電氣節(jié)能設(shè)計(jì)在民用建筑中的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)措施

周發(fā)斌

陜西方圓工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710065

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗過大與環(huán)境污染嚴(yán)重成為當(dāng)今時代炙手可熱的社會性話題。電力作為二次能源，需求量大而又供應(yīng)緊缺。在積極倡導(dǎo)節(jié)能減排、發(fā)展低碳綠色經(jīng)濟(jì)的今天，如何節(jié)省電能、降低損耗，把節(jié)能理念和措施貫穿于整個電氣設(shè)計(jì)過程中，顯得尤為重要。本文結(jié)合自身多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就電氣節(jié)能設(shè)計(jì)在民用建建中的應(yīng)用提出相應(yīng)的技術(shù)措施。

1 電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的基本原則

建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)立足于實(shí)用的目的為出發(fā)點(diǎn)，不能以犧牲建筑功能和損害需求為代價(jià)，也不能盲目增加投資為節(jié)能而節(jié)能。建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：首先，應(yīng)滿足建筑物的功能性要求。在實(shí)現(xiàn)建筑物的多樣化功能前提下，采取可行的節(jié)能措施。其次，要將經(jīng)濟(jì)效益與工程投資相結(jié)合。不能因?yàn)樽非蠊?jié)能而過高地增加工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，而是要經(jīng)過比較分析，合理地選擇節(jié)能設(shè)備。將用于節(jié)能增加的投資成本，由節(jié)省的能耗費(fèi)用在一定的周期內(nèi)予以回收添補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。最后，節(jié)能要著眼于減少不必要的能源消耗。設(shè)計(jì)時首先要找出與發(fā)揮建筑功能無關(guān)的能耗，再考慮采取何種措施節(jié)能。如變壓器的功率損耗、供電線路上功率損耗、大面積的照明用電、動力及空調(diào)設(shè)備用電，都是可以通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)優(yōu)化用電和減少電能損耗[1]。

2 供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 變電所應(yīng)深入或靠近負(fù)荷中心、接近大型用電設(shè)備

變電所所址的確定，既要考慮市政高壓的進(jìn)線接口方位，又要考慮項(xiàng)目的整體規(guī)模、負(fù)荷分布情況以及負(fù)荷容量大小，滿足高低壓進(jìn)出線方便，接近負(fù)荷中心的要求。對于規(guī)模較大的項(xiàng)目，可按供電半徑不超過250m的原則，分區(qū)設(shè)置多個分變電所，盡可能地縮短供電半徑，既滿足線路電壓損失和開關(guān)短路靈敏度校驗(yàn)要求，又能減少線路上電能損耗和電線電纜的成本投資。

一類高層建筑，變電所至其供電最遠(yuǎn)的樓棟配電間或電井的供電距離宜按不超過100~150m；二類高層建筑，變電所至其供電最遠(yuǎn)的樓棟配電間或電井的供電距離宜按不超過150~200m；多層建筑，變電所至其供電最遠(yuǎn)的樓棟配電間或電井的供電距離宜按不超過200m。對于有大型用電設(shè)備的公共建筑，如大功率制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵，可考慮在設(shè)備用房附近設(shè)置制冷機(jī)房專用變電所或變壓器。對于業(yè)態(tài)復(fù)雜的大型公共建筑，尚需根據(jù)管理和運(yùn)行要求，分別設(shè)置多個分變電所。

2.2 變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)

2.2.1 變壓器容量指標(biāo)。變壓器負(fù)荷計(jì)算時，要正確統(tǒng)計(jì)各類用電負(fù)荷的設(shè)備功率、功率因數(shù)，計(jì)算系數(shù)應(yīng)取值合理，變壓器容量選型應(yīng)在滿足安全可靠運(yùn)行的前提條件下，可適度考慮預(yù)留部分遠(yuǎn)景容量。

對于變壓器的容量指標(biāo)，《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019（以下簡稱民標(biāo)）第24.1.4條及表1對部分類型的新建建筑做出了相應(yīng)規(guī)定，作為衡量電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)該表對變壓器容量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，以判斷是否滿足節(jié)能要求。

表1 變壓器容量指標(biāo)

2.2.2 變壓器型號選擇。民用建筑中多采用三相干式變壓器，應(yīng)選用低損耗、低噪聲節(jié)能型變壓器，且應(yīng)滿足國標(biāo)《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》GB20052-2013中的節(jié)能評價(jià)值要求，干式變壓器空載損耗和負(fù)載損耗值均不應(yīng)高于2級能效的限定值。變壓器宜選用三相環(huán)氧樹脂澆注式干式變壓器SCB12型及以上的規(guī)格；有條件時，可選用非晶合金鐵芯干式變壓器。

非晶合金鐵芯干式變壓器具有非晶合金材料低損耗的特點(diǎn)，同時具有環(huán)氧澆注干式變壓器在高絕緣和機(jī)械強(qiáng)度等諸多方面的技術(shù)優(yōu)勢，可使變壓器空載損耗降低60%~80%，是新型的低損耗節(jié)能配電變壓器，具有廣闊的節(jié)能應(yīng)用前景。

