建筑電氣節(jié)能設計及綠色建筑電氣技術分析探討

嚴寶祥

(億嘉和科技股份有限公司，江蘇 南京 210000)

本著“高效節(jié)能、生態(tài)環(huán)保、健康適用”等原則，促使建筑體本身就形成了一定的生態(tài)文明蘊含，如，建筑結(jié)構(gòu)設計中充分考慮自然采光、通風、保暖等條件，大量利用節(jié)能環(huán)保材料及施工技術等，以對沖電氣系統(tǒng)的能源消耗，所以綠色建筑電氣部分的節(jié)能設計，所要兼顧的能耗影響因素更多，即除了考慮常規(guī)建筑電氣系統(tǒng)之外，還要將自然因素、新能源因素考慮進來。

1 建筑電氣節(jié)能設計原則

1.1 實際需求

所謂實際需求，就是要充分發(fā)揮建筑物的使用功能。建筑包括建筑用電。它們的最終用途是為人們服務，并為人們帶來服務。因此，在居住區(qū)內(nèi)，建筑電氣的節(jié)能設計應滿足居住區(qū)內(nèi)居民的要求，如保證居住區(qū)內(nèi)交通管道暢通；滿足電燈、電視等電力設施的用電；確保社區(qū)路燈的照度、色溫和顯色指數(shù)；此外，還有一些特殊要求，如，舒適衛(wèi)生、美觀大方的工藝要求。在滿足這些功能的前提下，電氣節(jié)能設計應合理設計建筑物，進行科學的控制和管理，以大幅度提高能源利用率，避免能源消耗。

1.2 經(jīng)濟適用性

所謂經(jīng)濟適用性，即建筑電氣節(jié)能設計建立在經(jīng)濟實用的基礎上。在項目投資中，必須考慮的一個因素是經(jīng)濟效益，同時還要考慮我國的基本國情和居民的實際需要。項目中不能因為簡單的節(jié)能而盲目使用節(jié)能高科技和高端設備，這不僅造成投資浪費，而且建成的項目可能不能滿足人們的需要。目前，適用于中國的節(jié)能措施是確保投資資金能在幾年內(nèi)收回。

1.3 經(jīng)濟

在建筑電氣節(jié)能設計中，要注意節(jié)約能源，減少不必要的消耗。因此，在建筑電氣節(jié)能設計中，應盡量避免與建筑功能無關的能源。同時，應通過高科技控制手段盡量減少照明和變壓器電源功能的損失。另外，在選擇節(jié)能設備時，應在經(jīng)濟和技術的基礎上熟悉其原理、性能和效果，然后確定節(jié)能設備。

2 建筑電氣節(jié)能設計分析

2.1 建筑電氣節(jié)能設計要契合現(xiàn)代社會的需求

以建筑環(huán)境為參照，建筑體內(nèi)、外電氣系統(tǒng)承擔的功能存在一定差異，如生活功能占主導的社區(qū)中，電氣節(jié)能設計的重心應放在建筑體內(nèi)部，包括中央空調(diào)、電梯、采暖方面，而在生產(chǎn)功能占主導地位的工廠中，電氣節(jié)能設計的中心應放在建筑體外部，如，開放式車間、廠區(qū)照明、食堂及會議廳等公共環(huán)境等。其基本判斷標準，是建筑體內(nèi)、外環(huán)境中能耗較大的部分。同時，要明確電氣節(jié)能設計的意義，不是一味地降低能源消耗，還要兼顧生產(chǎn)、生活等綜合特征，高度契合現(xiàn)代社會的需要，例如，居民家庭電氣節(jié)能設計同時，要兼顧炊事、空調(diào)、廚衛(wèi)等方面的用電需求，在開放式空間內(nèi)要確保路燈亮度、線路通暢等。

2.2 建筑電氣節(jié)能設計要兼顧系統(tǒng)性與整體性

在進行建筑電氣節(jié)能設計中，要充分考慮節(jié)能障礙因素，這涉及到“主導地位”的爭議，即“以建筑為本”還是“以節(jié)能為本”。結(jié)合現(xiàn)狀來看，建筑電氣系統(tǒng)是建筑體的組成部分，人們對于建筑的用途認知并不復雜，無論居住、工作、學習等行為，最直觀地要求建筑提供便捷性、舒適性、安全性等保障，所以電氣系統(tǒng)設計多以建筑實際形態(tài)為基礎設計，反之，“以節(jié)能為本”會限制建筑用途，甚至影響建筑設計、施工、管理的合理性(如，不同地理、地質(zhì)環(huán)境)。所以，一方面建筑電氣節(jié)能設計要兼顧系統(tǒng)性，即在保障“建筑-電氣”匹配性的基礎上，對電氣系統(tǒng)中影響較小的部分展開節(jié)能設計。如，照明系統(tǒng)大量采用LED節(jié)能燈具。另一方面，建筑電氣節(jié)能設計要兼顧完整性，盡可能消除建筑電氣系統(tǒng)中獨立性，如，為公共照明系統(tǒng)增設智能控制模塊、采用變頻式中央空調(diào)。

