某金融中心綠色建筑電氣節能技術研究

王建華

(中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100190)

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某金融中心綠色建筑電氣節能技術研究

王建華

(中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100190)

通過介紹龍湖金融中心項目，探討了實現綠色建筑的相關電氣節能技術，著重分析了配電系統優化以及導光管采光、高效光源、智能控制、能耗監測與管理系統在綠色建筑中的應用。

節能系統優化導光管采光能耗監測能耗分析

0　引言

在社會經濟快速發展的進程中，能源需求愈加強勁，能源消耗與環境保護之間的矛盾也日益突出。目前建筑能耗在總體能源消費中的比例仍在持續上升，且仍主要消耗不可再生資源。所以，節能不僅是簡單減少能源的用量，更重要的是提高能源利用率，這是建筑節能的意義所在。

1　政策環境

為了發展綠色建筑，推動建筑節能，加快節能減排共性和關鍵技術研發，推進可再生能源的應用，國家推出一系列的綠色建筑行動方案，相關法律法規有：《民用建筑節能管理規定》建設部令[2005]第143號、《國務院關于加強節能工作的決定》國發[2006]28號、《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見》建科[2007]245號、《民用建筑節能條例》國務院令[2008]第530號、《國務院辦公廳關于轉發發展改革委住房城鄉建設部綠色建筑行動方案的通知》國辦發[2013]1號；相關規范和標準有：GB 17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》、JGJ 176-2009《公共建筑節能改造技術規范》、JGJ/T 177-2009《公共建筑節能檢測標準》、JGJ/T 229-2010《民用建筑綠色設計規范》、GB/T 50668-2011《節能建筑評價標準》、GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》、GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》、GB/T 50033-2013《建筑采光設計標準》、JGJ/T 374-2015《導光管采光系統技術規程》。此外，各省市也相應制定頒布了不低于國家標準的地方標準，如本項目所在地河南省的DBJ 41/075-2006《河南省公共建筑節能設計標準》、DBJ 41/T109-2015《河南省綠色建筑評價標準》等。這一系列的標準將對全社會推行綠色建筑與建筑節能起引導作用。

2　項目概況

鄭東新區龍湖金融中心所處的CBD副中心以金融辦公、商業、旅游觀光為核心，是具有水景特色的新型區域。龍湖中心周邊是多層商業建筑，內環由限高60m的高層建筑圍合而成，外環由限高120m的超高層建筑圍合而成。規劃圖如圖1所示。

每個地塊的建筑單體設計，既要滿足金融辦公性質的功能要求，又要體現與時俱進的時代感；既要有自己獨特的風格，又要能融入整體區域的布局，保持CBD副中心建筑的整體協調性。

圖1　龍湖金融中心規劃圖

筆者參與了其中兩個地塊的設計，均為限高60m的金融辦公建筑，是該區域的重要組成部分。60m高層建筑群采用先進的綠色建筑設計理念，目標是打造節能、環保二星標準的綠色建筑，是鄭東新區城市規劃和建設的點睛之筆。通過采用先進的節能技術，以節能減排、提高能源利用效率為重點，構建與新區經濟發展相協調的能源體系。各個地塊由地下的市政管廊連接，區域供冷、供熱、電力、給水、通信等管道通過市政管廊送至各個地塊。幾個地塊組成一個組團，各組團相對獨立，又相互銜接。

3　建筑電氣節能設計

在充分滿足建筑物功能需求的前提下，為創造建筑物內良好的人工環境提供必要的能源，為建筑設備運行提供必需的動力，同時盡量提高能源利用率、減少能源的消耗才是建筑節能的意義所在。節能是節省無謂損耗的能源，而不是為了節能去降低建筑物的標準要求或簡化功能需求。

目前，建筑內使用的耗能設備大多沒有達到理論上的效率上限，即存在著提高能源利用效率的可能。

建筑電氣作為建筑物的重要組成部分，設計方案不僅要求安全可靠，還要技術先進、經濟合理、高效節能。這要求設計者在設計階段就要進行供配電系統的方案比選，注重各環節對節能的影響，應用優化方案和前沿節能技術。接下來本文將從供配電系統、照明系統、自然光利用、建筑設備監控、能耗監測與管理、能耗分析等方面逐一介紹龍湖金融中心項目采用的節能技術。

