高層建筑電氣節(jié)能技術(shù)研究

劉聰

【摘要】近年來(lái)，城市化建設(shè)的全面推進(jìn)使得城市建筑建設(shè)也逐漸向著高層化的方向發(fā)展，高層建筑是城市人口劇增、社會(huì)需求不斷提高、科技技術(shù)快速進(jìn)步的一種展現(xiàn)，所以從另一種角度上來(lái)看，高層化是建筑水平提高，以及滿(mǎn)足人們對(duì)建筑多元化需求的一種體現(xiàn)。但建筑的高層化建設(shè)使其在設(shè)計(jì)與建造中面臨著新的難題，建造的質(zhì)量、安全性、功能性能否滿(mǎn)足需求成為了高層化建筑發(fā)展中需要著重解決的問(wèn)題。但根據(jù)目前的高層建筑建設(shè)施工現(xiàn)狀來(lái)看，電氣設(shè)計(jì)仍然是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，電氣設(shè)計(jì)的科學(xué)性直接決定了人們的居住舒適性，因此需要在安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面進(jìn)行綜合性考量。在能源需求與日俱增的背景下，建筑行業(yè)作為能耗“大戶(hù)”，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展必須要通過(guò)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用來(lái)降低能耗、提高能源利用率、提高建筑環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，而電氣設(shè)計(jì)又是其中的關(guān)鍵，所以需要制定合理可行的電氣節(jié)能方案，將建筑整體的能耗水平控制在理想?yún)^(qū)間。對(duì)此本文便圍繞高層建筑電氣節(jié)能技術(shù)展開(kāi)論述，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、變壓裝置節(jié)能、電力照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)以及新型節(jié)能技術(shù)應(yīng)用等方向提出了有關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】建筑工程;高層建筑;電氣節(jié)能技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.086

緒論

目前，全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得能源短缺問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，雖然我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，但近些年的迅速發(fā)展也導(dǎo)致能源消耗和需求越來(lái)越高，能源短缺危機(jī)尤為突出。作為二次能源的一種，電能已經(jīng)成為了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展不可或缺的能源，如何降低電能使用損耗成為了一項(xiàng)值得研究的問(wèn)題，在高層建筑建設(shè)過(guò)程中，電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，以及電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用也是目前熱議的話(huà)題。對(duì)此需要在高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中遵循經(jīng)濟(jì)合理性、功能性、能耗節(jié)約性等原則，對(duì)建筑電氣系統(tǒng)各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做好節(jié)能、降耗、提效設(shè)計(jì)。

一、高層建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能優(yōu)化

在當(dāng)前以節(jié)能為主導(dǎo)的環(huán)境下，我國(guó)各個(gè)部門(mén)都在倡導(dǎo)環(huán)保，因此節(jié)能環(huán)保也是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的基礎(chǔ)。建筑、管理等方面在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上逐漸得到并開(kāi)始更加重視節(jié)能環(huán)保的考慮，但在電氣工程建設(shè)中仍有不少?gòu)臉I(yè)者模仿以往的經(jīng)驗(yàn)。他們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及其在節(jié)能建筑技術(shù)應(yīng)用中的作用還不完全了解。他們?cè)诠?jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的選擇過(guò)程中存在盲目性，沒(méi)有進(jìn)行全面的調(diào)研。這就意味著電氣建筑的設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的施工，因此在建筑電氣節(jié)能方面存在許多漏洞和問(wèn)題，使電氣系統(tǒng)不能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

為保證建筑電氣系統(tǒng)整體的節(jié)能效果，在設(shè)計(jì)方案中便需要為后續(xù)其他環(huán)節(jié)的節(jié)能設(shè)計(jì)做好鋪墊，對(duì)此設(shè)計(jì)單位需要在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能優(yōu)化中需要保證電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案經(jīng)優(yōu)化后能夠提高整體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和功能性等，做好現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，掌握電氣系統(tǒng)基本構(gòu)成（如圖1），與業(yè)主及施工方進(jìn)行溝通，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況綜合考量設(shè)計(jì)方案的可行性，分析方案是否達(dá)到建筑設(shè)計(jì)要求的功能性和電氣系統(tǒng)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。此外，高層建筑電氣系統(tǒng)的各種新型節(jié)能技術(shù)可以根據(jù)建筑電氣設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)狀來(lái)應(yīng)用，把控電氣節(jié)能設(shè)計(jì)各方面要點(diǎn)，保證經(jīng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

