淺析建筑電氣節能設計及綠色建筑電氣技術

姜 洋

本著“高效節能、生態環保、健康適用”等原則，促使建筑體本身就形成了一定的生態文明蘊涵，如，建筑結構設計中充分考慮自然采光、通風、保暖等條件，大量利用節能環保材料及施工技術等，以對沖電氣系統的能源消耗，所以綠色建筑電氣部分的節能設計，所要兼顧的能耗影響因素更多，即除了考慮常規建筑電氣系統之外，還要將自然因素、新能源因素考慮進來。

1 建筑電氣節能設計

伴隨人們生活理念的不斷更新，節能、環保、資源循環利用等理念越發深入人心。在建筑領域，人們不再滿足于基礎的居住和使用需求，而開始更多地關注建筑的性能、材料、電氣設計等要素和環節?？梢?，建筑電氣節能設計已經成為現代建筑設計不可缺少的部分。建筑電氣節能設計，即在施工人員的建筑工程施工操作中，通過有意識地滲透環保思維，使電氣系統的運行具有環保屬性。這類設計反映的是現代化的建設理念，能夠在幫助電氣系統節能的前提下，保證使用的安全性。由于電氣系統本身需要通過消耗資源與電能來維持運行，所以，一旦其起到了節能的效果，則能夠從資源利用、電能消耗的相關數據變化上反映出環保價值?？梢哉f，隨著電氣節能設計的日趨成熟，其將成為驅動我國社會經濟可持續發展的重要環節。當然，我國建筑領域的電氣節能設計方面，現仍處在前期摸索階段，雖然有了一定的發展、創新，但是尚有較大的進步空間。因此，人們僅僅是樹立節能意識、環保理念還不夠，還必須在建筑電氣節能設計中踐行節能原則，注意對“綠色”技術的應用。就節能意識下的電氣設計而言，應遵循的原則有：其一，綠色環保設計原則。該原則也是我國城市化建設的一個相對明確的方向，能夠突出可持續的環保價值理念，帶動建筑施工加入更多的綠色、節能元素。遵循該原則時，施工人員需要在條件具備時優先選擇污染輕、耗能低的高性價比建筑材料，并且重視材料應用對使用者的后續影響，關注材料和人的關系。其二，建筑使用功能全面實現原則。節能設計與實現建筑使用功能，二者是表與里、末與本的關系。施工人員不能求表忘里，也不能舍本逐末，必須在保證建筑使用價值的基礎上，同時提供給人衛生、舒適的體驗。當然，隨著建設理念的不斷升級，節能、綠色等設計要求的迫切性、規范性都會提升，這就要求施工人員在建筑使用功能的實現和電氣節能設計之間找到平衡，更好地兼顧二者的關系。

2 建筑電氣節能設計主要內容

以一般建筑為參照，建筑電氣節能設計內容主要包括“供配電系統”“照明系統”“建筑設備系統”三類。供配電系統是建筑電氣節能設計的“基石”，從系統邏輯上分析，一個單體建筑內外電氣系統是否運行穩定、高效低耗，主要取決于配供電系統供電質量，而影響質量的因素主要包括諧波含量、功率因數、三相平衡四方面。

第一，諧波含量控制。由于發電系統、輸電系統、供電系統及用電設備的綜合作用，輸送到建筑電氣系統中的電力并非是一直維持50Hz 的正弦交流電，其中或多或少夾雜著一定分量的諧波，嚴重影響電氣系統的安全性，同時也會造成額外的能源損耗。例如，諧波電流會造成線纜發燙、變壓器過熱，相當一部分電力能源被浪費掉，更嚴重的是會影響建筑電氣系統功能體驗。如，經常跳閘、燒毀電子元件；基于此，建筑電氣節能設計時必須重視諧波治理，目前主要采用的方法有兩種，其一是面向電網展開治理，通過運用非線性負載設備來減少諧波電流，但這已經不屬于本文探討的范圍；其二，針對電氣系統中的運行設備展開，即在進行電氣節能設計時，要綜合多方面因素、通過科學計算，將運行設備的供電控制在諧波含量安全的水平。

第二，提高功率因數。物理學意義上的“功率因數”是指有功功率與視在功率的比，這一指標對于電氣節能設計具有重要現實意義。因為建筑電氣設備多為感性負載，自身功率因數維持在較低水平，考慮到無功功率的存在，就不得不提高視在功率，這就牽涉到電動機、變壓器等裝機容量的持續上升，同時，功率因數值低還會造成一定的線路損耗。解決這一問題的方法，目前較有效且較經濟的就是安裝無功補償裝置。不僅可以有效減少電能損耗，同時電氣系統配備小容量電動機、變壓器即可，整個電氣線路也可以使用截面較小的導線。

