浅析建筑电气节能设计及绿色建筑电气技术

姜 洋

本着“高效节能、生态环保、健康适用”等原则，促使建筑体本身就形成了一定的生态文明蕴涵，如，建筑结构设计中充分考虑自然采光、通风、保暖等条件，大量利用节能环保材料及施工技术等，以对冲电气系统的能源消耗，所以绿色建筑电气部分的节能设计，所要兼顾的能耗影响因素更多，即除了考虑常规建筑电气系统之外，还要将自然因素、新能源因素考虑进来。

1 建筑电气节能设计

伴随人们生活理念的不断更新，节能、环保、资源循环利用等理念越发深入人心。在建筑领域，人们不再满足于基础的居住和使用需求，而开始更多地关注建筑的性能、材料、电气设计等要素和环节。可见，建筑电气节能设计已经成为现代建筑设计不可缺少的部分。建筑电气节能设计，即在施工人员的建筑工程施工操作中，通过有意识地渗透环保思维，使电气系统的运行具有环保属性。这类设计反映的是现代化的建设理念，能够在帮助电气系统节能的前提下，保证使用的安全性。由于电气系统本身需要通过消耗资源与电能来维持运行，所以，一旦其起到了节能的效果，则能够从资源利用、电能消耗的相关数据变化上反映出环保价值。可以说，随着电气节能设计的日趋成熟，其将成为驱动我国社会经济可持续发展的重要环节。当然，我国建筑领域的电气节能设计方面，现仍处在前期摸索阶段，虽然有了一定的发展、创新，但是尚有较大的进步空间。因此，人们仅仅是树立节能意识、环保理念还不够，还必须在建筑电气节能设计中践行节能原则，注意对“绿色”技术的应用。就节能意识下的电气设计而言，应遵循的原则有：其一，绿色环保设计原则。该原则也是我国城市化建设的一个相对明确的方向，能够突出可持续的环保价值理念，带动建筑施工加入更多的绿色、节能元素。遵循该原则时，施工人员需要在条件具备时优先选择污染轻、耗能低的高性价比建筑材料，并且重视材料应用对使用者的后续影响，关注材料和人的关系。其二，建筑使用功能全面实现原则。节能设计与实现建筑使用功能，二者是表与里、末与本的关系。施工人员不能求表忘里，也不能舍本逐末，必须在保证建筑使用价值的基础上，同时提供给人卫生、舒适的体验。当然，随着建设理念的不断升级，节能、绿色等设计要求的迫切性、规范性都会提升，这就要求施工人员在建筑使用功能的实现和电气节能设计之间找到平衡，更好地兼顾二者的关系。

2 建筑电气节能设计主要内容

以一般建筑为参照，建筑电气节能设计内容主要包括“供配电系统”“照明系统”“建筑设备系统”三类。供配电系统是建筑电气节能设计的“基石”，从系统逻辑上分析，一个单体建筑内外电气系统是否运行稳定、高效低耗，主要取决于配供电系统供电质量，而影响质量的因素主要包括谐波含量、功率因数、三相平衡四方面。

第一，谐波含量控制。由于发电系统、输电系统、供电系统及用电设备的综合作用，输送到建筑电气系统中的电力并非是一直维持50Hz 的正弦交流电，其中或多或少夹杂着一定分量的谐波，严重影响电气系统的安全性，同时也会造成额外的能源损耗。例如，谐波电流会造成线缆发烫、变压器过热，相当一部分电力能源被浪费掉，更严重的是会影响建筑电气系统功能体验。如，经常跳闸、烧毁电子元件；基于此，建筑电气节能设计时必须重视谐波治理，目前主要采用的方法有两种，其一是面向电网展开治理，通过运用非线性负载设备来减少谐波电流，但这已经不属于本文探讨的范围；其二，针对电气系统中的运行设备展开，即在进行电气节能设计时，要综合多方面因素、通过科学计算，将运行设备的供电控制在谐波含量安全的水平。

第二，提高功率因数。物理学意义上的“功率因数”是指有功功率与视在功率的比，这一指标对于电气节能设计具有重要现实意义。因为建筑电气设备多为感性负载，自身功率因数维持在较低水平，考虑到无功功率的存在，就不得不提高视在功率，这就牵涉到电动机、变压器等装机容量的持续上升，同时，功率因数值低还会造成一定的线路损耗。解决这一问题的方法，目前较有效且较经济的就是安装无功补偿装置。不仅可以有效减少电能损耗，同时电气系统配备小容量电动机、变压器即可，整个电气线路也可以使用截面较小的导线。

