建筑電氣節能設計及綠色建筑電氣技術分析

文／吳宗獻 江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

在我國城市化的推進過程中，建筑業得到了迅猛發展，然而，其對環境的破壞以及資源的消耗日益加劇。對此，我國可從優化建筑電氣節能設計入手，以提升綠色建筑電氣技術的應用水平，從而以踐行綠色建筑的發展理念。建筑用電涉及電力系統配置、照明、采暖等各個領域，保證建筑各種功能正常運轉是電力系統的關鍵任務，為了更好地發揮其節能效益，施工單位需要在電力系統各環節的設計和管理方面做到詳細和完善，以真正實現綠色施工目標。

1.建筑電氣節能設計的現狀

近年來，我國建筑能源消耗逐年遞增，當前已占總能耗的80%-90%，遠超過其他能源，凸顯了建筑節能的至關重要性，尤其在政府采取了積極的政策措施推動下。在各類用電資源的利用與消耗中，不合理的用電設計導致了大量電能浪費，這與國家當前積極倡導的節能與環保政策背道而馳。因此，為了降低建筑工程的能耗，建筑設計人員應逐步加強對電力系統的節能優化，并結合國家政策導向，從能耗角度出發，對建筑資源分配和設備選擇等多方面進行必要優化，而這已經成為當前建筑電氣節能設計的核心理念。這一措施不僅有助于有效減少對電力和煤炭等能源的依賴，也與國家當前倡導的“雙碳”政策和可持續發展戰略的緊迫需求相契合，可以為我國建筑業的可持續發展做出重要貢獻。

2.建筑電氣節能設計及綠色建筑電氣技術中的問題分析

2.1 電力系統配置中的問題

建筑電氣節能設計和綠色建筑電氣技術中的電力系統配置問題包括電力供應可靠性、電力負載管理故障和新能源集成問題。這些問題影響了建筑電力系統的性能和可持續性。具體如下：

一是電力供應可靠性問題。建筑所依賴的電力系統供電線路可能受到極端天氣條件的損壞，如風暴或自然災害，導致停電。這種情況會嚴重威脅建筑內的能源供應可靠性，尤其對于關鍵設備和服務而言，停電可能會帶來嚴重后果；二是電力負載管理故障問題。電力系統中的電路可能出現短路問題，導致設備損壞，或者電力負載不平衡可能導致一些區域的能源過度消耗，而其他區域能源供應不足。這不僅會增加電力系統的維護成本，還可能影響建筑內設備的壽命和性能；三是新能源集成問題。越來越多的建筑采用太陽能電池板等新能源設備來減少對傳統電力的依賴。這些新能源設備可能存在問題，如組件破損或逆變器故障，導致能源供應不穩定等。

2.2 照明系統設計中的問題

在建筑電氣節能設計和綠色建筑電氣技術領域，照明系統設計是一個至關重要的組成部分。然而，在照明系統設計中也存在一些問題，這些問題可能影響能源效率和室內舒適度。包括建筑電氣節能設計和綠色建筑電氣技術的照明系統設計中存在高效照明故障、自然采光限制和照明控制等問題。這些問題對能源效率和室內環境產生不利影響。

以LED 照明系統為例，LED 燈具可能由于質量問題或電路故障而提前失效，從而降低了照明效率。這不僅增加了能源和資源的浪費，還導致了額外的維護成本。此外，自然采光限制也是一個需要重視的問題。建筑中的窗戶或透光材料可能會損壞或受到遮擋，從而減少了室內自然采光的效果。這會增加對人工照明的需求，導致額外的能源消耗。在照明控制方面，自動照明控制系統通常依賴于傳感器來檢測室內光照水平，以實現照明的自動控制，然而，傳感器故障可能導致自動控制系統無法準確檢測室內光照水平，從而影響照明系統的自動控制，這將導致較大的能源浪費或照明不充足的現象。

