耗電為:15W×7h/1 000×365天＝38kWh；時間段2減少待機耗電為:15W×12h/1 000×250天＝45kWh，全年合計減少待機耗電為:38kWh＋45kWh＝83kWh。就一個家庭來說，所減少的耗電量也許很少，但一個城市的家庭是百萬數(shù)量級的，家庭無效的電力消耗量是巨大的。

關注智能家居產(chǎn)品的變化及發(fā)展，考慮家庭終端電器的節(jié)能方法，適應無線控制技術的普及及應用，是電氣設計師面臨的新的挑戰(zhàn)，需要有新的思維方法，需要有創(chuàng)新意識，將無線控制技術融入到建筑電氣設計中。

7 結束語

綜上所述，居住建筑電氣節(jié)能設計應以最終減少家庭電力能耗為目標。公共部分的節(jié)能策略比較明確，難點在于降低戶內耗電量，衡量的指標為用戶電度表記錄的年耗電量。戶內節(jié)能效果受到人的行為因素的影響，電氣設計需要分析家庭活動特點、活動規(guī)律，從用戶角度出發(fā)，本著“人性化”原則，合理設計戶內配電設計、節(jié)電控制設計，滿足用戶舒適、便捷要求的同時，創(chuàng)造行為節(jié)能的條件。電氣節(jié)能設計應考慮家庭電器的無線控制方式，利用智能家居技術、物聯(lián)網(wǎng)技術，采用新思維、新方法，時刻關注節(jié)能設計的效果目標，將電氣節(jié)能設計提升到更高的水平。