高校建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)探討

北京科技大學(xué) 覃 亮

十三五規(guī)劃以來我國(guó)的綠色建筑取得較快發(fā)展，但在2021年我國(guó)政府提出“碳中和、碳達(dá)峰”的背景下節(jié)能減排形勢(shì)依然嚴(yán)峻。隨著我國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)體系的不斷完善，建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)作為綠色建筑設(shè)計(jì)中重要組成部分，提高建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)質(zhì)量可極大促進(jìn)未來建筑投入運(yùn)行使用后的節(jié)能降耗工作。高校擁有規(guī)模龐大和數(shù)量可觀的教學(xué)、科研、試驗(yàn)、圖書館等建筑，這些建筑的用電能耗往往在整個(gè)校園總用電量中占相當(dāng)大的比重。在高校踐行綠色發(fā)展理念，建設(shè)低碳環(huán)保的資源節(jié)約型校園，以及完成上級(jí)部門布置的節(jié)能減排約束性指標(biāo)的工作中，做好前期的建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)工作就顯得尤其重要。

1 建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的一般原則

要做好建筑節(jié)能設(shè)計(jì)工作，主要遵循三點(diǎn)原則：

滿足建筑使用功能的原則。建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)必須符合未來建筑用戶的實(shí)際使用需求，盡可能實(shí)現(xiàn)人、建筑與自然的和諧共生。比如照明設(shè)計(jì)要保證不降低視覺要求、不影響照明質(zhì)量的前提下，滿足不同照度、色溫和顯色指數(shù)要求，務(wù)求降低照明中光能的損失，從而更好地為廣大師生創(chuàng)造安全、舒適和健康的使用環(huán)境。

滿足投資效益的原則。從一定程度上來說，設(shè)計(jì)階段決定了建設(shè)規(guī)模和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，也就直接影響到整個(gè)工程項(xiàng)目的投資規(guī)模以及后期建筑使用成本。高校的工程建設(shè)項(xiàng)目屬于國(guó)家投資，投資規(guī)模和運(yùn)行成本受到嚴(yán)格管控，要從項(xiàng)目投資預(yù)算合理的角度出發(fā)，保持適度的投資規(guī)模，尤其是針對(duì)非必須增加的部分要避免投資，從而真正實(shí)現(xiàn)投資收益最大化，不能片面追求大而全。

節(jié)約運(yùn)行用電成本的原則。簡(jiǎn)而言之就是在綜合建筑全壽命周期的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件下，合理采用新技術(shù)節(jié)能型電氣設(shè)備，最大程度的降低建筑使用過程中的電能消耗，如采用節(jié)能型號(hào)的電力變壓器、水泵、風(fēng)機(jī)以及照明燈具等。

2 建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)措施

2.1 確定建筑照明照度及照明功率密度

照度標(biāo)準(zhǔn)值是指照明設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)參考平面需維持的平均照度，國(guó)家規(guī)范要求表面上的平均照度不能低于規(guī)定的數(shù)值。照明功率密度即LPD，其限值是指限定某一建筑部位的照明功率密度最大允許值，實(shí)際設(shè)計(jì)的LPD值不得超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，此規(guī)定是強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

照明照度、功率密度標(biāo)準(zhǔn)值接影響整個(gè)建筑照明節(jié)能效果，因此各建筑內(nèi)的房間或區(qū)域在滿足照度標(biāo)準(zhǔn)值的前提下，照明功率密度值不應(yīng)高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034規(guī)定的現(xiàn)行值。高等院校的情況可參考表1執(zhí)行，其中教室照度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的參考平面為課桌面、黑板，實(shí)驗(yàn)室照度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的參考平面為實(shí)驗(yàn)桌面，美術(shù)教室照度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的參考平面為桌面，多媒體教室、宿舍照度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的參考平面為0.75m水平面。

