探析建筑電氣設(shè)計(jì)的節(jié)能途徑

阮春海

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510010）

0 前言

現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，無(wú)論是生產(chǎn)端還是消費(fèi)端，人們對(duì)電力的需求不斷增加，推動(dòng)電力消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)。在建筑電氣的設(shè)計(jì)中，許多設(shè)計(jì)者只關(guān)注滿(mǎn)足用戶(hù)的用電需求，而對(duì)建筑電氣的節(jié)能設(shè)計(jì)重視程度不足，一定程度上增加了用電能耗。目前，中國(guó)的電力能源類(lèi)型主要火電、水電、風(fēng)電、核電及太陽(yáng)能發(fā)電，其中，火電占大部分，火電屬于化石能源，生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。無(wú)論是從國(guó)家“碳中和”的戰(zhàn)略出發(fā)，還是從節(jié)約用戶(hù)用電費(fèi)用的角度出發(fā)，建筑電氣的節(jié)能設(shè)計(jì)都是急需且必要的，因此，建筑電氣設(shè)計(jì)必須貫徹節(jié)能原則并提出可操作性方案。

1 節(jié)能原則

建筑電氣設(shè)計(jì)中，應(yīng)該始終考慮到有效利用電力的原則，兼顧考慮社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)因素及環(huán)境因素，以成熟的理論技術(shù)以及豐富的工程經(jīng)驗(yàn)作為支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力利用的最大化，最終減少電能消耗、提高電能使用效率。因此，建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則主要是實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約能源。

1.1 實(shí)用性

實(shí)用性主要是指工程師在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略建筑的使用功能，節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活以及節(jié)能的需要。比如在進(jìn)行建筑照明設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足照明功率密度的節(jié)能要求下，應(yīng)同時(shí)考慮不同場(chǎng)所的照度、色溫、均勻度及顯色性等要求。

1.2 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是建筑電氣設(shè)計(jì)中不可缺少的原則。節(jié)能與投資存在密切聯(lián)系，節(jié)能可能帶來(lái)初始投資的增加，降低業(yè)主的投資意愿，但其效益可能主要體現(xiàn)在項(xiàng)目的日后運(yùn)營(yíng)上。因此，在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分比較不同方案，綜合分析初始投資與日后運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用，給出最優(yōu)的節(jié)能方案。

1.3 節(jié)約能源

節(jié)約能源是建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。在設(shè)計(jì)階段需對(duì)建筑進(jìn)行負(fù)荷及能耗分析，并采取相應(yīng)的節(jié)能措施來(lái)提高能源利用效率、減少能源浪費(fèi)。

對(duì)于能源消耗與建筑物功能沒(méi)有關(guān)聯(lián)的地方，應(yīng)考慮采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)減少能源使用量。如設(shè)備自身的損耗、供電線路損耗，可通過(guò)采用節(jié)能型設(shè)備減少損耗、合理設(shè)置變電所及電氣豎井位置減少供電線路損耗。

對(duì)于建筑物需要使用的能源，可通過(guò)采取先進(jìn)的用能管理措施，如建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、智能照明控制系統(tǒng)、建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行、提高用能效率。

2 節(jié)能措施

本著以上三方面原則，主張的節(jié)能措施主要有六方面。分別是供配電系統(tǒng)節(jié)能、照明節(jié)能、線路節(jié)能、機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)節(jié)能、變壓器節(jié)能、利用可再生資源。

2.1 供配電系統(tǒng)節(jié)能

建筑供配電系統(tǒng)為了達(dá)到節(jié)能的要求，應(yīng)強(qiáng)調(diào)整體平衡，根據(jù)建筑用電的整體情況，結(jié)合建筑電氣工程的特點(diǎn)、建筑用電需求和未來(lái)的規(guī)劃發(fā)展，進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)：

（1）根據(jù)建筑分區(qū)及業(yè)主管理需求設(shè)置不同的變電所，變電所位置應(yīng)盡量靠近各區(qū)域負(fù)荷中心。根據(jù)變電所分區(qū)合理規(guī)劃電氣豎井位置，電氣豎井的位置也應(yīng)盡量位于負(fù)荷中心。

