关于建筑电气系统能效提升的思考

韩占强

(中国中建设计研究院有限公司，北京 100037)

0 引言

坚持节能减排、推动绿色低碳发展是我国的基本国策。 2021 年全国两会上，中央又提出了“二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”的目标，“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。

节能减排关系到国民经济发展的各行各业，建筑作为人们从事生活和生产活动的场所，一直是重要的能耗大户。 据统计，全国建筑的运行能耗占全国能源消费总量的21.7%(2018 年数据)，目前建筑能耗以电能为主，燃气和市政热力为辅。 为减少建筑对化石能源的使用，电力在终端能源消费的占比将会大幅增加，可再生能源在电力供应中的比例也将会大幅提高。

建筑电气系统是建筑内电能传输、分配和使用的载体，包括建筑红线范围内的所有电气设备和线路，可以比较全面地反映建筑的用能状况。 因此，提高建筑电气系统的能效对于建筑节能具有重要的意义。

1 建筑电气系统能效的定义

建筑电气系统能效是在满足建筑使用功能和电气安全的前提下，电气系统的电能使用效率。 在相同的使用条件下，电气系统消耗的电能越少，系统的能效越高。

从广义上来讲，建筑电气系统的能效是建筑所消耗的电能转化为其他能量的综合效率。 例如:电能可转化为光，为人们提供照明；电能可转化为机械能，驱动电梯、风机、水泵等，机械能又能通过热泵提升进行制冷(热)；电能还可以直接转化为热能，例如电加热设备等。 近年来随着电气技术的快速发展，电气设备的能效越来越高。

从狭义上来讲，建筑电气系统的能效是建筑红线范围内电气系统本身的电能传输和设备用电效率，是建筑机电系统能效的一部分。 建筑机电系统主要包括暖通系统、给排水系统、电气系统，其中空调系统和给排水系统在电气系统里是作为终端用电设备出现的，其设备能效会对电气系统的能耗有重要影响。

建筑电气系统的能效受多种因素影响，包括电能传输效率、用电设备能效、人员使用情况、外部环境因素等。

2 建筑电气系统组成和能耗分析

从电能全过程使用的角度来看，建筑电气系统包括电能传输环节和用电环节。

(1)电能传输环节由市政电力进线处起至终端用电设备的电力线路、电能变换设备及开关控制设备组成，包括建筑红线范围内的高压线路、高压开关设备、变压器、电容器、滤波器、UPS 设备、低压开关和控制设备、低压配电线路等。 对于低压用户，传输环节不包括变压器、高压开关设备和高压线路。

传输环节的损耗主要由线路损耗和电能变换设备损耗组成(高低压开关设备的损耗通常小于1/1 000，可以忽略不计)。 建筑中常见的电能变换设备包括变压器、UPS、变频器等。 电容器、滤波器可使线路或变压器在传输同样的有功功率下，有效降低电能损耗。

(2)用电环节由各种终端用电设备组成，分为固定安装的用电设备和非固定安装的用电设备。

固定安装的设备包括:建筑照明、各种风机、水泵、电梯等，此部分设备含在建筑电气安装工程内，设备容量是确定的，其能耗和设备使用情况有关。

非固定安装的用电设备是建筑完工后用户自行接入的设备，例如办公电脑、家用电器等，此部分设备一般通过插座进行供电，其容量不太确定，使用工况和建筑内人员占用率密切相关，存在较大的不确定性。 设计阶段可以通过对类似建筑的负荷统计进行分析计算。

在设计阶段建筑能耗分析中，可以通过ETAP电力分析软件进行仿真，见图1。 利用其潮流分析功能，根据类似建筑使用情况建立分析模型，按照分时负荷法进行模拟计算。 经过对一些典型项目的建模计算分析，建筑电气系统传输环节损耗占总能耗的3%～8%，用电设备环节能耗占总能耗的92%～97%。 由于用电设备能耗在系统总能耗中占比较高，因此提高用电设备的能效对建筑节能效果更显著。 此结论对节能设计或改造具有重要的意义，可以用来评估不同投资方案的实际节能效果，把有限投资花在刀刃上。 以照明光源为例，传统白炽灯的光效为10～15lm/W，直管荧光灯的光效为80～100lm/W，目前LED 光源的能效为90～130lm/W。 用LED 灯代替传统白炽灯，系统可节能85%以上；而如果仅考虑传输环节节能，同样投资下节能效果将会差别巨大。

图1 ETAP 分析软件建模分析图

3 建筑电气系统节能措施和控制策略

通过以上分析可以得出，建筑电气系统节能的基本思路是:从整个系统的角度，在满足建筑基本使用功能的前提下，尽量减少传输环节损耗，降低终端用电设备损耗，

3.1 传输环节的节能

3.1.1 减少电能变换的中间环节，优化系统运行方式

从建筑电源进线处起，电能每进行一次变换(例如降压、整流、逆变等)，就会造成一定的电能损失，因此通过减少电能变换的次数，可以起到降低损耗的作用。 应用举例如下。

(1)对于大型用电设备，经技术经济比较，可以采用高压供电方式，减少中间降压变压器的损耗。电动机容量在350～550kW 时，宜采用高压供电；电动机容量大于550kW 时，应采用高压供电。

