建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析

時(shí)登福

山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500

0 引言

如今，能源緊張已升級(jí)為全球性問題，在建筑行業(yè)發(fā)展中，建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能的水平關(guān)乎我國(guó)能源利用率。照明系統(tǒng)功率因數(shù)低、電壓波動(dòng)大會(huì)引起較大的電能損耗。因此，在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代背景下，為緩解能源供需緊張程度，控制建筑工程的總體使用成本與碳排放量，應(yīng)提高建筑電氣照明系統(tǒng)的節(jié)能水平。

1 建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用方向

1.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)

高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈逐漸取代了傳統(tǒng)的白熾燈，由此取得顯著節(jié)能效果。然而，此類燈具多為感性負(fù)荷，在運(yùn)行期間消耗部分有功功率，進(jìn)而降低了電能的實(shí)際利用率，如高壓汞燈功率因數(shù)在0.4～0.65范圍、金屬鹵化物燈功率因數(shù)在0.4～0.61范圍、高壓鈉燈功率因數(shù)在0.42～0.6[1]。這一問題，使建筑電氣照明系統(tǒng)在運(yùn)行期間產(chǎn)生較大線損量，供電線路與發(fā)電器等電源設(shè)備的潛在能力未得到充分發(fā)揮。因而，對(duì)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)控制，是電氣照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方向。

1.2 控制電壓波動(dòng)

熒光燈等種類燈具易受到供配電系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響，由此造成加大電能損耗量、縮短燈具使用壽命的后果，與節(jié)能設(shè)計(jì)理念相沖突。例如，在某建筑工程中，配置熒光燈作為照明設(shè)備，將電源電壓額定值設(shè)為220 V，如果電源電壓波動(dòng)值超過±5%、低于210 V或高于230 V時(shí)，系統(tǒng)電能損耗量增長(zhǎng)至額定工況條件時(shí)的1.07倍，照明燈具實(shí)際使用壽命縮減至預(yù)期壽命的0.94倍。這也是建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)期間亟待解決的一項(xiàng)重要問題。

1.3 合理化控制電氣照明設(shè)備能耗量

當(dāng)前在部分建筑電氣照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，出于改善室內(nèi)裝飾效果、控制工程造價(jià)等角度著想，所選用照明燈具、電力用具主要起到裝飾美觀作用，設(shè)備自身工作能耗較高，沒有起到理想的節(jié)能效果。過于側(cè)重追求電氣照明設(shè)備的美觀性與裝飾性，沒有妥善兼顧美觀裝飾和經(jīng)濟(jì)實(shí)用兩項(xiàng)設(shè)計(jì)要素，這一問題需要得到設(shè)計(jì)人員的高度重視。

2 建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的要點(diǎn)

2.1 照明光源與燈具的選擇

在照明燈源與燈具選擇環(huán)節(jié)，要求設(shè)計(jì)人員優(yōu)先使用高光效節(jié)能燈源，重點(diǎn)考慮自然采光問題，還應(yīng)滿足實(shí)際的建筑照明需求。例如，在較低與較高高度的建筑物中分別使用金屬鹵化物燈和熒光燈，金屬鹵化物等有著照明效果穩(wěn)定與使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，熒光燈有著光效高、顯色好、節(jié)能環(huán)保效果顯著的優(yōu)勢(shì)。在辦公建筑與酒店等場(chǎng)所內(nèi)使用LED燈源和嵌入式筒等來取代熒光燈，此類光源燈具有著光通量大、效能高的優(yōu)勢(shì)。LED嵌入式筒燈的光通量為7 800 lm，而普通環(huán)型熒光燈與T8標(biāo)準(zhǔn)直管熒光燈的光通量?jī)H為1 250 lm和1 350 lm。在建筑空間環(huán)境及周邊區(qū)域分布電磁干擾源、其他光源無法滿足使用需求的情況下，則采取普通照明白熾燈，不得因追求節(jié)能效果而影響到建筑照明系統(tǒng)的正常使用[2]。

