低碳时代建筑电气节能技术的设计与应用

文／陈晶晶 江西省建筑设计研究总院集团有限公司 江西南昌 330046

引言：

在社会不断发展的背景下，能源资源紧缺问题开始不断突出，我国虽然是资源大国，但是也不可避免地遭遇能源危机。因此，近些年我国一直都在大力推广低碳经济，在此背景下建筑工程行业首当其冲，建筑工程行业无论是在工程建设还是后期应用阶段都需要消耗大量能源资源，其能源消耗以电能为主，由此引发建筑工程行业对电气节能技术的研究。目前为止，建筑工程行业在建筑电气节能技术方面已经取得一定成功，多种电气节能技术的应用取得良好的实践效果，值得推广应用，同时建筑电气节能技术设计与应用也存在些许问题，亟待解决，当下建筑工程行业低碳发展的首要工作就是全面优化电气节能技术，促进建筑电气节能发展。

1.低碳时代下建筑电气节能技术设计应用的重要意义

低碳经济作为当下我国经济发展的主要趋势，已经开始渗透到各行各业，建筑工程的低碳发展具有必要性，长久以来，建筑工程行业以节能研究为核心目标，积极探索以电气节能技术为核心的节能技术。根据《2021 中国建筑能耗与碳排放研究报告》，建筑行业是我国能源消耗和碳排放的重要领域，约占全社会能源消耗的40%左右，碳排放量的约30%左右。因此，在低碳时代下，建筑电气节能技术设计的应用具有以下重要意义：

第一，响应国家可持续发展的号召。建筑行业作为经济发展中的重点内容，如果在建筑设计以及施工中能够注重电气节能建筑设计，将会解决电气资源浪费、环境污染的状况，积极响应国家可持续发展的号召，为建筑企业的长久发展打下基础。

第二，改善电力能源分配，解决资源紧张问题。建筑电气设计的过程中融入节能环保理念，可以在最大程度上节约电力资源，而目前电力资源是我国比较紧张的能源，我国虽然已经开始研究新型电能资源建设开发路径。但是，从根本上而言，我国用电规模较大，如果单从生产入手根本无法解决资源紧张的问题。而在建筑行业中，完成电气节能设计，更有利于电气资源节约利用，与电气生产形成配合，继而全方位解决电力资源紧张问题。

第三，推动经济发展。通过完善节能建筑设计方案能够降低企业的建筑成本，提高经济效益。同时，在建筑行业中应用绿色节能技术，能够有效减少建筑工程在施工以及后续使用中对于电能的消耗量，使其满足我国政府所提出的节能减排要求。还可以促进节能材料、技术的发展，对建筑行业有着重要意义。

第四，降低能耗和碳排放。建筑电气设备在实际运行中尝尝需要消耗大量电能，通过采用节能技术和设备，可以有效降低建筑的能耗和碳排放。例如，通过优化建筑的用能结构，深化可再生能源建筑的应用，推动清洁取暖和提高建筑的终端电气化水平，可以减少对传统能源的依赖，提高能源利用效率，降低能源消耗和碳排放。

第五，推动绿色低碳建筑发展：低碳建筑是建筑行业的重要发展方向。通过应用建筑电气节能技术，可以实现在一定程度上实现绿色低碳建筑的设计和施工。例如，目前各地都有相应的政策推动新建公共机构建筑和厂房屋顶光伏覆盖率达到一定比例，可以提高建筑的绿色能源利用率，减少对非可再生能源的消耗，推动建筑行业的可持续发展。

2.低碳时代下建筑电气节能技术设计应用现状研究

低碳时代下建筑电气节能技术设计应用已经成为重点研究目标，经过多年研究与应用，目前建筑电气节能技术设计应用开始逐渐走向成熟，成为建筑节能设计的重点方向。我国建筑工程行业已经非常重视建筑电气节能设计与管理，包括在前期施工阶段也对电气节能进行了统一规划，使建筑工程设计和施工阶段的电能消耗得到有效的节能控制。从总体上来看，低碳时代下建筑电气节能技术设计应用呈多元化趋势发展，设计阶段的节能技术包括电气设备设计、电气资源建设应用、自然光源的利用程度优化等措施，全方位的节能设计应用极大程度上节约了建筑工程中的电能资源，为后续的工程建设节约资本，同时更有利于整个行业的发展。