(2)A 级数据中心在满足供电可靠性和电能质量要求时，末端双电源IT 设备可以采用1 路市电和1 路UPS 电源供电，相较于UPS 2 N 供电系统，减少了1 组UPS 设备(图2)。 市电直供电源由于减少了UPS 电源变换的损耗，提高了系统效能。

图2 A 级数据中心一路市电加一路UPS电源供电系统图

(3)A 级数据中心机房精密空调采用1 路市电和1 路UPS 电源供电，末端设置ATS 互投(图3)。在正常工作情况下，通过设置ATS 把市电作为主用电源，UPS 作为备用电源；市电停电时，自动投入UPS 电源。 这样在正常工作时，UPS 输出端只有电压，不输出工作电流，此种运行方式可以有效减小UPS 的运行损耗。

图3 A 级数据中心机房空调供电系统图

3.1.2 提高电能变换设备的能效

传输环节的电能变换设备包括变压器、UPS 等设备，可以通过选用高效节能设备，优化设备运行方式来降低损耗。 下文进行应用措施举例。

(1)降低变压器损耗。 1)选用高效节能变压器，根据国家标准《电力变压器能效限定值和能效能级》GB 20052—2020，优先选用一级能效和二级能效的变压器。 2)优化变压器负载率和运行方式，使变压器运行在节能区间。 例如在正常工作时，变压器负荷率控制在40%～80%范围内。

(2)选用高效能UPS。 目前高频模块化UPS 的效率要优于工频UPS，成为数据中心的首要选择。对于2 N 配置的UPS 供电系统，正常工作时UPS 的负载率小于50%，由于UPS 的效率随着负载的减小而降低，所以应选择在低负载率下效率高的UPS，以降低设备损耗。

3.1.3 降低配电线路损耗

(1)变电室和各级配电箱深入或接近负荷中心设置，是电气设计的基本原则之一。 对于某一确定的建筑，变压器和各级配电箱越接近其所服务对象的负荷中心，低压配电线路的长度越短，线路的损耗就越小。 负荷中心可以采用重心法计算(参考IEC 60364-8-1 附录A)，其方法如下:

式中，xb，yb，zb为计算得到的负荷中心位置三维坐标；xi，yi，zi为各负荷位置三维坐标；EACi为各负荷每年的估算耗电量，kWh。

需要注意的是，以上计算公式中所采用的参数是设备能耗EAC，而非设备的功率P。 这样计算得到的是能耗最优的负荷中心。 如果采用设备功率P计算，得到的负荷中心是功率负荷中心，虽可在一定程度上减少线缆长度，但不一定能使整体能耗最低。 由于不同设备的运行时间是不同的，设备之间的能耗与其功率不是正比关系。 采用基于能耗的重心法计算得到的负荷中心可以使线路损耗相对较小。

(2)合理增大回路导体截面。 由于回路电阻和导体截面成反比，增大导体截面可以减少导体电阻，进而减少导体有功损耗。 但要同时考虑投资收益比，从全寿命期的角度降低总体拥有成本TCO。

应用举例:对于双路电源供电的负荷，尽量采用三开关切换方式(2 进线1 母联，正常情况下双路电源同时工作、每路电源各带一半负荷见图4)。

图4 舞台照明双进线一母联主接线系统图

由于任何一路线路都可以承载全部负荷电流，采用双路电源同时工作的方式相当于将线路截面增大一倍，线路损耗减少为两电源一用一备工作方式的1/4。 典型应用为某大型剧场的舞台照明供电，由于负荷容量较大(该剧场舞台照明安装容量为PeΣ＝5 013kW，计算容量Pj＝1 013kW)，一般从变电所采用双路母线供电，引至舞台硅控室的舞台照明总配电柜，总配电柜采用双路进线、中间带母联的主接线形式，正常工作时每路电源各带一半负荷，母联开关处于断开状态。 这样的双回路同时工作方式不但使供电线路损耗减小，也可使两台变压器负载更加均衡，提高变压器的运行效率。

3.1.4 低压无功补偿和谐波治理措施

低压无功补偿可以提高系统的功率因数，减少流经线路和变压器的无功电流，从而降低传输环节损耗。 根据电容器安装位置，分为集中补偿和分散补偿。 在变电室低压侧进行集中补偿时，可以减少变压器的负载损耗，但不能降低低压配电线路的损耗。 对于长时间运行的大容量用电设备，推荐采用就地无功补偿方式，可以同时降低低压配电线路和变压器的损耗。 对于三相负荷不平衡的负荷，建议采用分相无功补偿方式。

谐波电流可在线路和设备中造成损耗，对于大型谐波源设备，建议在设备安装处就地安装有源滤波装置。 也可在变电室低压侧集中设置有源电力滤波器，以减少变压器发热损耗，并满足电网对用户谐波治理的要求，提高电能质量。