第三，保障三相平衡。电气系统中三相不平衡的危害主要有线路损耗、电机附加发热及振动、缩减电机寿命等，为保障三相平衡，需要注意以下事项。①建筑中用电设备在设计接入220V/380V 三相系统时严格执行三相平衡，杜绝三相负荷不平衡的现象，从根源上实现有效治理。②电气系统进行功能划分，其中照明系统接入低压电网供电（220V），如果电流小于60A 可采用单相供电，做到三相平衡供电，大于60A 应采用220V/380V三相四线制供电。③在电气系统中安装平衡装置。整体上，建筑电气节能设计的一个基础工作，就是确保供配电系统实现节能，在具体设计时，还要考虑建筑所处实际环境，综合供电距离、用电设备、空间分布、负荷量等数据，展开谐波含量、功率因数、三相平衡的综合治理，在此基础上最大可能地简化供配电系统。

第四，光伏发电设计。在早期节能设计方案中，以提升电能实际利用效率为设计思路，如变电室位置选择、谐波治理等，无法解决电能在电网输入时的线损问题。现今，随着科学技术发展，可采取光伏发电技术提升能源利用率。可在建筑屋顶等光照充足、采光条件好、开阔区域中摆放太阳能光伏电池组件与控制器、蓄电池、逆变器等配套装置，基于光电效应，光伏电池持续将所吸收的太阳光辐射转换为电能，通过逆变单元将直流电转换为交流电，将电能接入建筑电气系统中，并将多余电能储存在蓄电池中，在日照条件较差时于夜间释放，以此来解决光伏发电系统电能输入不稳定的问题。此外，在光伏发电设计环节，应综合考虑建筑所处区域日照条件与平均日照时长、气候变化、放电电流平均值与最大值、发电单元接收太阳角度等问题，判断建筑电气工程是否具备光伏发电技术的应用条件。

3 建筑电气节能设计措施

3.1 供配电节能设计

变配电室位置选择。部分建筑工程的变配电室位置设定不当，因低压配电半径过大与输电线路较长，产生较大线损量。对此，在不影响建筑功能发挥的前提下，可合理选择变配电室位置，必要时在相同楼层内设置多处配电室，控制线路布设长度，将低压配电半径控制在200m 以下，从而降低理论线损电量。同时，优先在建筑强电竖井周边布置变配电室，如果二者间距较远，可能出现电能倒送现象。

变压器选型。变压器常用类型包括D10 型变压器、S11 型变压器等，不同类型变压器的空载损耗率、空载电流等性能存在差异，视建筑电气运行需求而定。例如，从成本角度出发，可选取造价成本相对较低的D10 型变压器，其造价仅为S11 型变压器的70%～80%；从节能属性角度出发时，则选取SBH15 型变压器，较之S11 型变压器，此类变压器的空载损耗率降幅超过70%，但采购价格较为高昂。另外，在选择变压器时，要求变压器容量超过实际使用需求，避免变压器频繁、长期处于满负荷或超负荷状态，这将加快设备老化速度、增加空载损耗量。一般情况下，将变压器的运行负荷率控制在30%～80%，在变压器容量较大时可采取增加变压器台数的设计方法，如在装机容量值设定在2000kVA 时可配置两台单机容量为1000kVA 的变压器，从而改善供配电系统节能效果。

导线选择。常见导线材质包括铜芯、铅芯与银芯导线，银芯导线的价格过于高昂，铅芯导线存在耐高温性能差、仅可制作单根硬线、使用寿命短的局限性，而铜芯导线有着使用寿命长、屈服次数多、电阻抗小、可制作多股软线等优势，可优先选取铜芯材质导线，这将显著提升系统通电效率。随后，根据已掌握的导线发热条件、布设长度、电流电阻值、机械强度等信息来验算导线截面面积的最佳值，要求零线、相线二者的截面面积保持一致，可采取提高电压等级、加大导线截面面积的措施来减少线损量。