表1 高校建筑照明功率密度限值表

2.2 照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)分區(qū)根據(jù)建筑內(nèi)各部位的使用功能需求、不同季節(jié)、作息時(shí)間、自然采光等因素，通過合理的照明管理，用最經(jīng)濟(jì)的能耗來提供舒適的光照條件。其主要以節(jié)能控制模式為主，即以節(jié)約照明用電為目的，通過編寫控制程序或設(shè)置控制模塊來對(duì)照明設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制，通常采取區(qū)域遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)自動(dòng)控制、場(chǎng)景控制、定時(shí)控制和聯(lián)動(dòng)控制等控制方式。

走廊照明控制，可按預(yù)先編制的程序開關(guān)進(jìn)行控制并監(jiān)視其開關(guān)的狀態(tài)，如采光的走廊，白天可自動(dòng)切斷照明燈具電源，清晨、夜晚及上下班前后可接通其電源。辦公室及教室的照明也可預(yù)先設(shè)置若干作息的工作狀態(tài)，由時(shí)鐘管理器根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間自動(dòng)在各個(gè)狀態(tài)間進(jìn)行切換。樓梯間照明控制則可采用聲光控制。多功能會(huì)議廳宜采用環(huán)境照度控制模式，可預(yù)設(shè)多種燈光照明場(chǎng)景適應(yīng)不同場(chǎng)合的照明需求，由使用人員自主選擇，其照明控制可與試聽設(shè)備聯(lián)動(dòng)，當(dāng)播放投影時(shí)燈光可以自動(dòng)變暗，播放結(jié)束時(shí)自動(dòng)調(diào)回先前亮度，還可通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)拉伸窗簾充分利用日照補(bǔ)償。

2.3 確定分項(xiàng)電能計(jì)量裝置設(shè)置原則

只有通過對(duì)建筑物內(nèi)各類用電設(shè)備系統(tǒng)的回路進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)量和采集，才能為提升綜合能效管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。因此，照明、空調(diào)、動(dòng)力及特殊用電等耗能系統(tǒng)都應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)量裝置進(jìn)行計(jì)量，照明插座用電分為照明和插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電等；空調(diào)用電分為冷熱站用電、末端空調(diào)設(shè)備用電等；動(dòng)力用電分為電梯用電、水泵用電、通風(fēng)風(fēng)機(jī)用電等。

此外，北京市的國(guó)家機(jī)關(guān)建筑及大型公建的分項(xiàng)計(jì)量應(yīng)滿足《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樓宇分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)安裝技術(shù)導(dǎo)則》以及《公共機(jī)構(gòu)辦公建筑用電分類計(jì)量技術(shù)要求》DB11/T624等相關(guān)規(guī)定規(guī)定，以下用電回路需要設(shè)置分項(xiàng)電能計(jì)量表：電力變壓器低壓側(cè)的出線回路；需要單獨(dú)計(jì)量的外供電回路；特殊部位的供電回路；可再生能源發(fā)電回路；制冷機(jī)組主供電回路；單獨(dú)供電的冷熱源系統(tǒng)附泵回路；集中供電的分體空調(diào)回路；照明插座主回路；電梯回路。

采用的計(jì)量裝置最好選用多用戶集中式型號(hào)，利于后期統(tǒng)一管理和維護(hù)與檢修。數(shù)據(jù)通訊方式宜采用RS485專線方式，利用局域網(wǎng)絡(luò)，通過RS485網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和各類能耗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理，由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，購電可采用射頻卡方式，利用刷卡終端與讀寫器實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)用用電控制功能。計(jì)量裝置采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《民用建筑能耗數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T154中的有關(guān)規(guī)定。節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)則通過上述分項(xiàng)電能計(jì)量裝置，可實(shí)時(shí)采集耗能數(shù)據(jù)，并具有在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析功能。

