建筑电气照明系统节能优化设计技术要点分析

时登福

山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500

0 引言

如今，能源紧张已升级为全球性问题，在建筑行业发展中，建筑电气照明系统节能的水平关乎我国能源利用率。照明系统功率因数低、电压波动大会引起较大的电能损耗。因此，在低碳经济时代背景下，为缓解能源供需紧张程度，控制建筑工程的总体使用成本与碳排放量，应提高建筑电气照明系统的节能水平。

1 建筑电气照明系统节能设计技术的应用方向

1.1 调节系统功率因数

高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯逐渐取代了传统的白炽灯，由此取得显著节能效果。然而，此类灯具多为感性负荷，在运行期间消耗部分有功功率，进而降低了电能的实际利用率，如高压汞灯功率因数在0.4～0.65范围、金属卤化物灯功率因数在0.4～0.61范围、高压钠灯功率因数在0.42～0.6[1]。这一问题，使建筑电气照明系统在运行期间产生较大线损量，供电线路与发电器等电源设备的潜在能力未得到充分发挥。因而，对功率因数的调节控制，是电气照明系统节能优化设计的主要方向。

1.2 控制电压波动

荧光灯等种类灯具易受到供配电系统电压波动的影响，由此造成加大电能损耗量、缩短灯具使用寿命的后果，与节能设计理念相冲突。例如，在某建筑工程中，配置荧光灯作为照明设备，将电源电压额定值设为220 V，如果电源电压波动值超过±5%、低于210 V或高于230 V时，系统电能损耗量增长至额定工况条件时的1.07倍，照明灯具实际使用寿命缩减至预期寿命的0.94倍。这也是建筑电气照明系统节能设计期间亟待解决的一项重要问题。

1.3 合理化控制电气照明设备能耗量

当前在部分建筑电气照明系统设计方案中，出于改善室内装饰效果、控制工程造价等角度着想，所选用照明灯具、电力用具主要起到装饰美观作用，设备自身工作能耗较高，没有起到理想的节能效果。过于侧重追求电气照明设备的美观性与装饰性，没有妥善兼顾美观装饰和经济实用两项设计要素，这一问题需要得到设计人员的高度重视。

2 建筑电气照明系统节能优化设计技术的要点

2.1 照明光源与灯具的选择

在照明灯源与灯具选择环节，要求设计人员优先使用高光效节能灯源，重点考虑自然采光问题，还应满足实际的建筑照明需求。例如，在较低与较高高度的建筑物中分别使用金属卤化物灯和荧光灯，金属卤化物等有着照明效果稳定与使用寿命长的优势，荧光灯有着光效高、显色好、节能环保效果显著的优势。在办公建筑与酒店等场所内使用LED灯源和嵌入式筒等来取代荧光灯，此类光源灯具有着光通量大、效能高的优势。LED嵌入式筒灯的光通量为7 800 lm，而普通环型荧光灯与T8标准直管荧光灯的光通量仅为1 250 lm和1 350 lm。在建筑空间环境及周边区域分布电磁干扰源、其他光源无法满足使用需求的情况下，则采取普通照明白炽灯，不得因追求节能效果而影响到建筑照明系统的正常使用[2]。

此外，对光源灯具的选择，必须严格遵循《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019）、《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）等规范文件，要求设计人员全面掌握各类常用灯具的性能指标数据，根据建筑类型加以选择。例如，在商场、大型会议室与礼堂等场所中，根据建筑照明设计标准要求，需要选用效能超过70 lm/W的灯具，如选用效能为97.5 lm/W的LED嵌入式筒灯、效能为87.1 lm/W的T5荧光灯、效能为88.8 lm/W的大功率LED灯。在具备频繁开关灯要求以及调光要求的场所中，根据民用建筑电气设计标准规定，可以配置LED等作为建筑电气照明系统的主要光源[3]。

2.2 照明供电优化设计

根据民用建筑电气设计标准得知，建筑电气照明系统供电节能效果的主要影响因素为电压偏差、三相照明线路负荷不平衡与灯具设备，因而，在照明供电优化设计环节，设计人员应重点解决这三项问题。其中，对于电压偏差问题，可采取在系统结构中额外设置有载自动调压电力变压器或是专用变压器供电的措施。以有载自动调节变压器为例，在照明供电期间可以自动检测电压值，在实际电压值与额定值产生过大偏差时自动执行调压动作，始终保持照明供电电压的稳定状态。对于三相照明线路负荷不平衡问题，根据线路电流值来选择适当的供电方式，如在电流值未超过60 A时选取220 V单相供电方式，在电流值超过60 A时选取220/380 V的三相四线制供电方式，同时，合理分配不对称负荷，将最大相/最小相负荷电流与三相负荷平均值的偏差控制在15%以下。而对于灯具问题，以气体放电光源为例，安装电感镇流器，并在不同相序线路中分接同一灯具的相邻灯管。

