建筑电气的节能设计

张晟昊 王小曼 周枫

上海市质量监督检验技术研究院

0 前言

随着我国经济的快速发展，城市化进程的迅速推进，建筑能耗所占的比重越来越大，节能减排问题得到了社会的高度重视，建筑节能将成为最有潜力的节能领域。为使建筑的节能效果达到最大化，应将建筑节能在工程设计阶段视为重点设计对象。电气是建筑工程设计的重要专业之一，电能也是建筑主要消耗的能源之一。在满足建筑使用要求的前提下，在电气设计中增加节约电能损耗的环节，是实现建筑节能、加强能源管理的有效方法。

本文以某办公楼设计项目为例，该工程的总建筑面积约14 300m2，地上5层、地下1层，其中地上建筑面积约11 700m2，地下建筑面积约2 600m2。

1 供配电系统及电气设备的节能设计

1.1 变电所与变压器

根据项目的负荷等级要求及负荷计算，本工程变压器的设计容量为1 600kVA。在一层设置一座10/0．4kV变电所，变电所的位置靠近负荷中心，供电范围不超过200m，以节省输电材料、降低传输过程中的电能损耗。变压器选用低损耗、低噪声、接线组别为D,yn11的节能型干式变压器。变压器自带温控装置，其空载损耗和负载损耗不应低于现行国家标准《三相配电变压器能效限定值及能效等级》GB 20052中规定的目标能效限定值及节能评价值的要求。从市政引来两路10kV高压进线至变电所，在变电所内设置2台型号为SCB13-800/10的配电变压器（每台容量800kVA，总容量1 600kVA），采用两路电源同时工作的方式运行。

1.2 无功补偿与谐波治理

补偿配电系统的无功功率，提高功率因数，可拥有以下收益：降低线路有功损耗、增加电网输送有功功率的能力、提高电压质量等。在变压器的低压侧设置无功补偿装置（无功功率集中补偿），要求补偿后高压供电进户处的功率因数不小于0．9。经计算，每台变压器的补偿容量各为200kVar。补偿后，1号变压器高压侧的功率因数达0．92，2号变压器高压侧的功率因数达0．93，都大于0．9，满足设计要求。在每台变压器的低压侧各安装一台容量为200kVar的无功补偿柜，且无功补偿柜自带功率因数控制器，具有自动分步投切的功能。对于容量较大的用电设备，当功率因数较低且离变电所较远时，可采用无功功率就地补偿的方式。

本工程含有大量的电子信息设备，将产生大量的谐波。谐波会使配电系统中的元件产生附加的谐波损耗，降低了输电及用电设备的效率。在变压器的低压侧设置有源滤波装置（安装位置一般在无功补偿柜后），以有效治理谐波。此外，对于大型用电设备、大型可控硅调光设备和电动机变频调速控制装置等谐波含量较大的设备，可在设备配电箱的进线处设置有源滤波器或隔离变压器，以实现就地的谐波抑制。

1.3 电气设备的节能

电动机应采用高效节能产品，其能效应符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》GB18613中的目标能效限定值及节能评价值的规定。单台电梯应具有集选控制、闲时停梯操作、灯光和风扇自动控制等节能控制措施；多台电梯集中排列时，应具备按规定程序集中调度和控制的群控功能。自动扶梯应具有节能拖动及节能控制装置，在全线各段均空载时应暂停或低速运行。

非消防用途的风机、水泵等设备宜采用变频调速控制。由于电机转速与工作电源输入频率成正比，当用户需求的平均流量减少时，可以降低电机转速以减少设备运行能耗，最大限度节约电能损耗。

2 照明节能设计

2.1 照明光源与灯具

在照明节能设计有关的光源选择时，应避免选用普通白炽灯，若经济条件允许，宜尽可能采用发光二极管（LED）灯。LED灯管与荧光灯相比，拥有光效更高、更为节能、使用寿命更长等优点，而且更环保、不含汞等有害元素。本工程中，办公室、会议室、设备机房等场所选用荧光灯；走道、楼梯间等无人长期逗留的公共场所，选用发光二极管(LED)灯。荧光灯应配用电子镇流器或节能电感镇流器，采用单灯就地补偿，使其功率因数不小于0．90。在满足眩光限制和配光要求条件下，应选用高效率的灯具。

