民用建筑電氣設計中的節能措施探析

潘 驍

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司 北京分公司，北京 100020）

1 民用建筑電氣節能設計原則

1.1 實用性原則

考慮不同民用建筑工程的電氣系統組成情況、總體高度、樓層數、結構型式存在明顯差異，如果過度借鑒同類項目設計方案或是盲目開展電氣設計工作，則很難滿足建筑物的實際使用需求。因此，設計人員應遵循實用性原則，提前收集分析工程資料信息，充分了解建設單位所提要求，在其基礎上來確定設計思路、制定電氣設計方案，后續運用建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM）技術開展仿真實驗，判斷電氣設計方案是否滿足建筑物使用要求。

1.2 經濟性原則

推廣電氣節能設計是在不影響建筑物正常使用前提下，降低建筑配套系統的運行能耗水平，進而把建筑物在全壽命周期內的總體使用成本控制在合理范圍內。因此，設計人員應遵循經濟性原則，妥善兼顧電氣節能屬性和工程造價成本，重點考慮到所采取設計措施的實施成本與所取得的節能效益。禁止因過度追求電氣節能效果而忽略實際需求，盲目采取不切實際的設計措施，或是設定過高的電氣節能標準。

1.3 主動節能原則

在早期的民用建筑工程中，設計人員主要秉持被動節能理念，采取選用高效光源、調整變配電所位置等手段，降低建筑系統運行能耗，實際節能效果并未達到預期要求。對此，設計人員應扭轉固有觀念，遵循主動節能原則，通過干預系統運行過程的方式深挖建筑電氣節能潛力，如搭建智能照明控制系統和建筑能耗監測管理系統。

2 民用建筑電氣設計中的節能措施

2.1 供配電系統節能設計

2.1.1 電壓選擇

在現代民用建筑工程中，常用的低壓側電壓等級包括380 V 和220 V，高壓側電壓等級包括6 kV、10 kV以及35 kV，不同電壓等級的適用范圍有所不同。如果設計人員盲目設定供配電系統的電壓等級，則會在系統運行期間產生額外的線路電壓損失，還有可能抬高供配電系統的建設成本。對此，設計人員需要綜合分析用電性質、用電容量、進線類型以及供電距離等多項因素，選擇恰當的電壓等級。例如，在建筑物進線類型為架空線，送電容量為0.1 ～0.2 MV、0.2 ～2.0 MV 或2 ～8 MV 時，分別把系統電壓等級設定為6 kV、10 kV 和35 kV。而在建筑物進線類型為電纜，送電容量為3 MV 時，將電壓等級設定為6 kV；送電容量為5 MV 時，將電壓等級設定為10 kV；送電容量為15 MV 時，將電壓等級設定為35 kV[1]。

2.1.2 功率因數調節

供配電系統回路中分布大量非線性負載，包括開關電源、異步電機等。這類非線性負載持續生成無功負荷，致使回路功率因數有所降低，在輸出相同有功功率條件下的耗電量明顯增多。因此，為改善供配電系統的節能效果，始終將回路功率因數值維持在0.9 及以上，設計人員需要采取無功補償措施來調節功率因數，具體可采取并聯電容器補償和同步電動機補償2 種方式。其中，并聯電容器補償是在系統高壓側以及低壓側部位安裝電容器，持續提供無功補償，需要根據建筑內有功功率和無功功率及負荷系數來計算補償容量；同步電動機補償是在同步電動機處于過勵超前運行狀態下，持續向系統提供感性無功功率，需要根據同步電機的額定容量、補償能力確定無功功率值[2]。

2.2 照明系統節能設計

2.2.1 選用高效光源

光源選擇環節，設計人員綜合分析顯色指數、光效、使用壽命、色溫等多項性能指標，在滿足建筑物照明需求的前提下挑選節能效益最高的照明光源。正常情況下，主要選用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）、熒光燈、金屬鹵化物燈以及高頻無極燈作為照明光源，各類光源的技術指標如表1 所示。其中，LED 燈有著單色性好、體積小、使用壽命長、發熱量低的優勢，相同照明效果下的LED 燈功耗值僅為傳統白熾燈的1/8，適用于設備間、起居室等顯色要求寬泛或是使用率較低的房間，不適用于顯色要求較高的局部區域；熒光燈分為三基色直管熒光燈、緊湊型熒光燈等，有著顯色指數高、啟動快、照度均勻的優勢，適用于層高小于4.0 m 的民用建筑；金屬鹵化物燈有著亮度密度高、顯色性高與光效高的特點，適用于公共空間與特殊用途房間的照明光源，不宜用于普通房間照明光源；高頻無極燈有著使用壽命長、可見光高、無頻閃現象、色調可選的優勢，適用于大廳等局部區域作為照明光源。