2.4 節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)的功能配置

節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)就是利用能耗計(jì)量、通訊裝置以及分析管理軟件，提出個(gè)性化的節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升能效。節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)宜采用多用戶管理模塊架構(gòu)，即通過電能計(jì)量裝置對(duì)各個(gè)用戶電能能耗點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量和專門節(jié)能用電管理應(yīng)用。節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能：

2.4.1 數(shù)據(jù)采集與處理功能

計(jì)量模塊采用“多線程高速交互動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)”用戶用電量與用電參數(shù)，根據(jù)嵌入軟件自動(dòng)處理，系統(tǒng)自動(dòng)采集個(gè)用戶信息，通過上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理；安全用電管理功能。監(jiān)測(cè)瞬時(shí)接入設(shè)備綜合參數(shù)，識(shí)別限制惡性負(fù)載，限制惡性負(fù)載設(shè)備接入；遠(yuǎn)程控制功能。管理部門可查詢用電信息，可以設(shè)置剩余電量斷電提示或設(shè)置透支額度，如電費(fèi)少于設(shè)定值系統(tǒng)自動(dòng)控制欠費(fèi)用戶的電源，提高回收電費(fèi)效率。

2.4.2 雙回路或三回路控制功能

控制照明回路，另一路控制大功率用電設(shè)備(如空調(diào)、飲水機(jī)、洗衣機(jī)等)回路，定時(shí)抄表和階梯電價(jià)；防作弊功能。實(shí)現(xiàn)授權(quán)密碼操作，設(shè)有運(yùn)行日志，詳細(xì)記錄歷史操作記錄；記錄預(yù)付費(fèi)功能。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)或自主購電；系統(tǒng)運(yùn)行日志、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份以及打印等基本功能。節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)能為節(jié)能管理部門實(shí)現(xiàn)科學(xué)用電管理，提供準(zhǔn)確、可靠的電能計(jì)量數(shù)據(jù)和報(bào)表分析，完善電費(fèi)結(jié)算和量化控制，安全監(jiān)控和實(shí)施效果評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)管理提效，從而達(dá)到降低運(yùn)行成本、節(jié)約電能及安全用電的目的。

2.5 電梯節(jié)能控制措施

電梯作為建筑物中使用頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的大型特種設(shè)備，屬于動(dòng)力系統(tǒng)中電能消耗較大的機(jī)電設(shè)備，高等院校作為人員密集場(chǎng)所，保有數(shù)量較為可觀的電梯，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，建筑物中電梯的電能消耗占到建筑總用耗電量得的25%[1]。因此采用新的電梯節(jié)能技術(shù)也是建筑電氣節(jié)能的重要途徑之一，它可以有效降低后期電梯運(yùn)行成本，對(duì)于高校節(jié)約電能消耗產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

在電梯節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，必須通過人流平衡計(jì)算以及考慮使用需求，確定電梯臺(tái)數(shù)、載客量、速度等指標(biāo)。宜采用變頻調(diào)速拖動(dòng)方式或能量再生回饋技術(shù)，可將原本通過能耗電阻消耗的再生綠色電能無污染回饋到電網(wǎng)。利用能量回饋技術(shù)，可將回收能量大致占電梯用電能耗比例為25%~35%。3臺(tái)及以上電梯集中設(shè)置時(shí)應(yīng)具備群控功能，可根據(jù)不同時(shí)段使用需求，智能化的提供派梯方案，極大減少用戶候梯時(shí)間和乘梯時(shí)間，通過減少電梯無效運(yùn)行，降低整個(gè)建筑物的電梯運(yùn)行能耗。還應(yīng)采用轎廂無人自動(dòng)關(guān)燈技術(shù)、驅(qū)動(dòng)器休眠技術(shù)等節(jié)能控制措施，提高電梯的節(jié)能效率。此外可以采用具有永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無齒輪曳引機(jī)技術(shù)的電梯型號(hào)，與傳統(tǒng)有齒輪曳引機(jī)相比，其節(jié)能比例最高可以達(dá)到20%[2]。