3.低碳时代下建筑电气节能技术设计应用亟待解决的问题

建筑电气节能技术设计应用虽然取得了良好的事件效果，但是远远未达到我国低碳设计标准。按照低碳建筑工程的标准而言，建筑电气节能技术设计中依然存在问题，具体可以分析为以下几点：

3.1 电气节能设计未考虑区域环境

电气节能设计需要考虑到自然区域环境，以我国为例，领土面积大，经度和纬度的跨度都比较大，加上不同的地理环境，使我国各地区的气候环境，地形环境呈现差异化特点。而实际上，差异化的区域环境就会给建筑工程低碳发展造成影响。如，目前来看，温度最低的区域为我国东北部，包括辽宁、吉林和黑龙江，以上区域在冬天冬季较为寒冷，但是夏季温度不高，在建筑电气设计的过程中，需要考虑以上因素，以完成暖通空调的供电设计。但是，目前来看，许多建筑工程设计中并未考虑到气候环境特点，导致供电或者电气设备选型与区域内的气候环境不符，不仅无法达到节能效果，甚至有可能影响电气设备应用效率，形成能耗较大的问题。

3.2 电气节能设计缺乏自然资源合理利用

电气节能设计缺乏对自然资源的合理利用导致节能效果不足。从技术层面来看，我国的建筑电气节能技术设计应用正在日趋成熟，新技术和新设备的应用层出不穷。但是，在技术设计应用时依然需要注重自然资源的合理利用，设计者需要明确建筑低碳的真正内涵，不仅包括节约能源，同时也包括减少排放，而在合理利用自然资源的基础上实现电气节能，绝对是实现低碳经济的完美路径。但是，建筑工程行业电气节能技术设计的突出问题便是过于依赖新技术和设备，虽然从呈现效果来看达到了资源节约的路径，但是却并非完全无“副作用”，未能合理的利用自然资源将会影响建筑工程低碳可持续发展。

3.3 电气节能设计应用未实现整体化设计

电气节能设计应用未达到整体化节能设计应用也是主要问题之一，该问题主要体现在两个方面。

第一，建筑电气节能技术设计应用的过程中，仅仅考虑部分模块的节能，未达到整体节能串联，节能效果一般。如，部分建筑工程在节能设计中仅仅完成照明系统节能施工，并未从其他设备和模块入手，将会使节能效果大打折扣。

第二，建筑电气节能技术设计应用过于偏重前期设计与施工，未考虑后期技术维护以及设备管理。例如，部分建筑工程开展电气节能技术设计的过程中，并未针对设备管理和养护进行全方位规划设计，从而导致在设备应用后期经常出现电气节能设备故障问题，甚至会形成高能耗问题。因此，目前来看，现代建筑电气节能设计需要逐步完善，提升设备应用效果[1]。

4.低碳时代下建筑电气节能技术设计应用发展的有效对策

4.1 电气节能设计需考虑区域环境

电气节能设计需要考虑区域环境，根据区域环境进行整体的设计。在设计应用节能技术时需要保证节能技术业区域环境具有良好的适配性，不会因环境问题而产生反差而造成节能效果降低的问题。电气节能设计的过程中可以考虑地区的气候资源、地理资源等，根据温度、地形等多项措施，完成科学合理的总台规划设计，从总体上实现建筑电气节能。例如，高寒地区不仅要考虑到电气节能设计，更需要考虑电气设备的抗寒抗冻性能，如果选择抗寒性能较差的设备，很容易在电气设备施工后，设备无法正常运行或者设备运行效率较低，如此一来，不仅无法达到节能目标，甚至会造成高能耗或者高故障率等情况。