此外，對(duì)光源燈具的選擇，必須嚴(yán)格遵循《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019）、《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034—2013）等規(guī)范文件，要求設(shè)計(jì)人員全面掌握各類常用燈具的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)建筑類型加以選擇。例如，在商場(chǎng)、大型會(huì)議室與禮堂等場(chǎng)所中，根據(jù)建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要選用效能超過70 lm/W的燈具，如選用效能為97.5 lm/W的LED嵌入式筒燈、效能為87.1 lm/W的T5熒光燈、效能為88.8 lm/W的大功率LED燈。在具備頻繁開關(guān)燈要求以及調(diào)光要求的場(chǎng)所中，根據(jù)民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以配置LED等作為建筑電氣照明系統(tǒng)的主要光源[3]。

2.2 照明供電優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得知，建筑電氣照明系統(tǒng)供電節(jié)能效果的主要影響因素為電壓偏差、三相照明線路負(fù)荷不平衡與燈具設(shè)備，因而，在照明供電優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)解決這三項(xiàng)問題。其中，對(duì)于電壓偏差問題，可采取在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中額外設(shè)置有載自動(dòng)調(diào)壓電力變壓器或是專用變壓器供電的措施。以有載自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器為例，在照明供電期間可以自動(dòng)檢測(cè)電壓值，在實(shí)際電壓值與額定值產(chǎn)生過大偏差時(shí)自動(dòng)執(zhí)行調(diào)壓動(dòng)作，始終保持照明供電電壓的穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于三相照明線路負(fù)荷不平衡問題，根據(jù)線路電流值來選擇適當(dāng)?shù)墓╇姺绞剑缭陔娏髦滴闯^60 A時(shí)選取220 V單相供電方式，在電流值超過60 A時(shí)選取220/380 V的三相四線制供電方式，同時(shí)，合理分配不對(duì)稱負(fù)荷，將最大相/最小相負(fù)荷電流與三相負(fù)荷平均值的偏差控制在15%以下。而對(duì)于燈具問題，以氣體放電光源為例，安裝電感鎮(zhèn)流器，并在不同相序線路中分接同一燈具的相鄰燈管。

2.3 改善照明控制方式

在建筑電氣照明控制設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員預(yù)先做好項(xiàng)目資料分析與現(xiàn)場(chǎng)考察工作，對(duì)不同場(chǎng)所采取差異性的照明控制方式，在滿足建筑照明需求的同時(shí)，起到節(jié)能環(huán)保作用。例如，對(duì)于走道、大廳、樓梯間等建筑公共區(qū)域，應(yīng)采取分區(qū)分組控制方式，將各處區(qū)域的自然采光條件與使用條件作為分區(qū)分組依據(jù)。對(duì)于自然采光條件較佳的區(qū)域，采取感知照明控制方式，設(shè)置一定數(shù)量的光傳感器，持續(xù)感知周邊環(huán)境光照亮度與自然采光條件，在自然光源可以滿足場(chǎng)所照明需求時(shí)關(guān)閉全部照明燈具，在采光條件不佳時(shí)啟動(dòng)部分?jǐn)?shù)量或全部的照明燈具，始終維持一個(gè)恒定的環(huán)境照度。對(duì)于一般照明可滿足照度均勻度要求的場(chǎng)所，則采取單燈控制方式，在場(chǎng)所內(nèi)安裝若干座大功率、高光效的照明燈具。此外，還可在建筑電氣照明系統(tǒng)中安裝時(shí)間控制器，采取時(shí)間控制方式，對(duì)各處建筑區(qū)域分別制定時(shí)間控制方案，由時(shí)間控制器在特定時(shí)間段接通電路來開啟照明燈具，并在燈具開啟后由時(shí)間控制器統(tǒng)計(jì)燈具的持續(xù)工作時(shí)間，在統(tǒng)計(jì)值達(dá)到限定值后斷開電路，從而替代傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式，避免手動(dòng)控制不及時(shí)而增加照明系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間、加大電能用量。

