建筑电气节能技术分析

杨晓伟 YANG Xiao-wei；周雷 ZHOU Lei

（国网江苏省电力公司苏州供电分公司，苏州215005）

1 应用原则

1.1 适用性

民用建筑的电气设计工作中，以人为本的适用性原则是最主要的。设计人员选择的各种电气设备要能够与人们的日常生活相适应，比如灯具，其照度和色温需要调节至最适合的范围。在满足人民基本需要的前提下充分发挥各种设备的功能，保障人员安全，实现节能目标[1]。

1.2 经济性

在民用建筑的电气设计工作中，绿色节能技术的应用也需要遵循经济性的原则，不能为了绿色建筑而选择一些成本比较高的技术，而是要根据实际需要，选择最适合其的节能环保技术，在施工之前进行施工方案的反复核算和规划，减少施工过程中的浪费。

1.3 节能性

节能性是绿色技术应用的基本原则，指的是在民用建筑的电气设计中，必须要保证绿色建筑技术的节能性，要求我们设计师应以发展的眼光看问题，提高自身的技术水平，学习国内外的先进技术，增加其在民用建筑电气设计中的应用，降低企业损耗，提升居民幸福感[2]。

2 建筑电气节能技术

2.1 降低配电变压器损耗

①选择高效、低损耗的节能变压器。如选择非晶合金变压器，以1600kVA 电工钢带干式变压器为例，查阅《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052-2020）可知传统10/0.4kV，1600kVA 干式变压器能效等级为二级时的空载损耗约1665W，非晶合金干式变压器能效等级为二级时空载损耗约645W。非晶合金干式变压器的空载损耗比电工钢带干式变压器少1020W，一年可节省电能损耗1020W ×8760h=8935kW·h，20 年 累 计 节 电 20×8935=178704kW·h，按商业电价 0.8 元/kW·h 计算，则 20 年可节省电费142963 元，节省的电费比非晶合金干式变价格和同容量的钢带式变压器价格要高得多，20 年后必然会有更先进更节能的产品来替代，因此建议变压器优先选择至少二级能效的非晶合金干式变压器[3]。

②设计时应选择合理的变压器容量。因负载损耗和负荷率的平方成正比，负荷率降低会使负载损耗大幅下降，有利于节能。然而过低的负荷率将加大变压器容量及其设备费，同时增加空载损耗，应进行全面的技术经济分析。此外，还要考虑负荷计算的准确性，以及不同行业、不同负荷性质等多种因素对变压器负荷率的影响。故在综合考虑用户负荷的情况下，设计时尽量保证变压器在75%～85%负荷率。

③宜在变电所内设置偶数台变压器，变压器之间两两联络；符合率不高且满足负荷等级要求情况下可切除其中一台变压器，对于容量较大的季节性负荷宜采用专用变压器供电便于不用时切除，以减少空载损耗[4]。

2.2 降低线路损耗

电能在导线上传输时由于有电阻的存在，因此会产生功率损耗。降低线路损耗的措施主要有：选用电阻率较小的材质电缆，如选用铜导体缆；加大导线截面；供电线路敷设尽量走最短路径。由ΔP＝3I2R 可知，线路损耗ΔP 和导体的电阻成正比，R=ρL/S，因此在传输功率不变时，线路损耗与其电阻率ρ、长度L 成正比，与截面S 成反比。因此可适当加大导线截面以降低线路损耗，适当加大截面积所增加的电线、电缆等成本费用一般在项目的使用周期内均可以完全收回，同时适当增加大导体截面除降低线损外，对安全用电、提高用电可靠性和满足后期的负荷增长都十分有利[5]。其次因为铜导体电阻率低，应优先选用铜导体供电。不过在架空电力线路上，不光要考虑传输还要考虑杆塔荷载等，铜导体由于质量大，且价格贵，铝导体相此时对于铜导体有相对的优势，因此在架空电力线路宜采用铝导体。

2.3 降低谐波含量

①减少选用25W 及以下LED 灯和荧光灯照明光源的使用。目前在家庭、办公场所以及学校等建筑中仍存在大量25W 及以下LED 灯和荧光灯照明光源的情况，应予改变。

