綠色建筑電氣節能設計研究

谷 葉

（民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335）

今年3月1日，住建部印發《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》，明確到2025年，城鎮新建建筑全面建成綠色建筑。隨后，各省市陸續出臺相關政策法規，明確各地綠色建筑發展重點任務。在碳達峰、碳中和目標下，綠色建筑已成大勢所趨，綠色建筑設計必將大有可為。可以從多方面考慮綠色建筑電氣部分的節能設計，采用不同的方法，達到增收節支的目的。如供配電系統合理規劃設計、照明系統節能設計、變壓器選型、建筑能耗監測與管理、可再生能源利用等。不同建筑的電氣設計應根據建筑功能和特點進行，平衡節能效果和投資預算。

1 供配電系統合理規劃設計

以民用機場為例，機場重要性高，具有各種專業性功能要求的設施，如空調和泵類等動力設備，以及安檢、安防、電梯等工藝設備等。其供配電系統必須完善且節能，可從以下幾個方面進行規劃和設計。

應確立合理的送電電壓等級。送電線路的損耗與送電容量、送電距離成正比，與送電的電壓等級成反比。合理電壓等級、送電的容量、供電的距離見表1。

表1 電壓等級、送電容量和供電距離關系

應合理配置變壓器的容量和臺數。進行綠色建筑的用電負荷計算時，應首先考慮更貼合實際情況的利用系數及算法，必須采用需要系數法計算時，應盡量降低設備需要系數Kx，達到減少計算負荷，節省配電系統建設投資的目的。在保證電力需求的條件下，變壓器負荷率不大于85%，一般為60%。合理分配用電區域，變壓器靠近負荷中心，減小供電半徑，并考慮效率和輸出功率因數。

合理規劃供電線路、電纜截面面積。航站區和飛行區是民用機場的主要區域。航站區域內的建筑物相對分散，相同的負荷等級（1～3級）的設施設備的用電量可從附近同級建筑物中選擇；飛行區內的供電距離較遠，應合理規劃供電線路，盡量以直線為主，避免不合理的浪費。同時，為了提高設備的絕緣性能，當線路過長時，可以選擇大斷面的線路，保證線路的熱穩定性，做好降壓以及線路的保護，保證設計的安全節能。應使三相負載盡可能平衡，負荷功率因數較低時應設置無功補償。不平衡的三相負載會產生零序電流，輸電線路線損增加；導致電動機負載發熱，使絕緣更易老化。

2 電氣照明節能

進行照明系統設計時，首先應根據工作、生產的特點和作業對視覺的實際要求合理選擇照度、控制照明功率密度。既要遵循設計標準，又應因地制宜，結合切合需要、確定節約用電的照度水平。

在設計中，根據國家現行相關標準中的要求來選用照明光源，并且選用符合節能評價值的高效光源。傳統光源主要包括白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈等。其中，白熾燈由于能效低、發熱量大已被淘汰；熒光燈含有汞，會污染以及危害環境，因此逐漸被LED光源取代；高強度放電燈主要包括高壓鈉燈以及金屬鹵化物燈，分別用于室內外、汽車、國防等一般照明和特殊照明，雖然仍有一定的市場，但它們也逐漸受到LED光源的影響。

與傳統光源相比，LED光源燈具的發光效率高達90 Lm/W，電光功率轉換率接近30%；它是一種固體冷光源，使用壽命是傳統光源的10倍以上，由可回收的無毒材料制成；同時還具有發熱量低、多色溫可選、顯色指數高、無頻閃等優點。

傳統的手動控制照明系統很難滿足人們對照明舒適性和綠色節能的雙重需求。而智能照明控制系統將LED光源可調光的優點與近年來快速發展的物聯網計算機控制技術結合起來，利用傳感器獲取環境信息，輔以智能控制策略，可以實現遠程控制、場景控制、自動照度控制、自動開關控制等功能，避免過度照明和長期照明等現象，達到節約照明能耗、提高照明舒適度、提高建筑物智能化水平的目的。