（2）優(yōu)化配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大容量設(shè)備采用放射式為主的供電方式，均勻分布的負(fù)荷采用樹(shù)干式配電。大容量用電回路采用母線槽供電，提高干線供電能力、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（3）采用建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)照明、空調(diào)、電力、給排水等不同類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控各系統(tǒng)電能消耗情況。

2.2 照明節(jié)能

在建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽視建筑物的照明節(jié)能設(shè)計(jì)。根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，一般民用建筑中照明用電總量較大（用電量?jī)H次于空調(diào)用電）。照明節(jié)能設(shè)計(jì)就是要滿(mǎn)足用戶(hù)照明需求的同時(shí)，降低電能損耗。在設(shè)計(jì)中可采取以下照明節(jié)能措施：

（1）充分利用自然光作為照明方式，自然光是成本最低、需要能耗最小的照明節(jié)能方式，照明節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用自然光。在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，應(yīng)充分與建筑專(zhuān)業(yè)、業(yè)主協(xié)調(diào)溝通，充分利用自然光。

（2）在現(xiàn)有建筑中，傳統(tǒng)光源主要為白熾燈、熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈，隨著照明光源技術(shù)的發(fā)展，LED等新型光源也在漸漸走進(jìn)大眾視野。在建筑用電的節(jié)能設(shè)計(jì)中，光源的選擇要滿(mǎn)足場(chǎng)所的需要，不同的場(chǎng)所對(duì)光源的選擇不同。相對(duì)傳統(tǒng)光源，LED光源具有光效高、壽命長(zhǎng)、色溫豐富、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可較好適應(yīng)不同場(chǎng)所的照明需求。盡管LED光源的初始投資較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其綜合效益高于傳統(tǒng)光源。

（3）采用直接照明為主的照明方式。

（4）對(duì)燈具進(jìn)行分區(qū)、分組控制，同時(shí)可采用照度傳感器、人體感應(yīng)傳感器、定時(shí)開(kāi)關(guān)等技術(shù)手段對(duì)燈具進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。照度傳感器可根據(jù)照明區(qū)域自然光情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈具或調(diào)節(jié)燈具照度；在平時(shí)人員較少經(jīng)過(guò)的區(qū)域采用人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)，可減少該區(qū)域燈具的開(kāi)啟時(shí)間、節(jié)約用電；定時(shí)開(kāi)關(guān)可防止管理人員失責(zé)在建筑非營(yíng)業(yè)時(shí)間大量開(kāi)啟燈具，造成電能浪費(fèi)，同時(shí)也可提高建筑運(yùn)營(yíng)效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要將各種燈具與光源相匹配，所以在照明設(shè)計(jì)中，要選擇光照可控性強(qiáng)、效率高的燈具。對(duì)于不同的房間面積和高度，可以通過(guò)計(jì)算房間空間比RCR（Room Cavity Ratio），確定廣角、中角、窄角燈具的選擇，并根據(jù)房間的天花板、墻壁、地面的反射系數(shù)，確定燈具的利用系數(shù)來(lái)實(shí)踐更科學(xué)的照明設(shè)計(jì)[1]。根據(jù)精確計(jì)算出的RCR值，確定燈具的使用方法，使用合適的燈具可以提高光的利用率，節(jié)約能源。

當(dāng)選用熒光燈、金鹵燈或高壓鈉燈時(shí)，需配套選擇鎮(zhèn)流器。市場(chǎng)上有各種類(lèi)型的鎮(zhèn)流器，不同鎮(zhèn)流器所消耗的功率不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)考察和合理選擇。建議采用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器或電子式鎮(zhèn)流器。

2.3 線路節(jié)能

建筑物的正常使用離不開(kāi)電能傳輸，所以電路線路損耗是不能避免的，一般來(lái)說(shuō)，供電線纜的電壓等級(jí)、截面密切影響電能傳輸能力的大小。建筑電氣工程中線路十分復(fù)雜，一般工程的線路總體長(zhǎng)度超過(guò)10000m，更大規(guī)模的工程更是難以估計(jì)。當(dāng)供電線路設(shè)計(jì)不合理時(shí)，可能造成巨大的電能損耗。設(shè)計(jì)上可以采取以下措施降低供電線路損耗：

