绿色建筑电气设计要点分析研究

孔 嵩

1. 北京交通大学， 北京 100044； 2. 北京市建筑设计研究院， 北京 100045

引言

我国正处于经济快速发展阶段，作为大量消耗能源和资源的建筑业，必须发展绿色建筑，改变当前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承担起可持续发展的社会责任和义务。中国碳排放占全球18%，已超美国成为世界第一大碳排放国，在工业、建筑、交通三大领域应用低碳技术和加强节能减排是当务之急。尤其是建筑领域，一次性能源消耗中30%用于建筑，而在城市中这一数据高达60%。为应对全球气候变化，我国政府承诺到2020年单位GDP二氧化碳排放要比2005年降低40% ～45%。中国节能面临巨大挑战，尤其是在中国的大规模城市建设时期，实现建筑的绿色、节能设计成为我国完成节能减排目标的重要突破口之一。

推进绿色建筑是发展节能省地型住宅和公共建筑的具体实践。党的十六大报告指出我国要实现“可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”。发展绿色建筑必须牢固树立和认真落实科学发展观，必须从建筑全寿命周期的角度，全面审视建筑活动对生态环境和住区环境的影响，采取综合措施，实现建筑业的可持续发展。如何实现绿色建筑设计中的电气设计，将是广大设计师关注的问题。

1 绿色建筑定义及相关规定

1.1 定义

绿色建筑是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源 （ 节能、节地、节水、节材 ） 、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。绿色设计（Green Design），又称生态设计（Eco-Design）、面向环境的设计（Design for Environment），考虑环境的设计（Environmentally Conscious Design）等，是指利用产品全生命周期过程相关的各类信息（技术信息、环境信息、经济信息），采用并行设计等各种先进的设计理论和方法，使设计出的产品除了满足功能、质量、成本等一般要求外，还应该具有对环境的负面影响小、资源利用率高等良好的环境协调特性。

1.2 标准

绿色建筑是追求自然、建筑和人三者之间的和谐统一，其设计的重点是环保（绿色）和节能 ，而绿色建筑中电气设计亦应围绕这两个主题进行，和这两个主题相关的国家和地方现行标准、规范有如下版本。《绿色建筑评价标准》 GB/T 50378－2006 ；《绿色照明工程技术规程》DBJ01-607-2001；《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005；《公共建筑节能改造技术规范》JGJ176-2009；《建筑节能工程施工质量验收规范》GB50411-2007；《公共建筑节能设计标准》DB11/ 687-2009，《全国民用建筑工程设计技术措施》节能专篇－电气。

2 《绿色建筑评价标准》中电气设计条款分析

我国在《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2006中确立了住宅建筑和公共建筑的绿色建筑基本要求和评价与等级划分。标准中分别对住宅建筑和公共建筑列出控制项的要求，并按满足一般项数和优选项数的程度，划分为三个等级。相关技术规定详见表1。

表1中控制项为绿色建筑电气设计的必备条件；一般项和优选项为划分绿色建筑等级的可选条件；其中优选项是难度大、综合性强、绿色度较高的可选条件。

从表1分析看出，无论是住宅还是公建，其中必备的控制项在我们以往的设计中已经参照国家节能、照明等标准中的相关规定在执行，且很容易达到；而在一般项和优选项内的计量和智能化系统及设备管理系统设计亦在相应标准的住宅和公共建筑中普遍体现；那么单从《绿色建筑评价标准》而言，绿色度较高的电气设计的重点、难点和今后的发展方向无疑是在可再生能源利用这个单元体现了。

3 环保电气设计

未来的能源结构应是一个持久的、可再生的、干净的体系。环保的电气设计应该关注的方向是绿色能源—可再生能源的利用，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些绿色理念已逐步运用于现代建筑之中，运用较多的是太阳能和风能，例如：英国诺丁汉大学分校采用玻璃顶盖的中庭将若干建筑物串联，中庭玻璃所采用的半透明太阳能光电板每年所产生的电能约45MWh，可供建筑物整年机械通风电能的需求；广州的珠江大厦，配有风力涡轮机以及太阳能电池板，这座高达310m的建筑号称有史以来最节能的超级摩天大楼；上海世博会主题馆，采用了单体面积3万多m2的太阳能屋面、世博轴上的“阳光谷”具有为地下空间引入自然光、自然通风和雨水收集等功能。太阳能、风能既是当前绿色建筑可实施的近期补充能源，又是未来的能源基础，而阻碍太阳能、风能发电的主要因素是价格和并网系统的技术问题。

表1 标准中对住宅建筑和公共建筑设计指标的要求

3.1 发电成本比较

时代的发展对建筑的复杂程度和功能要求更高、更难、设计技术更多样化，前期多方案的可行性研究和综合造价的比较日益成为工程建设的重点，以下是各种不同形式的发电成本经验数据列表。

表2 煤电、水电、核电、风电、太阳能发电等各种不同形式的发电成本比较

根据以往具体工程案例分析，风能发电和太阳能发电的成本回收常常需要10 20年不等，这取决于当地的自然条件。采用何种形式能源，要进行经济技术分析，合理的确定，才能真正实现可再生能源利用，才能实现建筑的绿色设计。