以某交通中心及地下停車場項目為例，地上部分為客運交通中心，地下部分為近2萬m2的地下車庫。地下車庫照明的電力消耗本質上是一個電源管理問題。地下車庫不是人們的主要活動場所，人們在車庫的活動一般僅限于停車和取車，照度要求不高，達到75Lx既滿足規范要求。該項目采用一種基于物聯自組網感應節能燈的智能照明系統方案。所采用的LED燈具自帶集成的智能芯片進行點亮控制，自帶一套紅外感應模塊或雷達波模塊，用于感應車輛及行人；自帶通訊模塊，同時搭配網關，可利用無線MESH技術自組網絡，也可通過網關進行集中控制；燈具亮度1%～100%可調。

當任意一盞燈感應到人車移動時，會聯動周圍15～60 m（可調）內其他光源同時進入高亮度照明狀態，為人車周圍提供足夠距離的照明空間，活動的人車可一直處于燈光中心圈內，照明體驗良好。當檢測到人或車輛已離開后，燈具首先進入50%功率模式，等待15秒后車道燈進入10%微亮狀態，車尾燈熄滅。經實際測試，該項目智能照明系統與傳統的燈具常亮模式相比，可實現71%～85%的節電率，按2萬m2地庫計算，每年可節約電費約30萬元。

圖1 地下車庫調光策略示意圖

智能照明控制系統主機設于地下車庫值班室內，可通過網關采集每盞燈的感應次數、時間、感應狀態，并在某盞燈具出線故障時自動提示管理員故障燈位置，以便及時進行更換；同時可自動采集電能耗記錄圖表，可按小時、日、月、年查看，自動生成數據對比報告。

3 能耗分項計量與分析系統

根據國家分項計量導則的要求，照明插座用電、動力用電、空調用電和其他特殊用電幾項內容均屬于建筑用電。通過對各分項用電的實時監控，可以掌握分項能耗實際情況，及時發現用電的異常情況。利用智能信息技術挖掘節能潛力，可分析不同時期、不同分支的綜合能耗，發現設備匹配的不合理，通過互聯網與建筑控制相結合實現“節能監管+最優控制”。

能耗分項計量系統的主要組成部分包括末端的用電計量裝置、數據收集器以及系統服務器。電路的電流、電壓、功率等參數需要通過公共建筑用電計量裝置進行實時測量，電能表的額定精度不低于1.0級，且支持數據的遠程傳輸；電流互感器精度等級不低于0.5級，可監測有功功率或電流，采用標準串行的電氣接口。系統中的數據采集器用于各種用能計量表的實時數據采集，低功耗嵌入式系統滿足電磁兼容相關的性能規范，且具有數據采集、處理、存儲、遠程傳輸等等功能。

能耗分項計量與分析系統進行能耗評價的重要途徑，是能源管理的基本組成部分。必須依靠能源管理系統來及時有效地處理能源分項測量分析系統中發現的問題，實現真正意義上的節能和環保的目標。

4 可再生能源的應用

綠色建筑要求在其生命周期內，應有效減少能源消耗。使用可再生能源這一需求是契合的，不僅可以替代煤炭等傳統能源，減少污染物的排放，對可持續發展也具有深遠意義。

4.1 太陽能

隨著光伏產業技術的進步，將太陽能轉化為電力的成本已降至非常低的水平。太陽能相對清潔，易于安裝和后期維護，是一種成本低、可靠性高的新能源。

太陽能利用有兩種方式。第一種是被動式太陽能應用，是指通過太陽能的傳熱效應收集太陽能，然后通過建筑物內的熱交換提供給用戶的應用，如太陽能熱水器、太陽房采暖系統等，優點是成本低，同時便于維護，缺點是轉化效率偏低。第二種常見的應用是太陽能應用，它是通過將太陽能轉化為電能來使用的，簡稱光伏發電系統。

