建筑電氣節(jié)能及照明節(jié)能設(shè)計(jì)研究

李金會(huì)

（天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，天津 300110）

1 建筑電氣節(jié)能概述

在確保電氣裝置和控制系統(tǒng)工作正常的基礎(chǔ)上，建筑電氣和照明節(jié)約兼顧資源消耗和整體經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)采取合理保護(hù)措施，可以有效降低能源消耗，對(duì)現(xiàn)有能量消耗問(wèn)題加以解決。在現(xiàn)代建筑物中，電氣控制系統(tǒng)一直占據(jù)著重要位置，在其構(gòu)件中發(fā)揮著無(wú)法取代的關(guān)鍵作用。而且，在人們?nèi)粘Ｉ钪?，電氣已變成一個(gè)不能缺少的重要元件。因此，在開(kāi)展具體建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，要重視建筑設(shè)計(jì)中電氣節(jié)能設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展，必須區(qū)分照明和電氣兩大因素，通過(guò)合理規(guī)劃建筑節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)容，提高建筑自身能效。

2 建筑電氣節(jié)能及照明節(jié)能設(shè)計(jì)原則

2.1 經(jīng)濟(jì)高效

在開(kāi)展建筑電氣與照明節(jié)能設(shè)計(jì)中，首先要遵循經(jīng)濟(jì)高效性原則，既要對(duì)建筑能耗效率進(jìn)行全面的考慮，還需要對(duì)整體建筑建設(shè)成本進(jìn)行考慮與計(jì)算。將不同建筑方法中呈現(xiàn)的節(jié)能效益與建筑施工成本進(jìn)行對(duì)比，在眾多方案中挑選出最合適，且最具有經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益的設(shè)計(jì)方案，以此提升建筑電氣與照明節(jié)能的整體與長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2.2 科學(xué)適用

對(duì)建筑物電氣節(jié)能方案設(shè)計(jì)和照明節(jié)能總體設(shè)計(jì)方案的制定，一方面既要確保總體設(shè)計(jì)方案的精準(zhǔn)性；另一方面又要確?？傮w設(shè)計(jì)方案和建筑物運(yùn)行要求的一致性，符合建筑設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際建設(shè)情況。建筑節(jié)能效果應(yīng)掌握在適宜范圍內(nèi)，避免盲目節(jié)能，要考慮到建筑物在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的照明需求和效率。

2.3 綠色照明

建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)要遵循綠色照明原則，在保證建筑建設(shè)工作能夠正常開(kāi)展的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵守國(guó)家綠色照明相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，按照有關(guān)要求并結(jié)合實(shí)際建設(shè)需要進(jìn)行綠色照明設(shè)計(jì)，以此提高建筑節(jié)能體系高效性和規(guī)范性，最大程度優(yōu)化建筑能源使用效率。

2.4 安全使用

電氣節(jié)能項(xiàng)目必須貫徹安全思想原則，設(shè)計(jì)工作者在設(shè)計(jì)期間，必須把安全作為整個(gè)項(xiàng)目的宗旨。在保證電氣系統(tǒng)安全建設(shè)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行節(jié)能改造和完善設(shè)計(jì)項(xiàng)目，盡可能減少因節(jié)能過(guò)度造成的安全事故。因此，建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)工作中必須事先明確目標(biāo)，并嚴(yán)格地對(duì)建筑電氣系統(tǒng)安全中特定部分進(jìn)行節(jié)能管理[2]。比如，對(duì)消防供電設(shè)備等進(jìn)行嚴(yán)格管理，以此保證工作安全。當(dāng)工程設(shè)計(jì)工作者從建筑電氣系統(tǒng)安全中引入節(jié)能技術(shù)和相關(guān)設(shè)備裝置時(shí)，也必須對(duì)其穩(wěn)定性做出仔細(xì)判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)防可能發(fā)生的安全隱患。