在实际工程中，电容补偿和谐波治理应根据实际负荷特性，采用集中和分散相结合的形式，以期获得最大效益。

3.2 终端用电设备的节能

终端用电设备的节能主要通过以下两种方式来实现。

3.2.1 降低用电设备的安装容量

(1)采用高效节能用电设备。 例如采用高效节能电动机，电动机能效应满足国家标准《电动机能效限定值及能效等级》GB 18612-2020 的规定，并推荐选用1 级和2 级能效的电机。 除选用高效电机外，还应关注所拖动负载的整体效能，以离心式空调制冷机组为例，选用磁悬浮离心式机组(压缩机为磁悬浮轴承)比普通离心式机组能效比值(COP)提高30%以上，参见表1。 在产生同样冷量的情况下，电机功率大大降低。

表1 离心式制冷机组能效值

(2)合理进行系统设计，减少设备安装容量。以照明系统为例，除选用高效节能灯具以降低灯具安装容量外，还可以通过合理设计，在满足规范功照明质量的前提下，尽量采用直接照明方式，采用单灯功率较大的灯具，减少照明功率密度值，提高系统整体能效。

3.2.2 减少用电设备的运行时间或运行功率

在满足建筑使用功能的前提下，主要是通过合理的控制方式来实现设备运行时间的减少。 例如设置建筑设备监控系统，采用主动节能控制策略。可以根据建筑内以下三种不同的负荷特性，采用相应控制策略。

(1)即时类用电设备。 此类设备不含惯性或储能环节，典型设备如照明、办公电脑用电等，此类设备的控制要点在于将设备的工作状态和实际使用需求真正对应。 以照明系统为例，在有自然采光的场所，可根据光线情况，由亮度传感器控制灯具的开启；会议室设置移动感应探测器，无人时自动关灯。 以上控制方式通过传感器来主动感知建筑的真正需求，减少灯具不必要的开启时间，达到节能目的。

(2)惯性类用电设备。 此类设备本身或其服务对象包含惯性能量环节，在设备停止运行后，仍能使其输出参数在一定时间内保持在需求范围内。例如房间空调系统，当设备停止运行后，由于房间存在热惯性，温度上升/下降到设定值的上限或下限时，还需要一段时间，可以利用该特性，在满足房间基本需求的情况下，调整房间的设定参数，适当改变机组的运行方式，减少机组运行时间，实现降低能耗的目的。

(3)储能类用电设备。 设备本身包含储能环节，例如蓄电池或其他储能介质。 可以根据其良好的负荷特性，削峰填谷，降低建筑运营成本。 以电动汽车充电桩为例，可以利用充电桩充电管理系统，制定主动管理策略，在每天用电高峰期间减少投入充电桩数量，在用电低谷期间增加充电桩数量，这样可以使配电系统得到充分利用，相比于不受控制的自然使用状态，最大需求功率值大为降低，配电系统的整体损耗降低。

通过以上措施可以减少终端用电设备的能耗，同时也使传输环节的电能损耗减小，建筑电气系统整体能耗相应降低。

4 提高与创新——绿色可再生能源的应用

从能源输入的角度来看，提高建筑电气系统能效可以理解为在满足建筑使用功能的前提下，从市政电网输入的电能最小。 按照此思路，建筑因地制宜合理采用可再生能源，也是间接提高建筑能效的一种方式。

可再能源包括光伏发电、风力发电、燃料电池等。 根据国家能源局《关于2021 年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》，2021 年全国风电、光伏发电发电量占全社会用电量的比重约达11%，后续逐年提高，2025 年非化石能源消费占一次能源消费的比重将达到20%左右。

目前建筑中应用最多的是分布式太阳能光伏发电系统，随着近年光伏发电效率的不断提高和安装成本的降低，光伏发电优势将日益明显。 北京地标《居住建筑节能设计标准》 DB11/891—2020 3.1.8 条规定:对于新建居住建筑，12 层以上的应有不少于全部屋面水平投影面积40%的屋面设置太阳能光伏组件；12 层及以下的建筑，应设计供全楼用户使用的太阳能生活热水系统或有不少于全部屋面水平投影面积40%的屋面设置太阳能光伏组件。 光伏发电系统装机容量越大，年发电量越大，对建筑的节能贡献越大，建筑的能效就越高。

光伏发电系统宜采用和市电并网运行模式，并宜设置储能系统。 储能系统可以优化可再生能源的使用，其本身并不能提高电气装置的效率，但可以减少市电电网的供电损失，可视为一种间接的节能措施。 在IEC 60364-8-1 中，设置储能系统可以作为建筑能效评估加分项。

5 结束语

电气系统的节能应从系统的角度出发，分析各个环节耗电情况，采用被动式节能和主动式节能相结合的方式。 从系统架构、设备选择、负荷控制三个维度进行综合考虑。

从以上分析看出，提高建筑电气系统能效，首要是提高用电环节的能效，减少用电设备本身的能耗，这是最有效的方式，节能潜力最大；其次是降低电能传输环节的损耗；最后是因地制宜合理利用可再生能源，减少从市政电网输入的电能，提高整个建筑系统的能源效率。