2.3 暖通系統設計中的問題

隨著社會的不斷發展，建筑行業在追求綠色、節能、可持續發展的同時，也面臨了一系列的挑戰和問題。在這其中，建筑電氣系統設計和暖通系統設計是兩個重要的領域，而今建筑電氣節能設計和綠色建筑電氣技術領域存在一系列問題，包括通風系統研究不足、設計周期過長、成本估算與社會經濟效益不匹配以及運行階段設計的忽視。

首先，建筑暖通系統的設計周期過長是其中之一。傳統的設計流程通常需要很長時間，這不僅增加了項目的成本，還可能導致建筑與技術的不匹配。這種不匹配可能會導致所謂的“重量輕質”，即建筑在運行中的性能與設計預期不符。為了提高設計效率和減少成本，我們需要采用更智能化的設計方法，如建筑信息建模（BIM），以優化設計流程和確保設計的可行性；其次，成本估算與社會經濟效益之間的不匹配也是一個問題。在一些情況下，設計過于側重于降低成本，忽視了建筑的整體性能和節能潛力。這可能會導致建筑在長期內的運行成本過高，遠遠超過了設計初衷。我們需要更全面地考慮建筑的整體成本和效益，以實現綠色和可持續建筑的目標；同時，在暖通系統設計中，設計人員通常只注重施工階段的設計，而忽視了對運行階段的設計。這會導致建筑在實際運行中出現性能問題，例如高能耗。實地調查結果顯示，部分建筑的空調能耗已經高達60%，遠遠超過了目前的相關標準要求。下圖1為某多層文化建筑空調通風及防排煙圖。

圖1 某多層文化建筑空調通風及防排煙圖

2.4 能耗管理系統設計中的問題

隨著電力設施的不斷增加，能源管理的復雜性逐漸上升，維修和管理工作的效率逐漸降低。當在能源管理系統的設計中盲目提高照明標準時，將會導致更大規模的能源浪費。不僅如此，在其設計中的問題還涉及以下幾個方面：

首先，許多用電設備缺乏必要的調控手段，這導致它們可能會在沒有實質需求的情況下超長時間運行，從而浪費大量能源資源。這不僅對環境造成負面影響，還增加了能源開支。因此，引入智能控制技術，確保設備在不需要時能夠有效地停止或進入節能模式，從而減少不必要的能源消耗成為當前綠色建筑節能研究領域的重要議題；其次，隨著技術的進步，越來越多的設備采用了變頻調速技術，這為電網引入了大量諧波，導致電網不穩定和負荷增大的問題。這可能會影響電力系統的可靠性和效率；而各集成設備間動作的不協調、諧波的過量產生和傳播等均影響了電網的穩定性；另外，能耗管理系統設計中的問題還涉及到照明光源的選擇和控制。隨能源管理系統設計中的問題包括設備缺乏調控手段、諧波對電網的不穩定性影響以及照明標準的合理性。

2.5 新能源設備應用方面的問題

一是技術集成難題。不同類型的新能源設備可能不兼容，或者在整合過程中出現技術性問題，例如，太陽能電池板與電網連接問題，導致系統運行不穩定；二是儲能系統問題。儲能系統如電池可能出現性能下降或電池損壞，導致能源儲存能力下降。太陽能電池的使用效率受多種因素共同影響，包括光照強度、光照時間以及組件的工作溫度[4]。在冬季，光照較為有限，這會導致太陽能電池的產能下降。此外，由于分布式光伏電站與電網相連，當電網供電不足時，住宅用電負荷可能導致電力不足，甚至出現停電情況。光伏發電場景如下圖2。