表1 民用建筑常用照明光源的技術指標

2.2.2 照度控制

在早期民用建筑工程中，設計人員沒有根據建筑類型來確定照明光源的照度標準，存在照明光源隨意選配的問題，這不但會增加照明系統運行負荷，還無法營造舒適的照明環境。因此，設計人員必須嚴格遵循《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）等規范文件，結合工程實際情況來控制照明照度，并把實際照度、標準照度的偏差控制在±10%以內。例如：對于住宅建筑，將起居室一般活動區的照度標準值設定為20 ～50 lx，餐廳與廚房的照度標準值設定為20 ～50 lx，衛生間的照度標準值設定為10 ～20 lx，樓梯間的照度標準值設定為5～15 lx；而對于辦公樓建筑，將辦公室和會議室的照度標準值設定為100 ～200 lx，設計室與打字室的照度標準值設定為200 ～500 lx，門廳的照度標準值設定為30 ～75 lx[3]。

2.2.3 智能照明控制

為突破傳統人工控制方式的局限性，設計人員需要在照明系統內安裝可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等設備，搭建智能照明控制系統，由系統持續感知所處環境并調整照明模式。例如，在走廊、樓梯間等公共區域采取動靜感應和亮度管理方式。動靜感應是在檢測到周邊人體移動后臨時開啟局部區域內的照明燈具，亮度管理是根據周邊環境自然采光條件來調節燈具亮度。同時，使用者可以提前在系統內設定照明燈具的啟閉時間，到達約定時間節點后，系統自動開啟或關閉照明燈具。

2.3 配電線路節能設計

2.3.1 縮短線路總長度在供配電系統運行期間，電力從變配電所向終端用電設備傳輸期間會產生一定的線損量，供電距離越長，則線損量越大、實際用電成本越高。因此，設計人員需要根據建筑物布局方案來計算變配電所的最佳位置，優先在臨近負荷中心區域內布置變配電所，并采取直線走線方式，以此來縮短供電線路長度、減少線損量。正常情況下，需要將民用建筑的供電半徑控制在200 m 內。

2.3.2 電纜選材

導電率是衡量電纜質量的重要技術指標，電纜導電率越高，則線組值越小，在供電期間不會產生過多損耗。因此，設計人員需要在方案內優先使用導電率較高的電纜，如銅芯電纜。同時，如果采用銅芯電纜時面臨造價成本超限問題，則設計人員可采購價格略低的鋁芯電纜。

2.3.3 電纜截面設計

電纜橫截面積是電阻值的重要影響因素，如果截面過小，則會出現提高用電負荷、嚴重發熱、頻繁跳閘的后果，而截面過大則會造成抬高工程造價成本的后果。因此，設計人員需要根據民用建筑工程情況來計算電纜最佳截面積，按照長期允許載流量、經濟電流密度或是短路電流大小進行計算。隨后，在確定電纜截面積后，需要通過公式計算來校驗電纜是否滿足熱穩定性要求，如果未滿足這一要求，則需要適當增加電纜截面積[4]。

2.4 建筑設備節能設計

2.4.1 變壓器

在變壓器選型環節，設計人員應結合工程情況來確定最佳的容量和運行方式。首先，對于變壓器容量，根據已掌握信息來計算變壓器在最高運行效率情況下的負荷系數，要求變壓器容量處于最高效率點周邊區域，并在其基礎上額外預留一定比例的冗余容量，以滿足變壓器在民用建筑全壽命周期內的擴容需求。其次，對于變壓器運行方式，傳統的單臺獨立運行、多臺并列運行存在明顯的局限性。其中，單臺獨立運行有著運行靈活性差、多數時段內未處于經濟運行區的局限性，多臺并列運行存在控制難度大、建造成本高昂的局限性。可選擇采取2 臺雙繞組變壓器并列運行方式，低負荷狀態下由空載損耗較小的變壓器獨立運行，高負荷狀態下切換空載損耗較大的變壓器獨立運行，特殊情況下則切換為2 臺變壓器并聯運行的模式[5]。

2.4.2 風機水泵

在風機水泵設計環節，為保持電動機運行狀態和實際運行需求的匹配狀態，避免因電動機長時間保持恒定狀態而造成不必要的能源損耗，設計人員需要應用變頻調速技術，在風機水泵內安裝變頻調速電機來取代傳統型號的拖動電動機，根據運行需求來實時調節電機轉速、風機風量，并具備軟啟動功能，可以取得十分顯著的節電效果。

2.4.3 電 梯

在電梯節能設計環節，設計人員根據電力驅動方式來制定配套的節能設計方案。例如，對于直流驅動電梯，選用新型永磁同步無齒輪曳引機來取代傳統的直流電動機，并加裝控制器來搭建變頻驅動控制系統。對于交流調壓調速驅動電梯，由脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）能量反饋單元替代原有的直流制動單元，該單元具備自適應控制反饋能力，將電梯重載下行、輕載上行期間回饋的勢能轉為電能后輸入直流回路電容中。

3 結 論

為建造真正意義上的綠色建筑，推動我國建筑行業邁入節能環保的全新發展階段，建筑企業和設計人員都應提高對民用建筑電氣節能設計的重視程度，嚴格遵循實用性、經濟性、主動節能的基本原則，掌握供配電系統節能、照明系統節能、配電線路節能以及建筑設備節能等節能設計措施，在滿足使用需求的同時，將民用建筑運行能耗水平、全壽命周期用電成本壓制在最低程度。