案例一：建筑管线集中穿过气密层技术。该技术适合应用于我国寒冷地区的电气节能设计。传统建筑电气节能设计的过程中，寒冷地区的电气管线设计应用时，穿过顶层顶板、顶层层面较多且分散，而你上位置都是传热能力较强的区域，外界温度一旦过低，将会给内部温度造成影响，使内表面的温度在此降低。因此，某建筑工程中，设计者提出建筑电气管线集中穿过气密层技术，该技术设计应用时将照明配电箱设计与地下1 层电井内，地下1 层照明单独回路配电，各灯位处不分散向上引管线，1 层开始至16 层各灯位处向上引管线同一位置灯具为一供电回路配电，地上照明分支回路经电井套管集中穿过气密层，电缆安装完成后，管内用密封胶封堵。在设计中，护管材料也选择PVC 管材，使用寿命更高，抗寒能力更强，此种节能技术应用后，形成气密层后，能够减少外界温度对内部的影响，即使外界温度低，内部温度也会在气密层和电线的作用下保持正常温度，减少温度异常而造成的电能损耗，也可以减少内部线路和设备电气故障，从而从总体上实现了电气节能[2]。

4.2 电气节能设计需合理利用自然资源

电气节能设计的过程中，合理利用自然资源也是一种行之有效的方法，同时也是符合低碳理念的最佳方法，保证建筑低碳设计应用达到最佳效果。通过研究发现，建筑工程的部分电能能耗可以通过自然资源的合理利用来替代，以照明系统的电能消耗为例，完全可以通过优化采光来实现节能。现代部分建筑工程为增加建筑容量而进行非标设计，楼间距不足、楼层高度未达标等问题均会给建筑采光造成影响，采光不足之时，居民只能开启照明系统，从而增加了电力消耗。而如果在建筑电气设计的过程中，考虑到自然资源的切实有效利用，就完全可以降低电能消耗，实现整体上的电力节能。

案例二：我国青海省建筑设计正在有效利用地区内的太阳能资源。以该地区乐都区丽水湾被动式超低能耗建筑项目为例，该项目结合地区独特的太阳能光照资源，设计一种被动式能耗高层建筑。该建筑将传统主动式采暖和空调系统取消，设计日光房、落地窗等结构，利用充足的光照，实现“冬季不采暖，夏季不用空调”。通过以上自然资源应用设计，实现建筑电气节能降耗。另外，该建筑物实践中发现，上述设计使建筑物内部平均室温达到20-26℃、平均湿度为40%-60%、非常适合居住。此种方式虽然不是直接形成电能节约的设计，但是也从根本上达到了电气能源节约的目的，可用于电气节能设计[3]。

4.3 电气节能设计应全面入手

电气节能设计全面入手需要从设计、施工以及管理等多个阶段。在设计和施工阶段，电气节能需要从电气设备、照明系统、供电系统等多个环节入手，根据每个环节的特点完成针对性的电气节能设计。如，供电系统的设计可以从变电所、节能设备选型等多个方面进行设计与施工。而照明系统的设计也可以从总体设计和设备选型入手，毕竟现代节能型照明设备逐渐增加，有利于提升节能设计质量。

案例三：某建筑工程为高层工程，建筑总面积超过140000m2，建筑类型为综合性建筑，具备商业、办公等多种功能，该工程总体工程量较大，为实现电能节约，工程设计和建设阶段，从供配电系统、电气设备节能以及照明系统节能等多个方面开展工作，保证各项节能设计符合工程结构特点和区域环境，保证工程建设达到最佳效果。

第一，供配电系统节能设计和建设。（1）变配电所的节能设置。该建筑工程为超高层建筑，对变配电所的功能需求比较大，设备在运行中的负荷也比较大，包括空调机房以及消防水泵房都对变配电所有电力需求。为此，在该配电所进行节能设计的过程中，1 层中设置1 号10/0.4kV 用户变电所、在建筑的8 层中设置一个10kV专用高压配电所。此种设计方式利用分布式设计，将不同楼层的配电所分开，提升配电供应能力，减少供电线路长度，降低线损。（2）低压配电系统的节能设计。设计过程中，针对低压配电系统的电气负荷进行了精准计算，实现了低压配电系统优化，并在系统中增设母联开关，该开关可以通过启停完成系统检查，自动转换变压器供电模式，适用于三级配电，减少了供电半径，继而降低了线路损耗。（3）节能变压器选型。该建筑工程电气节能设计的过程中，为优化变压器能耗，根据变电所需求，完成变压器容量设计，做好负载调控，对空载损耗以及有功负荷等参数也进行了分析，最终节能型变压器。（4）谐波控制设计。谐波的产生是造成电力系统能耗高，运行稳定性差的主要原因之一，建筑工程中的网络管线或者电气线路都会对电气运行产生谐波干扰，从而影响电气能耗，为此在设计的过程中，采用D,yn11 接线形式，该电气接线形式能够提升电力系统稳定性，并且在接线中安装有源滤波装置，减少谐波对电气设备和线路的影响，从而减少线损。