圖2 光伏發電場景圖

3.建筑工程中綠色電氣技術的具體應用對策

3.1 電力系統配置

在建筑物內，各類電器設備的使用關乎電網參數的設置，這一問題具有極高的重要性。從這一角度看，電力節能設計旨在實現更為統一的電網配置規劃，同時針對不同建筑的用電需求進行合理分配，凸顯了建筑用電節能設計的個性化特點。在建筑內部的電源系統設計中，需要根據高低壓供電方式進行分級設計，以確保電能供應的可靠性和效率。電壓等級的劃分應當合理，不應過于復雜，通常以二級或三級為主，以更好地滿足建筑內各種用電設備的電力需求。此外，在電力系統中還需要考慮不同等級之間的電能資源剩余問題。

在某些建筑中，為了保證電力供應的穩定性，備用電源系統的設計顯得尤為重要。在雙路供電方式下，通過增加智能監控和調壓等電氣設備來維護電源系統的運行，使其能夠長時間保持在低能耗的供電狀態，以確保線路供電電壓參數更符合節能需求[2]。電網電壓分配與損耗控制密切相關，但在配置電網資源時，必須確保供電質量，不應盲目提高電網電壓。反之，在保證線路連接的合理性和安全性前提下，應滿足居民用電的220V 標準。

電力節能設計的核心目標在于在滿足各種用電需求的同時，最大化電能資源的利用效率，減少能源浪費。這不僅有助于節約能源成本，還有益于環境保護。因此，優化電力系統配置對于實現建筑節能和可持續發展至關重要。它為建筑工程提供了堅實的基礎，有助于降低能源消耗，提高環保性能，同時降低能源費用[3]，符合可持續發展目標。

3.2 照明系統設計

建筑物的電氣系統中，照明系統扮演著至關重要的角色。為了實現良好的環保效果，施工單位應選擇節能型的照明設備，并進行合理的照明設計。在建筑物的結構設計中，特別需要關注那些對照明要求較高的區域，如起居室、廚房和臥室。通過增加窗戶的數量和面積，使更多的自然光照射到室內，從而降低了對人工照明的依賴。LED 燈具作為一種能源效率較高的照明設備，能夠替代傳統的白熾燈，在減少能源消耗的同時，還具有更好的護眼效果，具有廣闊的應用前景。

在此基礎上，根據不同的功能要求，將室內照明劃分為多個區域，尤其是對照明強度和切換方式進行了優化。在室內空間的布局中，樓梯間的照明需要適度，而在一些地方，如廚房、書房等，則對照明系統有更高的要求。可以采用可調節光源，為用戶提供更多的選擇，降低能源消耗。在照明系統的控制設計方面，不斷涌現出更多創新性思路，例如使用感應開關取代傳統的手動開關，如聲控、紅外感應等，從而縮短燈具的非必要工作時間。

在建筑工程中，要注重節能和環保，以適應城市照明的發展需求。這涉及如何選擇高效的照明設備、進行合理的設計和控制，以最大程度地降低能源消耗，減少對環境的不良影響。綜合利用自然光和高效的人工照明，以實現節約能源和保護環境的目標，從而滿足建筑照明的需求。

3.3 暖通系統設計

在建筑中，暖通系統通常占用最大的能源消耗比例，其中一些暖通設備采用交流電動機。因此，如何進行暖通系統的節能優化變得至關重要，這是設計人員需要特別關注的問題。

在選擇合適的電動機時，必須綜合考慮節能和環保因素。在電力系統中，如果使用交流電動機，再結合無功功率的補償，將大大提高能源的利用效率，降低線路的能量損耗。在進行通風與暖通系統的設計過程中，工程師還需要綜合考慮暖通設備的扭矩、負荷等多方面因素，以實現更全面、系統的節能優化，并確保用戶的采暖和供冷需求得到滿足。在使用交流電動機時，需要特別關注迅速的調節，以達到節約能源的目的。然而，這個參數與電動機的磁極數量和頻率之間有很大的關聯，因此，在選擇建筑內各種電動機裝置時，必須綜合考慮這些因素。通過增加感應裝置，對室內外的溫度情況進行智能識別，并根據暖通設備的實際負載需求，適時調整電動機設備的轉速和其他功能參數，以實現更準確的控制效果和更高的能源利用效率。本項目的研究提出了一種基于多目標協同控制方法，通過綜合考慮多個因素，實現了暖通系統的優化，從而在減少能源消耗的同時，確保了系統的性能和環保要求。

