建筑电气节能研究

郎东莹

（滨州学院建筑工程学院， 山东 滨州 256600）

0 引言

建筑电气由电源、动力系统和照明系统组成，电气能耗也主要来源于这三大组成部分。相对于欧美等发达国家，我国建筑电气能耗偏高，能源有效使用率偏低，节能意识不强，在建筑电气节能方面，我国还处于初级的发展阶段。因此，采取正确的节能措施，解决建筑电气节能中存在的问题，提高电气能源利用率，显得至关重要[1]。

1 建筑电气节能现状及存在的问题

我国建筑节能体系起步较晚，于1986年才颁布了第一部有关建筑节能降耗的行业法规:《民用建筑节能设计标准》[2]，这与美国、英国、加拿大等发达国家在建筑节能方面相比，有较大的差距，也存在着诸多的问题需要解决：

（1）存在不合理的建筑电气设计现象。合理的建筑电气工程设计能够大幅降低电气系统的能耗，但是具体的实施过程中，有些设计单位和设计人员对此不够重视，或有些工程设计周期较短，设计人员忽略了节能设计的质量，这都会增加能源的消耗。

（2）建筑节能相关标准、规范不够系统和全面。目前，我国还未对建筑节能的相关标准、规范进行全面系统的概述，这导致部分工程在实际执行过程中造成选型不合适，如建筑照明系统的光源选择不合理，一味提高照明照度，造成能源浪费；电气系统选用导线、电缆选择不合适，造成线损较大；变压器选择容量选择不匹配，或者选择变压器规格、型号不合适，造成运行效率偏低，电能损耗严重。

（3）存在较多技术方面的问题。例如，有些电气设备长期工作在非高效范围内，增加了电能的消耗；空调系统不合理的系统设计导致其工作效率偏低，电能浪费严重。

（4）变频设备在供电系统的过量使用，这会对电网系统造成谐波分量所占比重加大，不但会影响电气设备的使用寿命，还会造成电能的浪费。

（5）许多建筑电气设备的调节装置不完善。例如，水泵、风机等设备的开关控制仅存在手动控制，无节能控制模式，这导致设备长时间的运行增加了电能的损耗。

随着社会的发展，近年来我国建筑节能工作在各方面都取得了长足的进步，节能的重视程度逐渐加深，在相关部门和各行业的共同努力下，我国出台了多项支持建筑节能的政策及标准。例如，《建筑节能施工质量验收规范》、《绿色建筑评价标准》、《全国民用建筑工程设计技术措施——建筑节能专篇》等[3]。这些建筑节能标准的实施，为建筑电气节能的发展提供了保证。

2 建筑电气节能设计原则

建筑电气节能可以节约能源资源，对建筑节能具有重要意义，但是在采取节能降耗的措施过程中，不能为了达到节能的目标而影响了建筑的特性和功能，更不能为了节能而盲目的增加投资，忽略了建筑成本。因此，建筑电气节能的设计应遵循以下原则：

（1）适用性原则。实施建筑电气节能要在满足建筑物使用功能的基础上进行，满足人的使用需求，保障建筑电气各系统正常的运行，如建筑的照明系统要满足照度、显色指数、色温等；通道要保持畅通；室内要舒适、卫生。因此，在进行建筑电气设计时，首先要考虑建筑物的功能类型，满足建筑使用过程中的动力性、安全性和舒适性，达到供电可靠、运行稳定，其次才是根据使用的实际需要，科学的、合理的进行节能设计，使电气系统充分的利用电能资源，达到电气节能的要求。

（2）实际性原则。节能应该根据工程的实际情况，充分的考虑经济效益，不能因为节能而过高的增加消耗投资，实际性原则是要科学的减少能源消耗，而不是为此盲目的消耗更多的物资和资金，达到节能的目的。在节能的实施过程中，要对增加的节能成本进行科学合理的估算，遵循经济性原则[4]，以最少的投入收获最大的回报，既达到节能的要求，又对生产成本进行有效控制。

（3）节能性原则。电气节能的关键是在保证经济性的前提下减少无谓的消耗，降低能耗，合理的利用能源，提高利用效率，而不是通过加大资金的投入达到节能的目的。要确定出哪些设备运行中的消耗与建筑物功能的实现无关，然后在有针对性的采取节能降耗措施，例如，通过合理有效的节能设计方案，降低输电线路上的功率损耗；对用电负荷进行优化分配，降低减少电能的损耗[5]。