3 建筑電氣節(jié)能設計主要內(nèi)容

以一般建筑為參照，建筑電氣節(jié)能設計內(nèi)容主要包括“供配電系統(tǒng)”“照明系統(tǒng)”“建筑設備系統(tǒng)”三類。

供配電系統(tǒng)是建筑電氣節(jié)能設計的“基石”，從系統(tǒng)邏輯上分析，一個單體建筑內(nèi)外電氣系統(tǒng)是否運行穩(wěn)定、高效低耗，主要取決于配供電系統(tǒng)供電質(zhì)量，而影響質(zhì)量的因素主要包括諧波含量、功率因數(shù)、三相平衡三方面。

第一，諧波含量控制。由于發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及用電設備的綜合作用，輸送到建筑電氣系統(tǒng)中的電力并非是一直維持50Hz的正弦交流電，其中或多或少夾雜著一定分量的諧波，嚴重影響電氣系統(tǒng)的安全性，同時也會造成額外的能源損耗。例如，諧波電流會造成線纜發(fā)燙、變壓器過熱，相當一部分電力能源被浪費掉，更嚴重的是會影響建筑電氣系統(tǒng)功能體驗。如，經(jīng)常跳閘、燒毀電子元件；基于此，建筑電氣節(jié)能設計時必須重視諧波治理，目前主要采用的方法有兩種，其一是面向電網(wǎng)展開治理，通過運用非線性負載設備來減少諧波電流，但這已經(jīng)不屬于本文探討的范圍；其二，針對電氣系統(tǒng)中的運行設備展開，即在進行電氣節(jié)能設計時，要綜合多方面因素、通過科學計算，將運行設備的供電控制在諧波含量安全的水平。

第二，提高功率因數(shù)。物理學意義上的“功率因數(shù)”是指有功功率與視在功率的比，這一指標對于電氣節(jié)能設計具有重要現(xiàn)實意義。因為建筑電氣設備多為感性負載，自身功率因數(shù)維持在較低水平，考慮到無功功率的存在，就不得不提高視在功率，這就牽涉到電動機、變壓器等裝機容量的持續(xù)上升，同時，功率因數(shù)值低還會造成一定的線路損耗。解決這一問題的方法，目前較有效且較經(jīng)濟的就是安裝無功補償裝置，表1為無功功率補償率。不僅可以有效減少電能損耗，同時電氣系統(tǒng)配備小容量電動機、變壓器即可，整個電氣線路也可以使用截面較小的導線。

表1 無功功率補償率

第三，保障三相平衡。電氣系統(tǒng)中三相不平衡的危害主要有線路損耗、電機附加發(fā)熱及振動、縮減電機壽命等，為保障三相平衡，需要注意以下事項。(1)建筑中用電設備在設計接入220V/380V三相系統(tǒng)時嚴格執(zhí)行三相平衡，杜絕三相負荷不平衡的現(xiàn)象，從根源上實現(xiàn)有效治理。(2)電氣系統(tǒng)進行功能劃分，其中照明系統(tǒng)接入低壓電網(wǎng)供電(220V)，如果電流小于60A可采用單相供電，做到三相平衡供電，大于60A應采用220V/380V三相四線制供電。(3)在電氣系統(tǒng)中安裝平衡裝置。

整體上，建筑電氣節(jié)能設計的一個基礎工作，就是確保供配電系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能，在具體設計時，還要考慮建筑所處實際環(huán)境，綜合供電距離、用電設備、空間分布、負荷量等數(shù)據(jù)，展開諧波含量、功率因數(shù)、三相平衡的綜合治理，在此基礎上最大可能地簡化供配電系統(tǒng)。

4 基于綠色建筑的電氣節(jié)能設計方案

在綠色建筑基礎上展開電氣節(jié)能設計，需要考慮兩個方面：其一是如何配合綠色建筑固有的節(jié)能特征，如，在采光、采暖等方面，綠色建筑通過保溫材料使用、圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，已經(jīng)具備了很好的節(jié)能性。其二是如何引進全新的節(jié)能要素，因為“自然能源”本身就是綠色建筑的一個選項。從以上兩個角度出發(fā)，基于綠色建筑的電氣節(jié)能設計方案主要考慮兩個模塊。