②选用低谐波的照明灯和其他用电设备，总谐波含有率不应超过30%。

（一）完善项目决策机制，规范项目实施全过程管理。基本建设投资是一个复杂的系统工程，把好源头至关重要，在相关立法中要建立权限明确、部门联动、相互制衡、流程清晰的决策机制，重大工程项目实行专家评议制度、公众听证制度、项目公示制度，加强评估论证，做到决策科学、民主。考虑到新《预算法》已经对政府预算管理和资金管理进行了明确规定，应当围绕基本建设活动的法律缺位部分,特别是项目管理加强立法，并聚焦于项目审批科学化、实施流程精简化、项目概算规范化、责任追究制度化等核心问题，构建科学的基本建设项目管理法律制度。

③在配电房内设置有源滤波装置。

2.4 降低电动机能耗

据相关资料查得，全国用电量的约2/3 是电动机所消耗，可见降低电动机损耗，提高电动机效率，对节能意义非常重大。降低电动机能耗的措施主要有：

①选用高效节能型电动机：高效电动机节能效果很显著，特别是年运行时间长、电动机功率较大、负荷率较高的情况下，应优先选用[6]；

②合理选择电动机功率，在满足传动要求的条件下，使负荷率处于较高的水平；

③对于变化范围较大的负荷，宜采用变频调速方式。

2.5 照明系统节能

照明用电的使用非常广泛，一般工程的照明（含普通插座）系统的用电负荷约占总用电负荷的35%～40%。因照明节能的措施比较多且简单易行，因此照明节能有非常大的空间。照明节能可采用如下措施：

首先是照度标准方面应按照《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）规定设计，各房间或场所的照明功率密度应满足《建筑照明设计标准》第6.3 节规定的现行值的要求[7]。

其次在设计中应选择高效灯具及节能型光源。如满足控制眩光条件和必要的舒适性要求条件下，应优先选用开启式直接照明灯具；按照房间的室形指数，选择相适应的灯具配光；有漫反射罩的灯具，应采用高透光率材料；尽可能选择三基色T5、T8 荧光管或LED 灯具。再有就是采用合适的照明控制方式节能。如道路照明应设置按自然光照度和时间自动控制；景观照明按规定的亮度和时间开启、关闭，并按平日、假日、重大节假日自动或手动调节亮度和点灯范围；人流量较少的楼梯间、走廊、地下车库、卫生间及类似场所装设红外感应节能自熄开关，需注意人员流动频繁的楼梯间、走廊等则不宜装设，否则会导致开关频繁动作，实现不了节能目的还容易损坏设备，浪费投资。现在大部分公共建筑都设计了智能照明系统，对于公共区域的照明节能确实有良好的效果，但对于此系统的设置需要进行合理的评估，只有在工程达到一定体量时才建议做，较小的项目其初始投资在系统的使用寿命周期内无法回收，得不偿失[2]。最后可采用自然光与人工照明有机结合，可利用各种导光和反光装置将天然光引入室内进行照明；距离电源点较远的路灯，宜采用太阳能光伏供电。

2.6 降低交流接触器能耗

交流接触器虽然使用的场合很多，但是因为成本低，电磁吸合线圈一般只有几十伏安，因此设计人员一般不考虑其损耗。放到全社会范围看，接触器就不是一个小数目了，如果把这些损耗全部加起来，则总量还是非常大的。根据《交流接触器能效限定值及能效等级》（GB21518-2008）查得，额定电流32A 的接触器吸持功率在1 级能效时为0.5VA，在2 级能效时为8.3VA，在3 级能效时为13.9A，由此可以看出，1 级能效同3 级能效的吸持功率相差很大。不管采用多节能的电气设备，合理的系统设计尤为关键，如对于能耗采用分类分项计量系统，以便于发现耗能情况，更有效监管节能[3]。在做方案时就应该将变电所提供给建筑专业，让变配电所的选取尽可能处在负荷中心，来减少电能在线路上的损耗。在高层建筑中，配电室应尽量靠近电井，对于大型的公建应根据平面情况设置多个电井。尤其可以考虑太阳能光伏电源系统，风力发电系统等可再生能源的利用。