3 建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)要求

滿足建筑照明特定功能需求是建筑室內(nèi)照明及節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。在此基礎(chǔ)上選用一些具有良好節(jié)能性能的照明燈具，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也能夠滿足建筑內(nèi)照明以及色溫等需求，合理有效通過(guò)照明系統(tǒng)設(shè)備控制達(dá)到節(jié)能效果。此外，照明節(jié)能設(shè)計(jì)還需要綜合考慮建筑建設(shè)中其他專業(yè)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體的有效把控，并使之滿足建筑整體結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)需求。因此，建筑照明控制系統(tǒng)的類型和設(shè)計(jì)必須與建筑設(shè)計(jì)的整體構(gòu)造和外形匹配。建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)也應(yīng)在符合有關(guān)專業(yè)技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上全面開(kāi)展。

4 建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方法

4.1 供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

電氣節(jié)能工程的基礎(chǔ)是供配電系統(tǒng)建設(shè)，根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際狀況，科學(xué)計(jì)算建設(shè)項(xiàng)目負(fù)荷參數(shù)。在確定供電方案時(shí)，首先根據(jù)建筑物用電負(fù)荷情況進(jìn)行負(fù)荷估算，根據(jù)負(fù)荷分布情況確定變電站位置。變電站要靠近負(fù)荷中心，縮短低壓供電線路的長(zhǎng)度。在變電站集中設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，使功率因數(shù)不低于0.95；電源的供電半徑控制在200m 內(nèi)，當(dāng)建筑和變電站距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大電纜截面，合理減少供電損失[3]。其次，供配電系統(tǒng)內(nèi)的配電設(shè)備、元件規(guī)格型號(hào)選用，例如信號(hào)燈、接觸器等，必須具備可靠性，同時(shí)應(yīng)選用低損耗電氣元器件，在發(fā)揮相應(yīng)功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

4.2 變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)

變壓器系統(tǒng)節(jié)能方案的設(shè)計(jì)，必須著重注意變壓器系統(tǒng)電氣消耗情況。通常情況下，影響變壓器系統(tǒng)功率損失的因素大致包括變壓器系統(tǒng)空載損耗和變壓器系統(tǒng)負(fù)載損耗。假如在一個(gè)供電系統(tǒng)中變壓器設(shè)備負(fù)載率相對(duì)較低，則會(huì)出現(xiàn)不同空載情況，導(dǎo)致變壓器設(shè)備本身耗電量變大，從而嚴(yán)重影響變壓器設(shè)備的工作效能，增加了變壓器設(shè)備的功率消耗。因此，變壓器節(jié)能設(shè)計(jì)必須考慮經(jīng)濟(jì)效益、使用特點(diǎn)、負(fù)荷情況等方面，合理選擇變壓器容量。一般情況下，變壓器設(shè)計(jì)負(fù)荷比一般設(shè)定在80%以下。另外，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)該對(duì)變壓器的選擇進(jìn)行綜合考慮，不同變壓器所產(chǎn)生的節(jié)能效應(yīng)也是不同的，《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》（GB 20052-2020）[4]中標(biāo)明了變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求。在設(shè)計(jì)中選用節(jié)能型電力變壓器，其空載損耗和負(fù)載損耗低，在實(shí)際使用時(shí)可以達(dá)到節(jié)能效果。

4.3 電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)

在建筑電氣設(shè)計(jì)中，電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)也是總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。通常情況下，在建筑中電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備需要連續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，占建筑使用電能的很大一部分。針對(duì)這一現(xiàn)象從兩個(gè)方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)：一是從電動(dòng)機(jī)工作效率層面出發(fā)；二是從電動(dòng)機(jī)功率層面出發(fā)。

首先，選擇節(jié)能型高效產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)均選用符合國(guó)標(biāo)《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB 18613-2020）[5]要求的產(chǎn)品，降低電機(jī)自身電能損耗。其次，選擇節(jié)能控制方式。一般采用變頻控制方式，根據(jù)設(shè)備負(fù)荷選擇合適的電動(dòng)機(jī)功率。在符合有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范情況下選擇適合的工作方式。尤其較大功率的電動(dòng)機(jī)，可以采用軟啟動(dòng)、變頻器啟動(dòng)等啟動(dòng)方式，確保電機(jī)順利啟動(dòng)。另外，當(dāng)電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)減小電機(jī)速度等方法，有效地降低電動(dòng)機(jī)在工作中產(chǎn)生的能耗，起到良好節(jié)能作用。

4.4 建筑設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)