第三，保障三相平衡。電氣系統中三相不平衡的危害主要有線路損耗、電機附加發熱及振動、縮減電機壽命等，為保障三相平衡，需要注意以下事項。①建筑中用電設備在設計接入220V/380V 三相系統時嚴格執行三相平衡，杜絕三相負荷不平衡的現象，從根源上實現有效治理。②電氣系統進行功能劃分，其中照明系統接入低壓電網供電（220V），如果電流小于60A 可采用單相供電，做到三相平衡供電，大于60A 應采用220V/380V三相四線制供電。③在電氣系統中安裝平衡裝置。整體上，建筑電氣節能設計的一個基礎工作，就是確保供配電系統實現節能，在具體設計時，還要考慮建筑所處實際環境，綜合供電距離、用電設備、空間分布、負荷量等數據，展開諧波含量、功率因數、三相平衡的綜合治理，在此基礎上最大可能地簡化供配電系統。

第四，光伏發電設計。在早期節能設計方案中，以提升電能實際利用效率為設計思路，如變電室位置選擇、諧波治理等，無法解決電能在電網輸入時的線損問題?，F今，隨著科學技術發展，可采取光伏發電技術提升能源利用率?？稍诮ㄖ蓓數裙庹粘渥?、采光條件好、開闊區域中擺放太陽能光伏電池組件與控制器、蓄電池、逆變器等配套裝置，基于光電效應，光伏電池持續將所吸收的太陽光輻射轉換為電能，通過逆變單元將直流電轉換為交流電，將電能接入建筑電氣系統中，并將多余電能儲存在蓄電池中，在日照條件較差時于夜間釋放，以此來解決光伏發電系統電能輸入不穩定的問題。此外，在光伏發電設計環節，應綜合考慮建筑所處區域日照條件與平均日照時長、氣候變化、放電電流平均值與最大值、發電單元接收太陽角度等問題，判斷建筑電氣工程是否具備光伏發電技術的應用條件。

3 建筑電氣節能設計措施

3.1 供配電節能設計

變配電室位置選擇。部分建筑工程的變配電室位置設定不當，因低壓配電半徑過大與輸電線路較長，產生較大線損量。對此，在不影響建筑功能發揮的前提下，可合理選擇變配電室位置，必要時在相同樓層內設置多處配電室，控制線路布設長度，將低壓配電半徑控制在200m 以下，從而降低理論線損電量。同時，優先在建筑強電豎井周邊布置變配電室，如果二者間距較遠，可能出現電能倒送現象。

變壓器選型。變壓器常用類型包括D10 型變壓器、S11 型變壓器等，不同類型變壓器的空載損耗率、空載電流等性能存在差異，視建筑電氣運行需求而定。例如，從成本角度出發，可選取造價成本相對較低的D10 型變壓器，其造價僅為S11 型變壓器的70%～80%；從節能屬性角度出發時，則選取SBH15 型變壓器，較之S11 型變壓器，此類變壓器的空載損耗率降幅超過70%，但采購價格較為高昂。另外，在選擇變壓器時，要求變壓器容量超過實際使用需求，避免變壓器頻繁、長期處于滿負荷或超負荷狀態，這將加快設備老化速度、增加空載損耗量。一般情況下，將變壓器的運行負荷率控制在30%～80%，在變壓器容量較大時可采取增加變壓器臺數的設計方法，如在裝機容量值設定在2000kVA 時可配置兩臺單機容量為1000kVA 的變壓器，從而改善供配電系統節能效果。

導線選擇。常見導線材質包括銅芯、鉛芯與銀芯導線，銀芯導線的價格過于高昂，鉛芯導線存在耐高溫性能差、僅可制作單根硬線、使用壽命短的局限性，而銅芯導線有著使用壽命長、屈服次數多、電阻抗小、可制作多股軟線等優勢，可優先選取銅芯材質導線，這將顯著提升系統通電效率。隨后，根據已掌握的導線發熱條件、布設長度、電流電阻值、機械強度等信息來驗算導線截面面積的最佳值，要求零線、相線二者的截面面積保持一致，可采取提高電壓等級、加大導線截面面積的措施來減少線損量。