4　供配電系統的節能

4.1供配電系統

供配電系統的節能，主要從減少線路和設備損耗方面著手。主要體現為合理選定電壓等級；合理選擇變電所位置，盡可能深入負荷中心；合理選用變壓器等電氣設備；采用合理的功率因數補償及諧波抑制方式，提高電網質量，降低自身損耗；合理搭建配電系統，盡量采用大干線配電方式，減少配電環節，負荷分配盡量使運行時的三相負荷平衡；合理規劃電纜敷設路徑，合理選擇電線電纜。以上這些措施需要在供配電設計的全過程中進行靈活體現。

供配電系統的設計首先要根據當地供電條件確定采用的電源電壓等級，這主要由當地供電部門規劃決定。此項目采用10kV供電，按照供電部門的規劃，整個區域設置若干個10kV開閉站。考慮各地塊地理條件和距離以及物業管理的要求，變電站采用相對獨立、分散布置、集中管理的設置模式。為了管理方便，分組團設置主站，高壓配電集中在主站，每個地塊均設置分變電站，符合變電站深入負荷中心的原則。

4.2機電專業協同

變電站深入負荷中心的原則同樣適用于接近大功率用電設備，主要用于減少低壓大電流的供電距離和線路損耗。龍湖金融中心項目設計采用的是水、暖、電多專業方案優化協同設計模式。機房方案設計時的提前溝通、多方案備選以及良好的信息傳遞有利于科學規劃各專業的機房和主干路由、相互了解專業特點、整體協調矛盾并作協同調整，這打破了以往各自為政的單專業方案的局限性，在方案階段就體現了機電專業協同工作的優勢，可有效控制各系統的各環節。機電專業協同設計有利于優化方案、降低成本、節能節材。

4.3變壓器的選擇與能耗計算

高層建筑中均選用干式節能變壓器。現行國家標準GB 50052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》定義了節能型變壓器，其空載損耗標準值和負載損耗標準值均不應高于規定的能效限定值。下面以1 600kVA變壓器為例摘錄規范中的一部分(見表1)。

表1　干式變壓器能效等級

變壓器的電能損耗公式ΔWT=ΔPo×t+ΔPkβ2×τ，τ是最大負荷年損耗小時數，可根據最大負荷的年利用小時數Tmax和功率因數cosφ，從Tmax與τ的關系曲線圖查得(見圖2)。可見變壓器是否經濟運行，與負載率和最大負荷年利用小時數相關。也可引入Kt(負載波動損耗系數，一般取1.05)，則ΔWT=ΔPo×t+Kt×ΔPkβ2×t。

圖2　Tmax與τ 的關系曲線圖

如果選用達到1級能效的變壓器，暫定負載率為75%，則兩臺1 600kVA非晶合金電力變壓器的年損耗量=(0.76×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=75 100 kW·h。

選用兩臺1 600kVA硅鋼片變壓器，年損耗=(1.765×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=92 800kW·h。

兩者的差別主要在于空載損耗，這也是新型變壓器通過改變其結構和材料能有效降低空載損耗的原因所在。

確定變壓器類型后，能效等級達到1級或2級的變壓器年損耗也有所不同。以硅鋼片變壓器為例：2級的年損耗量=(1.96×24×365+1.05×0.752×12.58×12×365)×2=99 400 kW·h，1級的年損耗量=(1.765×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=92 800 kW·h。

以1元/度計，兩種年損耗相差的數量就是每年多交的電費。3級能效變壓器的年損耗量相比2級還要高，在此不再計算。從上述計算可見，1級能效等級的變壓器損耗最低，因此，北京市的節能評審工作中，建議采用1級能效等級的變壓器；其他地區的節能審查，也提出變壓器的能效等級不高于2級。

上述計算中75%的負載率過高，損耗明顯增大。但負載率過低，變壓器自身的損耗所占比例較大(也就是ΔPo×t)，變壓器的效率較低。理論上講，變壓器的負載損耗與空載損耗相等時總損耗最小、效率最高、運行最經濟。因此設計者應進行多方面考慮，合理選擇變壓器及其容量。

5　照明系統的節能

5.1導光管采光系統的應用

充分利用自然光是照明節能的重要途徑之一。在設計中電氣設計與建筑專業配合，做到充分合理地利用自然光，使之與室內人工照明有機結合，從而節約照明用電。本項目通過在地下車庫和市政環廊區域采用導光管采光系統，已解決大型地下空間白天無光照的問題。而導光管采光也將越來越多地應用于綠色建筑，通過把陽光導入室內，讓封閉的地下空間邂逅陽光，進而使節能低碳成為一種習慣。JGJ/T 374-2015《導光管采光系統技術規程》已于2016年5月1日開始實施。