2.6 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及合理選用節(jié)能型電氣設(shè)備

配電系統(tǒng)應(yīng)在滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)合理性的基礎(chǔ)上，提高運(yùn)行效率，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算確定變壓器容量與數(shù)量，同時(shí)避免變壓器在低負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。在建設(shè)大型新校區(qū)時(shí)，確定總變配電室變壓器容量指標(biāo)，可按如下標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：普通高等院校（理工類）30~60W/m2，辦公樓和教室安裝空調(diào)的用電指標(biāo)增加25~35W/m2。10kV及其以下電力電纜截面應(yīng)當(dāng)按照《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50217的有關(guān)要求，并需要綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)電流計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其時(shí)長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷須采用經(jīng)濟(jì)電流選擇電纜截面，可以降低使用電力成本。

配電系統(tǒng)還應(yīng)滿足工程對(duì)用電質(zhì)量的要求，需要綜合考慮電壓偏移、電壓波動(dòng)、閃變、頻率偏差、諧波等因素，高校中特別是理工科院校，一般都有金工實(shí)習(xí)廠房或者大型的試驗(yàn)設(shè)備，因此有必要配置濾波及補(bǔ)償裝置，要求補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于0.95，對(duì)于諧波較大的單獨(dú)設(shè)備或設(shè)備組，可就地加裝交流濾波裝置；低壓配電系統(tǒng)宜選擇放射式和樹干式相結(jié)合配電方式；不同用電設(shè)備的低壓配電出線的設(shè)計(jì)應(yīng)合理，單相用電設(shè)備配置時(shí)需要達(dá)到三相符合平衡，還必須考慮線路的電壓損失，一般情況下低壓線路供電半徑不應(yīng)超過250米。

根據(jù)國(guó)家《節(jié)約能源法》的規(guī)定，要求政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位使用節(jié)能設(shè)備。三相配電變壓器的設(shè)計(jì)選型應(yīng)滿足《三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》GB20052-2013的節(jié)能評(píng)價(jià)要求，空載損耗和負(fù)載損耗均不應(yīng)高于能效等級(jí)2級(jí)，可以選擇如D,yn11接線組別的SCB13、SCB15型變壓器，投資規(guī)模可控的可以采用非晶合金鐵芯型低損耗變壓器；水泵、風(fēng)機(jī)等低壓交流電動(dòng)機(jī)設(shè)備及其他電氣裝置滿足《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》GB18613、《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》GB19761、《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》GB19762的節(jié)能評(píng)價(jià)值。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)照明光源相比，節(jié)能光源可以節(jié)電比例為35%。因此照明燈具宜選用節(jié)能型LED燈具，其具有光效高、能耗低、響應(yīng)速度快、啟輝時(shí)間短（納秒級(jí)）、可調(diào)光、易于與計(jì)算機(jī)接口匹配；使用壽命長(zhǎng)、可達(dá)到25000小時(shí)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光源的使用壽命；直流供電且電壓低，使用過程中不易造成觸電事故，安全性較高；無頻閃效應(yīng)，尤其有利于保護(hù)人的視力等優(yōu)點(diǎn)[3]。在不對(duì)炫光、色溫漂移有過高要求場(chǎng)所，應(yīng)當(dāng)普及安裝LED節(jié)能燈具。

3 結(jié)語

本文根據(jù)作者在北京地區(qū)的高?；ńㄔO(shè)經(jīng)驗(yàn)，著重從照明照度及照明功率密度值的確定、照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分項(xiàng)電能計(jì)量裝置設(shè)置的確定原則、節(jié)能計(jì)量管理系統(tǒng)的配置、電梯節(jié)能控制措施、電力配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及合理選用節(jié)能型電氣設(shè)備等六方面，分析闡述建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，可為高?；ńㄔO(shè)、尤其是新校區(qū)建筑電氣節(jié)能的頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。