第二，电气设备节能。该工程中为实现电气节能，也针对电气设备进行了节能设计。如，在设计中针对电梯和扶梯电气设备进行了节能设计，为减少不必要的电能消耗，在设计中在电梯和扶梯等常用设备中安装传感器，传感器在已经出现无人行走知识，扶梯和电梯也会自动停止运行，当有人行走之时，电梯自动开始运行，以此种方式实施节能设计，更可以满足电能消耗的控制需求，继而保证电能消耗达到最佳效果[4]。

第三，照明系统节能设计。在建筑工程中，照明系统是电能消耗较大的模块之一，无论是施工阶段的照明还是建筑内部照明都会形成大量的电能消耗，在照明模块开展电能消耗设计是电力节能的关键环节通过合理的照明设计，减少照明系统的能耗。可以采用LED 照明灯具，利用光感应器和人体感应器进行智能控制，根据光照强度和人员活动情况自动调节照明亮度和开关灯的时间，避免不必要的能源浪费。

第四，通过建立电力管理系统，对建筑物的电力需求进行分析和优化。可以通过时间段电价和电力需求侧管理等手段，合理利用电力资源，避免用电高峰期的能源浪费。分析建筑物能源的使用情况，通过安装能源监测设备，对建筑物的能源消耗进行实时监测和分析。可以利用智能化控制系统对建筑内部的灯光、空调、暖通等设备进行集中控制和调节，以实现节能目标。在建筑中构建一套完整的智能电网，通过构建智能电网，实现对建筑电气系统的实时监控和优化调度，提高建筑电气系统的运行效率，降低能源消耗。

第五，新能源应用：在建筑工程中加入新能源技术的应用，例如太阳能光伏发电系统、风能发电系统；储能技术等。通过利用可再生能源，减少对传统能源的依赖，实现建筑物的自给自足。目前我国已经实施全本强条的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021），站在国家标准的层面上将新能源技术引入了建筑工程中。利用太阳能光伏发电系统为建筑提供电力，减少对传统电力的依赖，降低碳排放。储能技术结合光伏发电系统，应用储能技术（如锂离子电池、超级电容器等）将多余的太阳能储存起来，以平衡建筑的用电负荷，降低对电网的依赖。

另外，在该工程中，为了强化电气节能，设计应用智能化电气监控系统，监控系统能够对电气节能设备进行监管，也能够获取各位置的电气能耗信息，利用智能化管理优势，实现建筑电气的综合管理。如，该系统具有电气设备监控和保护功能，针对照明设备、对低压配电设备以及变压器等设备进行监控管理，实时获取电气设备的工作参数，发现设备工作异常，出现故障等情况可以实现自己报警，部分基础故障可以自动解决，减少电气设备故障率，减少电气控制成本。另外，系统能够对建筑区域内的电气设备能耗进行监测，发现某设备能耗较高，发现设备应用较多的情况，可以实施专业化建设，保证设备建设达到最佳效果[6]。

结语：

本文针对建筑工程电气节能技术设计应用进行分析研究，通过研究可知，部分电气节能技术是从电气设备和技术入手，也有部分节能技术是通过改造结构实现电气节能，但是无论是何种技术，都需要根据区域环境和建筑整体情况进行综合设计，才能够确保电气节能技术设计应用具有良好的效果。在低碳时代，建筑电气节能技术的设计与应用对于实现绿色建筑和低碳城市具有重要作用。这些电气节能技术的设计与应用可以相互结合，根据不同建筑的需求和特点进行选择和应用，从而实现低碳建筑的目标。