建筑电气节能设计及绿色建筑电气技术分析

文／吴宗献 江西省建筑设计研究总院集团有限公司 江西南昌 330046

引言：

在我国城市化的推进过程中，建筑业得到了迅猛发展，然而，其对环境的破坏以及资源的消耗日益加剧。对此，我国可从优化建筑电气节能设计入手，以提升绿色建筑电气技术的应用水平，从而以践行绿色建筑的发展理念。建筑用电涉及电力系统配置、照明、采暖等各个领域，保证建筑各种功能正常运转是电力系统的关键任务，为了更好地发挥其节能效益，施工单位需要在电力系统各环节的设计和管理方面做到详细和完善，以真正实现绿色施工目标。

1.建筑电气节能设计的现状

近年来，我国建筑能源消耗逐年递增，当前已占总能耗的80%-90%，远超过其他能源，凸显了建筑节能的至关重要性，尤其在政府采取了积极的政策措施推动下。在各类用电资源的利用与消耗中，不合理的用电设计导致了大量电能浪费，这与国家当前积极倡导的节能与环保政策背道而驰。因此，为了降低建筑工程的能耗，建筑设计人员应逐步加强对电力系统的节能优化，并结合国家政策导向，从能耗角度出发，对建筑资源分配和设备选择等多方面进行必要优化，而这已经成为当前建筑电气节能设计的核心理念。这一措施不仅有助于有效减少对电力和煤炭等能源的依赖，也与国家当前倡导的“双碳”政策和可持续发展战略的紧迫需求相契合，可以为我国建筑业的可持续发展做出重要贡献。

2.建筑电气节能设计及绿色建筑电气技术中的问题分析

2.1 电力系统配置中的问题

建筑电气节能设计和绿色建筑电气技术中的电力系统配置问题包括电力供应可靠性、电力负载管理故障和新能源集成问题。这些问题影响了建筑电力系统的性能和可持续性。具体如下：

一是电力供应可靠性问题。建筑所依赖的电力系统供电线路可能受到极端天气条件的损坏，如风暴或自然灾害，导致停电。这种情况会严重威胁建筑内的能源供应可靠性，尤其对于关键设备和服务而言，停电可能会带来严重后果；二是电力负载管理故障问题。电力系统中的电路可能出现短路问题，导致设备损坏，或者电力负载不平衡可能导致一些区域的能源过度消耗，而其他区域能源供应不足。这不仅会增加电力系统的维护成本，还可能影响建筑内设备的寿命和性能；三是新能源集成问题。越来越多的建筑采用太阳能电池板等新能源设备来减少对传统电力的依赖。这些新能源设备可能存在问题，如组件破损或逆变器故障，导致能源供应不稳定等。

2.2 照明系统设计中的问题

在建筑电气节能设计和绿色建筑电气技术领域，照明系统设计是一个至关重要的组成部分。然而，在照明系统设计中也存在一些问题，这些问题可能影响能源效率和室内舒适度。包括建筑电气节能设计和绿色建筑电气技术的照明系统设计中存在高效照明故障、自然采光限制和照明控制等问题。这些问题对能源效率和室内环境产生不利影响。

以LED 照明系统为例，LED 灯具可能由于质量问题或电路故障而提前失效，从而降低了照明效率。这不仅增加了能源和资源的浪费，还导致了额外的维护成本。此外，自然采光限制也是一个需要重视的问题。建筑中的窗户或透光材料可能会损坏或受到遮挡，从而减少了室内自然采光的效果。这会增加对人工照明的需求，导致额外的能源消耗。在照明控制方面，自动照明控制系统通常依赖于传感器来检测室内光照水平，以实现照明的自动控制，然而，传感器故障可能导致自动控制系统无法准确检测室内光照水平，从而影响照明系统的自动控制，这将导致较大的能源浪费或照明不充足的现象。

2.3 暖通系统设计中的问题

随着社会的不断发展，建筑行业在追求绿色、节能、可持续发展的同时，也面临了一系列的挑战和问题。在这其中，建筑电气系统设计和暖通系统设计是两个重要的领域，而今建筑电气节能设计和绿色建筑电气技术领域存在一系列问题，包括通风系统研究不足、设计周期过长、成本估算与社会经济效益不匹配以及运行阶段设计的忽视。

首先，建筑暖通系统的设计周期过长是其中之一。传统的设计流程通常需要很长时间，这不仅增加了项目的成本，还可能导致建筑与技术的不匹配。这种不匹配可能会导致所谓的“重量轻质”，即建筑在运行中的性能与设计预期不符。为了提高设计效率和减少成本，我们需要采用更智能化的设计方法，如建筑信息建模（BIM），以优化设计流程和确保设计的可行性；其次，成本估算与社会经济效益之间的不匹配也是一个问题。在一些情况下，设计过于侧重于降低成本，忽视了建筑的整体性能和节能潜力。这可能会导致建筑在长期内的运行成本过高，远远超过了设计初衷。我们需要更全面地考虑建筑的整体成本和效益，以实现绿色和可持续建筑的目标；同时，在暖通系统设计中，设计人员通常只注重施工阶段的设计，而忽视了对运行阶段的设计。这会导致建筑在实际运行中出现性能问题，例如高能耗。实地调查结果显示，部分建筑的空调能耗已经高达60%，远远超过了目前的相关标准要求。下图1为某多层文化建筑空调通风及防排烟图。

