民用建筑电气设计中的节能措施探析

潘 骁

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司 北京分公司，北京 100020）

1 民用建筑电气节能设计原则

1.1 实用性原则

考虑不同民用建筑工程的电气系统组成情况、总体高度、楼层数、结构型式存在明显差异，如果过度借鉴同类项目设计方案或是盲目开展电气设计工作，则很难满足建筑物的实际使用需求。因此，设计人员应遵循实用性原则，提前收集分析工程资料信息，充分了解建设单位所提要求，在其基础上来确定设计思路、制定电气设计方案，后续运用建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM）技术开展仿真实验，判断电气设计方案是否满足建筑物使用要求。

1.2 经济性原则

推广电气节能设计是在不影响建筑物正常使用前提下，降低建筑配套系统的运行能耗水平，进而把建筑物在全寿命周期内的总体使用成本控制在合理范围内。因此，设计人员应遵循经济性原则，妥善兼顾电气节能属性和工程造价成本，重点考虑到所采取设计措施的实施成本与所取得的节能效益。禁止因过度追求电气节能效果而忽略实际需求，盲目采取不切实际的设计措施，或是设定过高的电气节能标准。

1.3 主动节能原则

在早期的民用建筑工程中，设计人员主要秉持被动节能理念，采取选用高效光源、调整变配电所位置等手段，降低建筑系统运行能耗，实际节能效果并未达到预期要求。对此，设计人员应扭转固有观念，遵循主动节能原则，通过干预系统运行过程的方式深挖建筑电气节能潜力，如搭建智能照明控制系统和建筑能耗监测管理系统。

2 民用建筑电气设计中的节能措施

2.1 供配电系统节能设计

2.1.1 电压选择

在现代民用建筑工程中，常用的低压侧电压等级包括380 V 和220 V，高压侧电压等级包括6 kV、10 kV以及35 kV，不同电压等级的适用范围有所不同。如果设计人员盲目设定供配电系统的电压等级，则会在系统运行期间产生额外的线路电压损失，还有可能抬高供配电系统的建设成本。对此，设计人员需要综合分析用电性质、用电容量、进线类型以及供电距离等多项因素，选择恰当的电压等级。例如，在建筑物进线类型为架空线，送电容量为0.1 ～0.2 MV、0.2 ～2.0 MV 或2 ～8 MV 时，分别把系统电压等级设定为6 kV、10 kV 和35 kV。而在建筑物进线类型为电缆，送电容量为3 MV 时，将电压等级设定为6 kV；送电容量为5 MV 时，将电压等级设定为10 kV；送电容量为15 MV 时，将电压等级设定为35 kV[1]。

2.1.2 功率因数调节

供配电系统回路中分布大量非线性负载，包括开关电源、异步电机等。这类非线性负载持续生成无功负荷，致使回路功率因数有所降低，在输出相同有功功率条件下的耗电量明显增多。因此，为改善供配电系统的节能效果，始终将回路功率因数值维持在0.9 及以上，设计人员需要采取无功补偿措施来调节功率因数，具体可采取并联电容器补偿和同步电动机补偿2 种方式。其中，并联电容器补偿是在系统高压侧以及低压侧部位安装电容器，持续提供无功补偿，需要根据建筑内有功功率和无功功率及负荷系数来计算补偿容量；同步电动机补偿是在同步电动机处于过励超前运行状态下，持续向系统提供感性无功功率，需要根据同步电机的额定容量、补偿能力确定无功功率值[2]。

2.2 照明系统节能设计

2.2.1 选用高效光源

光源选择环节，设计人员综合分析显色指数、光效、使用寿命、色温等多项性能指标，在满足建筑物照明需求的前提下挑选节能效益最高的照明光源。正常情况下，主要选用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）、荧光灯、金属卤化物灯以及高频无极灯作为照明光源，各类光源的技术指标如表1 所示。其中，LED 灯有着单色性好、体积小、使用寿命长、发热量低的优势，相同照明效果下的LED 灯功耗值仅为传统白炽灯的1/8，适用于设备间、起居室等显色要求宽泛或是使用率较低的房间，不适用于显色要求较高的局部区域；荧光灯分为三基色直管荧光灯、紧凑型荧光灯等，有着显色指数高、启动快、照度均匀的优势，适用于层高小于4.0 m 的民用建筑；金属卤化物灯有着亮度密度高、显色性高与光效高的特点，适用于公共空间与特殊用途房间的照明光源，不宜用于普通房间照明光源；高频无极灯有着使用寿命长、可见光高、无频闪现象、色调可选的优势，适用于大厅等局部区域作为照明光源。

