基于智能控制技術的建筑電氣系統優化設計研究

趙明磊

（中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，西安 710000）

0 引言

隨著社會的發展和科技的進步，建筑電氣系統在現代建筑中扮演著至關重要的角色。傳統的建筑電氣系統設計主要依靠經驗和規范，缺乏智能化和自適應性。然而，隨著能源消耗和環境問題的日益突出，對建筑電氣系統的能源利用效率和環境友好性提出了更高的要求。因此，基于智能控制技術的建筑電氣系統優化設計成為了一個重要的研究領域。傳統的建筑電氣系統設計存在一些問題，如能源浪費、不適應變化的負載需求、缺乏智能化控制等。因此，本研究的動機和目的是解決這些問題，提出一種基于智能控制技術的建筑電氣系統優化設計方法，以提高能源利用效率、適應變化的負載需求、實現智能化控制。在傳統的建筑電氣系統設計中，缺乏智能化和自適應性，無法根據實際需求進行靈活調整和優化。此外，傳統的設計方法也沒有充分考慮到建筑內部的能源流動和負載需求的變化。因此，需要提出一種新的方法和思路，通過智能控制技術來解決這些問題。本研究將探索基于智能控制技術的建筑電氣系統優化設計方法，通過傳感器和智能設備，實時感知建筑內部的能源流動和負載需求，為優化設計提供準確的數據支持。

1 智能建筑電氣

1.1 智能建筑自動化管理系統

智能建筑自動化管理系統是一種基于電氣控制和自動化技術的智能化建筑管理系統，通過將各種設備和系統聯網集成，實現對室內環境、安防、照明、通風等方面的全面監測和控制。智能建筑自動化管理系統可以提高建筑物的運行效率、節能水平和舒適度，并為用戶提供更便捷、智能化的生活和工作環境。

智能建筑自動化管理系統的工作原理是將各種設備和系統連接到一個中央控制器上，通過網絡通信實現數據傳輸和指令發送。中央控制器可以根據預設條件或用戶需求，自動調節建筑物內部的各種系統和設備，從而實現對空氣質量、溫度、照明、安保等方面的有效管理和控制。

1.2 冷、熱電聯產系統

冷熱電聯產系統是CHP 系統，能高效利用能源，同時產生電力和熱能，并回收廢熱滿足建筑和工業設施的電力、供熱和制冷需求。采用燃料燃燒驅動發電機產生電力，同時產生熱能，通過熱回收技術將廢熱轉化為供暖或制冷所需的熱能。

2 智能建筑電氣系統存在的問題

2.1 變壓器節能問題

變壓器在工作過程中會產生一定的電能損耗，包括鐵損和銅損。這些損耗會導致能源浪費，降低系統的能效。尤其是老化的配電變壓器，其損耗量更為顯著。由于配電變壓器的長期使用和缺乏維護，容易出現老化現象。老化的變壓器會造成電能轉換效率下降、熱損耗增加等問題，進一步增加能耗量。

2.2 供配電線路節能問題

供配電線路中導線存在電阻，導致電能傳輸損耗，長距離輸電或高負載情況下損耗更顯著。智能建筑供配電系統中電力負載可能不平衡，導致部分線路過載，造成能源浪費。無功功率損耗也會導致能源浪費，主要由電容器和電感器引起。

2.3 照明系統節能問題

傳統的照明設備，如熒光燈和鹵素燈等，能效較低，能源利用率較低，造成能源浪費。一些建筑物在照明設計時存在過度照明的情況，即使用過多的燈具或超高照度要求，導致能源不必要地被浪費。很多場所存在照明時間控制不準確的問題，即燈具在無人或不需要照明時仍然持續運行，造成能源浪費。許多智能建筑缺乏對照明能耗的全面監測和管理，難以及時發現和解決照明系統中的節能問題。

