綠色建筑中電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

【摘要】為提升綠色建筑設(shè)計(jì)水平，最大限度降低能耗，提高能源利用效率，文章對(duì)綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了研究。從供配電、變壓器、用能設(shè)施、照明和光伏一體化五個(gè)層面進(jìn)行分析，明確了綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。研究結(jié)果表明，綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方法有助于加快綠色建筑電氣系統(tǒng)的節(jié)能轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)水平，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保與節(jié)能的雙重目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】綠色建筑；電氣節(jié)能；建筑設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TU201.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0102-03

0 引言

電氣系統(tǒng)作為綠色建筑不可或缺的組成部分，其電氣節(jié)能系數(shù)是衡量建筑綠色屬性的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)體系缺少節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)容，節(jié)能效果不夠顯著，存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，需要積極改善電氣節(jié)能設(shè)計(jì)體系，科學(xué)實(shí)施節(jié)能措施，最大限度降低能耗，提高能源利用效率，打造高品質(zhì)綠色建筑。

1 綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則

1.1 滿足功能需求

滿足綠色建筑使用需求是電氣系統(tǒng)首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，強(qiáng)化節(jié)能效果則是次要設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)前部分設(shè)計(jì)人員過(guò)度追求節(jié)能效果，以限制電氣系統(tǒng)功能為代價(jià)忽視了建筑物的使用體驗(yàn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循滿足功能需求原則，全面了解業(yè)主需求，確保電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果在滿足合理使用需求的前提下，再進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)工作，以保證綠色建筑能夠正常使用。以照明控制為例，感應(yīng)控制方式僅適用于樓梯間等照明頻次較低的場(chǎng)所，如在正常照明場(chǎng)所選用雖然可以最大限度縮短照明時(shí)間，但會(huì)嚴(yán)重影響照明體驗(yàn)。

1.2 促進(jìn)電能合理利用

電能浪費(fèi)問(wèn)題主要出現(xiàn)在建筑供配電系統(tǒng)，存在著功率因數(shù)失衡、三相不平衡、供電距離過(guò)長(zhǎng)、諧波污染等多項(xiàng)問(wèn)題。在電能輸送期間，產(chǎn)生過(guò)高比例線損率，一部分電能被浪費(fèi)，最終導(dǎo)致綠色建筑總體能耗遠(yuǎn)超用能設(shè)施實(shí)際用電量。設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循促進(jìn)電能合理利用的設(shè)計(jì)原則，將供配電系統(tǒng)作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象，綜合采取優(yōu)選電壓等級(jí)、三相平衡、無(wú)功補(bǔ)償、控制供電半徑等多項(xiàng)節(jié)能措施，將供配電環(huán)節(jié)的實(shí)際線損率控制在較低水平，避免浪費(fèi)過(guò)多電能[1]。

1.3 提高設(shè)備運(yùn)行效率

早期建筑工程受技術(shù)手段的制約，建筑用能設(shè)施長(zhǎng)期處于低效運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，實(shí)際運(yùn)行效率偏低，能耗水平超出合理范圍。針對(duì)此類問(wèn)題，應(yīng)把提高設(shè)備運(yùn)行效率作為主要節(jié)能方向，依托智能控制技術(shù)精準(zhǔn)感知運(yùn)行需求與外部環(huán)境，圍繞使用需求動(dòng)態(tài)調(diào)整并精確控制照明燈具、空調(diào)機(jī)組、水泵等用能設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。

2 綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 供配電節(jié)能設(shè)計(jì)

對(duì)于綠色建筑供配電系統(tǒng)，以負(fù)荷估算、三相平衡、調(diào)節(jié)功率因數(shù)、諧波治理、控制供電半徑作為節(jié)能方向，有利于降低線損率和提高電能質(zhì)量，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1）負(fù)荷估算。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)全部用能設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷，確定建筑總體負(fù)荷，將其作為變壓器數(shù)量設(shè)計(jì)、容量設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。負(fù)荷估算值低于實(shí)際負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致電纜發(fā)熱從而產(chǎn)生不必要的能耗，負(fù)荷估算如果超出實(shí)際則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備浪費(fèi)。因此，負(fù)荷估算應(yīng)考慮多項(xiàng)影響因素，如設(shè)備的實(shí)際利用率、設(shè)備相同時(shí)間啟動(dòng)概率等，確保估算結(jié)果與實(shí)際使用相符。當(dāng)前主要采取需要系數(shù)法，把設(shè)備實(shí)際運(yùn)行消耗功率、額定功率二者比值當(dāng)作需要系數(shù)，再將額定功率乘以需要系數(shù)，即可掌握單臺(tái)設(shè)備計(jì)算負(fù)荷。也可采取單位面積功率法，按照區(qū)域面積、負(fù)荷密度估算總體負(fù)荷，由于綠色建筑電氣系統(tǒng)有著較高的自動(dòng)化、智能化程度，額外設(shè)置大量傳感器與控制器，需要適當(dāng)增加負(fù)荷密度[2]。