3.4 能耗管理系統設計

在眾多工程項目中，建立智能能源管理體系已經成為一個關鍵的發展方向。特別以電力系統的節能設計為例，這一領域有著廣泛的應用潛力。現代的電力系統不再僅僅是傳統的供電設備，它們已經演變為智能、高效、可持續的工程系統，旨在更好地滿足節能和環保的需求。電力系統的節能設計可以通過監測和分析各種電力設備的運行情況，從而準確識別出能源消耗較大的裝置。這種信息的獲取是實時的，可以通過終端顯示屏等途徑傳達給用戶。用戶在了解這些信息后，可以主動進行調整和優化，及時減少高耗能設備的運行時間，從而降低整體能源消耗。這一節能系統內置了智能分析軟件，利用大數據技術為用戶提供電力消費的偏好信息，使用戶能夠更好地管理和控制其用電需求。例如，一些用戶可能設置了空調的溫度值，當設備的運行超出這一設定溫度時，系統能夠自動進行調整，以維持室內溫度的穩定。

引入能耗管理系統為建筑電力系統的節能利用提供了更廣泛的發展空間，也是建設工程智能化的重要趨勢。這一系統在減少建筑內部電力資源浪費方面發揮著關鍵作用。然而，在設計能源管理系統時，必須根據不同用戶的實際需求進行深入考慮。系統重點關注異常能耗設備的監測與分析，將整個電力系統的運行過程互相連接。這種系統能夠監測終端設備、電源線、電壓元件等的工作狀態。如果電力系統存在潛在的安全問題，能夠及時報警，確保設備和系統的安全運行[1]。

3.5 新能源設備的應用

為了更好地滿足節能和環保的要求，在建筑節能設計中采用的電器節能裝置充分反映了這一理念。通過對已有的建筑設計進行分析，我們可以看出，在進行綠色設計時，使用某些自動化和智能化的設施設備可以有效地控制能源消耗，實現節能的目標[5]。我國在綠色發展方面倡導環保理念，更加關注環境保護。為了實現“綠色、節能、環保”的目標，必須采用更高水平的電力設計理念，應用節能設備，將新能源與節能技術結合起來，以降低能耗、節約能量、發展綠色能源科學技術。實際上，線路損耗與電力消耗之間存在一定差距，因此需要進行合理的線路設計和電力系統規劃，以減少不必要的電量損失。這是推廣綠色節能裝備的一個重要方面。

舉例來說，在中國，越來越多地采用太陽能發電和太陽能熱水器等清潔能源。太陽能是一種可以將陽光轉化為電能或其他形式能量的自然資源。它是一種環保、可持續發展的新型環保能源，符合我國對電能節約的要求[6]。將太陽能應用到建筑物建設中可以極大地減少建筑能源消耗，實現“綠色施工”的目標。

另外，采用光伏發電技術能降低建筑能耗并實現太陽能發電，具有廣泛的應用前景。在建筑設計中，需要綜合考慮本地光照資源、建筑屋頂及周圍地區的特點，為建筑內部預留0.5m 通道間隔，以保證建筑用電，而其余的電量可以直接送入公共電網，并在建筑的電氣系統中安裝儲能裝置。

結語：

綜上所述，建筑物的電氣節能設計工作系統性極強，需要充分考慮綠色建筑電氣技術應用過程中的電力系統配置、照明系統和暖通系統設計等問題。為減少能源損耗，實現更經濟、高效的電力供應，施工單位可以選擇節能的照明設備和暖通空調等，以達到綠色環保的目標；此外，還可以通過新能源設備的合理應用，提升建筑的電氣節能水平。以上對策的應用均符合綠色建筑的施工要求，在我國建筑業可持續發展的過程中發揮著重要作用。