3 建筑电气设计节能环保的措施

3.1 EPS 应急系统

EPS 应急系统在近些年发展快速，当前我国公安部门已经认可该系统，该技术在集中供电、用电应急方面发挥着重要价值。在建筑电气系统中，要求增设应急电源来保证用电负荷正常，采用传统的柴油发电机的应急供电方式容易产生污染严重的烟气，并且需要单独设置排烟系统，加上机械设备产生的严重噪音和所占用较大的空间，违背了节能、节地、环保等要求。EPS 应急系统有效地解决了传统应急电源的不足，对楼板耐火等级要求不高，可以节省系统运行维护费用，具有良好的应急效果。凭借着诸多优势，该系统已经在现代建筑中得到越来越广泛的应用。组成EPS 应急系统的部分主要有互投装置、自动充电机、逆变器及蓄电池组等[4]。

3.2 智能照明系统

现代建筑对照明有着越来越高的要求，建筑公共照明节能已经逐渐成了现代社会研究的热点。在传统建筑照明系统中，可以通过人为控制配电箱实现大型建筑照明控制，但是这种方式随机性大，受到人员因素影响较大，并且这种照明方式已经难以匹配现代建筑照明的功能需求。此时，智能照明系统应运而生。智能照明能够根据建筑内部的光度和时间季节变化自主调整照明时间、亮度，对于光线较强的区域可以自动降低照明亮度，有助于实现照明节能[1]。

3.3 矿物绝缘电缆

铜和氧化镁是矿物绝缘电缆的主要原材料。氧化镁和铜有着较高的熔点，性质十分稳定，通常电缆在长期使用后不会出现各种问题，这能够有效降低火灾发生的概率。矿物绝缘电缆外包由无机材料构成，即使是发生了火灾，燃烧后也不会有有害气体释放出来。此外，如果建筑发生火灾，矿物绝缘电缆在高温燃烧环境条件下能够保证持续供电三小时以上，这比国家规定的标准超出很多，安全性大大提升，是当前消防供电系统中常用的材料。

3.4 高效节能光源

除了应用智能化光控系统，在建筑电气照明方面还可以积极选用高效节能的光源，实现光照节能环保的效果。高效节能光源不但能够满足建筑电气照明和显色性的要求，同时能够节省电能，在保证了良好照明质量的同时保证了发光效率，降低了光污染问题，有助于人们视力的保护。为此，在建筑电气照明灯具选择时，应当根据建筑的功能和使用要求做好光源的合理选择，比如当前常见的LED灯源、高压钠灯就是很好的节能照明设备[3]。

3.5 空气源热泵供暖空调技术

空气源热泵是大型建筑中常用的供暖技术，其在节能环保方面发挥着明显的效果。在实际应用中，空气源热泵供暖空调能够提取和应用反季节能量，利用热泵机组实现交换室内温度和大地温度的效果，能够在夏季将热量储存然后在冬季重新利用储存的热量。这种供暖空调方式不但有助于保证建筑物内部的温度处于稳定状态，还可以充分利用自然能量，有助于实现电气节能，有助于节省能源[5]。

3.6 太阳能的应用

太阳能作为可再生能源很早以前就进入大众的视野，但是太阳能的利用还处于初步阶段。当前人们生活中很多领域都已经开始涉及太阳能技术，比如最简单的太阳能淋浴系统。太阳能利用逐渐成为电气设计领域的一个热点。虽然当前受到经济条件和技术条件的制约，太阳能利用效率不高，但是只要不断探索，必然能够提高对太阳能的利用。在建筑电气工程中，可以利用太阳能发电，将太阳能转化为电能，实现节约建筑用电、节能降耗、保护环境的效果[4]。

3.7 负荷管理技术

建筑电气绿色节能环保设计可以充分借鉴负荷管理技术。通过负荷管理能够将建筑物的实际用电情况真实地反映出来，从而保证更加合理地控制电气系统。变压器、电动机等都是电气系统中能源消耗较大且负荷较高的设备，设计师将负荷管理技术应用于电气设备中能够将运行的参数明确，尽量将电气运行负荷的偏差降低，从而实现减少电气能耗、提升电气系统运行稳定性的目的。