2）三相平衡。將單相負(fù)荷均勻分配至供電線路各相，禁止在相同供電點(diǎn)集中接入不對(duì)稱負(fù)載，要求短時(shí)不平衡度處于允許范圍內(nèi)。如果綠色建筑存在較大負(fù)荷單相用電設(shè)備，應(yīng)將這類設(shè)備接入更高級(jí)別的外部電網(wǎng)接入點(diǎn)，或?qū)⒃O(shè)備接入三相短路容量較大的公共接入點(diǎn)。

3）調(diào)節(jié)功率因數(shù)。功率因數(shù)、線損率保持反向比例關(guān)系，當(dāng)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.9時(shí)，線損量在可接受范圍內(nèi)。增設(shè)智能無(wú)功補(bǔ)償裝置，精準(zhǔn)控制補(bǔ)償容量，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)抵消開(kāi)關(guān)電源等非線性負(fù)載對(duì)功率因數(shù)造成的影響。主要以并聯(lián)電容器組作為補(bǔ)償裝置，配電線路采取就地補(bǔ)償方式，并在高壓側(cè)、低壓側(cè)安裝電容器。對(duì)于異步電機(jī)等具備頻繁運(yùn)行、無(wú)功負(fù)荷大特征的電氣設(shè)備，則采取單獨(dú)就地補(bǔ)償方式。

4）諧波治理。使用有源電力濾波器替換早期電感電容無(wú)源濾波器，新型濾波器增設(shè)動(dòng)態(tài)元件，可以向電流、頻率提供無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償過(guò)程具備動(dòng)態(tài)屬性，諧波抑制效果更加理想。

5）控制供電半徑。供電半徑直接決定線損率。線損率本質(zhì)上是電能傳輸期間，一部分電能轉(zhuǎn)換為熱量被耗散，供電距離越大，電能損耗比例越高。對(duì)于大型公共建筑、商業(yè)綜合體等大型綠色建筑，采取高壓供電方式，電壓等級(jí)為10 kV，要求把供電半徑控制在1.5～3 km以內(nèi)，并按照負(fù)荷等級(jí)來(lái)選擇電源方向。對(duì)于住宅建筑等類型的綠色建筑，采取低壓供電方式，供電半徑控制在150 m以內(nèi)，低壓配電線路電壓損失比例不超過(guò)5%[3]。

2.2 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行設(shè)計(jì)

變壓器作為智能建筑供配電系統(tǒng)乃至整體電氣系統(tǒng)的核心設(shè)備，長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，可以全面降低空載損耗、短路損耗在內(nèi)的各類損耗，進(jìn)而取得顯著節(jié)能效果。為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目標(biāo)，應(yīng)從容量設(shè)定、選擇運(yùn)行方式兩方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

1）容量設(shè)定。根據(jù)同類工程分析，調(diào)節(jié)負(fù)載率是最有效的節(jié)能方法。以最高效率點(diǎn)周邊作為變壓器容量設(shè)計(jì)依據(jù)，綜合考慮工作狀態(tài)、設(shè)備購(gòu)置情況等多項(xiàng)因素，單臺(tái)變壓器負(fù)載率維持在0.35～0.8額定容量區(qū)間內(nèi)，并聯(lián)變壓器負(fù)載率維持在0.4～0.7額定容量區(qū)間內(nèi)，確定最小運(yùn)行負(fù)荷/最小負(fù)載系數(shù)，最大運(yùn)行負(fù)荷/最大負(fù)載系數(shù)區(qū)間的取值，將變壓器額定容量控制在二者區(qū)間范圍。同時(shí)，為滿足后期擴(kuò)容需求并保證安全運(yùn)行，變壓器實(shí)際容量應(yīng)大于計(jì)算結(jié)果，避免出現(xiàn)變壓器過(guò)載運(yùn)行問(wèn)題。

2）選擇運(yùn)行方式。常見(jiàn)變壓器設(shè)備的運(yùn)行方式包括獨(dú)立運(yùn)行與并列運(yùn)行。其中，獨(dú)立運(yùn)行方式成本價(jià)格偏低，但模式固化，一旦發(fā)生負(fù)荷變化，無(wú)法在多數(shù)時(shí)段維持最佳運(yùn)行狀態(tài)。并列運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，但成本高、不易控制。綠色建筑適宜采取2臺(tái)并列運(yùn)行方式，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域分為3段，在低負(fù)荷運(yùn)行情況下，空載損耗較小變壓器獨(dú)立運(yùn)行，負(fù)荷抵達(dá)首個(gè)臨界點(diǎn)，切換另外變壓器繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)行，直到負(fù)荷抵達(dá)第二個(gè)臨界點(diǎn)，再把2臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行[4]。