图1 某多层文化建筑空调通风及防排烟图

2.4 能耗管理系统设计中的问题

随着电力设施的不断增加，能源管理的复杂性逐渐上升，维修和管理工作的效率逐渐降低。当在能源管理系统的设计中盲目提高照明标准时，将会导致更大规模的能源浪费。不仅如此，在其设计中的问题还涉及以下几个方面：

首先，许多用电设备缺乏必要的调控手段，这导致它们可能会在没有实质需求的情况下超长时间运行，从而浪费大量能源资源。这不仅对环境造成负面影响，还增加了能源开支。因此，引入智能控制技术，确保设备在不需要时能够有效地停止或进入节能模式，从而减少不必要的能源消耗成为当前绿色建筑节能研究领域的重要议题；其次，随着技术的进步，越来越多的设备采用了变频调速技术，这为电网引入了大量谐波，导致电网不稳定和负荷增大的问题。这可能会影响电力系统的可靠性和效率；而各集成设备间动作的不协调、谐波的过量产生和传播等均影响了电网的稳定性；另外，能耗管理系统设计中的问题还涉及到照明光源的选择和控制。随能源管理系统设计中的问题包括设备缺乏调控手段、谐波对电网的不稳定性影响以及照明标准的合理性。

2.5 新能源设备应用方面的问题

一是技术集成难题。不同类型的新能源设备可能不兼容，或者在整合过程中出现技术性问题，例如，太阳能电池板与电网连接问题，导致系统运行不稳定；二是储能系统问题。储能系统如电池可能出现性能下降或电池损坏，导致能源储存能力下降。太阳能电池的使用效率受多种因素共同影响，包括光照强度、光照时间以及组件的工作温度[4]。在冬季，光照较为有限，这会导致太阳能电池的产能下降。此外，由于分布式光伏电站与电网相连，当电网供电不足时，住宅用电负荷可能导致电力不足，甚至出现停电情况。光伏发电场景如下图2。

图2 光伏发电场景图

3.建筑工程中绿色电气技术的具体应用对策

3.1 电力系统配置

在建筑物内，各类电器设备的使用关乎电网参数的设置，这一问题具有极高的重要性。从这一角度看，电力节能设计旨在实现更为统一的电网配置规划，同时针对不同建筑的用电需求进行合理分配，凸显了建筑用电节能设计的个性化特点。在建筑内部的电源系统设计中，需要根据高低压供电方式进行分级设计，以确保电能供应的可靠性和效率。电压等级的划分应当合理，不应过于复杂，通常以二级或三级为主，以更好地满足建筑内各种用电设备的电力需求。此外，在电力系统中还需要考虑不同等级之间的电能资源剩余问题。

在某些建筑中，为了保证电力供应的稳定性，备用电源系统的设计显得尤为重要。在双路供电方式下，通过增加智能监控和调压等电气设备来维护电源系统的运行，使其能够长时间保持在低能耗的供电状态，以确保线路供电电压参数更符合节能需求[2]。电网电压分配与损耗控制密切相关，但在配置电网资源时，必须确保供电质量，不应盲目提高电网电压。反之，在保证线路连接的合理性和安全性前提下，应满足居民用电的220V 标准。

电力节能设计的核心目标在于在满足各种用电需求的同时，最大化电能资源的利用效率，减少能源浪费。这不仅有助于节约能源成本，还有益于环境保护。因此，优化电力系统配置对于实现建筑节能和可持续发展至关重要。它为建筑工程提供了坚实的基础，有助于降低能源消耗，提高环保性能，同时降低能源费用[3]，符合可持续发展目标。

3.2 照明系统设计

建筑物的电气系统中，照明系统扮演着至关重要的角色。为了实现良好的环保效果，施工单位应选择节能型的照明设备，并进行合理的照明设计。在建筑物的结构设计中，特别需要关注那些对照明要求较高的区域，如起居室、厨房和卧室。通过增加窗户的数量和面积，使更多的自然光照射到室内，从而降低了对人工照明的依赖。LED 灯具作为一种能源效率较高的照明设备，能够替代传统的白炽灯，在减少能源消耗的同时，还具有更好的护眼效果，具有广阔的应用前景。

在此基础上，根据不同的功能要求，将室内照明划分为多个区域，尤其是对照明强度和切换方式进行了优化。在室内空间的布局中，楼梯间的照明需要适度，而在一些地方，如厨房、书房等，则对照明系统有更高的要求。可以采用可调节光源，为用户提供更多的选择，降低能源消耗。在照明系统的控制设计方面，不断涌现出更多创新性思路，例如使用感应开关取代传统的手动开关，如声控、红外感应等，从而缩短灯具的非必要工作时间。