諧波治理。系統運行期間，輸送的交流電中夾雜少量諧波，會導致供電質量下降，損耗一部分電能，如在諧波電流經過導線時，產生趨膚反應，致使導線橫截面積縮小、送電電阻增加，線路持續釋放熱量。為解決這一問題，需要在系統中設置無源濾波裝置或有源式電力濾波器，起到抑制諧波、補償無功功率、控制功率因數的作用。

3.2 智能化監控系統設計

對于住宅小區建筑電氣系統節能設計而言，設計人員還要對電氣系統的運行狀態進行監控，以了解電氣系統的節能狀態，合理配置智能化監控系統?，F階段，部分小區為獲得更好的日照條件，在布局上存在較大差異，基于此，在安裝智能監控系統時，應根據實際情況對其進行設置。應盡量選擇覆蓋能力強的監控設備，并盡量減少監控設備的設置數量，通過合理配置監控系統實現對電氣設備等的全面、實時監控。同時，設計人員要充分應用通信技術和傳感器技術，對小區內外部環境進行全面監測，及時發現能耗較高的設備，并進行位置標記和數值記錄，然后進行原因分析，針對性地對其進行調整。監控人員可利用移動終端對電氣系統進行遠程控制，并在物聯網技術的支持下，將各個電氣設備的能耗監測線路進行集成，全面實現各個電氣設備之間的有序聯動，真正實現電氣系統節能控制的有效銜接。

3.3 清潔能源資源的運用

智能化建筑電氣的節能設計同樣需要清潔、生態、可再生能源的利用，正所謂清潔能源的引進與利用，資源的循環化使用才能從真正意義上達到節能目標。一方面要充分利用現有的清潔能源，例如:太陽能、風能等，建筑電氣系統設計中要將太陽能系統納入重點考慮對象，通過設計一個太陽能系統，充分利用太陽能來為建筑提供必要的供熱、供暖服務，減少對傳統燃料、傳統能源等的依賴，這樣才能真正控制排放、減少污染，從根源上提高節能環保水平。風能的利用則主要指的是要充分利用自然風，建筑內部空間需要自然風通道，公共空間范圍內可以在墻壁設置風口，確保自然風的滲入。除此之外，還應當加大各類新能源的推廣力度以及應用力度，而這部分新能源，其主要就是指那些具備著節能性以及環保性特征的全新能源材料，比如綠色環保的室內裝修材料、墻體保溫材料等，其不僅能夠滿足智能化建筑節能設計的基本需求，還可以大幅度降低各類資源的消耗。因此，這就需要積極開發那些全新的新資源以及新能源，進一步構建出一種更加節能的建筑內部環境。

3.4 照明控制設計

在建筑照明控制設計環節，可采取照明分區控制、定時控制、智能啟?？刂迫N方法，根據實際照明需求來提供照明效果。①照明分區控制方法。將照明系統拆分為應急照明、走廊樓梯照明、室內照明、功能性照明四部分，分別設定各部分的光照強度、開啟時間等參數指標要求。例如，在白晝期間與室內自然采光條件較佳時，完全關閉室內照明系統，在出現主電網電路切斷與建筑火災等突發情況時，啟動應急照明系統，根據使用需求在特定時間段或全天候開啟障礙景觀等功能性照明系統，根據人工發出的控制信號聲來自動啟動走廊樓梯照明系統中的聲控燈具。②定時控制方法。根據業主使用需求，預先在建筑照明系統中導入控制方案，在到達特定時間段后，由系統自動啟動或關閉各區域的照明設備，可以額外采取手動方式來開啟、關閉照明燈具。③智能啟?？刂品椒?。為解決自動控制系統的控制精度低、區域控制時間無法調整、無法判斷實時照明需求的問題，在照明系統中安裝若干傳感器與PLC 裝置，通過總線將輸入、輸出、系統單元接入計算機系統中加以集中管理，由傳感器采集現場監測信號，將信號進行預處理后上傳至PLC 裝置，由裝置執行數據掃描、運算分析、指令輸出等操作，根據實際照明需求來調整控制方案內容，包括各區域照明燈具啟閉數量、開啟時間段、照明負荷、室內環境光照亮度等。