導光管采光系統是在無需用電的情況下通過室外的采光裝置——集光器采集室外的日光，經過導光管高效反射及傳輸后，再由漫射器將自然光均勻散射到室內任何角落。

本項目的各廠地塊均采用約10套的DS530型號導光管采光系統，并且在連接各地塊的市政環廊位置也采用了導光管采光系統。施工圖設計階段的關鍵點就是要確認采用此系統，選擇產品(如導光管的管徑類型規格有250、350、530、650、750、900系列)，其位置和安裝需要與各專業協調確定，如需要電氣專業確定主要為哪些區域采光，建筑專業確認裝設位置、核對位于地面上景觀地帶還是鋪裝路面上、注意在屋面預留好孔洞以及避開通風管道、噴淋等管線等細節，以確保安裝順利。導光管安裝示意圖見圖3。

圖3　導光管安裝示意圖

該設計給地下層和市政管廊帶來了充足的自然光，節約了地下室照明用電。管廊的上方是市政道路，導光管突出部分正好是中間綠化隔離帶，建成后的效果見圖4。

集光器從外形上分有兩種，一種是球型，適用于有綠化帶的場所；另一種是平板型，適用于廣場路面和樓面要求為平面的場所。此外，針對建筑物的具體結構，還可定制非標準的各種導光管采光系統。施工中的市政管廊采用的導光管見圖5。

圖4　建成后的導光管采光效果

圖5　施工中的市政管廊采用的導光管

5.2 照度標準與高效光源

該項目以國家綠色建筑二星級標準為目標，各場所的照明功率密度值不超過現行國家標準規定的目標值，評價總分值為8分。可見，合理的目標設置對節能具有重要意義。

本項目在無特殊工藝要求的照明區域(如地下車庫、公共走廊、公共區域)均采用LED照明光源。與光效相當的T5三基色熒光燈管相比，LED的使用壽命長，是T5的5倍多。但如果僅采用光效較高、壽命較短的燈具，則更換光源必然造成生產、運輸和銷售全過程的能源浪費，所以可以用光源的綜合能效來評價燈具。表2是兩種燈具的技術參數對比。

表2　兩種燈具的技術參數對比(2015年的數據)

LED光源的發展非常快。現階段的實驗數據顯示，LED光源的光效已超過200lm/W。不久的將來，LED光源有望達到或超過300lm/W。不過這只是實驗時的理論值，實際應用中，多數品牌大功率LED光源的光效僅為80～100lm/W，部分廠家的產品光效能達到160～170lm/W。也就是說，現有這種LED光源的光效,距離理論最高值還有差距,提升空間還很大。

5.3智能照明控制

在新版的《綠色建筑評價標準》節能評分中，加分項之一就是公共場所、地下空間采用分區、定時、感應的照明控制措施，評分值為5分。金融中心項目在每地塊均設置一套智能照明控制系統，采用 I-BUS、EIB 等開放式總線制控制系統，在每地塊的安防中心設置中心主機，并根據一鍵式的要求集成到集中監控系統。

車庫、公共區域、樓梯間等公共區域照明控制應采用智能照明控制系統。通過各種不同的“智能設置”在中央監控界面上進行手動/自動模式切換，實現分回路、分區域、分時段控制。有人做過測算，業主用3～5年的時間就可基本收回智能照明控制系統所增加的投資。而且，智能照明控制系統具有改善照明環境、提高員工工作效率以及減少維修和管理費用等功能。

6　智能化節能控制

在樓宇的各個部位分散著眾多的機電設備，借助智能化系統能很好地解決其控制、管理、維護以及能耗等問題。其中，與節能相關的智能化系統主要是建筑設備監控系統和能耗監測管理系統。

6.1建筑設備監控系統

建筑設備監控系統是龍湖金融中心智能化系統的重要組成部分，專門設立的集中樓控中心是整個建筑群機電設備運行信息的交匯與處理中心，而分中心通過與各地塊的安防中心結合設置，能夠對各個機電設備實現實時監視、控制和管理，提高建筑群管理的效率和綜合服務能力，降低運行成本。本項目的受控機電設備有空調設備、通風設備、給排水設備、電梯設備、智能照明系統。

6.2能耗監測管理系統

國家標準GB 17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》對能源計量提出了明確要求和規定，規定了用能單位能源計量器具配備和管理的基本要求。新版《綠色建筑評價標準》節能與能源利用中，要求冷熱源、輸配系統和照明等各部分能耗應進行獨立分項計量。參照發達國家的經驗，實現建筑節能管理首先要全面準確地掌握建筑能耗數據，能耗監測管理系統正是為此而生。