光伏發電系統主要由光伏組件（太陽能電池板）、光伏控制器、逆變器、監控系統以及負載等組成，分離網型和并網型兩類。離網型光伏發電系統獨立運行，系統簡單，但需要設置專用于儲能的蓄電池組，缺點是蓄電池體積大、維護難度高。并網型光伏發電系統與市電并行運行，陽光輻射能較強，發電功率大于所需時，電能由光伏發電系統饋入電網；在夜晚、陰雨等光伏發電功率較小的情況下，建筑物內負荷改為由市電供電。這種模式的光伏發電系統具有功率損耗低、電網調峰等優點，更具有發展潛力。

結合綠色建筑的特點，光伏發電可與建筑體結合，形成建筑一體化光伏發電系統（BIPV）。常見的有將太陽能電池與建筑材料合二為一，成為一塊建筑材料，如光伏采光頂，這種安裝形式可有效利用屋頂空間，受其他建筑物遮擋概率低，受光照時間長；在已建成的建筑物上加裝光伏系統時，可以在現有建筑的基礎上增加光伏組件的安裝，安裝位置可選擇水平屋頂、坡面屋頂、墻面等處。

在公共建筑中，照明負荷不受季節影響，需求比較穩定，最適合使用光伏發電系統供電。對于部分建筑室內區域，白天不能正常接受陽光而需要覆蓋照明設備的，光伏發電系統可以高效工作，最大限度地發揮作用；對于夜間戶外景觀照明需求，可以連接電池儲存白天產生的電能，達到夜間照明的效果。工業負荷情況復雜，不確定性較高；動力負荷沖擊電流較大，同時具有隨時間、季節波動的特點，均不建議使用光伏系統供電。

結合使用主動式、被動式兩種太陽能利用技術，可以最大限度保證建筑的電能、熱能的供應，構建節能型建筑對于減少對傳統能源的需求是可行的，為未來建筑的發展提供了新的思路，也能保證可持續發展的戰略建筑目標。

4.2 地熱能

地熱能是一種常見的能源，大量的熱能儲存在地球的內部。地球從太陽中接收到的能量大約是全球總能源消耗的2 000倍，地表10 m以上的地表溫度是受大氣環境影響的，10 m以下不受大氣環境影響。因此，淺層的地熱資源豐富、分布廣泛，溫度是穩定的（略高于當地平均溫度3～5℃），是一種存量豐富的能源儲備形式。

淺層地熱能的利用主要借助地源熱泵完成，這種能源可以通過熱能的方式對建筑進行制冷、供暖，從而達到節能減排的目的，還可以有效解決太陽能利用率受天氣影響的問題，同時地表熱能受氣候的影響較小，建筑施工也不會影響建筑的外觀，因此適用性比較強。

4.3 風能

風能是一種可再生的清潔能源。風力發電是將風的動能轉換成機械能，機械能轉化為電能。風力發電所需的設備被稱為風力發電機組。

小型風電場在建筑中的應用主要體現在以下兩個方面。一個是在城市里的高層建筑之間，第二是建筑物樓頂。高層建筑兩樓之間的墻體是垂直的，風通過時，比開闊區域更集中，可將風力發電效果提高25%；建筑物樓頂安裝的小型風力發電系統一般作為獨立電源，向建筑物供電。與光伏發電系統類似，其發電功率具有強時變性，需電池組配置為照明負載供電。

4.4 生物質能

地球上的生物質能資源豐富，光合作用每年產生1 730億t生物質能。隨著綠色節能的倡導，生物智能的應用潛力也有所提高。然而，由于原材料收集困難，生產技術不成熟，我國生物質能的利用率仍處于較低的水平。

將生物質能轉化為固態、液態、氣態的燃料加以利用是常見的生物質能應用方式主要。目前在一些生物質能豐富的地區已實現了建筑一體的生物質燃氣系統。

5 結束語

綜上所述，在建筑電氣設計的過程中，相關設計人員要在滿足建筑實際性能要求的前提下，應用綠色建筑電氣技術，如上述提到的供配電系統、照明系統和能耗分項計量與分析系統的應用可以加強環境保護以及減少大型設備的能源消耗，以實現節能減排的最終目標。