2.2 照明节能设计的评价指标

照明的节能设计应考虑提高整个照明系统的效率，且不应以损失照度和照明质量。照明节能应采用一般照明的功率密度值(LPD)作为评价指标，应符合现行国家标准《建筑照明设计标准》GB50034中的相关要求。

本工程的照明设计参数见表1。

2.3 照明控制方式

设计合理的照明控制方式可以使照明节能效果达到最大化。本工程中，办公室和会议室等场所的照明采用翘板开关进行分区、分组控制。走廊、楼梯间和电梯厅等公共场所的照明采用集中控制方式，并选用声光控开关控制，在无人时或夜间自动熄灭，以节约电能。

在条件允许的情况下，可将走廊、楼梯间、电梯厅等公共场所的照明采用智能照明控制系统进行控制。该系统的优点包括：集中管理、减少人为浪费；自动调光、充分利用自然光、保持照度一致性和延长灯具寿命等[1]。

3 建筑能耗监测系统设计

建筑能耗监测系统能通过对公共建筑安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段实时采集能耗数据，实现公共建筑能耗在线监测和动态分析功能。同时，通过对多种实时和历史的能耗数据和变化趋势的统计、对比和分析，帮助管理者发现和解决能源消耗方式和结构中存在的问题，从而有针对性地对能源消耗过程和方式进行改善、调整和优化，提高能源使用效率。该系统能为建筑的科学用能管理、节能诊断、能源审计等提供准确可靠的数据信息。

建筑能耗监测系统由计量装置、数据采集器、传输网络、能耗采集服务器、能耗监测系统软件等组成[2]。能耗监测系统主机房可与建筑设备监控系统、智能照明控制系统等智能化系统的机房合用，以便进行综合管理。

表1 照明设计参数

本项目的主要能源种类包括电、水、燃气。电能是建筑能耗监测系统中主要监测的能源之一，应采用电子式电能计量装置测量和记录。本项目电能的种类按用途可分为照明插座电耗（室内照明插座、公共区域照明、室外景观照明等）、空调系统电耗（冷水机组、新风机组、分体式空调等）、动力系统电耗（电梯、水泵等）和特殊电耗（电子信息机房、厨房、洗衣房等）。在设计低压配电系统时，应在变压器低压侧分别用不同的配电干线将不同种类的电耗进行分开配电、自成系统。将电子式电能计量装置分别安装在照明插座、空调、动力、特殊电耗的配电干线回路上，以及变压器的低压出线侧，以实现电能的分项计量。其中，变压器的低压出线侧装设的电能计量装置应具有测量有功功率、无功功率、功率因数、谐波等参数功能的电力质量分析仪表。

在市政给水管网的引入总管、一层厨房餐厅的供水管处装设数字式水表；在市政供气管网的引入总管、一层厨房餐厅的供气管处装设数字式燃气表。

同时，采用RS485网络将各测量仪表接入串口服务器，通过数据传输网络（以太网、光纤、无线等）与监控中心的能耗监测服务器相连。能耗监测服务器装有能耗监测系统软件，软件具有对能耗数据的采集、处理、分析等功能。系统结构如图1所示：

图1 能耗数据采集处理系统

4 结论

在我国，城市中的大部分建筑是我国能源消耗的大户，建筑电气设计人员应熟练掌握建筑节能的专业知识，在工程设计阶段应重视建筑节能，不断学习节能领域最新的国家规范。通过对供配电系统、电气设备、照明系统的节能设计，可有效减少电能损耗、提高能源利用效率；通过设置建筑能耗监测系统，可为建筑的科学用能管理、节能诊断提供重要依据。