以電梯設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)為例，對(duì)電梯轎廂內(nèi)配備的電燈、空調(diào)以及液晶顯示屏等用電設(shè)備，采用間隙控制技術(shù)和精確控制方法。一方面，借助縫隙監(jiān)控方式調(diào)節(jié)電燈、顯示屏開(kāi)關(guān)，使空調(diào)處于適合的運(yùn)行模式，達(dá)到節(jié)能的目的；另一方面，借助精確監(jiān)控機(jī)制，由感應(yīng)器連續(xù)監(jiān)測(cè)轎廂內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量，當(dāng)氧濃度小于一定標(biāo)準(zhǔn)或二氧化碳含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，自動(dòng)開(kāi)啟換氣扇并提升設(shè)備速度，在保證轎廂內(nèi)部空氣質(zhì)量良好的前提下需要最大程度縮短換氣扇的工作時(shí)限。

4.5 光伏發(fā)電設(shè)計(jì)

在早期節(jié)能設(shè)計(jì)方案中，如變電站布置、電氣設(shè)備選型等方法，以提高能源利用效率為主要設(shè)計(jì)思想，但無(wú)法避免供電系統(tǒng)線纜損失的問(wèn)題。太陽(yáng)能作為可再生能源，在建筑工程上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用光伏發(fā)電方式、并網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，也可用于上網(wǎng)。需要結(jié)合建筑的實(shí)際環(huán)境，如日照情況、全年日照時(shí)間長(zhǎng)短變化情況、氣候狀況、發(fā)電單位的太陽(yáng)高度角大小等情況，確定建筑物電氣工程是否符合光伏發(fā)電工程技術(shù)的使用要求。

5 建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)方法

5.1 合理控制照明系統(tǒng)

燈光控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中必須采取適合的控制方法，這與燈光控制系統(tǒng)所在的地理環(huán)境和燈光功能特點(diǎn)相關(guān)。一般情形下，如果燈光場(chǎng)地的空間范圍有限，則需采用一對(duì)一甚至二對(duì)一的控制方法；如果燈光場(chǎng)地空間范圍相對(duì)較大，那么整個(gè)空間區(qū)域內(nèi)配備的燈具也就比較多。在這個(gè)情形下，工程設(shè)計(jì)人員必須對(duì)光照范圍做出合理規(guī)劃，根據(jù)不同地區(qū)光照特征和實(shí)際需要，選擇適宜的燈光，并盡可能采取多對(duì)一的控制方法[6]。因此，在建筑物照明設(shè)計(jì)中，增加智能控制設(shè)備，對(duì)光學(xué)傳感器信號(hào)、聲學(xué)傳感器信息進(jìn)行收集，從而對(duì)建筑內(nèi)燈光設(shè)備進(jìn)行智能控制，對(duì)燈光亮度也能時(shí)限靈活調(diào)節(jié)，讓其更具有節(jié)能性。建筑內(nèi)部公共走廊以及客廳等部分的燈光設(shè)計(jì)，則主要選擇紅外線感應(yīng)或者聲控等方式，可以有效減少燈光控制系統(tǒng)的應(yīng)用成本，從而實(shí)現(xiàn)燈光節(jié)能的效果。

照明設(shè)計(jì)結(jié)合建筑使用條件及天然采光狀況，合理進(jìn)行分區(qū)、分組控制，使其照度有選擇性地開(kāi)啟，充分利用天然光，所控?zé)袅信c側(cè)窗平行。一般房間采用面板開(kāi)關(guān)就地控制，除單一燈具的房間，每個(gè)房間的燈具控制開(kāi)關(guān)不宜少于2 個(gè)，且每個(gè)開(kāi)關(guān)所控制的光源數(shù)不宜多于6 盞，以利于管理及節(jié)能；對(duì)大面積照明，采用分區(qū)控制方式，增加控制的靈活性，利于節(jié)能；在窗邊及人不經(jīng)常去的區(qū)域單獨(dú)設(shè)置面板開(kāi)關(guān)，以利節(jié)電；走道、門(mén)廳、樓梯間等公共部位設(shè)有智能照明控制系統(tǒng)，可分區(qū)、分組、定時(shí)、感應(yīng)、按照度或按時(shí)間段調(diào)節(jié)等，從而實(shí)現(xiàn)燈光節(jié)能的效果。