建筑電氣節(jié)能可以節(jié)約能源資源，但是不能為了達(dá)到節(jié)能的目的而影響建筑的特性和功能，也不能盲目增加投資，因此，為了節(jié)約能源而忽略建筑成本，建筑應(yīng)按照以下原則設(shè)計(jì)：

（1）適用性

建筑節(jié)能的實(shí)施，應(yīng)以實(shí)現(xiàn)建筑的使用功能，滿(mǎn)足人們的使用需求，例如保證建筑照明系統(tǒng)亮度和色溫，通道應(yīng)保持暢通，房間要舒適衛(wèi)生。在電氣工程節(jié)能設(shè)計(jì)中，首先要考慮建筑物的功能類(lèi)型，首先滿(mǎn)足建筑使用功能各種特性，根據(jù)實(shí)際使用需要，實(shí)施科學(xué)合理的節(jié)能設(shè)計(jì)，使電氣系統(tǒng)充分利用能源，滿(mǎn)足節(jié)能要求。

（2）實(shí)用性

節(jié)能要根據(jù)工程實(shí)際情況，充分考慮經(jīng)濟(jì)效益，不能因?yàn)楣?jié)能而過(guò)度增加消費(fèi)支出，而是要本著科學(xué)降低能耗的實(shí)用性原則，在實(shí)施節(jié)能的過(guò)程中，要對(duì)增加的節(jié)能成本進(jìn)行科學(xué)合理的估算，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，以最低的投入實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量，達(dá)到節(jié)能要求，有效控制生產(chǎn)成本。

（3）節(jié)能性

節(jié)約能源的關(guān)鍵是在保障經(jīng)濟(jì)的前提下，減少不必要的能源消耗，合理利用能源，提高能源利用效率。應(yīng)確定運(yùn)行中哪些設(shè)備的使用與實(shí)現(xiàn)建筑功能無(wú)關(guān)，然后采取有針對(duì)性的節(jié)能措施，如通過(guò)合理有效的節(jié)能設(shè)計(jì)，降低輸電線(xiàn)路的能量損耗;優(yōu)化電力負(fù)荷分配，減少能量損耗。

（4）技術(shù)性

采用先進(jìn)的電氣節(jié)能技術(shù)，如電梯驅(qū)動(dòng)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪相結(jié)合的技術(shù)，可以減少35%以上的能量損失，從而達(dá)到高能效和低運(yùn)行成本的目的。

（5）安全性

在建筑電氣節(jié)能中，既要滿(mǎn)足節(jié)能方面的要求，又要滿(mǎn)足建筑的安全要求，例如遵守電氣設(shè)計(jì)中的防火設(shè)計(jì)，并補(bǔ)充適當(dāng)?shù)姆阑鸫胧?，?yīng)優(yōu)化供電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)，以確保線(xiàn)路的安全性和穩(wěn)定性;加強(qiáng)防漏設(shè)計(jì)，確定合適的防漏參數(shù)，選擇合適的防漏措施。

綜上所述，電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從適用性、功能性、節(jié)能性、安全性等方面進(jìn)行考慮，以提高電能利用效率，節(jié)約能源。

二、變壓裝置節(jié)能技術(shù)

高層建筑電氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)變壓裝置的目的在于降低電氣系統(tǒng)的能量損耗，提高建筑電氣設(shè)備運(yùn)作效率等。但變壓裝置在運(yùn)作過(guò)程中本身也會(huì)存在損耗問(wèn)題，存在的損耗水平會(huì)受電氣系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)指數(shù)影響而不斷變化。所以在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)期間，需要重點(diǎn)關(guān)注變壓裝置的節(jié)能設(shè)計(jì)，針對(duì)變壓器的數(shù)量和運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備選型等進(jìn)行嚴(yán)格把控，結(jié)合高層建筑中的機(jī)電裝置電能損耗情況，以及投資成本高低、機(jī)電裝置運(yùn)行與運(yùn)維成本等合理選擇并配置變壓裝置。一般情況下多數(shù)高層建筑采用的變壓裝置只會(huì)在高層建筑電氣系統(tǒng)機(jī)電裝置中適用，也只有這樣才能確保電氣系統(tǒng)節(jié)能效果更加理想。變壓裝置的管理也是影響變壓節(jié)能效果的關(guān)鍵因素，合理的管理舉措可以提高電氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在電力用戶(hù)與變壓裝置間加裝變壓裝置聯(lián)絡(luò)控制系統(tǒng)，如果存在機(jī)電設(shè)備能耗波動(dòng)情況，該控制系統(tǒng)則可以實(shí)施動(dòng)態(tài)化監(jiān)控和調(diào)度，保證變壓器的電能損耗能夠處于標(biāo)準(zhǔn)水平。