2.4 充分利用天然光源

在傳統(tǒng)建筑電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)體系中，以控制系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷、合理配置光源、采取智能控制方式等作為主要設(shè)計(jì)思路，沒有對(duì)天然光源利用問題加以高度重視，電氣照明系統(tǒng)節(jié)能效果存在進(jìn)一步增強(qiáng)的設(shè)計(jì)空間。因此，在應(yīng)用節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)調(diào)整技術(shù)思路，在方案中采取光電效應(yīng)間接采光或是光線導(dǎo)光采光等措施，做到對(duì)自然光源的高效利用，起到縮短系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、減少電能用量的節(jié)能效果。以光線導(dǎo)光采光措施為例，在建筑電氣照明系統(tǒng)中安裝采光裝置、導(dǎo)光裝置以及漫射裝置，通過采光罩等裝置將室外自然光線采集值光導(dǎo)照明系統(tǒng)中進(jìn)行重新分配，再通過特質(zhì)導(dǎo)光管傳輸至漫射裝置后均勻、高效的照射至室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中，從而解決部分建筑室內(nèi)空間自然采光條件不佳的問題。在一般情況下，相比于人工照明條件，光導(dǎo)照明系統(tǒng)可以將室內(nèi)空間環(huán)境的視覺功效提升5%～20%，并具備直接傳輸自然光線的條件。

2.5 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為解決建筑電氣照明系統(tǒng)的電路功率因數(shù)低下問題，可選擇采取并聯(lián)電容器的優(yōu)化措施，以提高電路功率因數(shù)、減小線損量、充分挖掘電源潛力。例如，在某建筑工程中，初步設(shè)計(jì)方案中擬安裝100盞250 W功率的高壓鈉燈，功率因數(shù)計(jì)算結(jié)果為0.44、供電電流為300 A，線路電壓損耗與功率損耗量遠(yuǎn)超過預(yù)期，因而在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，選擇在電路上并聯(lián)設(shè)置適當(dāng)容量電容器，起到提供容性無功功率、補(bǔ)償感性無功功率的作用。最終，將功率因數(shù)提升至0.8、供電電流降低至141 A，線損量大幅降低，取得理想的節(jié)能效果，且線纜使用期間不易出現(xiàn)溫升過快現(xiàn)象。

無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下問題。第一，補(bǔ)償電容器選用。不同型號(hào)電容器的容量存在差異，如果補(bǔ)償電容器選擇不當(dāng)，將無法在運(yùn)行期間提供足夠的容性無功電流，影響無功補(bǔ)償效果，可選用公式（1）來計(jì)算補(bǔ)償電容器的最佳電容量。

式中：P為電光源有功功率；f為電源頻率；U為供電電源電壓；φ1與φ2分別為補(bǔ)償前后的電壓電流相位值。

同時(shí)，考慮補(bǔ)償電容器與所選光源的適配性問題。以氣體放電型電光源為例，雖然目標(biāo)功率因數(shù)越高則節(jié)能效果越顯著，在電路并接補(bǔ)償電容器后受到電流畸變因素影響，會(huì)抑制功率因數(shù)的提高，使目標(biāo)功率因數(shù)與實(shí)際功率因數(shù)間產(chǎn)生差值。

第二，補(bǔ)償電容器安裝設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑類型來選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容器安裝形式，常見形式分為高壓集中式、低壓局部集中式、低壓集中式、單燈式四類。高壓集中與低壓集中適用于大規(guī)模集中式建筑電氣照明系統(tǒng)，低壓集中適用于辦公建筑、作業(yè)車間等實(shí)施照明單元分片、分路補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)所，單燈式適用于任何照明場(chǎng)所，可以向燈具獨(dú)立提供無功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)所。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在建筑電氣照明設(shè)計(jì)方面，節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用十分必要，是推動(dòng)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展、響應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展號(hào)召的體現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)掌握節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，遵循實(shí)際出發(fā)原則，充分考慮建筑工程特點(diǎn)與照明需求，制定科學(xué)合理的建筑電氣照明節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。