在一個能耗高且管理難度大的建筑群項目中設置能耗監測管理系統時，通過對建筑內水、電、熱等能源進行分類計量及對電力能耗進行分項計量，實現實時采集數據和動態分析功能，并通過遠傳手段實現能源資源運行監管功能。該系統可實時反映整個項目的能源消耗狀況、識別有效負荷與無謂能耗、判斷能源運行狀態和發展趨勢等，還可通過技術或行為節能方式及時發現和治理能源浪費現象，實現建筑有效節能。系統不僅能對采集的能耗數據進行存儲、處理，還具有通過圖形界面實時顯示相關數據、報表導出以及同比、環比等功能，以實時解決基礎能耗數據的智能化、可視化、可量化的收集與存儲。

根據用戶的需求以及在相同性質工程中的經驗，對該項目的能耗監測和管理系統的搭建做以下設計：除了在10kV側設置電專業用計量外，在各變電站所有的低壓配出線回路上設置智能計量儀表，并在樓層配電箱、層公共用電箱、層空調配電箱、層熱水器配電箱的所有進線斷路器側均設置智能計量儀表，其中，水表、熱表均采用可遠傳智能型儀表，組成能耗監測與管理系統。

7　能耗分析

以龍湖金融中心一個C05地塊為例，僅做地下車庫和公共區域的耗電量估算表(見表3)，計算采用各種節能措施后的節能量。

建筑設備的耗電量計算公式為：

Wp=ΣPj×Tn×Kp

Pj=Pe×Kx

式中，Wp為電能消耗，kW·h；Kp為年平均有功負荷系數，估算值可取0.7～0.75；Pj為計算有功功率，kW；Tn為年實際工作小時數，h；Pe為設備安裝功率，kW；Kx為年平均有功負荷系數，估算值可取0.7～0.75。

由計算公式可知，在滿足使用要求的條件下，采用導光管采光、高效光源及智能照明控制三種方式，分別從降低照明功率密度、減少運行時間方面減少每年耗電量。

表3　耗電量估算表

為加強固定資產投資項目用能管理，各地發改委積極開展能評工作。根據對固定資產投資項目用能的統計和監察數據，制定能耗限額和能效標準，從源頭杜絕能源浪費。下面以從2014年版(將地下車庫綜合在項目內)和2016年版(地下車庫單獨統計)的《北京市固定資產投資項目節能評估和審查工作指南》中摘錄的數據為例，統計出單位建筑面積能耗指標表(表4)。

表4　單位建筑面積能耗指標表

由表4可知，與2014年相比，2016年各類型項目的能耗指標均有了明顯的降低，可見建筑領域節能減排的發展趨勢。

建筑節能是綠色建筑的必要條件，建筑電氣作為建筑設計的重要組成部分，采取技術上可行、經濟上合理以及投資可以承受的節能措施對提高綠色建筑水平、促進綠色建筑技術的應用與發展有著深遠的意義。

8　結束語

以上是筆者通過在鄭州龍湖金融中心中采用電氣節能技術后，對綠色建筑節能設計的思考和分析，在這里與大家分享。由于篇幅有限，僅是初步探索，有待深入學習、研究和完善，請同行們批評指正。

[1]GB/T 50378-2014 綠色建筑評價標準[S].北京: 中國建筑工業出版社,2014.

[2]GB/T 50189-2015 公共建筑節能設計標準[S].北京: 中國建筑工業出版社,2015.

[3]中國勘察設計協會建筑電氣工程設計分會，中國建筑節能協會建筑電氣與智能化節能專業委員會.中國建筑電氣與智能化節能發展報告(2014)[M].北京: 中國建筑工業出版社,2010.

[4]北京市固定資產投資項目節能評估和審查(含碳排放)工作培訓材料匯編.

[5]李炳華,宋鎮江.建筑電氣節能技術及設計指南[M].北京: 中國建筑工業出版社,2011.

[6]邵民杰.綠色環保和電氣節能綜合技術在世博建筑中的應用理念與實踐[J].智能建筑電氣技術,2011,5(3):3-6.

[7]史海疆.優化設計 降低建筑電氣能耗 訪中國航天建筑設計研究院電氣總工程師王勇[J].電氣應用,2012(14):8-10.

Research on the Electrical Energy Saving Technology of a Financial Center Green Building

Wang Jianhua

Through introducing the Longhu financial centre project,electrical energy saving technology for implementation of the green building is discussed,and the application of the power distribution system optimization light guide lighting,efficient light source,intelligent control,energy consumption monitoring and management system in green building are analyzing.

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