三、電氣照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

在電器照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮照明系統(tǒng)的基本使用功能，傳統(tǒng)高層建筑照明系統(tǒng)的能耗水平非常高，也是整個(gè)建筑最主要的功能系統(tǒng)之一，而照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用需要側(cè)重于以下幾點(diǎn)：1）合理運(yùn)用陽(yáng)光。陽(yáng)光是最有效且無(wú)能耗的光源，太陽(yáng)光的科學(xué)利用能夠有效降低電氣能源消耗和成本水平，也提高了建筑整體的環(huán)保水平，提高建筑經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。高層建筑的內(nèi)部照明可以適當(dāng)調(diào)整窗戶(hù)面積，讓陽(yáng)光能夠更多地進(jìn)入建筑室內(nèi)，如設(shè)計(jì)天窗、光柵板等;2）合理配置照明燈具。燈具的選擇需要明確建筑的實(shí)際需求，陽(yáng)光能夠照射的地方可以選擇亮度稍低的燈具，從而配合陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)照明。在走廊或大廳等位置需要更亮的燈具，保證照明效果可以達(dá)到日常使用需求。在一些既需要較高亮度，又具有光色要求的特殊空間照明設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)場(chǎng)地的不同情況選擇2種或多種光源構(gòu)成的混光照明系統(tǒng)，高層建筑電氣照明系統(tǒng)中常見(jiàn)的幾種混光燈具參數(shù)如表1所示;3）優(yōu)先選擇氣體放電光源啟動(dòng)照明設(shè)備。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)數(shù)據(jù)能夠了解到，若熒光燈采用電感鎮(zhèn)流器，其運(yùn)行功耗通常就是熒光燈額定功率的20%上下，而高強(qiáng)度氣體放電燈的鎮(zhèn)流器功耗基本在額定功率的15%左右。電子鎮(zhèn)流器啟動(dòng)熒光燈的能耗還要更低，功耗也基本能減少到電感鎮(zhèn)流器自身能耗的60～70%之間，因此電子式啟動(dòng)照明設(shè)備的節(jié)能效果更加顯著。對(duì)此在氣體放電光源設(shè)計(jì)中，可以選擇電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能電流整流器來(lái)控制照明燈具的能耗水平[2]。

四、電梯系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

電梯系統(tǒng)也是高層建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵構(gòu)成，高層建筑居民對(duì)電梯的使用需求十分頻繁，這也使得電梯系統(tǒng)的能耗水平不可忽視，尤其是超高層建筑，電梯設(shè)備能耗水平還要進(jìn)一步提高。所以在電梯系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方面，需要重點(diǎn)從以下幾個(gè)方向考量：1）高層建筑電梯系統(tǒng)可以采用變頻調(diào)速控制方案，變頻調(diào)速控制更有利于電梯設(shè)備能耗的降低。以往電梯設(shè)備的自動(dòng)化控制程度較差，也沒(méi)有設(shè)計(jì)可靠的調(diào)速控制系統(tǒng)，這也導(dǎo)致電梯系統(tǒng)能源消耗一直居高不下。而變頻調(diào)速控制器的應(yīng)用則可以實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)作速度的動(dòng)態(tài)化控制，降低電梯系統(tǒng)能耗水平;2）結(jié)合電梯系統(tǒng)運(yùn)作狀況設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)容量，在改善電梯運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上控制能耗，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗的目標(biāo);3）控制系統(tǒng)及電梯位置的優(yōu)化，使得電梯的利用率能夠達(dá)到最大化，盡量避免電梯空載等情況，節(jié)約電梯能耗;4）應(yīng)用能量回饋技術(shù)，讓電梯正常運(yùn)作期間的電氣消耗更加穩(wěn)定平衡，降低配電變壓器損耗，實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)節(jié)能降耗的效果[3]。

五、高層建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)