3.2 并网技术

随着分布式发电技术的飞速发展，并网问题越来越受到人们的重视。并网可以合理利用清洁能源，而且由于风能、太阳能等独立发电系统原动力不可控、电能质量不佳、调节能力有限、能量转化效率低、投资成本较高，为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数校正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。

4 节能电气设计

以上从环保的角度分析了绿色建筑的电气设计，通过分析得出，可再生能源利用的环保电气设计存在着价格、技术等方面问题的制约。那么换个角度思考，我们通过节能（节能概念还应兼顾对设备生产前端过程中对自然的破坏低等综合指标限制）设计降耗以实现低碳和环保，也是对绿色建筑的一种贡献。下面从节能的角度进一步探讨，电气设计应包括以下关键点。

4.1 电源环节

变配电机房位置需设置在负荷中心，并可参照表3确定变配电机房的数量。

表3 变压器装置指标

合理确定建筑物的单位建筑面积用电指标。宜对不同类型的设备分组计算取系数（例如：厨房设备每根干线，需用系数不宜过低，但是所有厨房设备按设备组可根据使用情况取很低的同期系数，便于变压器值的精确选取）。对大量存在一、二级负荷的建筑物，还应考虑变压器的冗余度，表4是目前用电水平和装备标准的参照数据。

表4 变压器装置指标

4.2 电传输环节

各层配电竖井的合理设置及缩短配电距离、降低线路压降损失。而直流供配电将是未来发展方向。由于交流方式在长距离大规模送电时可轻松升降电压，交流供电模式仍是当前全球供电标准。然而，随着电力电子学技术的飞速发展，可为设备提供直流的“直流供电”方式越来越受关注。日本一些家电企业例如日本夏普公司曾在日本电子展中两次展示了“直流生态住宅”技术和产品。相对交流而言，直流供电有很多好处:节能-简化了原家用电器中交直流转换的电气系统，从而提高了效率，减少了系统中的线路损耗；安全-直流系统的安全电压约120V，交流系统约50V；环保-便于可再生能源系统的利用。

4.3 设备的选择和管理

现在和未来设备的选择会更多涉及到以下几个方面：LED灯、光导照明、变压器选择、功率因数补偿、变频设备（谐波的抑制）、舞台灯光调光方式的探讨（PWM技术的运用，将对谐波的抑制起到关键性的作用，从而节约能耗）、高速电梯制动的能量回馈（未来设想）。

4.3.1 LED灯照明

LED光源具有很多优势：高节能（直流驱动，超低功耗，单管0.03 ～0.06W，电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上）、寿命长（6万 ～10万h）、多变幻、利环保；同时，当下的LED光源也存在着未能克服的缺点：散热方面（LED的耐热很差会带来灯芯寿命的问题）、价格方面、光谱过于纯净不适于办公等视觉环境、系统驱动板对寿命的影响（LED的寿命瓶颈在系统驱动板，往往LED灯芯还未损坏，系统驱动已经坏掉了）、LED的重量对灯座的考验及功率的限制。

由于存在以上原因导致LED尚且不能用于大范围照明，比如机场，工地，甚至室内照明方面。LED也暂时不能和荧光灯相提并论，所以当前LED这种绿色节能的光源主要还是在室外景观照明中应用较为广泛 。

4.3.2 光导照明

光导照明的优势在于既充分的利用了自然光源，又可避免因直接采光而增加的室内空调成本，对于展览类、厂房类等大空间、大屋面建筑可考虑实施。

4.3.3 PWM技术

PWM整流器具备实现无电网污染和运行于单位功率因数，能量双向传输等优点，因而真正实现了“绿色电能变换”，使其成为理想的用电设备或电网与其他电气设备的接口。PWM整流器技术目前是电力电子技术研究的热点和亮点，它的发展成为太阳能、风力发电等绿色能源技术快速发展的关键推手。

4.3.4 控制和管理

绿色设计控制和管理涉及到建筑设备监控系统、冰蓄冷（消峰填谷）技术、冷热电联产（消峰填谷）技术、智能照明控制系统、设备能耗的计量等方面，针对不同建筑物的使用功能和设计标准实施，方能达到良好的节能效果。

5 结束语

绿色、节能是未来世界可持续发展的主题，对建筑行业来说，能不能建造出绿色节能的房子，对未来全社会的能源消耗有着举足轻重的影响。值得关注的是，绿色建筑虽好，但目前的成本是巨大的（英国数据称，绿色住宅比普通住宅造价高20%；而由世界可持续发展商业协会组织完成的最新调查发现，建筑专业人员和房地产人员将绿色建筑成本过高估计达300%），因此绿色设计对于电气设计人员是长期追求，并随着电力电子等相关科学技术发展而有望尽早实现的目标；而节能设计是针对建筑特点思考合理供配电、管理、控制方案，合理运用产品来达到降耗、低碳、环保的目的。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50378-2006绿色建筑评价标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006.

[2]中国建筑标准研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施-电气节能专篇[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2007.