谐波治理。系统运行期间，输送的交流电中夹杂少量谐波，会导致供电质量下降，损耗一部分电能，如在谐波电流经过导线时，产生趋肤反应，致使导线横截面积缩小、送电电阻增加，线路持续释放热量。为解决这一问题，需要在系统中设置无源滤波装置或有源式电力滤波器，起到抑制谐波、补偿无功功率、控制功率因数的作用。

3.2 智能化监控系统设计

对于住宅小区建筑电气系统节能设计而言，设计人员还要对电气系统的运行状态进行监控，以了解电气系统的节能状态，合理配置智能化监控系统。现阶段，部分小区为获得更好的日照条件，在布局上存在较大差异，基于此，在安装智能监控系统时，应根据实际情况对其进行设置。应尽量选择覆盖能力强的监控设备，并尽量减少监控设备的设置数量，通过合理配置监控系统实现对电气设备等的全面、实时监控。同时，设计人员要充分应用通信技术和传感器技术，对小区内外部环境进行全面监测，及时发现能耗较高的设备，并进行位置标记和数值记录，然后进行原因分析，针对性地对其进行调整。监控人员可利用移动终端对电气系统进行远程控制，并在物联网技术的支持下，将各个电气设备的能耗监测线路进行集成，全面实现各个电气设备之间的有序联动，真正实现电气系统节能控制的有效衔接。

3.3 清洁能源资源的运用

智能化建筑电气的节能设计同样需要清洁、生态、可再生能源的利用，正所谓清洁能源的引进与利用，资源的循环化使用才能从真正意义上达到节能目标。一方面要充分利用现有的清洁能源，例如:太阳能、风能等，建筑电气系统设计中要将太阳能系统纳入重点考虑对象，通过设计一个太阳能系统，充分利用太阳能来为建筑提供必要的供热、供暖服务，减少对传统燃料、传统能源等的依赖，这样才能真正控制排放、减少污染，从根源上提高节能环保水平。风能的利用则主要指的是要充分利用自然风，建筑内部空间需要自然风通道，公共空间范围内可以在墙壁设置风口，确保自然风的渗入。除此之外，还应当加大各类新能源的推广力度以及应用力度，而这部分新能源，其主要就是指那些具备着节能性以及环保性特征的全新能源材料，比如绿色环保的室内装修材料、墙体保温材料等，其不仅能够满足智能化建筑节能设计的基本需求，还可以大幅度降低各类资源的消耗。因此，这就需要积极开发那些全新的新资源以及新能源，进一步构建出一种更加节能的建筑内部环境。

3.4 照明控制设计

在建筑照明控制设计环节，可采取照明分区控制、定时控制、智能启停控制三种方法，根据实际照明需求来提供照明效果。①照明分区控制方法。将照明系统拆分为应急照明、走廊楼梯照明、室内照明、功能性照明四部分，分别设定各部分的光照强度、开启时间等参数指标要求。例如，在白昼期间与室内自然采光条件较佳时，完全关闭室内照明系统，在出现主电网电路切断与建筑火灾等突发情况时，启动应急照明系统，根据使用需求在特定时间段或全天候开启障碍景观等功能性照明系统，根据人工发出的控制信号声来自动启动走廊楼梯照明系统中的声控灯具。②定时控制方法。根据业主使用需求，预先在建筑照明系统中导入控制方案，在到达特定时间段后，由系统自动启动或关闭各区域的照明设备，可以额外采取手动方式来开启、关闭照明灯具。③智能启停控制方法。为解决自动控制系统的控制精度低、区域控制时间无法调整、无法判断实时照明需求的问题，在照明系统中安装若干传感器与PLC 装置，通过总线将输入、输出、系统单元接入计算机系统中加以集中管理，由传感器采集现场监测信号，将信号进行预处理后上传至PLC 装置，由装置执行数据扫描、运算分析、指令输出等操作，根据实际照明需求来调整控制方案内容，包括各区域照明灯具启闭数量、开启时间段、照明负荷、室内环境光照亮度等。