5.2 照明技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

照明設(shè)計(jì)優(yōu)化必須和電氣節(jié)能技術(shù)結(jié)合。在照明配電系統(tǒng)中，除了燈具外，照明線路也產(chǎn)生額外電能損耗。因此，照明線路要盡可能采用電阻較小的電線，適當(dāng)減小電線截面積和長(zhǎng)度，把電氣耗費(fèi)降到最小。室內(nèi)照明系統(tǒng)中燈具布置也是非常關(guān)鍵的，應(yīng)按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保照明系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的合理合規(guī)[7]。因此，燈具優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以借鑒一些前沿?zé)艟呖萍?，安裝創(chuàng)新型節(jié)能裝置。近年來(lái)使用最多的是LED 燈具，這種燈具有著功率損耗小、使用壽命長(zhǎng)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且還可以很好地滿足建筑內(nèi)部照明要求。照明中永磁同步電動(dòng)機(jī)LPD 值是衡量燈具節(jié)能的關(guān)鍵參數(shù)，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)各類建筑物L(fēng)PD 值做出要求與限制，其制定準(zhǔn)則必須符合有關(guān)規(guī)范要求的現(xiàn)行數(shù)值或目標(biāo)值，因此工程設(shè)計(jì)部門(mén)要以照明目標(biāo)值為制定基礎(chǔ)，核算好燈具位置，以取得最大節(jié)能效益。

5.3 合理選擇光源

工程中一般照明采用細(xì)管徑直管型熒光燈（三基色熒光燈）、金屬鹵化物燈、LED 燈等高效照明光源。近年來(lái)LED 燈發(fā)展迅速，LED 燈在很多工程中大量使用。LED燈有功率損耗小、使用壽命長(zhǎng)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且還可以很好地滿足建筑內(nèi)部照明要求。

5.4 合理選用節(jié)能燈具

建筑造型、使用功能、裝飾裝修對(duì)照明燈具外觀、種類等提出更多要求。在滿足上述要求的同時(shí)，選用高效節(jié)能燈，燈具效率不應(yīng)低于規(guī)范要求。室外景觀照明、道路照明不應(yīng)采用強(qiáng)力探照燈、大功率泛光燈、大面積霓虹燈、彩燈等高亮度和高能耗的燈具，優(yōu)先采用高效、長(zhǎng)壽、安全、穩(wěn)定的光源，如高頻無(wú)極燈、冷陰極熒光燈、發(fā)光二極管（LED）照明燈等。

如果整個(gè)建筑內(nèi)外空間均可以使用節(jié)能燈具，可以在較大范圍上提高整體建筑節(jié)能性，如果建筑對(duì)照明沒(méi)有特殊需求，則以日光燈和LED 照明燈居多。燈光也是燈具體系的主要部分，根據(jù)室內(nèi)具體使用需要。燈光必須和照明設(shè)備配套，選擇什么類型燈具需要綜合考慮建筑物設(shè)計(jì)狀態(tài)、燈光應(yīng)用場(chǎng)合和燈光需要等各種因素。工程設(shè)計(jì)人員對(duì)燈光選擇應(yīng)重點(diǎn)從燈光開(kāi)啟時(shí)機(jī)、照明條件、光照品質(zhì)和燈光應(yīng)用年限等多角度綜合考量，選擇最佳燈光設(shè)計(jì)方法。

5.5 照明設(shè)計(jì)

不同建筑、不同場(chǎng)合、不同使用功能對(duì)照明要求不同，照明設(shè)計(jì)首先要滿足功能需求，如照度值、眩光值、均勻度、顯色指數(shù)等。同時(shí)，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范也對(duì)各類建筑物照明功率密度值（LPD 值）提出要求和限制，在照明設(shè)計(jì)時(shí)，照明功率密度LPD 值必須滿足照明和節(jié)能的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑物電氣與照明節(jié)能設(shè)計(jì)都是工程建設(shè)的主要部分，直接關(guān)系著建筑應(yīng)用效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在有關(guān)建筑行業(yè)技術(shù)規(guī)范指引下根據(jù)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)總體情況，對(duì)現(xiàn)代建筑電氣與照明系統(tǒng)作出科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的節(jié)能性，提高經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。