（1）適當(dāng)提高市政供電電壓水平，有條件的建筑優(yōu)先采用20kV/35kV供電。在同樣的計(jì)算負(fù)荷下，線路的有功損耗與供電電壓的平方成反比，提高線路電壓還可縮小供電電纜的截面。因此，適當(dāng)提高線路供電電壓具有明顯的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效益。

（2）優(yōu)先采用銅芯導(dǎo)體。銅芯導(dǎo)體的電阻率比鋁要低，其線路損耗相對(duì)鋁導(dǎo)體低。

（3）合理規(guī)劃變電所及電氣豎井的位置，縮短線路長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)中還要合理規(guī)劃電纜橋架路由，電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)遵從”最短路徑”原則、避免電纜迂回敷設(shè)。

（4）根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)體截面[3]。

（5）平衡三相負(fù)荷。建筑中單相負(fù)荷較多，比如照明、插座、弱電設(shè)備及末端空調(diào)設(shè)備等大多數(shù)均為單相設(shè)備，當(dāng)配電系統(tǒng)中三相不平衡程度較大時(shí)，供電干線中N線電流較大、N線線路損耗較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少供電干線中N線的電流，因此需盡量平衡三相負(fù)荷。

（6）做好諧波治理措施。當(dāng)建筑中電力電子設(shè)備較多時(shí)，容易產(chǎn)生包括三次諧波在內(nèi)的一系列諧波，當(dāng)三次、九次等諧波含量較大時(shí)，供電系統(tǒng)中N線電流也較大（其值甚至?xí)^(guò)相線），因此對(duì)該部分設(shè)備建議采取有源濾波措施，就地處理該部分諧波，減少N線的電流。

2.4 機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)節(jié)能

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)，可在滿(mǎn)足使用需求的基礎(chǔ)上，降低機(jī)電設(shè)備的用電能耗。設(shè)計(jì)上可以采取以下措施：①同一區(qū)域裝有多臺(tái)電梯的采用電梯群控系統(tǒng)；②負(fù)荷變化情況較頻繁的機(jī)電設(shè)備（如生活水泵、冷凍水泵、空調(diào)器等）可采用變頻控制方式；③采用建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS），通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控各類(lèi)機(jī)電設(shè)備并通過(guò)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行、節(jié)約用電能耗。

2.5 變壓器節(jié)能

變壓器作為配電系統(tǒng)的基本設(shè)備，變壓器的容量、數(shù)量和運(yùn)行方式對(duì)建筑物內(nèi)的電能損耗也有很大影響。當(dāng)季節(jié)性或沖擊性負(fù)荷使電能質(zhì)量明顯下降時(shí)，當(dāng)季節(jié)性負(fù)荷的變化難以調(diào)節(jié)，可以安裝特殊的變壓器，允許變壓器自由切換，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，并減少因輕負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行補(bǔ)救措施和電能損耗[4]。

設(shè)計(jì)上應(yīng)優(yōu)先采用節(jié)能型變壓器。另外，當(dāng)建筑存在較大的季節(jié)性負(fù)荷時(shí)，可為這部分負(fù)荷專(zhuān)設(shè)變壓器供電，在非季節(jié)時(shí)間可停止變壓器的運(yùn)行、減少變壓器損耗。

2.6 利用可再生資源

我國(guó)擁有廣闊的可再生能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等。其中，太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合應(yīng)用最廣泛。舉例如下：①在建筑外立面設(shè)置太陽(yáng)能板及光伏發(fā)電系統(tǒng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。另外，太陽(yáng)能板也可吸收外部熱量、降低室內(nèi)溫度；②采用太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能路燈等設(shè)備，降低設(shè)備用電能耗。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑用電的節(jié)能設(shè)計(jì)有很大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)有關(guān)方面估計(jì)，如果國(guó)家政府要求的相關(guān)節(jié)能措施得到落實(shí)，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，還可降低國(guó)家的電力建設(shè)投資。因此，建筑電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在滿(mǎn)足人民需求的前提下，提出有效可行的節(jié)能措施，這是每個(gè)建筑電氣工程師不可推卸的責(zé)任。