建筑電氣照明節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 童 何紀楊

（浙江省建科建筑設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

能源問題與環(huán)境問題息息相關(guān)，能源短缺是我國國民經(jīng)濟面臨的重大問題，因此節(jié)能技術(shù)的研究在整個科學(xué)領(lǐng)域都占據(jù)十分重要的位置[1]。在建筑工程使用階段，電氣照明系統(tǒng)的能源消耗在整個建筑能耗中也占據(jù)了非常重的比例，降低建筑工程電氣照明系統(tǒng)的能源消耗，提高能源的利用率是緩解能源短缺問題的首要任務(wù)，也是建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展和能源可持續(xù)發(fā)展的必然要求[2]。該文結(jié)合實際工程，提出建筑電氣照明系統(tǒng)的節(jié)能手段，并對比采取節(jié)能措施后的能源消耗量，為大量建筑工程電氣照明節(jié)能設(shè)計提供參考。

1 工程概況

為了更好地進行高層建筑運營過程中電氣照明系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)深入研究，該文將浙江省杭州市某智能小區(qū)高層建筑作為研究對象，4 棟高層建筑為小區(qū)二期新建工程居民住宅樓和商用辦公樓，建筑面積約為43208.8m2，地上建筑23 層～32 層。高層居民住宅建筑規(guī)模以及對應(yīng)的功能用途見表1。

表1 浙江省杭州市某智能小區(qū)高層建筑規(guī)模及功能

2 建筑電氣照明節(jié)能技術(shù)研究

建筑電氣照明系統(tǒng)主要采取3 個最主要的節(jié)能途徑，分別是降低照明功率密度LPD、提高照明利用率和優(yōu)化照明配電系統(tǒng)。

2.1 降低照明功率密度LPD

照明功率密度是表征建筑照明系統(tǒng)節(jié)能程度的唯一指標(biāo)，它與燈具的效率、照度等因素相關(guān)，其計算方法如公式（1）所示[3-4]。

式中：LPD為照明功率密度；K1為燈具利用系數(shù)；K2為燈具減光系數(shù)；η1為燈具效率；η2為燈具和鎮(zhèn)流器的平均光效。

降低照明功率密度的主要途徑是選擇優(yōu)質(zhì)光源、高效率的節(jié)能燈具以及節(jié)能型的鎮(zhèn)流器等。在常用的民用建筑光源使用中，白熾燈發(fā)光效率為7lm/W～25lm/W，使用壽命為1000h～2000h；熒光燈的發(fā)光效率為60lm/W～100lm/W，使用壽命為8000h～15000h；緊湊型熒光燈的發(fā)光效率為40lm/W～85lm/W，使用壽命為5000h～10000h；LED 的發(fā)光效率為50lm/W～130lm/W，使用壽命為15000h～50000h。在20000h 內(nèi)將亮度相當(dāng)?shù)陌谉霟簦?5W）、緊湊型熒光燈（5W）和白光LED 燈（3W）進行對比，25W 白熾燈單個燈泡平均壽命1500h，耗電量約500kW·h；5W 緊湊型熒光燈單個燈泡平均壽命6000h，耗電量約110kW·h；3W 白光LED 燈單個燈泡平均壽命20000h，耗電量約60kW·h。對比可知，選擇白光LED 燈具有較好的節(jié)能優(yōu)勢和較長的使用周期，因此在節(jié)能設(shè)計中優(yōu)先選用。

現(xiàn)有的鎮(zhèn)流器主要分為電感型鎮(zhèn)流器和電子型鎮(zhèn)流器。其中，電感型鎮(zhèn)流器的工作頻率為低頻（50Hz），功率因數(shù)約0.5，適用于AC120V 電壓或AC220V 電壓，存在頻閃和噪聲，諧波含量小于10%，無保護裝置。而電子型鎮(zhèn)流器的工作頻譜為高頻，功率因數(shù)大于0.9，適用電壓范圍為AC120V～AC277V，無頻閃和噪聲，諧波含量小于30%，存在多項異常保護功能。對比電感型鎮(zhèn)流器和電子型鎮(zhèn)流器可知電子鎮(zhèn)流器具有高效節(jié)能、舒適安全的優(yōu)點，功耗較小，科比電感型電流器節(jié)能約20%～50%，工作中無頻閃和噪聲，能夠提供安靜的照明環(huán)境，因此在節(jié)能設(shè)計中優(yōu)先選用電子型鎮(zhèn)流器。