2.3 用能設(shè)施節(jié)能設(shè)計(jì)

綠色建筑用能設(shè)施包括電梯、空調(diào)機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、水泵等。這些設(shè)施的能耗原因、運(yùn)行方式存在本質(zhì)差別，必須逐一制定面向各類用能設(shè)施的專項(xiàng)節(jié)能方案。以普通電梯為例，把內(nèi)部電氣設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)作為節(jié)能改造對(duì)象。針對(duì)轎廂內(nèi)部電氣設(shè)備，采取間隙控制方式來(lái)控制空調(diào)機(jī)，或是直接配備新型變頻空調(diào)，電梯無(wú)人呼叫時(shí)，保持低功耗運(yùn)行模式；感應(yīng)控制換氣扇，把轎廂內(nèi)部空氣質(zhì)量當(dāng)作控制依據(jù)，內(nèi)部空氣渾濁時(shí)，自行啟動(dòng)換氣扇，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)后則關(guān)閉換氣扇；照明燈具自行切換高人流模式與低人流模式，分別調(diào)高和降低發(fā)光強(qiáng)度。針對(duì)電梯動(dòng)力系統(tǒng)，部署能量回饋裝置，電梯下降期間產(chǎn)生多余機(jī)械能，把機(jī)械能回收并轉(zhuǎn)換為電能，最終回送到外部電網(wǎng)或是建筑供配電系統(tǒng)。主要采取二象限變頻器作為能量回饋裝置，內(nèi)部帶有電阻單元，一部分回饋能量轉(zhuǎn)換為熱能向外釋放[5]。

2.4 照明節(jié)能設(shè)計(jì)

對(duì)于綠色建筑照明系統(tǒng)，以選用節(jié)能光源、燈具節(jié)能、智能控制作為節(jié)能方向。

1）選用節(jié)能光源。照明光源包括新一代節(jié)能光源，如LED燈、熒光燈、高壓鈉燈，也包括低效落后的傳統(tǒng)光源，如白熾燈。在維持相同環(huán)境照度情況下，不同照明光源的能耗水平存在顯著差異，主要取決于每瓦光效值。綜合分析照明成本、照明能耗、燈具壽命、照明質(zhì)量等多項(xiàng)因素，LED燈的節(jié)能效果和照明體驗(yàn)均滿足現(xiàn)代綠色建筑照明使用需求，應(yīng)將其作為首選照明光源。以傳統(tǒng)白熾燈作為對(duì)比，LED燈在同等亮度時(shí)的耗電量不足白熾燈10%，使用壽命延長(zhǎng)近100倍，且光線顏色純度高、色彩鮮艷。

2）燈具節(jié)能。通過(guò)選擇燈具型式實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，燈具型式關(guān)乎反射條件，等量光線的反射次數(shù)越多、反射率越高，有效照明范圍越大?？卣帐胶烷_(kāi)敞式燈具的反射率相對(duì)較高，達(dá)到75%水準(zhǔn)，而配備磨砂材質(zhì)或棱鏡式保護(hù)罩的照明燈具反射率相對(duì)較低，僅為55%。

3）智能控制。以精準(zhǔn)感知照明需求、調(diào)整照明模式作為控制策略，核心控制功能包括場(chǎng)景控制、感應(yīng)控制、應(yīng)急控制、總體控制與手自動(dòng)控制。根據(jù)綠色建筑室內(nèi)外場(chǎng)所照明特點(diǎn)、需求，選擇照明控制方式。例如，對(duì)于公共衛(wèi)生間與樓梯間，采取動(dòng)靜感應(yīng)控制方式；地下室和一樓大廳則采用恒照度控制（亮度調(diào)節(jié)控制）；對(duì)于具備良好自然采光條件的房間，實(shí)施恒照度控制，以維持恒定的空間環(huán)境照度。白天充分利用自然光源，完全關(guān)閉照明燈具。在采光條件較差的房間角落開(kāi)啟少量燈具，待自然光照強(qiáng)度降低后，逐漸開(kāi)啟更多照明燈具，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)光強(qiáng)度，以滿足建筑照明需求。

2.5 光伏一體化

綠色建筑工程采取主動(dòng)節(jié)能和被動(dòng)節(jié)能措施可以降低建筑總體能耗水平，通過(guò)利用可再生能源，綠色建筑不再完全依賴外部電源，將可再生能源轉(zhuǎn)換為電力能源，滿足一部分用能設(shè)施用電需求。光伏一體化不僅可以減少對(duì)化石燃料的依賴，降低碳排放，還有助于推動(dòng)?綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)將太陽(yáng)能電池與建筑有機(jī)結(jié)合，不僅可以為建筑提供電力，還可以作為建筑的一部分，提高建筑的美觀性和實(shí)用性。光伏一體化設(shè)計(jì)期間，應(yīng)掌握一體化形式、光伏組件適用性兩項(xiàng)問(wèn)題。