表1 民用建筑常用照明光源的技术指标

2.2.2 照度控制

在早期民用建筑工程中，设计人员没有根据建筑类型来确定照明光源的照度标准，存在照明光源随意选配的问题，这不但会增加照明系统运行负荷，还无法营造舒适的照明环境。因此，设计人员必须严格遵循《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）等规范文件，结合工程实际情况来控制照明照度，并把实际照度、标准照度的偏差控制在±10%以内。例如：对于住宅建筑，将起居室一般活动区的照度标准值设定为20 ～50 lx，餐厅与厨房的照度标准值设定为20 ～50 lx，卫生间的照度标准值设定为10 ～20 lx，楼梯间的照度标准值设定为5～15 lx；而对于办公楼建筑，将办公室和会议室的照度标准值设定为100 ～200 lx，设计室与打字室的照度标准值设定为200 ～500 lx，门厅的照度标准值设定为30 ～75 lx[3]。

2.2.3 智能照明控制

为突破传统人工控制方式的局限性，设计人员需要在照明系统内安装可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等设备，搭建智能照明控制系统，由系统持续感知所处环境并调整照明模式。例如，在走廊、楼梯间等公共区域采取动静感应和亮度管理方式。动静感应是在检测到周边人体移动后临时开启局部区域内的照明灯具，亮度管理是根据周边环境自然采光条件来调节灯具亮度。同时，使用者可以提前在系统内设定照明灯具的启闭时间，到达约定时间节点后，系统自动开启或关闭照明灯具。

2.3 配电线路节能设计

2.3.1 缩短线路总长度在供配电系统运行期间，电力从变配电所向终端用电设备传输期间会产生一定的线损量，供电距离越长，则线损量越大、实际用电成本越高。因此，设计人员需要根据建筑物布局方案来计算变配电所的最佳位置，优先在临近负荷中心区域内布置变配电所，并采取直线走线方式，以此来缩短供电线路长度、减少线损量。正常情况下，需要将民用建筑的供电半径控制在200 m 内。

2.3.2 电缆选材

导电率是衡量电缆质量的重要技术指标，电缆导电率越高，则线组值越小，在供电期间不会产生过多损耗。因此，设计人员需要在方案内优先使用导电率较高的电缆，如铜芯电缆。同时，如果采用铜芯电缆时面临造价成本超限问题，则设计人员可采购价格略低的铝芯电缆。

2.3.3 电缆截面设计

电缆横截面积是电阻值的重要影响因素，如果截面过小，则会出现提高用电负荷、严重发热、频繁跳闸的后果，而截面过大则会造成抬高工程造价成本的后果。因此，设计人员需要根据民用建筑工程情况来计算电缆最佳截面积，按照长期允许载流量、经济电流密度或是短路电流大小进行计算。随后，在确定电缆截面积后，需要通过公式计算来校验电缆是否满足热稳定性要求，如果未满足这一要求，则需要适当增加电缆截面积[4]。

2.4 建筑设备节能设计

2.4.1 变压器

在变压器选型环节，设计人员应结合工程情况来确定最佳的容量和运行方式。首先，对于变压器容量，根据已掌握信息来计算变压器在最高运行效率情况下的负荷系数，要求变压器容量处于最高效率点周边区域，并在其基础上额外预留一定比例的冗余容量，以满足变压器在民用建筑全寿命周期内的扩容需求。其次，对于变压器运行方式，传统的单台独立运行、多台并列运行存在明显的局限性。其中，单台独立运行有着运行灵活性差、多数时段内未处于经济运行区的局限性，多台并列运行存在控制难度大、建造成本高昂的局限性。可选择采取2 台双绕组变压器并列运行方式，低负荷状态下由空载损耗较小的变压器独立运行，高负荷状态下切换空载损耗较大的变压器独立运行，特殊情况下则切换为2 台变压器并联运行的模式[5]。

2.4.2 风机水泵

在风机水泵设计环节，为保持电动机运行状态和实际运行需求的匹配状态，避免因电动机长时间保持恒定状态而造成不必要的能源损耗，设计人员需要应用变频调速技术，在风机水泵内安装变频调速电机来取代传统型号的拖动电动机，根据运行需求来实时调节电机转速、风机风量，并具备软启动功能，可以取得十分显著的节电效果。

2.4.3 电 梯

在电梯节能设计环节，设计人员根据电力驱动方式来制定配套的节能设计方案。例如，对于直流驱动电梯，选用新型永磁同步无齿轮曳引机来取代传统的直流电动机，并加装控制器来搭建变频驱动控制系统。对于交流调压调速驱动电梯，由脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）能量反馈单元替代原有的直流制动单元，该单元具备自适应控制反馈能力，将电梯重载下行、轻载上行期间回馈的势能转为电能后输入直流回路电容中。

3 结 论

为建造真正意义上的绿色建筑，推动我国建筑行业迈入节能环保的全新发展阶段，建筑企业和设计人员都应提高对民用建筑电气节能设计的重视程度，严格遵循实用性、经济性、主动节能的基本原则，掌握供配电系统节能、照明系统节能、配电线路节能以及建筑设备节能等节能设计措施，在满足使用需求的同时，将民用建筑运行能耗水平、全寿命周期用电成本压制在最低程度。