以目的为导向的居住建筑电气节能设计策略探讨

李 毅， 王 强

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京100025)

0 引言

电气节能设计要实现减少耗能，进而减少CO2排放的节能目标，需要经过施工安装环节，通过运行使用结果得到实现，建筑电气节能设计应考虑全过程，进行系统性的思考，考虑最终的节能效果。所有耗能是由于人类的生存与活动引发的，在讨论居住建筑耗能时，不应忽略建筑中人的行为模式，不应忽略人的感受、需求、活动特点。电气节能设计应考虑人的行为因素影响。本文就以上问题进行探讨。

1 居住建筑耗能构成

建筑能耗，即建筑使用过程中由外部输入的能源，包括维持建筑环境的用能和各类建筑内活动的用能。建筑环境的用能包括供暖、制冷、通风、空调和照明等。建筑内活动的用能包括办公、家电、电梯、生活热水等。

按照GB/T 51161-2016《民用建筑能耗标准》的分类方法，居住建筑能耗指标构成见图1所示。

图1 居住建筑能耗指标构成

图1所示为民用(居住)建筑能耗构成，严寒和寒冷地区由3项指标构成，非严寒和寒冷地区无建筑供暖能耗指标。简单的说，北方居住建筑能耗可以分为供暖能耗和非供暖能耗，南方居住建筑只有非供暖能耗。

非供暖能耗是指以电力为主的能耗，减少建筑电力能耗，是建筑电气节能设计最终要实现的目标。

居住建筑耗能按区域划分包括公共区域耗能及家庭耗能，公共区域耗能占比一般为10%。居住建筑非供暖电力耗能构成如图2所示。

公共部分的节能可依靠电气设计措施和物业的运营来实现，而户内部分的节能要复杂得多。

对于精装房设计，可以采用照明设计节能策略减少户内照明电器能耗。对于毛坯房设计，建筑电气设计师无法控制户内照明节能。对于集中空调设计，电气专业配合设备专业采取节能设计策略，减少环境设备耗能。对于非集中空调设计，电气设计师对户内空调部分的节能无能为力。家庭其他用电设备及家用电器的节能无法完全依靠建筑电气设计实现，节能效果的实现很大程度上受到人的行为因素影响。

图2 居住建筑电力耗能构成

2 居住建筑耗能指标分析

居住建筑非供暖能耗指标是以每户每年能耗量为能耗指标。GB/T 51161-2016《民用建筑能耗标准》给出的能耗指标约束值见表1。

居住建筑非供暖能耗指标约束值 表1

综合电耗指标约束值制定以户为单位(H)，按照年(a)周期制定，考虑了我国目前用能水平，各省市阶梯电价的第一档的上限值等因素，以满足80%居民用电为依据。表1中数据包含了公共部分耗电分摊，各气候分区综合电耗指标的差异，是由于气候环境所造成的空调使用强度的不同。

以寒冷地区为例，根据表1中指标，去除公共部分耗电分摊(10%)及夏季空调用电(按300 kWh)，每户每天的正常耗电量大约为5～6kWh。因此，每天节省1度电，电力耗能指标能够降低15%～20%。

真正减少家庭实际的年耗电量，是电气节能设计实现的主要目的之一，家庭年耗电量是节能设计策略效果好坏的重要衡量指标。随着人们生活品质的不断提高，家庭耗电量会呈不断上升趋势，满足表1中约束值的要求并在此基础上进一步降低，需要付出一定的努力，从小处着手。

节能不能依靠降低环境的舒适度及人们对美好生活追求的标准来获得，可以采取两种方式实现进一步节能，一是不断提升家用电器产品效能，降低其耗电指标，二是采用人性化的节能控制措施，减少能源浪费。

3 居住建筑耗能与人的行为耗能

环境用能是维持其使用功能的基本需求，包括供热、供冷、通风、光环境用能。其实际耗能量由基本需求指标及人的特性需求决定。如冬季供暖温度标准定为18℃，而不同的人有不同的要求，有的人可能觉得22℃才感觉舒适，集中供暖不满足要求时，可能会使用电暖气；有人习惯开窗补充新鲜空气，会增加室内供热、供冷的能耗。因此，室内环境耗能与人的行为有关。