4.1 照明系統(tǒng)設計

綠色建筑照明系統(tǒng)設計不僅要考慮節(jié)能燈具、亮度調(diào)節(jié)、功率密度，還要考慮照明回路中手動控制、自動控制的配合，尤其在較大公共建筑空間中，一方面，為了高效率利用自然光源，采光位置與照明燈具的設計要保持平行，當自然光線充足的狀態(tài)下，手動關閉電力照明系統(tǒng)。另一方面，為了保障建筑照明效果，在自然光源不穩(wěn)定的狀態(tài)下，可通過自動控制裝置，自動調(diào)節(jié)光源亮度、關閉或電量局部燈具，以此實現(xiàn)整體上的照明效果。

4.2 光伏系統(tǒng)設計

在建筑外部、周邊引入光伏系統(tǒng)，利用太陽能發(fā)電減少建筑電力消耗，在當前已經(jīng)具備了很好的技術條件。光伏系統(tǒng)設計中，需要綜合考慮當?shù)毓庹召Y源、建筑屋頂及外圍面積，按照每個光伏組件保持0.5m的通道空間，在建筑上安裝光伏并網(wǎng)逆變器。光伏系統(tǒng)提供的電能，以滿足建筑電氣系統(tǒng)使用為前提，多余部分可以轉(zhuǎn)移到公共電網(wǎng)中，當然建筑電氣系統(tǒng)中也應該搭配儲能裝置。

5 建筑電氣節(jié)能設計的應用

5.1 照明

在電氣節(jié)能設計中，照明是一個非常重要的環(huán)節(jié)。無論在日常生活、工作和娛樂中，都離不開照明功能。建筑電氣節(jié)能設計必須注重照明系統(tǒng)的設計。在設計過程中，我們從節(jié)能環(huán)保入手。首先，在燈具的選擇上，盡量選擇節(jié)能燈具，不僅可以延長燈具的使用壽命，而且可以節(jié)約用電，養(yǎng)成臨時使用照明電源及時關閉或降低亮度的習慣[1，2]。在電氣節(jié)能設計過程中，根據(jù)室內(nèi)空間光源角度、對比度和光線曲線進行嚴格計算，選擇合適的燈具，保證燈具的整體美觀，達到節(jié)能的目的；其次，系統(tǒng)采用感應控制、時間繼電器控制等智能控制手段，在一定程度上縮短了燈具的使用時間。針對不同場景的建筑布置不同的光源，根據(jù)用途和時間設計燈光的亮度和色彩飽和度，并安裝智能控制開關，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)亮度、色溫和顏色。市場上的熒光燈和LED燈可用作光源。其中，LED燈具具有更長的使用壽命和更高的色度，不僅節(jié)約了能源，滿足了綠色節(jié)能的要求，而且使人們有了更好、更舒適的體驗。智能照明設計不僅滿足了建筑電氣節(jié)能的要求，而且使建筑更加美觀、舒適。

5.2 供配電系統(tǒng)設計

供配電系統(tǒng)是密不可分的，供配電設計是電氣節(jié)能的重要組成部分。建筑電氣節(jié)能設計人員的設計基于幸運原則，根據(jù)供配電設備的原始特性和性能、電力負荷、電力容量等進行設計。如果用戶數(shù)量相同，高壓配電等級不得超過II級，低壓配電等級不得超過Ⅲ級[3]。控制供電設備的數(shù)量可以保證建筑物的安全穩(wěn)定。一般來說，選擇合理的電壓系列可以降低能耗，大幅降低電路的危險系數(shù)。

5.3 太陽能的應用

太陽能是我國廣泛應用的清潔能源，如，太陽能充電、太陽能熱水器等。太陽能是一種將陽光轉(zhuǎn)化為電能和其他形式能源的自然資源。無污染、可持續(xù)發(fā)展，完全滿足綠色建筑電氣節(jié)能的要求。太陽能在建筑工程中的應用可以大大降低電能的消耗，實現(xiàn)綠色建筑的理念。

6 結(jié) 語

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)建筑電氣節(jié)能設計是一個宏大且系統(tǒng)的工程，具體到綠色建筑電氣技術運用方面，既要正確取舍、也要大膽創(chuàng)新，但前提必須遵循建筑實際需要。從未來發(fā)展趨勢上看，傳統(tǒng)建筑理念及模式必然改變，綠色建筑是一個重要的發(fā)展趨勢，隨著大量節(jié)能材料、技術的運用，建筑電氣節(jié)能設計在綠色建筑中的運用，必然會在“做減法”(如舍棄不節(jié)能的電氣設備)的同時“做加法”(如引進光伏系統(tǒng))，設計時需要兼顧經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性等多方面需求。