2.3 改善照明控制方式

在建筑电气照明控制设计环节，设计人员预先做好项目资料分析与现场考察工作，对不同场所采取差异性的照明控制方式，在满足建筑照明需求的同时，起到节能环保作用。例如，对于走道、大厅、楼梯间等建筑公共区域，应采取分区分组控制方式，将各处区域的自然采光条件与使用条件作为分区分组依据。对于自然采光条件较佳的区域，采取感知照明控制方式，设置一定数量的光传感器，持续感知周边环境光照亮度与自然采光条件，在自然光源可以满足场所照明需求时关闭全部照明灯具，在采光条件不佳时启动部分数量或全部的照明灯具，始终维持一个恒定的环境照度。对于一般照明可满足照度均匀度要求的场所，则采取单灯控制方式，在场所内安装若干座大功率、高光效的照明灯具。此外，还可在建筑电气照明系统中安装时间控制器，采取时间控制方式，对各处建筑区域分别制定时间控制方案，由时间控制器在特定时间段接通电路来开启照明灯具，并在灯具开启后由时间控制器统计灯具的持续工作时间，在统计值达到限定值后断开电路，从而替代传统的手动控制方式，避免手动控制不及时而增加照明系统实际运行时间、加大电能用量。

2.4 充分利用天然光源

在传统建筑电气照明节能设计体系中，以控制系统运行负荷、合理配置光源、采取智能控制方式等作为主要设计思路，没有对天然光源利用问题加以高度重视，电气照明系统节能效果存在进一步增强的设计空间。因此，在应用节能优化设计技术时，设计人员应调整技术思路，在方案中采取光电效应间接采光或是光线导光采光等措施，做到对自然光源的高效利用，起到缩短系统运行时间、减少电能用量的节能效果。以光线导光采光措施为例，在建筑电气照明系统中安装采光装置、导光装置以及漫射装置，通过采光罩等装置将室外自然光线采集值光导照明系统中进行重新分配，再通过特质导光管传输至漫射装置后均匀、高效的照射至室内环境当中，从而解决部分建筑室内空间自然采光条件不佳的问题。在一般情况下，相比于人工照明条件，光导照明系统可以将室内空间环境的视觉功效提升5%～20%，并具备直接传输自然光线的条件。

2.5 无功补偿设计

为解决建筑电气照明系统的电路功率因数低下问题，可选择采取并联电容器的优化措施，以提高电路功率因数、减小线损量、充分挖掘电源潜力。例如，在某建筑工程中，初步设计方案中拟安装100盏250 W功率的高压钠灯，功率因数计算结果为0.44、供电电流为300 A，线路电压损耗与功率损耗量远超过预期，因而在后续优化设计期间，选择在电路上并联设置适当容量电容器，起到提供容性无功功率、补偿感性无功功率的作用。最终，将功率因数提升至0.8、供电电流降低至141 A，线损量大幅降低，取得理想的节能效果，且线缆使用期间不易出现温升过快现象。

无功补偿设计应注意以下问题。第一，补偿电容器选用。不同型号电容器的容量存在差异，如果补偿电容器选择不当，将无法在运行期间提供足够的容性无功电流，影响无功补偿效果，可选用公式（1）来计算补偿电容器的最佳电容量。

式中：P为电光源有功功率；f为电源频率；U为供电电源电压；φ1与φ2分别为补偿前后的电压电流相位值。

同时，考虑补偿电容器与所选光源的适配性问题。以气体放电型电光源为例，虽然目标功率因数越高则节能效果越显著，在电路并接补偿电容器后受到电流畸变因素影响，会抑制功率因数的提高，使目标功率因数与实际功率因数间产生差值。

第二，补偿电容器安装设计。根据建筑类型来选择适当的补偿电容器安装形式，常见形式分为高压集中式、低压局部集中式、低压集中式、单灯式四类。高压集中与低压集中适用于大规模集中式建筑电气照明系统，低压集中适用于办公建筑、作业车间等实施照明单元分片、分路补偿的场所，单灯式适用于任何照明场所，可以向灯具独立提供无功补偿的场所。

3 结束语

综上所述，在建筑电气照明设计方面，节能优化设计技术的应用十分必要，是推动建筑业可持续发展、响应低碳经济发展号召的体现。设计人员应掌握节能优化设计要点，遵循实际出发原则，充分考虑建筑工程特点与照明需求，制定科学合理的建筑电气照明节能优化设计方案。