阮春海
(广东省建筑设计研究院有限公司,广东广州510010)
现代社会经济的迅猛发展,无论是生产端还是消费端,人们对电力的需求不断增加,推动电力消费的持续增长。在建筑电气的设计中,许多设计者只关注满足用户的用电需求,而对建筑电气的节能设计重视程度不足,一定程度上增加了用电能耗。目前,中国的电力能源类型主要火电、水电、风电、核电及太阳能发电,其中,火电占大部分,火电属于化石能源,生产时会产生大量二氧化碳。无论是从国家“碳中和”的战略出发,还是从节约用户用电费用的角度出发,建筑电气的节能设计都是急需且必要的,因此,建筑电气设计必须贯彻节能原则并提出可操作性方案。
建筑电气设计中,应该始终考虑到有效利用电力的原则,兼顾考虑社会因素、经济因素及环境因素,以成熟的理论技术以及丰富的工程经验作为支撑,进而实现电力利用的最大化,最终减少电能消耗、提高电能使用效率。因此,建筑电气节能设计原则主要是实用、经济、节约能源。
实用性主要是指工程师在节能设计时不能忽略建筑的使用功能,节能设计应同时满足人们日常生产生活以及节能的需要。比如在进行建筑照明设计时,在满足照明功率密度的节能要求下,应同时考虑不同场所的照度、色温、均匀度及显色性等要求。
经济性是建筑电气设计中不可缺少的原则。节能与投资存在密切联系,节能可能带来初始投资的增加,降低业主的投资意愿,但其效益可能主要体现在项目的日后运营上。因此,在进行节能设计时,应充分比较不同方案,综合分析初始投资与日后运营的费用,给出最优的节能方案。
节约能源是建筑电气节能设计的最终目标。在设计阶段需对建筑进行负荷及能耗分析,并采取相应的节能措施来提高能源利用效率、减少能源浪费。
对于能源消耗与建筑物功能没有关联的地方,应考虑采取相应的技术措施来减少能源使用量。如设备自身的损耗、供电线路损耗,可通过采用节能型设备减少损耗、合理设置变电所及电气竖井位置减少供电线路损耗。
对于建筑物需要使用的能源,可通过采取先进的用能管理措施,如建筑设备监控系统(BAS)、智能照明控制系统、建筑能耗监控系统等智能化系统实现机电设备的节能运行、提高用能效率。
本着以上三方面原则,主张的节能措施主要有六方面。分别是供配电系统节能、照明节能、线路节能、机电设备控制系统节能、变压器节能、利用可再生资源。
建筑供配电系统为了达到节能的要求,应强调整体平衡,根据建筑用电的整体情况,结合建筑电气工程的特点、建筑用电需求和未来的规划发展,进行科学有效的设计:
(1)根据建筑分区及业主管理需求设置不同的变电所,变电所位置应尽量靠近各区域负荷中心。根据变电所分区合理规划电气竖井位置,电气竖井的位置也应尽量位于负荷中心。
(2)优化配电系统结构,大容量设备采用放射式为主的供电方式,均匀分布的负荷采用树干式配电。大容量用电回路采用母线槽供电,提高干线供电能力、简化系统结构。
(3)采用建筑能耗监控系统,对照明、空调、电力、给排水等不同类型的设备进行分项计量,实时监控各系统电能消耗情况。
在建筑电气节能设计时,不能忽视建筑物的照明节能设计。根据笔者的工作经验,一般民用建筑中照明用电总量较大(用电量仅次于空调用电)。照明节能设计就是要满足用户照明需求的同时,降低电能损耗。在设计中可采取以下照明节能措施:
(1)充分利用自然光作为照明方式,自然光是成本最低、需要能耗最小的照明节能方式,照明节能设计应充分利用自然光。在建筑设计的方案阶段,应充分与建筑专业、业主协调沟通,充分利用自然光。
(2)在现有建筑中,传统光源主要为白炽灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯,随着照明光源技术的发展,LED等新型光源也在渐渐走进大众视野。在建筑用电的节能设计中,光源的选择要满足场所的需要,不同的场所对光源的选择不同。相对传统光源,LED光源具有光效高、寿命长、色温丰富、可调节性强等优势,可较好适应不同场所的照明需求。尽管LED光源的初始投资较高,但从长远来看,其综合效益高于传统光源。
(3)采用直接照明为主的照明方式。