2.2.3 變壓器臺數(shù)及運(yùn)行方式。變壓器低壓側(cè)電壓為0.4kV時，單臺變壓器不宜大于2000kVA，當(dāng)僅有一臺時，不宜大于1250kVA。當(dāng)有一、二級負(fù)荷時，變電所宜裝兩臺及以上變壓器，當(dāng)一臺變壓器停運(yùn)時，其余變壓器容量應(yīng)滿足一級和二級負(fù)荷用電要求。

通常，變電所內(nèi)設(shè)有多臺變壓器時，可在兩臺容量相等的變壓器之間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，平時變壓器分列運(yùn)行且可互為備用。既能在任一臺變壓器故障或檢修時，由另一臺變壓器為一二級負(fù)荷供電，也可在變壓器中有季節(jié)性負(fù)荷或階段性負(fù)載率過低時，將其中一臺變壓器退出運(yùn)行，由另一臺變壓器保障供電。這種供電方式即為常見的“N-1”冗余供電準(zhǔn)則，也是國內(nèi)的主流做法，不但能提高供電可靠性，也能有效地降低變壓器的電能損耗。

選擇負(fù)載率適宜的變壓器，變壓器最佳經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行的負(fù)載率一般在75%~85%之間；優(yōu)化變壓器的運(yùn)行方式，對負(fù)荷進(jìn)行合理分配，選擇與電力負(fù)荷相適應(yīng)的變壓器，使其工作在高效低耗區(qū)。

2.2.4 低壓無功補(bǔ)償。對變壓器低壓側(cè)設(shè)置動態(tài)無功自動補(bǔ)償裝置，保證高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.9（具體以當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求為準(zhǔn)）。

2.3 電氣設(shè)備用房及管井位置合理布置

要盡量地將各單體建筑的配電間（分配電室）、強(qiáng)電豎井或地下建筑的防火分區(qū)配電間設(shè)置于負(fù)荷中心且靠近變電所側(cè)的位置，這樣既能有效縮短供電線路的長度，減少資源浪費(fèi)，也可有效降低供電線路上的電能損耗[2]。

3 電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)

嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013、《民標(biāo)》GB51348，電氣照明設(shè)計(jì)要滿足照度、照度均勻度、顯色指數(shù)、眩光、色溫、照明功率密度值（LPD）等方面的要求。設(shè)計(jì)的照明功率密度值不得超過照明功率密度限值的目標(biāo)值。

針對不同的場所選用與之相匹配的照明光源和燈具，合理選擇照度值，對于有特殊要求或局部照度要求高的場所，采用一般照明與局部照明相結(jié)合的混合照明方式，也是有效節(jié)約電能的一項(xiàng)重要措施。

優(yōu)先考慮利用天然光，天然光是取之不盡、用之不竭的綠色環(huán)保型潔凈能源。要盡量考慮將天然光與人工照明相結(jié)合，將天然光引入到建筑內(nèi)部。除了傳統(tǒng)做法引入自然光之外，如建筑開窗、設(shè)置玻璃幕墻或窗、玻璃門或玻璃墻體隔斷等。有條件時，盡可能利用各種導(dǎo)光和反光裝置將天然光引入室內(nèi)進(jìn)行照明。目前，較常見的采光設(shè)備系統(tǒng)有導(dǎo)光管采光系統(tǒng)和光纖采光系統(tǒng)2種方式。它們都具有零能耗、高效便捷、安全性高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種場合，如大型體育場館、辦公樓、住宅、商場、旅館、白天陰暗的房間或地下室、地下車庫等建筑中。

建筑照明應(yīng)選用高光效光源、高效燈具和節(jié)能器材，宜優(yōu)先選用LED燈。走道、樓梯間、衛(wèi)生間、變電所、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、配電間、電梯機(jī)房、空調(diào)機(jī)房、風(fēng)機(jī)房、水泵房、換熱站、地下車庫等無人長期逗留的場所選用三基色直管熒光燈、單端熒光燈或LED燈。重點(diǎn)照明、夜景照明、商業(yè)和娛樂場所的裝飾照明可采用LED燈。高大空間、有頻繁開燈要求和需要調(diào)光的室內(nèi)場所，宜優(yōu)先采用發(fā)光二極管LED作為主要照明光源。辦公室、臥室、營業(yè)廳等長期有人逗留的場所，可選用色溫不高于4000K的LED燈。一般性場所，限制使用白熾燈和熒光高壓汞燈。

燈具的鎮(zhèn)流器應(yīng)選用電子型鎮(zhèn)流器或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。氣體放電燈采用單燈就地?zé)o功補(bǔ)償方式，補(bǔ)償后功率因數(shù)不得低于0.9。