2.2 提高照明利用率

提高照明利用率主要通過減少有效照明時間并降低非有效照明時間的額定功率來實現(xiàn)。通過充分利用自然光資源來降低有效照明時間。一般而言，在建筑設(shè)計中，自然光資源的利用主要取決于采光窗，采光窗的布置形式分為天窗和側(cè)墻窗，不同布置形式的采光量和采光的分布也有所不同。天窗采光可以取得較為均勻的光照，可以將自然光直接引入室內(nèi)，但這種采光形式對低矮建筑和公共建筑比較適用，對多層建筑、高層建筑和超高層建筑而言則會受到限制。側(cè)墻窗采光分為單側(cè)采光和多側(cè)采光，一般隨著窗間距的增加，光照的照度也積極下降，在節(jié)能設(shè)計時可采取多側(cè)開窗的形式，以達到利用自然光的目的。

2.3 優(yōu)化照明配電系統(tǒng)

優(yōu)化照明配電系統(tǒng)主要通過降低電力傳輸中產(chǎn)生的功率損耗來實現(xiàn)。有功功率的損耗計算方法如公式（2）所示[5]。

式中：P為線路的有功功率損耗，kW；I為輸電網(wǎng)的電流，A；R為輸電網(wǎng)導(dǎo)線電阻，Ω。

由此可知，降低輸電網(wǎng)的電力和導(dǎo)線的電阻均可取得較好的有功功率損耗降低效果，可以通過合理布設(shè)配電線路、提高系統(tǒng)功率因數(shù)、限制系統(tǒng)諧波污染等方法進行操作。在輸電網(wǎng)導(dǎo)向中，優(yōu)先采取銅芯導(dǎo)線，機械輕度大且其電阻率為鋁材的1/3，發(fā)熱量更低。敷設(shè)導(dǎo)線時，優(yōu)化安裝路徑，盡量走直線，以減少供電線路和線路損耗，條件允許時將電源設(shè)置在負荷中心。

3 建筑電氣照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果

為了評價建筑電氣照明節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果，采用線路降損率、諧波電流值和建筑能耗3 個指標(biāo)進行分析。其中線路降損率、補償電容和諧波電流值的計算方法如公式（3）～公式（5）所示[6-8]。

式中：K為節(jié)能補償后的線路降損率，%；φ1為補償前功率因數(shù)；φ2為補償后功率因數(shù)；C為補償電容，μF；m為燈具鎮(zhèn)流器功率，W；f為供電電源的工作頻率，Hz；U為供電電源工作電壓，V；I1為基波電流，A；I2為諧波電流值，A；θi為電流畸變率，%。

建筑電氣照明節(jié)能前后補償電容和線路降損率計算結(jié)果如表2 和圖1 所示。從圖1 可以看出，在采用節(jié)能技術(shù)前，建筑電氣照明系統(tǒng)的補償前功率因數(shù)變化為0.36～0.48，標(biāo)準差為0.0368。采用節(jié)能技術(shù)后，建筑電氣照明系統(tǒng)的補償后功率因數(shù)變化為0.89～0.97，標(biāo)準差為0.0271。計算得到的補充電容曲線呈現(xiàn)不同程度的波動，其變化范圍為7.37～8.79，標(biāo)準差為0.4731。采用節(jié)能補償技術(shù)后，建筑電力照明系統(tǒng)的線路降損率有大幅度降低，降損率變化為75.97%～91.70%，標(biāo)準差為4.746。由此表明，所確定的節(jié)能技術(shù)措施有效降低了電氣照明系統(tǒng)的線路損耗率，提高了用電質(zhì)量，保證了供電質(zhì)量和節(jié)能效益。