1.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

冰蓄冷系統(tǒng)的應(yīng)用可以減少峰值冷負(fù)荷的能耗水平，在夜晚時(shí)，低區(qū)能源中心的蓄冰系統(tǒng)可以將冰保存在地下室的蓄冰槽，融冰過(guò)程可以為白天建筑室內(nèi)供冷。這一運(yùn)作模式可以降低白天峰電時(shí)間段中對(duì)電能的需求量，同時(shí)冰蓄冷系統(tǒng)也可以有效降低系統(tǒng)的運(yùn)作成本，對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)也起到了移峰填谷的作用。通過(guò)兩個(gè)能源中心來(lái)為整個(gè)高層建筑制冷，冰蓄冷系統(tǒng)針對(duì)低區(qū)服務(wù)，低區(qū)能源中心設(shè)計(jì)水冷離心式電制冷機(jī)，夜間谷電制冰，白天融冰配合吸收式制冷機(jī)為建筑低區(qū)供冷。利用高區(qū)冷卻塔及82冷凍機(jī)房構(gòu)成高區(qū)冷源中心，系統(tǒng)主要為一次泵與二次泵系統(tǒng)，高區(qū)冷源系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高區(qū)冷卻塔提供冷卻水，流向高區(qū)電動(dòng)離心式制冷機(jī)組，之后再利用二次循環(huán)泵供給高區(qū)不同建筑空間。

2.冷熱電聯(lián)產(chǎn)電氣節(jié)能技術(shù)

冷熱電聯(lián)產(chǎn)電氣節(jié)能技術(shù)（BCHP）是一種能源階梯綜合化利用技術(shù)，同時(shí)集結(jié)了制冷、供熱、發(fā)電三位一體的能量綜合分配系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的獨(dú)立送點(diǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能源利用率有著顯著提高。據(jù)了解，通常情況下大型發(fā)電廠(chǎng)能源利用率只有30～55%之間，若將用電及電能輸送線(xiàn)路的損率計(jì)算進(jìn)去，那么發(fā)電效率可能不足于50%。而B(niǎo)CHP技術(shù)的有效應(yīng)用則可以將能源綜合利用率提高至80～90%之間，并且三聯(lián)產(chǎn)工程能耗用戶(hù)一般距離不遠(yuǎn)，不會(huì)具有長(zhǎng)輸電帶來(lái)的損耗。在高層建筑BCHP三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，冷暖空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化不定，系統(tǒng)難以避免地會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)作等情況，所以在BCHP三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)增加蓄熱裝置、蒸汽回注技術(shù)等方法進(jìn)行優(yōu)化。BCHP冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)非常適合單棟建筑或小區(qū)的集中聯(lián)供工程，所以高層建筑電氣節(jié)能工程中，BCHP技術(shù)具有非常高的實(shí)用價(jià)值，經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高。

3.太陽(yáng)能電氣節(jié)能技術(shù)

當(dāng)前很多高層建筑已經(jīng)采用了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，節(jié)能效果也得到了有效提高，高層建筑中的光熱利用需要太陽(yáng)能集熱器在安裝、采光面積、遮擋物等具有一定要求，所以在太陽(yáng)能電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用中需要針對(duì)這些因素采取一定的一體化設(shè)計(jì)方法，使太陽(yáng)能即熱系統(tǒng)和建筑功能結(jié)構(gòu)能夠充分融合。結(jié)合高層建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，太陽(yáng)能熱水與采暖的光熱采集結(jié)構(gòu)可以安裝在建筑坡面，結(jié)合建筑屋面面積來(lái)解決部分熱水和供熱需求。

4.風(fēng)力發(fā)電節(jié)能技術(shù)

風(fēng)能與太陽(yáng)能都屬于綠色能源，目前已經(jīng)成為了建筑電氣節(jié)能技術(shù)研究中的全新課題。風(fēng)能的利用不僅有著無(wú)需輸送的便利性，同時(shí)風(fēng)力所生成的電力能源還可以直接作用于高層建筑，有著節(jié)能環(huán)保和可再生等優(yōu)點(diǎn)，或?qū)⒊蔀槌鞘泄?jié)能環(huán)保工程的新項(xiàng)目。此外建筑電氣節(jié)能新技術(shù)的運(yùn)用還可以根據(jù)實(shí)際情況，利用光風(fēng)互補(bǔ)供電設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)綠色能源的充分利用，太陽(yáng)能照明和風(fēng)光互補(bǔ)照明都是節(jié)能設(shè)計(jì)的有效舉措[4]。

結(jié)論：

城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)使得高層和超高層建筑成為了城市建設(shè)中的一大特色，但高層建筑的建設(shè)對(duì)設(shè)計(jì)和施工都有著更加嚴(yán)格的要求，高層建筑具有面積大、功能性復(fù)雜等特征，針對(duì)電氣設(shè)備節(jié)能來(lái)說(shuō)也有著非常高的要求，對(duì)此需要明確高層建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和能耗水平，合理運(yùn)用電氣節(jié)能技術(shù)，不斷探索研究更新的節(jié)能技術(shù)，為高層建筑節(jié)能發(fā)展提供充足的動(dòng)力。

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