談建筑電氣節能設計

肖利華

(中建三局股份公司工程總承包公司，湖北武漢 430064)

0 引言

隨著全球經濟的高速增長，在20世紀60年代，建筑行業也開始了新一輪的、迅速的發展，高度與體積急驟增加的單體建筑物到處聳立，高達二三百米的建筑單體、超過10萬m2的超高層隨處可見，從而也使建筑物內部的建筑設備與電氣設備的系統結構越來越復雜。建筑電氣技術由此獲得飛躍式的進步，建筑電氣節能系統的施工方法和技術措施已成為建筑工程領域內一門新興的綜合性工程學科，成為現代電氣科學領域的一個重要組成部分。電氣系統的節能不光是設備選型中的節能問題，而且要考慮整體組成。

1 傳統建筑電氣技術的應用現狀

傳統建筑電氣技術在建筑中的應用已相當廣泛，且產品種類繁多，但傳統電氣技術也存在明顯的不足，主要表現為:

1)使用不方便;2)不利于節能;3)管理效率低;4)建筑安全性能不高。

因此，建筑電氣節能設計與改造是提高智能建筑綜合服務水平的有效措施，不僅可以保障建筑內部各系統發揮優良的功能特性，同時還可以進行電氣系統優化控制管理，使各設備均能工作在最優工況，從而大大減少建筑電氣系統的能源消耗，降低建筑物使用面積日常費用開銷。

2 現代建筑電氣節能設計

依據建筑電氣的最基本特征，本文從建筑的供配電系統節能設計、減少電路損耗、暖通空調系統的節能、照明系統的節能設計、動力設備系統的節能以及采用太陽能光伏發電系統等六個方面詳細介紹了建筑電氣節能設計中的一些有效措施。

2.1 供配電系統設計中的節能措施

2.1.1 變配電所或箱式變電站位置的變動因素

負荷中心要盡量在變配電所或箱式變電站附近，這樣配電半徑就相應減小了，一次性的供電電力電纜投資也隨之降低，線路損耗也得以減少。

2.1.2 變壓器容量及臺數的合理選擇

變壓器容量及臺數的合理選擇要依據建筑物不同的使用特點。例如大型建筑物、居民小區、學校建筑的供配電系統，應當設計2臺以上的變壓器，這樣比較節能與經濟，同時為了減少不必要的電能浪費，可以隨季節性負荷變化靈活投切變壓器的臺數，減少部分變壓器輕載而引起的能源浪費。以某高校供電系統變壓器容量及臺數的合理選擇為例，配置情況如下:400 kVA的變壓器1臺和630 kVA的變壓器1臺，但是在寒暑假時用電負荷與平時相比明顯減輕，所以寒暑假只投切1臺400 kVA的變壓器就很經濟適用，避免造成電能浪費。

2.1.3 提高供配電系統的功率因數

按照供電部門的統一要求，用戶的月平均功率因數一般要求達到0.9以上，為了符合這個基本要求，設計人員在設計供配電系統時盡量安裝一些無功功率補償設備，這樣有利于提高用戶的功率因數，例如采用并聯電力電容器在低壓側集中補償。

2.2 減少線路損耗的節能舉措

當電網輸送電能時，在網絡中就產生功率損耗，其大小與線路參數及負荷密切相關。提高功率因數，減少電網無功功率及導線中的電阻等均能降低電網中的線損。

2.3 暖通空調系統的節能

建筑總能源有50%左右是用于暖通空調系統，可見，在考慮建筑電氣節能時，暖通空調系統這方面的節能應引起足夠的重視。在進行暖通空調施工的初期，在系統的接口處進行設計施工時，強電系統設計師應該與系統工程師緊密合作，系統的接口設計和施工應該做到電氣節能。例如在建筑物中，如何做到中央空調系統的節能。圖1是一種節能中央空調系統出風口調節電路的工作原理示意圖。此電路由一個直流電動機進行控制，在最初狀態下，直流電動機M1的兩個端子都懸空，電動機不轉。當J1的①腳輸入信號時，繼電器J1動作，M1的一端接地，另一端接+24 V電壓，電動機正轉。此時，如果J2有輸入信號，由于J1的○16腳是懸空的，電動機保持正轉。J1沒有動作時，如果J2的①腳有輸入信號，繼電器J2動作，M1的一端接地，另一端接+24 V電壓，電動機反轉。這種風口調節控制電路的設計理念是能源跟隨式設計系統，對能源支出不合理的現象進行改造，達到節能增效的目的。

圖1 風口調節控制電路

2.4 照明系統的節能

照明設計分為數量化設計和質量化設計，數量化設計是基礎，就是根據場所的功能和活動要求確定照明等級和照明標準(照度、眩光限制級別、色溫和顯色性)來進行數據化處理計算;在此基礎上照明設計還需要質量化設計，就是以人的感受為依據，考慮人的視覺和使用的人群、用途、建筑的風格，盡可能多地收集周邊環境(所處的環境、重要程度、時間段)等多種因素，做出合理的設計。照明是民用建筑不可缺少的一部分，應該科學地選擇光源、光源用電附件、不斷改進燈具的控制方式等。