3.5 提升建筑電氣設計中的安全性

為提升建筑電氣設計中的安全性，必須提高設計人員對安全性的認識，并且要求他們了解建筑電氣設計的重要安全特性。電氣設備和管路的質量直接影響電氣設計的安全性。建筑公司必須確保電氣設備和管道的質量，并對電氣設備和管道進行嚴格規劃和比較，讓廠家出示電氣設備和管道的合格證。電氣設備和管道順利入庫后，技術人員應對電氣設備進行多次檢查，以確保電氣設備和管道的質量。在建筑斷路器和電涌保護器是安裝和操作電氣設備時需要特別注意的兩種設備。當電氣設備發生漏電時，斷路器可在早期檢測漏電，同時對其他電氣設備發揮重要的保護作用，并提前防止電氣設備漏電。為了能夠根據實際需求來對建筑的電力系統的具體參數進行設計，設計人員需要對市場需求深入全面了解，避免過度浪費資源和出現安全風險?？偟膩碚f，居民區的電力損失大大低于商業和工業區，這有助于計算居民的電力損失，并發展科學和成熟的電力系統。對于電涌保護器來說，其作用是快速檢測電壓變化，在電氣設備出現電壓異常時，電涌保護器可以快速向工作人員傳遞信息，以確保電氣設備的安全和穩定。此外，設計人員必須正確計算電氣負荷，以確保數據的真實性和準確性。電力設備運行一段時間后，將不可避免地會出現負荷增加的現象，同時，根據一定的壽命，電力設備的絕緣能力會趨于下降，甚至會導致停電。因此，建筑公司必須了解電氣設計的重要性，合理設計電氣設備的電路，設計人員必須確保建筑消防系統正常運行。因此，設計者必須合理選擇建筑防火系統所需的材料。一般來說，設計者更喜歡銅線，同時使用防火材料增加電線的外部，使電氣設備具有足夠的防火能力。與此同時，為了確保安全使用電氣設備，執行人員必須在幾個地區安裝火警器。這樣發生火災時，這些設備可以在第一時間報警。

3.6 空調節能設計技術要點

在建筑行業施工和運行中，隨著人們對工作、生活環境舒適度要求的提高，空調的功能發揮著巨大的作用?？照{的類型主要分為以下三種：中央空調、柜式空調與掛式空調。所有空調類型的使用，對于電能的需求都是比較大的，在三種空調類型中，中央空調的能源消耗量也占有很大的比例。建筑單位需要培養專業技術人才，根據國家相關的建筑節能標準，選用節能型的空調設備，如選用以磁懸浮離心壓縮機為核心技術的高效節能中央空調；讓空調的整體設計更加科學，使合理設計的空調在整個建筑布局中發揮重要作用。進行取暖與制冷的設計時，讓建筑空間的設計與空調功能相貼合，設計空調科學布局，防止出現電能資源的浪費。在進行空調的調試時，必須采用科學調試手段，保證空調本身的功能性，實現空調的智能化室溫系統，讓空調設備減少對電能資源的浪費。

3.7 可再生能源的利用

隨著建筑行業的日益進步，國家制定了《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）等綠色建筑標準，綠色建筑的概念已引入建筑設計中。光伏建筑一體化技術運用就是一個很好的例證。光伏建筑一體化的技術核心是太陽能，讓太陽能在建筑中最大程度上取代部分傳統電能，在科學理論的支持下真正實現太陽能技術的革新，讓太陽能在建筑領域發揮出最大的作用。光伏一體化的具體手段為利用輻射原理，收集陽光中的能量，通過技術支持轉化為電能，利用太陽能電池組進行能量儲蓄。通過吸收太陽能轉換成電能、熱能并用于建筑工程中，可以實現太陽能的再生利用，節約電力能源的消耗。此種方式運用于生活中具有重要的作用。例如，太陽能熱水器、太陽能發電系統等方式的合理利用，使生活中的電能消耗不斷降低，同時降低人民的生活成本，提高人民生活水平，使其幸福指數不斷上升。除了太陽能的利用外，還可采用水源熱泵取代空氣源熱泵等使用再生能源的技術降低建筑能耗。

4 結語

綜上所述，不難發現建筑電氣節能設計是一個宏大且系統的工程，具體到綠色建筑電氣技術運用方面，既要正確取舍、也要大膽創新，但前提必須遵循建筑實際需要。從未來發展趨勢上看，傳統建筑理念及模式必然改變，綠色建筑是一個重要的發展趨勢，隨著大量節能材料、技術的運用，建筑電氣節能設計在綠色建筑中的運用，必然會在“做減法”（如舍棄不節能的電氣設備）的同時“做加法”（如引進光伏系統），設計時需要兼顧經濟性、安全性、穩定性等多方面需求。