表2 建筑電氣照明節(jié)能后補償電容及線路降損率計算結(jié)果

圖1 建筑電氣照明節(jié)能后補償電容及線路降損率變化曲線

建筑電氣照明節(jié)能前后電流畸變率和諧波電流值計算結(jié)果如表3 和圖2 所示。從圖2 可以看出，采用節(jié)能技術(shù)前，建筑電氣照明系統(tǒng)的電流畸變率呈現(xiàn)劇烈的波動，其變化為20.84%～34.07%，標(biāo)準差為4.0292。采用節(jié)能技術(shù)后，建筑電氣照明系統(tǒng)的電流畸變率得到明顯改善，其變化幅度較平緩，變化為15.21%～21.55%，標(biāo)準差為1.8510。對比采用節(jié)能技術(shù)前后的建筑電氣照明系統(tǒng)的電流畸變率可發(fā)現(xiàn)，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后電流畸變率有大幅度降低，降低幅度達到0.37%～47.37%。采用節(jié)能技術(shù)前，建筑電氣照明系統(tǒng)的諧波電流值呈現(xiàn)一定程度的波動，其變化為71.74A～89.81A，標(biāo)準差為6.1462。采用節(jié)能技術(shù)后，建筑電氣照明系統(tǒng)的諧波電流值得到明顯改善，其變化為30.99A～56.23A，標(biāo)準差為6.2139。對比采用節(jié)能技術(shù)前后的建筑電氣照明系統(tǒng)的諧波電流值容易發(fā)現(xiàn)，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后諧波電流值有大幅度降低，降低幅度達到24%～61%。由此表明，采用節(jié)能技術(shù)之后，建筑電氣照明系統(tǒng)中的諧波電流得到了良好的治理，降低了線路發(fā)生故障的概率，提高了電網(wǎng)的傳輸效率和電能的利用率。

圖2 建筑電氣照明節(jié)能前后諧波電流畸變率和諧波電流曲線對比

表3 建筑電氣照明節(jié)能前后諧波電流值對比

建筑電氣照明節(jié)能前后建筑節(jié)能監(jiān)測結(jié)果如表4 和圖3 所示。從圖3 可以看出，采用節(jié)能技術(shù)前，隨著時間的增加，建筑電氣照明系統(tǒng)的能耗曲線呈現(xiàn)劇烈的波動，呈現(xiàn)多峰值的特征，建筑能耗變化為3.48kW～380.92kW，標(biāo)準差為74.965。采用節(jié)能技術(shù)后，建筑電氣照明系統(tǒng)的能耗曲線波動幅度明顯降低，能耗變化范圍為3.36kW～215.84kW，標(biāo)準差為26.8971，降低幅度達到31.04%～75.43%。由此表明，該文所采用的建筑節(jié)能措施達到了良好的節(jié)能效果。

表4 建筑電氣照明節(jié)能前后的能耗測試結(jié)果

圖3 建筑電氣照明節(jié)能前后的能耗曲線對比

4 結(jié)論

該文以浙江省杭州市某智能小區(qū)高層建筑為研究對象，分析了3 個主要的建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能途徑，分別是降低照明功率密度LPD、提高照明利用率和優(yōu)化照明配電系統(tǒng)，并對比節(jié)能前后的線路降損率、諧波電流和建筑能耗，得出以下結(jié)論：1）采用節(jié)能技術(shù)后，補充電容曲線呈現(xiàn)不同程度的波動，其變化為7.37～8.79，建筑電力照明系統(tǒng)的線路降損率大幅度降低，降損率變化為75.97%～91.70%。由此表明，該文所確定的節(jié)能技術(shù)措施有效降低了電氣照明系統(tǒng)的線路損耗率，提高了用電質(zhì)量，保證了供電質(zhì)量和節(jié)能效益。2）節(jié)能技術(shù)應(yīng)用后諧波電流值有大幅度降低，降低幅度達到24%～61%。由此表明，采用節(jié)能技術(shù)后，降低了線路發(fā)生故障的概率，提高了電網(wǎng)的傳輸效率和電能的利用率。3）采用節(jié)能技術(shù)后，建筑電氣照明系統(tǒng)的能耗曲線波動幅度明顯降低，能耗變化為3.36kW～215.84kW，降低幅度達到31.04%～75.43%。由此表明，該文所采用的建筑節(jié)能措施達到了良好的節(jié)能效果。