人的活动会产生耗能，居住建筑中人的活动包括洗衣、餐饮、娱乐、学习、工作等。人的活动通过使用家用电器产生耗能，家用电器耗能＝家用电器电功率×运行时间，家用电器的选择及运行时间取决于人的行为需求。以电冰箱为例，相同容量的不同品牌、型号的电冰箱，其耗电量大小是不一样的，节能效率高的产品往往价格也会偏高。同样是3口之家，有的家庭选择120L，有的家庭选择240L，有的家庭选择更大尺寸的电视机或更多的家用电器，对于家用电器的使用频次也不相同。

因此，受到人的行为方式、习惯的影响，各家庭的实际耗电量存在一定的差异。当讨论居住建筑的节能实际效果时，应考虑和研究人的行为因素。

合理的需求及消费行为不应该被抑制，不合理的浪费行为应避免。“随手关灯”是典型的行为节能，人的节能意识提升不属于设计考虑的范畴。但可以通过电气设计措施来提供行为节能的可实施性，如电气分区控制、分时控制、一键控制等。

4 居住建筑无效电力耗能

满足人的需求所产生的电力耗能为合理电力耗能，无需求工况下备运行所产生的电力耗能为无效电力耗能。如在房间无人的情况下，灯具继续点亮所产生的电耗为无效电力耗能，家用电器的待机耗电为无效电力耗能。以某品牌电热水器为例，分析无效电力耗能的产生，该电热水器24h运行情况用电监测曲线见图3所示。

图3 某品牌电热水器24h运行情况用电监测曲线

图3中将1天24h分为4个时间段，时间段1为0:00-6:00点，时间段2为 6:00-9:00点，时间段3为9:00-18:00点，时间段4为18:00-24:00。时间段1一般为睡眠时间，该阶段耗电为无效电力耗能，大约占1天耗能的17%。对于3口之家的双职工家庭，时间段3家中无人，该段时间的耗电亦为无效电力耗能，大约占1天耗能的33%。根据不同家庭结构及人员活动特点情况，采用以上分析方法发现，其他家用电器亦存在无效电力耗能情况，如淋浴用电热水器、网络路由器、电视机顶盒等。对于双职工家庭，时间段1、时间段3大部分家用电器的待机耗电为无效电力耗能。根据居住建筑内人的活动规律进行一天的时间分段，见图4所示。

图4 居住建筑内人的活动时间分段示意图

图4所示的时间分段只作为本文讨论节能问题的参考，并非准确的时间定义。如图4所示，居住建筑内人的活动集中的时间段是时间段2与时间段4，时间段1与时间段3内有可能产生无效电力耗能。

5 居住建筑电气节能设计策略

实际建筑的运行能耗与建筑和机电系统的设计有关，与施工质量和机电设备质量有关，更与建筑的运行管理水平及使用者使用方式有关。要实现降低建筑能耗的目标，必须从以上方面全面入手。在实现建筑使用功能的前提下，实现更高建筑节能效果的建筑能耗指标期望目标值，需要综合高效利用各种建筑节能技术和管理措施。对于居住建筑，可以采取的主要电气节能策略可以归类为以下几种。

(1)配电系统节能

选择节能变压器、节能配电设备，合理选择配电电缆、导线截面，优化配电线路敷设路径，减少配电系统的固定损耗和运行损耗。

(2)照明系统节能

采用节能光源、高效灯具，合理的照明设计，满足照明功率密度值的要求。采用合理的控制方式，如光控、声控、定时控制等，减少公共区域照明耗能及地下车库照明耗能。

(3)建筑设备节能

采用节能高效风机、水泵，采用节能电梯及群控方式，降低公共区域建筑设备电气耗能。

(4)节能控制技术节能

居住建筑的节能控制包括公共区域节能控制及户内节能控制，公共区域节能控制措施相对比较明确，但对于进一步提高其降低能耗的贡献率是有限的。户内节能控制存在提升的空间，通过设计方法为用户创造自主节能的条件，进而影响用户的节能行为，减少家庭无效电力耗能。

6 户内电气节能设计策略

为实现户内节能可以采用以下设计方法。

(1)一键节能开关控制技术

现在的许多家庭为双职工，在早晨上班离家至傍晚回家之间时间段，住宅中处于无人状态，但家用电器处于待机状态，仍然耗电。如电饮水机、电热水器仍处于通电状态，一直在无效的消耗电能。