以改進燈具的控制方式為例，圖2為節能照明系統工作原理示意圖，在照明系統中，通過延時開關控制的節能照明系統，可以有效實現“節能”的目的。

圖2 節能照明系統工作原理示意圖

事實證明，通過用延時開關控制的節能照明系統可以在保證照度的前提下達到高效節能的目的，減少電量消耗，提高電能利用率。

2.5 通過動力設備系統和產品改造節能

由設備制造廠商統一供應的電梯、風機和水泵等都是在建筑電氣中常用的電動設備，因此，在建筑電氣節能設計中動力設備的節能也同樣不容忽視。

以電梯為例，尤其是自動扶梯，在機場、酒店、商場、火車站、地鐵、寫字樓、會館等大型公共場所都有使用。一臺扶梯每年將消耗電能24 090 kW，而一臺扶梯分別會有10%～40%不等的間斷性空載現象。全國每年單扶梯一項，就將消耗電能約合13億kW，而每年在扶梯行業白白浪費的電能卻高達2億kW～5億kW，數據之龐大令人觸目驚心。此類現象的發生總結起來是因為普通自動扶梯有以下缺陷:1)耗能大;2)機械磨損大、使用壽命較短;3)故障率高導致使用成本高。鑒于以上原因，建議使用節能的自動扶梯。

節能自動扶梯工作原理如圖3所示。

圖3 主電路圖

1)在不對扶梯的正常使用產生任何負面影響的前提下，通過在自動扶梯入口處加裝信號采集系統來辨別是否有乘客，再將檢測的信號傳送至控制系統以控制驅動裝置，當有人乘坐時，自動扶梯以正常速度運行，當無人乘坐時，自動扶梯減速至蠕動狀態或停止運行。

其中，KVS為電源監視保護，VFD為變頻器，KM1和KM2為變頻器切換接觸器，KM3為扶梯上行接觸器，KM4為扶梯下行接觸器，M為三相交流電動機，YB ZD為制動器，KM5為制動器動作接觸器。a.啟動。KM1，KM3吸合→接入VFD→M正轉加速;b.額定運行。M至額定轉速→KM1釋放→切除VFD→KM2，KM3吸合→M額定運行;c.低速運行。KM2釋放→KM1，KM3吸合→接VFD→M低速運行;d.制動。KM2釋放→KM1，KM3吸合→接入VFD→M減速至低速→KM1，KM3釋放→KM5吸合→制動器動作→M停止。

2)通過加裝變頻器以變頻調速方式控制自動扶梯的運行，以確保自動扶梯變速運行時的平穩過渡，避免頻繁啟動時產生的強耗電流，同時還可以避免急停抱閘導致的硬件損傷。

3)根據實際應用情況，考慮到乘客行走速度的不同，著裝深淺不同，為確保每一位乘客都能被檢測到，傳感器能感應到的實際距離一定要合適才能有效。

對于在建筑物中耗能比重較大的風機和水泵系統，可采用變頻調速方案，通過掌握風量和用水量的變化以節約電能，特別是供水系統可以節省水箱基建投資。在大容量的風機、水泵用電動機的控制設備中可以廣泛應用以達到節能的目的。

2.6 采用新型太陽能光伏發電系統

太陽能是最經濟的再生能源，它以環保、經濟、污染低等特點著稱。由控制器、蓄電池、逆變器以及太陽能電池板等四部分組成了太陽能光伏發電系統。在使用此系統的節能設計上，應從下列主要因素考慮:

1)用電量的多少、用電器所承受的電負荷的性質、必需承載的日工作時間等;

2)對于設計等級方面，必須考慮輸出時系統電壓;

3)在任何不良狀態下，都要保證系統能夠正常、持續地運行;

4)日照持續時間對應建筑物所處位置和太陽能的輻射量等諸多因素也必須予以考慮。

3 前景與展望

在現代建筑電氣工程設計中，節約電能的每個環節都應有相應的技術方案和措施。供配電系統、電路損耗減少、暖通空調系統、照明系統、動力設備系統節能以及采用太陽能光伏發電系統是如今建筑電氣節能設計的主要內容，但由于建筑電氣工程涉及到的項目較多，因此，在實際設計過程中，不僅要充分了解相關建筑節能原則和標準規范，同時還要掌握先進的節能設計方法和新型節能電氣產品，把節能措施靈活運用到建筑電氣的每項工程中。不管是從設計還是從施工的角度，嚴格把關過程控制，提高節能增效意識，以此推動建筑行業持續、快速、協調、健康的發展。

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