3 智能建筑電氣節能控制技術及其優化

3.1 配電變壓器節能控制

根據實際負載情況，合理選擇變壓器容量。過大的容量會導致變壓器運行在低負載率下，效率低下；而過小的容量則容易導致過載，損耗增加。根據這一特點，變壓器的綜合損耗可以轉化為公式（1）。

合理分配負載，避免某些變壓器負荷過重，造成不平衡。通過監測和調整負載分配，使各個變壓器處于相對較平衡的負載狀態，提高整體效率。如表1 所示。

在表1 中，根據實際智能建筑電氣工況條件，設定了上限數值為0.75。根據負載率的不同范圍，將工況劃分為了三種區域：經濟運行區域、節能經濟運行區域和惡劣運行區域。經濟運行區域：負載率在0.75 到1.0 之間。此區域表示電氣系統在經濟資源利用和運行效率方面處于較好狀態。節能經濟運行區域：負載率在0.5 到0.75 之間。該區域表示電氣系統在節能的前提下，仍能保持經濟運行的狀態。惡劣運行區域：負載率低于0.5。該區域表示電氣系統處于過載或嚴重不平衡的不良狀態。

3.2 供配電線路節能控制

供配電線路的節能控制可以采用無功補償措施，以提高電氣系統的功率因數，減少無功功率損耗，從而達到節能的目的。通過在供配電線路中安裝電容器組成的無功補償裝置，補償線路中的感性無功功率，提高功率因數。電容器組應根據實際負載情況和功率因數要求進行合理的設計和安裝，如圖1。

圖1 電氣設備供電線路就地無功補償布設結構

3.3 照明系統節能控制

不同類型的光源具有不同的效率，如白熾燈、熒光燈、LED 燈等。LED 燈具有較高的光效和較長的壽命，相對而言更加節能。合理的照明設計可以最大限度地利用光源的發光效果，減少能量浪費。包括燈具選擇、燈光布局、照明設計標準等。光控技術可以根據環境光強度的變化自動調節照明亮度，避免不必要的能源浪費。通過調整照明系統的亮度，根據實際需要提供適當的照明效果。調光技術可以實現按需供應光照需求，減少能源消耗。

4 應用于教學樓案例分析

4.1 項目概況

普通教學樓共四層，東西向長度為72m，南北向長度為81m，結構形式為框架結構，總建筑面積11664m2。建筑為地上四層，一層層高為6.0m，二至四層層高為4.5m，室內外高差為0.45m。一層體積34992 立方米，二至四層體積26244 立方米，建筑物外表面積4536 平方米，建筑物體積61236 立方米，建筑物體形系數約為0.074。圖2 為智能建筑電氣自動化控制系統實現功能界面。

圖2 自動化控制系統實現功能界面

4.2 供電系統概況

該建筑物的供電系統通常會連接到當地的電網，通過電力公司提供的電源進行供電。在主配電室中，會安裝配電板，用于將電能分配到不同的電路和設備。配電板通常包括主斷路器、分支斷路器和熔斷器等保護裝置。供電系統會使用電纜和電線將電能傳輸到各個樓層和房間。電纜和電線的規格和容量會根據負載需求和電氣規范進行選擇。供電系統會為建筑物的照明系統提供電能。照明系統包括室內和室外的照明設備，如燈具、燈泡等。為建筑物中的動力設備提供電能，如電梯、空調系統、暖氣系統等。為了應對突發情況，建筑物通常會配備備用電源，如發電機組或UPS（不間斷電源）系統，以確保關鍵設備的持續供電。

表2 優化前后數值對比

通過優化設計后，主配電室的空間利用率提高了10%，配電板的能耗減少了20%，照明系統和動力設備的能效分別提升了33.3%和5.9%，備用電源成本也減少了25%。這些變化表明，在優化設計后，建筑物的供電系統在功能提升的同時也降低了相關成本。