3.5 提升建筑电气设计中的安全性

为提升建筑电气设计中的安全性，必须提高设计人员对安全性的认识，并且要求他们了解建筑电气设计的重要安全特性。电气设备和管路的质量直接影响电气设计的安全性。建筑公司必须确保电气设备和管道的质量，并对电气设备和管道进行严格规划和比较，让厂家出示电气设备和管道的合格证。电气设备和管道顺利入库后，技术人员应对电气设备进行多次检查，以确保电气设备和管道的质量。在建筑断路器和电涌保护器是安装和操作电气设备时需要特别注意的两种设备。当电气设备发生漏电时，断路器可在早期检测漏电，同时对其他电气设备发挥重要的保护作用，并提前防止电气设备漏电。为了能够根据实际需求来对建筑的电力系统的具体参数进行设计，设计人员需要对市场需求深入全面了解，避免过度浪费资源和出现安全风险。总的来说，居民区的电力损失大大低于商业和工业区，这有助于计算居民的电力损失，并发展科学和成熟的电力系统。对于电涌保护器来说，其作用是快速检测电压变化，在电气设备出现电压异常时，电涌保护器可以快速向工作人员传递信息，以确保电气设备的安全和稳定。此外，设计人员必须正确计算电气负荷，以确保数据的真实性和准确性。电力设备运行一段时间后，将不可避免地会出现负荷增加的现象，同时，根据一定的寿命，电力设备的绝缘能力会趋于下降，甚至会导致停电。因此，建筑公司必须了解电气设计的重要性，合理设计电气设备的电路，设计人员必须确保建筑消防系统正常运行。因此，设计者必须合理选择建筑防火系统所需的材料。一般来说，设计者更喜欢铜线，同时使用防火材料增加电线的外部，使电气设备具有足够的防火能力。与此同时，为了确保安全使用电气设备，执行人员必须在几个地区安装火警器。这样发生火灾时，这些设备可以在第一时间报警。

3.6 空调节能设计技术要点

在建筑行业施工和运行中，随着人们对工作、生活环境舒适度要求的提高，空调的功能发挥着巨大的作用。空调的类型主要分为以下三种：中央空调、柜式空调与挂式空调。所有空调类型的使用，对于电能的需求都是比较大的，在三种空调类型中，中央空调的能源消耗量也占有很大的比例。建筑单位需要培养专业技术人才，根据国家相关的建筑节能标准，选用节能型的空调设备，如选用以磁悬浮离心压缩机为核心技术的高效节能中央空调；让空调的整体设计更加科学，使合理设计的空调在整个建筑布局中发挥重要作用。进行取暖与制冷的设计时，让建筑空间的设计与空调功能相贴合，设计空调科学布局，防止出现电能资源的浪费。在进行空调的调试时，必须采用科学调试手段，保证空调本身的功能性，实现空调的智能化室温系统，让空调设备减少对电能资源的浪费。

3.7 可再生能源的利用

随着建筑行业的日益进步，国家制定了《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）等绿色建筑标准，绿色建筑的概念已引入建筑设计中。光伏建筑一体化技术运用就是一个很好的例证。光伏建筑一体化的技术核心是太阳能，让太阳能在建筑中最大程度上取代部分传统电能，在科学理论的支持下真正实现太阳能技术的革新，让太阳能在建筑领域发挥出最大的作用。光伏一体化的具体手段为利用辐射原理，收集阳光中的能量，通过技术支持转化为电能，利用太阳能电池组进行能量储蓄。通过吸收太阳能转换成电能、热能并用于建筑工程中，可以实现太阳能的再生利用，节约电力能源的消耗。此种方式运用于生活中具有重要的作用。例如，太阳能热水器、太阳能发电系统等方式的合理利用，使生活中的电能消耗不断降低，同时降低人民的生活成本，提高人民生活水平，使其幸福指数不断上升。除了太阳能的利用外，还可采用水源热泵取代空气源热泵等使用再生能源的技术降低建筑能耗。

4 结语

综上所述，不难发现建筑电气节能设计是一个宏大且系统的工程，具体到绿色建筑电气技术运用方面，既要正确取舍、也要大胆创新，但前提必须遵循建筑实际需要。从未来发展趋势上看，传统建筑理念及模式必然改变，绿色建筑是一个重要的发展趋势，随着大量节能材料、技术的运用，建筑电气节能设计在绿色建筑中的运用，必然会在“做减法”（如舍弃不节能的电气设备）的同时“做加法”（如引进光伏系统），设计时需要兼顾经济性、安全性、稳定性等多方面需求。