4 绿色建筑中的电气节能技术应用策略

4.1 绿色照明技术

绿色照明技术是一种合理使用自然光或调节光进行照明的实用技术，也是绿色建筑重要的组成部分，其主要表现在于对于光源的利用与控制上。例如，在传统建筑中，白炽灯是走廊声控灯的主要照亮设备，而在绿色建筑之中，声控技术得到了升级，白炽灯变成了节能灯，在每次关灯之前都会搜寻四周声响，若发现声音将会持续进行照明，而声音频率相同将会被系统强制过滤，降低异常声响对于声控灯的干扰[5]。此外，在白天时部分建筑部位没有充足的阳关进行照射，而绿色建筑主动将太阳光通过折射吸引至屋内。简单来说，就是将屋顶设置一个阳关捕捉器，其可以捕捉清晨到日落之间的阳光，利用内置管道吸引至室内，有效增加某一区域的光线强度与温度，减少电力消耗[4]。此外，建筑内部所使用的节能灯需要是LightEmittingDiode标准四代以上的新光能发电管，此种类二极管能源消耗极低，使用寿命是白炽灯的100 倍以上。而建筑施工人员还可以使用无极灯（PromiseLight），该灯源拥有防爆、节能、多变等特性，但整体造价高于二极管节能灯[5]。

4.2 绿色空调技术

伴随着我国经济实力的提升，以及人民生活质量的提高，空调成为了每家生活的必需品，但是独立空调十分消耗电力资源，为了降低电力消耗，绿色建筑需要采用集中制冷或供热系统。在施工过程中，施工人员需要根据当地气候变化，推算出用户对于空调需求时间，如北方在7 月份入伏后，可能使用1～2 个月空调进行制冷，而在12 月份以后需要进行制热；南方需要在5 月份就开始使用空调一直持续到10 月份左右，因此，在建筑绿色建筑时，需要充分的考虑到环境对于绿色建筑的影响。科学、合理的准备安装方案，并对空调机组、冷却塔、水泵、末端设备进行监控，在发现某一个住户将房屋温度调至过低时，需要进行提醒，而后增加对于其房间的能源消耗的惩罚，但不可直接強制调高房屋温度。在持续一段时间后，需要住户进行电力消耗过大提醒，需要客户进行确认，若无法得到确认则将空调制冷系统恢复至正常状态[6]。

4.3 太阳能技术

太阳能技术经过近几年的发展，已经趋向于成熟，但是整体发电量有限，整体造价成本较高的，但是使用小型太阳能发电板储存电能，将会解决部分公共用电消耗问题。部分房屋建筑的位置使得一面墙壁始终处于阳面，而这一面不仅能以存放任何东西，墙面材料老化程度也会加速，若见此面墙壁全部换成太阳能电池板，将所得的电能进行公共使用，不仅能够降低电能的消耗，也会得到住户的支持。值得注意的是，铺设太阳能电池板将会提高房屋建筑整体建筑成本，因此，在建设之前需要征得业主的同意，保障相关工作顺利的开展，避免发生建筑成本增加，业主不买单的问题[7]。

4.4 照明节能措施

①充分利用自然光，根据自然光的照度变化，分组分片控制灯具开停。设计时适当增加照明开关点，即每个开关控制灯的数量不要过多，以便管理和有利节能。室外照明系统，最好采用光电控制器代替照明开关，以利节电。在插座面板上设置翘板开关控制，当用电设备不使用时，可方便切断插座电源，消除设备空载损耗，达到节电的目的。

②有效控制单位面积灯具安装功率。按照照明设计规范的视觉要求、照度标准、照明功率密度等，在满足照明质量的前提下，一般房间及公共场所应优先采用紧凑型荧光灯及高效发光的荧光灯，体育馆场及厂房的室外照明等一般照明宜采用金属卤化物灯、高压钠灯等高效气体放电光源。

5 结束语

电气节能设计是在充分满足工程的基本功能以及相关工艺的要求下，减少能源的损耗，不是靠降低工程的功能标准来降低能耗，同样也不能单纯地为节能而节能增加无谓的投资，只有合理全面地做好多方面的措施，才能做到真正的节能。