1）一體化形式。主流形式包括光伏屋頂、光伏幕墻、采光屋頂。相比之下，光伏屋頂實(shí)現(xiàn)難度最低，設(shè)計(jì)方法與技術(shù)體系最為成熟，利用屋頂空間來(lái)部署光伏陣列與安裝配套設(shè)備，僅需考慮屋頂上部荷載不超出屋頂結(jié)構(gòu)承重能力即可，且光伏陣列不易被陰影遮擋。

2）光伏組件適用性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況確定光伏組件安裝位置、陣列傾斜角度等設(shè)計(jì)參數(shù)。以光伏陣列傾角、方位角為例，根據(jù)綠色建筑所處區(qū)域經(jīng)緯度來(lái)確定，開(kāi)展仿真試驗(yàn)，逐一測(cè)算不同角度時(shí)的光伏組件表面輻射強(qiáng)度和有效日照時(shí)間，從中挑選表面輻射強(qiáng)度最強(qiáng)、有效日照時(shí)間最長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，選用非晶硅薄膜電池當(dāng)作光伏組件，具備透光性且發(fā)電效率基本不受溫度影響的優(yōu)勢(shì)，可直接用于建筑屋面、圍護(hù)結(jié)構(gòu)立面等部位。

2.6 節(jié)能監(jiān)控

傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計(jì)體系的局限性在于未充分考慮現(xiàn)實(shí)因素對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行的影響。在綠色建筑投運(yùn)期間，受多重因素影響，早期采取的節(jié)能措施逐漸失效，建筑總體能耗水平逐年增加。核心因素包括業(yè)主用電行為不合理、建筑用能設(shè)施老化、既定控制方案不合時(shí)宜。對(duì)此，需要搭建節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，具備用電統(tǒng)計(jì)、在線檢測(cè)、能耗分析等核心功能。不間斷監(jiān)測(cè)電梯、照明燈具、空調(diào)風(fēng)機(jī)等全部用能設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，定期統(tǒng)計(jì)用能情況，對(duì)比實(shí)際能耗與理想能耗，找出差異并向業(yè)主和管理人員提供分析報(bào)告和節(jié)能建議。以空調(diào)冷熱源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)為例，把冷熱源機(jī)組、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、電動(dòng)閥門等設(shè)備作為監(jiān)控對(duì)象，部署溫度傳感器、流量傳感器以及壓力傳感器，按照預(yù)定頻率，定期采集供回水溫度、流量、轉(zhuǎn)速、閥門開(kāi)度等參數(shù)，繪制運(yùn)行狀態(tài)曲線和最大負(fù)荷動(dòng)態(tài)曲線作為監(jiān)控報(bào)告內(nèi)容。同時(shí)，保持節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行狀態(tài)，以監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為制定控制方案的主要依據(jù)，長(zhǎng)期維持建筑用能設(shè)施最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。簡(jiǎn)單來(lái)講，根據(jù)流量、溫度等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)計(jì)算冷熱負(fù)荷，基于負(fù)荷變化情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整冷熱源機(jī)組、末端循環(huán)泵以及二次水循環(huán)泵的投運(yùn)臺(tái)數(shù)，減少單次啟動(dòng)時(shí)間和冷熱源機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間，以“按需運(yùn)行”作為控制策略。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，綠色建筑是現(xiàn)代建筑工程的主流發(fā)展方向，電氣節(jié)能改造則是打造綠色建筑的重要前提。建筑企業(yè)、設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)完善補(bǔ)充電氣節(jié)能設(shè)計(jì)體系，了解綠色建筑用電特征，科學(xué)制定節(jié)能設(shè)計(jì)方案，全面掌握面向供配電系統(tǒng)、變壓器、建筑用能設(shè)施、照明系統(tǒng)等諸多組成部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，著手搭建節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，推動(dòng)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)水準(zhǔn)穩(wěn)步提升，最大限度地挖掘綠色建筑節(jié)能潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] 史弘.建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)及綠色建筑電氣技術(shù)探討[J].電動(dòng)工具，2024（3）：40-42.

[2] 劉佳亮.基于綠色建筑理念的建筑電氣與智能化設(shè)計(jì)研究[J].綠色建造與智能建筑，2024（6）：26-28.

[3] 郎曉雪.建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)與綠色建筑電氣技術(shù)創(chuàng)新[J].江蘇建材，2023（5）：73-74.

[4] 陳彬.綠色建筑電氣部分節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].工程技術(shù)研究，2023，8（12）：172-174.

[5] 韋幫富.綠色建筑的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2024（6）：130-131.