選擇合理的照明控制方式，常用的控制方式主要有：翹板開關(guān)手動控制、節(jié)能自熄式感應(yīng)開關(guān)控制、定時器控制、智能照明模塊控制等。根據(jù)使用要求的不同，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)或分組控制，自動或手動控制，就地或集中控制。其中，智能照明模塊可根據(jù)管理要求對多個回路進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)不同功能分區(qū)照明燈具的自動開啟/關(guān)閉、自動調(diào)光或降低照度、場景變換等功能，并可采用總線技術(shù)將分散的多個智能照明模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，由后臺主機(jī)統(tǒng)一管理監(jiān)控，具有高效便捷的，是較為先進(jìn)的照明控制方式。常用的總線技術(shù)包括如RS485總線、i-BUS總線、CAN BUS總線、KNX BUS總線、二總線等。

走道、樓梯間、電梯廳可采用光控加雷達(dá)感應(yīng)或紅外感應(yīng)式燈具，也可采用聲光控感應(yīng)式燈具，或者采用智能照明模塊控制燈具。通常，新建大型公共建筑內(nèi)多采用智能照明模塊控制的方式，如走道、大廳、會議室、辦公室、影院、多功能報(bào)告廳、大型展覽館、博物館等場所。旅館客房設(shè)置節(jié)電控制型總開關(guān)。對無特殊要求的一般性功能房間，可采用翹板開關(guān)控制燈具[3]。

地下車庫照明燈具可采用智能照明模塊控制或自帶感應(yīng)控制裝置式燈具，對車道和車位照明進(jìn)行分別控制。其中，自帶感應(yīng)控制裝置式燈具分為雷達(dá)感應(yīng)和紅外感應(yīng)，車道區(qū)域采用雷達(dá)感應(yīng)，車位區(qū)域采用紅外感應(yīng)。

室外照明采用光控加定時器自動控制，對不同區(qū)域進(jìn)行分區(qū)、分時段開關(guān)控制。

4 動力設(shè)備節(jié)能

選用額定輸出效率不低于2級能效的電動機(jī)，采用變頻水泵、變頻電梯、變頻空調(diào)等。選用大型中央空調(diào)集中制冷時，采用變頻式冷水機(jī)組，冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、組合式空調(diào)機(jī)組采用變頻器控制。

多臺電梯集中設(shè)置時，采用群控控制器（群控調(diào)度主機(jī)）對電梯集中調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)電梯群控。在乘梯人員低谷期停止閑置電梯，電梯進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行模式。

自動扶梯在空載時，由電梯控制器發(fā)出指令使電梯暫?；虻退龠\(yùn)行。

地下車庫設(shè)置CO監(jiān)測系統(tǒng)，并聯(lián)動控制車庫排風(fēng)機(jī)。

大型用電設(shè)備、大型可控硅調(diào)光設(shè)備、電動機(jī)變頻調(diào)速控制裝置等諧波源較大設(shè)備，就地設(shè)置諧波抑制裝置或在變壓器低壓出線側(cè)設(shè)置有源濾波柜[4]。

5 建筑設(shè)備監(jiān)控及能耗監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

大型公共建筑設(shè)置建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。將冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯和自動扶梯系統(tǒng)納入統(tǒng)一的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS），由后臺主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。由BAS系統(tǒng)對各類設(shè)備運(yùn)行和建筑能耗進(jìn)行監(jiān)測和控制。

公共建筑按照明插座、空調(diào)、電力、特殊用電分項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測與計(jì)量，按照功能區(qū)域設(shè)置電能監(jiān)測和計(jì)量裝置。設(shè)有能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建筑應(yīng)將建筑物給水、電力、燃?xì)獾认{入能耗監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、分析，統(tǒng)一管理。

居民建筑按照居民用電、公共照明用電、公共動力用電、物業(yè)用電、商業(yè)用電等分項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測與計(jì)量。

6 新能源的開發(fā)利用設(shè)計(jì)

我國地域遼闊，太陽能資源非常豐富，開發(fā)利用潛力較大，太陽能利用具有得天獨(dú)厚的地域優(yōu)勢，且潔凈零能耗。在一些太陽光輻射強(qiáng)度好，日照時間較長的地區(qū)，可以考慮在空曠的屋面、場地建設(shè)建筑一體化光伏發(fā)電系統(tǒng)。通常，輸出電壓交流220/380V，裝機(jī)容量300kW及以下的系統(tǒng)，可采用低壓并網(wǎng)或獨(dú)立光伏系統(tǒng)；300kW~6MW較大容量的系統(tǒng)，可采用10kV接入公網(wǎng)系統(tǒng)。并網(wǎng)可采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”或者“全額上網(wǎng)”的模式，既可在用電高峰期分擔(dān)公網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，減少公網(wǎng)的建設(shè)投資，又可減少二氧化碳的排放，并將用戶側(cè)的光伏電能返送給電網(wǎng)，光伏建設(shè)單位也可獲得出售光伏電能的收益，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)保護(hù)價(jià)值。

7 結(jié)束語

建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用，是促進(jìn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的重要舉措，要在科技大力發(fā)展的助力下，不斷地開辟多種途徑，提高電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的質(zhì)量水平，推進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。