(4)对灯具进行分区、分组控制,同时可采用照度传感器、人体感应传感器、定时开关等技术手段对灯具进行自动控制,实现照明系统的节能运行。照度传感器可根据照明区域自然光情况自动开关灯具或调节灯具照度;在平时人员较少经过的区域采用人体感应开关,可减少该区域灯具的开启时间、节约用电;定时开关可防止管理人员失责在建筑非营业时间大量开启灯具,造成电能浪费,同时也可提高建筑运营效率。
在实际应用中,需要将各种灯具与光源相匹配,所以在照明设计中,要选择光照可控性强、效率高的灯具。对于不同的房间面积和高度,可以通过计算房间空间比RCR(Room Cavity Ratio),确定广角、中角、窄角灯具的选择,并根据房间的天花板、墙壁、地面的反射系数,确定灯具的利用系数来实践更科学的照明设计[1]。根据精确计算出的RCR值,确定灯具的使用方法,使用合适的灯具可以提高光的利用率,节约能源。
当选用荧光灯、金卤灯或高压钠灯时,需配套选择镇流器。市场上有各种类型的镇流器,不同镇流器所消耗的功率不同,因此在设计时需要对其进行仔细考察和合理选择。建议采用节能型电感镇流器或电子式镇流器。
建筑物的正常使用离不开电能传输,所以电路线路损耗是不能避免的,一般来说,供电线缆的电压等级、截面密切影响电能传输能力的大小。建筑电气工程中线路十分复杂,一般工程的线路总体长度超过10000m,更大规模的工程更是难以估计。当供电线路设计不合理时,可能造成巨大的电能损耗。设计上可以采取以下措施降低供电线路损耗:
(1)适当提高市政供电电压水平,有条件的建筑优先采用20kV/35kV供电。在同样的计算负荷下,线路的有功损耗与供电电压的平方成反比,提高线路电压还可缩小供电电缆的截面。因此,适当提高线路供电电压具有明显的经济、节能效益。
(2)优先采用铜芯导体。铜芯导体的电阻率比铝要低,其线路损耗相对铝导体低。
(3)合理规划变电所及电气竖井的位置,缩短线路长度。设计中还要合理规划电缆桥架路由,电缆敷设时应遵从”最短路径”原则、避免电缆迂回敷设。
(4)根据经济电流密度选择导体截面[3]。
(5)平衡三相负荷。建筑中单相负荷较多,比如照明、插座、弱电设备及末端空调设备等大多数均为单相设备,当配电系统中三相不平衡程度较大时,供电干线中N线电流较大、N线线路损耗较大。因此,在设计时应尽量减少供电干线中N线的电流,因此需尽量平衡三相负荷。
(6)做好谐波治理措施。当建筑中电力电子设备较多时,容易产生包括三次谐波在内的一系列谐波,当三次、九次等谐波含量较大时,供电系统中N线电流也较大(其值甚至会超过相线),因此对该部分设备建议采取有源滤波措施,就地处理该部分谐波,减少N线的电流。
通过设计合理的机电设备控制系统,可在满足使用需求的基础上,降低机电设备的用电能耗。设计上可以采取以下措施:①同一区域装有多台电梯的采用电梯群控系统;②负荷变化情况较频繁的机电设备(如生活水泵、冷冻水泵、空调器等)可采用变频控制方式;③采用建筑设备监控系统(BAS),通过实时监控各类机电设备并通过监控主机进行实时运算,实现机电系统的最优运行、节约用电能耗。
变压器作为配电系统的基本设备,变压器的容量、数量和运行方式对建筑物内的电能损耗也有很大影响。当季节性或冲击性负荷使电能质量明显下降时,当季节性负荷的变化难以调节,可以安装特殊的变压器,允许变压器自由切换,实现经济效益,并减少因轻负荷运行进行补救措施和电能损耗[4]。
设计上应优先采用节能型变压器。另外,当建筑存在较大的季节性负荷时,可为这部分负荷专设变压器供电,在非季节时间可停止变压器的运行、减少变压器损耗。
我国拥有广阔的可再生能源,如风能、太阳能、海洋能等。其中,太阳能与建筑的结合应用最广泛。举例如下:①在建筑外立面设置太阳能板及光伏发电系统,将太阳能转换为电能。另外,太阳能板也可吸收外部热量、降低室内温度;②采用太阳能热水器、太阳能路灯等设备,降低设备用电能耗。
建筑用电的节能设计有很大的发展潜力。据有关方面估计,如果国家政府要求的相关节能措施得到落实,将产生可观的经济效益、社会效益,还可降低国家的电力建设投资。因此,建筑电气设计工程师应在满足人民需求的前提下,提出有效可行的节能措施,这是每个建筑电气工程师不可推卸的责任。