住宅的居住者离开家时，有时会忘记关闭灯、排风扇等电器的电源，这些电器一直保持运行状态，消耗能源。

当住宅的居住者长时间离开家时，家中的电器设备均处于通电状态，存在一定电气安全隐患。住宅建筑可采用家庭节电配电箱，居住者可通过“一键控制开关”的简单操作，方便切断或接通住宅内的分路电源，可促进行为节能，减少家庭电器待机耗电量，同时提高家庭用电安全性。家庭节电配电箱系统图见图5所示。

图5 家庭节电配电箱系统图示例

(2)照明智能控制

现代家庭装修照明设计要求越来越高，为实现各种家庭灯光效果，安装的灯具越来越多。但频繁进行灯具开关的操作比较麻烦，合理的智能照明控制设计可以方便用户的操作。根据人的活动规律、生活习惯，优化灯具的组合控制，设置合理的场景控制模式，可以实现便捷操作及照明节能的双重目的。智能照明控制开关示例如图6所示。

图6 智能照明控制开关模式示例

智能照明控制开关模式的合理设置，需要进行生活场景模拟分析，体现“人性化”设计原则，使智能照明控制真正解决问题，真正实现舒适方便与节能。

(3)集中空调系统、地暖系统分区分控

当户内采用集中空调系统时，电气专业应配合设备专业设置分区控制面板，应分室设置温控面板，对大空间区域应分区域设置。集中空调温控系统、新风系统宜与家庭智能控制系统连接，实现空气控制设备的联动控制、自动控制、远程控制。

当户内采用地板采暖系统时，应分房间、分区域设置温控开关，可手动调节分集水器分路水阀的开度，调节各房间、区域的设定温度。

合理的环境控制系统设计，创造行为节能的条件，在提高人的舒适度、满意度的同时降低建筑环境耗能。

(4)智能电源插座的无线控制

随着智能家居产品的不断丰富与进步，智能插座的使用将越来越普及。也许不远的将来，智能电源插座将取代普通电源插座。智能电源插座的使用，可以实现对每个末端设备的精准控制。设计师可以根据各种家用电器使用特点，分别设置其电源开、断时间，可以统计、显示各种电器的耗电量，极大地丰富了家庭行为节电的手段。智能电源插座控制原理示意图如图7所示。

图7 智能电源插座控制原理示意图

利用手机APP程序，通过智能插座对家用电器进行个性化设定，根据个人的生活习惯对不同的电器设置不同的通电与断电的时间，而且设置方案可随时变更，灵活方便，满足了个性化需求。不同的控制方案得到不同的节电效果，节电的效果是可以被预算出来的。设定一个家庭为双职工家庭，以一个电视机顶盒电源控制方案为例进行分析，假定时间控制分段如图8所示。工作日:时间段1、时间段2设定为电源关断时间(假设此段时间不观看电视)；周六、周日及节假日:仅将时间段1设定为电源关断时间。

图8 电视机顶盒电源时间控制分段示意图

机顶盒待机耗电功率按15W(一般为10～20W之间)计，工作日时间按250天计，则时间段1减少待机耗电为:15W×7h/1 000×365天＝38kWh；时间段2减少待机耗电为:15W×12h/1 000×250天＝45kWh，全年合计减少待机耗电为:38kWh＋45kWh＝83kWh。就一个家庭来说，所减少的耗电量也许很少，但一个城市的家庭是百万数量级的，家庭无效的电力消耗量是巨大的。

关注智能家居产品的变化及发展，考虑家庭终端电器的节能方法，适应无线控制技术的普及及应用，是电气设计师面临的新的挑战，需要有新的思维方法，需要有创新意识，将无线控制技术融入到建筑电气设计中。

7 结束语

综上所述，居住建筑电气节能设计应以最终减少家庭电力能耗为目标。公共部分的节能策略比较明确，难点在于降低户内耗电量，衡量的指标为用户电度表记录的年耗电量。户内节能效果受到人的行为因素的影响，电气设计需要分析家庭活动特点、活动规律，从用户角度出发，本着“人性化”原则，合理设计户内配电设计、节电控制设计，满足用户舒适、便捷要求的同时，创造行为节能的条件。电气节能设计应考虑家庭电器的无线控制方式，利用智能家居技术、物联网技术，采用新思维、新方法，时刻关注节能设计的效果目标，将电气节能设计提升到更高的水平。