功能提升：

原設計中，教學樓的照明系統使用傳統的白熾燈，能效較低。通過優化設計，將照明系統升級為LED 燈具，能效更高，能夠提供更明亮的照明效果。LED 燈具的壽命也較長，減少了更換燈泡的頻率和維護成本。

原設計中，教學樓的動力設備沒有備用電源，一旦發生停電，會導致設備無法正常運行。通過優化設計，增加了UPS 系統，可以在停電時提供持續供電，確保關鍵設備的正常運行。

成本降低：

通過將照明系統升級為LED 燈具，能夠降低能源消耗，減少電費支出。LED 燈具的能效較高，相同亮度下消耗的電能更少。LED 燈具的壽命較長，相比傳統白熾燈，更換燈泡的頻率減少，從而降低了維護成本。通過增加UPS 系統，可以避免停電造成的生產中斷和損失。雖然UPS 系統的投資成本較高，但可以保證關鍵設備的持續供電，減少停電帶來的損失。

4.3 照明系統

根據教學樓的功能和使用需求，照明系統的布局應充分考慮到照明的均勻性和舒適性。在公共區域，如走廊、樓梯間和大廳等，應設置適當數量和位置的熒光燈，以確保足夠的照明強度和良好的視覺效果。

通過優化后的設計（見表3），我們提升了教學樓照明系統的功能性，從80%提升到了90%，并且成功地降低了成本，從100,000 降低到了90,000。這些改善都是在保持良好視覺效果和照明均勻性的前提下進行的。此外，由于采用了高頻節能型鎮流器和TS 節能型高頻熒光燈，整個教學樓的能耗也得到了有效降低，進一步提升了設計的可持續性。

表3 優化前后功能性和成本對比

4.4 空調系統

教學樓的空調系統是為了提供舒適的室內溫度和空氣質量而設計的。采用中央空調系統，該系統由一個或多個中央空調機組組成，通過空氣管道將冷（熱）空氣輸送到各個教室和公共區域。中央空調系統中的冷卻劑循環負責冷卻空氣并將熱量排出建筑物。冷卻劑循環通常包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等組件。通過風管系統將冷（熱）空氣輸送到各個教室和公共區域。風管系統包括供風管道和回風管道，通過風口將冷（熱）空氣送入室內，同時將室內空氣排出。配備溫度控制裝置，可以根據需要調節室內溫度。溫度控制裝置可以根據室內溫度和設定溫度自動調節空調系統的運行。為了保證室內空氣的新鮮和循環，教學樓的空調系統配備新風系統。新風系統通過引入新鮮空氣，并通過空氣處理設備進行過濾和調節，以提供良好的室內空氣質量。

表4 優化前后空調系統對比

改進前的空調系統需要手動調節溫度，空氣質量只能進行基本過濾，能耗較高，噪音較大，并且維護成本也較高。而改進后的空調系統具有自動調節溫度的功能，空氣質量得到了提升，采用了更高效的過濾系統，能耗降低了10%，噪音減小了20%，同時維護成本也降低了15%。這些改進使得教學樓的空調系統更加智能、節能和環保，為師生提供更舒適的室內環境，并且在長期運行中降低了成本。

5 結論

基于智能控制技術的建筑電氣系統優化設計研究，旨在提高能源利用效率和系統效能。文章主要介紹了智能建筑電氣系統存在的問題，包括變壓器節能問題、供配電線路節能問題、照明系統節能問題和電機拖拽系統節能問題，并提出了相應的節能控制技術，如配電變壓器節能控制、供配電線路節能控制、照明系統節能控制和電梯拖拽系統節能控制。在第四部分，以教學樓為案例進行分析，包括項目概況、供電系統概況、照明系統和空調系統。通過分析教學樓的能源消耗情況，提出了相應的節能措施，如采用LED 燈具、光控技術和調光技術等。這些技術可以有效地降低能源浪費和提高系統運行效率，為建筑設計、電氣工程等相關領域提供實用的技術方案和操作建議，推動建筑節能和可持續發展。