在建筑工程中，要注重节能和环保，以适应城市照明的发展需求。这涉及如何选择高效的照明设备、进行合理的设计和控制，以最大程度地降低能源消耗，减少对环境的不良影响。综合利用自然光和高效的人工照明，以实现节约能源和保护环境的目标，从而满足建筑照明的需求。

3.3 暖通系统设计

在建筑中，暖通系统通常占用最大的能源消耗比例，其中一些暖通设备采用交流电动机。因此，如何进行暖通系统的节能优化变得至关重要，这是设计人员需要特别关注的问题。

在选择合适的电动机时，必须综合考虑节能和环保因素。在电力系统中，如果使用交流电动机，再结合无功功率的补偿，将大大提高能源的利用效率，降低线路的能量损耗。在进行通风与暖通系统的设计过程中，工程师还需要综合考虑暖通设备的扭矩、负荷等多方面因素，以实现更全面、系统的节能优化，并确保用户的采暖和供冷需求得到满足。在使用交流电动机时，需要特别关注迅速的调节，以达到节约能源的目的。然而，这个参数与电动机的磁极数量和频率之间有很大的关联，因此，在选择建筑内各种电动机装置时，必须综合考虑这些因素。通过增加感应装置，对室内外的温度情况进行智能识别，并根据暖通设备的实际负载需求，适时调整电动机设备的转速和其他功能参数，以实现更准确的控制效果和更高的能源利用效率。本项目的研究提出了一种基于多目标协同控制方法，通过综合考虑多个因素，实现了暖通系统的优化，从而在减少能源消耗的同时，确保了系统的性能和环保要求。

3.4 能耗管理系统设计

在众多工程项目中，建立智能能源管理体系已经成为一个关键的发展方向。特别以电力系统的节能设计为例，这一领域有着广泛的应用潜力。现代的电力系统不再仅仅是传统的供电设备，它们已经演变为智能、高效、可持续的工程系统，旨在更好地满足节能和环保的需求。电力系统的节能设计可以通过监测和分析各种电力设备的运行情况，从而准确识别出能源消耗较大的装置。这种信息的获取是实时的，可以通过终端显示屏等途径传达给用户。用户在了解这些信息后，可以主动进行调整和优化，及时减少高耗能设备的运行时间，从而降低整体能源消耗。这一节能系统内置了智能分析软件，利用大数据技术为用户提供电力消费的偏好信息，使用户能够更好地管理和控制其用电需求。例如，一些用户可能设置了空调的温度值，当设备的运行超出这一设定温度时，系统能够自动进行调整，以维持室内温度的稳定。

引入能耗管理系统为建筑电力系统的节能利用提供了更广泛的发展空间，也是建设工程智能化的重要趋势。这一系统在减少建筑内部电力资源浪费方面发挥着关键作用。然而，在设计能源管理系统时，必须根据不同用户的实际需求进行深入考虑。系统重点关注异常能耗设备的监测与分析，将整个电力系统的运行过程互相连接。这种系统能够监测终端设备、电源线、电压元件等的工作状态。如果电力系统存在潜在的安全问题，能够及时报警，确保设备和系统的安全运行[1]。

3.5 新能源设备的应用

为了更好地满足节能和环保的要求，在建筑节能设计中采用的电器节能装置充分反映了这一理念。通过对已有的建筑设计进行分析，我们可以看出，在进行绿色设计时，使用某些自动化和智能化的设施设备可以有效地控制能源消耗，实现节能的目标[5]。我国在绿色发展方面倡导环保理念，更加关注环境保护。为了实现“绿色、节能、环保”的目标，必须采用更高水平的电力设计理念，应用节能设备，将新能源与节能技术结合起来，以降低能耗、节约能量、发展绿色能源科学技术。实际上，线路损耗与电力消耗之间存在一定差距，因此需要进行合理的线路设计和电力系统规划，以减少不必要的电量损失。这是推广绿色节能装备的一个重要方面。

举例来说，在中国，越来越多地采用太阳能发电和太阳能热水器等清洁能源。太阳能是一种可以将阳光转化为电能或其他形式能量的自然资源。它是一种环保、可持续发展的新型环保能源，符合我国对电能节约的要求[6]。将太阳能应用到建筑物建设中可以极大地减少建筑能源消耗，实现“绿色施工”的目标。

另外，采用光伏发电技术能降低建筑能耗并实现太阳能发电，具有广泛的应用前景。在建筑设计中，需要综合考虑本地光照资源、建筑屋顶及周围地区的特点，为建筑内部预留0.5m 通道间隔，以保证建筑用电，而其余的电量可以直接送入公共电网，并在建筑的电气系统中安装储能装置。

结语：

综上所述，建筑物的电气节能设计工作系统性极强，需要充分考虑绿色建筑电气技术应用过程中的电力系统配置、照明系统和暖通系统设计等问题。为减少能源损耗，实现更经济、高效的电力供应，施工单位可以选择节能的照明设备和暖通空调等，以达到绿色环保的目标；此外，还可以通过新能源设备的合理应用，提升建筑的电气节能水平。以上对策的应用均符合绿色建筑的施工要求，在我国建筑业可持续发展的过程中发挥着重要作用。