（4）技术性原则。采用先进的电气节能技术，能够有效的降低能源的消耗，如电梯拖动系统中，采用电动机与曳引轮组合技术，可以减少35%以上的电能损失[6]，达到节能效率高，运行成本低的效果。

（5）安全性原则。建筑电气节能设计中，除了要考虑节能问题，还必须满足建筑的安全性要求，例如，要重视电气设计中的防火设计，加入相应的防火措施；要优化供电线路的设计，确保线路的安全性及稳定性；要强化漏电保护设计，设置合理的漏电保护参数及选择合适的漏电保护器；要布置合理的安全接地等。因此，建筑电气在设计过程中，除了要保持降低能源消耗的同时，还要确保建筑的安全性，若在建筑节能设计过程中存在着安全问题，将会对建筑造成巨大的安全隐患。

因此，电气设计人员在进行电气节能设计同时，要从适用性、实际性、节能性、安全性等方面综合考虑，从而达到提高电能利用效率和节约能源的目的。

3 建筑电气设计中的节能措施

建筑电气系统在进行规划的过程中，要充分的考虑整个建筑系统的实用性、稳定性和安全性，在此基础上，提高实际应用的效率，减少能源、资源 的浪费，积极创造出节能环保的使用条件。采取有效的电气节能措施，可以从电源节能、动力节能、照明节能三方面来实现。

3.1 电源节能

在电网的运行过程中，电能在线路中的传输以及通过变压器进行升降压，都会造成较大的能量损耗，因此，电源节能措施主要包括线路节能和变压器节能两个方面。

3.1.1 选用合适的供配电线路

（1）选择正确的电网电压等级。在相同的功率条件下，输电线路的电压等级越高，电流越小，损耗就会越低，所以，选择合适的电压等级对于电气节能至关重要。

（2）设置合适的电源位置。为了减少供、输电线路的损耗，电源设备应尽可能的设置在负荷中心。负荷中心不同于几何中心，它是指在工作过程中线路损耗最小的位置，将电源设置在负荷中心，输电线路不一定最短，但是此方案能耗最低，最经济可行[7]。负荷中心一般可以通过负荷功率矩法、负荷电能矩法、负荷指示图等计算方法近似得到[8]。

3.1.2 选用合适的变压器

建筑工程中，变压器用于输电、变换电压等环节，是电力系统中重要的电气设备。降低变压器的电能损耗，可以从有功功率损耗、无功功率损耗及综合运行功率损耗三方面进行考虑。

（1）降低有功功率损耗。变压器在工作过程中，有功功率损耗由空载损耗（又称铁损）及负载损耗（又称铜损）组成。空载损耗与负载的大小无关，其大小与变压器本身的铁芯材质有关，因此在选用变压器时，选择节能型的变压器型号或者非合金材料的变压器，可以大幅降低空载损耗。负载损耗代表着变压器绕组上的电阻损耗，与电阻及流过负荷的电流大小有关，选择较小绕组电阻的变压器，可以减少负载损耗，如选择绕组为铜芯材质的变压器。

（2）降低无功功率损耗。变压器是根据电磁感应原理进行工作，其借助着交变磁场进行着能量的传递与转换，因此，变压器是感性的无功负载，所建立的交变磁场需要的功率即为无功功率。降低无功功率有效的方法就是改善功率因数，提高功率因数就会提高电源的利用效率，具体方法有：避免建筑电力系统中空载或者轻载运行；保证电力系统供电电压的持续稳定；正确的选择变压器的容量及台数；使用调相机或者电容器等装置对系统进行无功的补偿。

（3）降低综合功率损耗。要综合的降低变压器的有功功率损耗及无功功率损耗而达到降低配电系统电能损耗，需要对变压器综合功率进行整体考虑，科学分析，可以通过选择变压器合适的运行方式，降低变压器的综合功率损耗。

除根据相关准则确定好合适的配电线路、选用正确的变压器之外，减少供电距离、增加线缆的截面、选用电阻率较低的输电线路都会实现电源节能。

3.2 动力节能

电动机是建筑电气系统重要的组成设备，在建筑领域运用广泛，其所消耗的电能占到电力系统总发电量的60%-70%，由于电动机运行时易出现轻载、低效、能耗高状态，浪费电能现象严重，所以动力节能是建筑电气节能的关键。

（1）维持电动机的高效运行。提高电机的功率因数，避免电机出现空载或者轻载运行状态，相同容量的电动机，在一般情况下，鼠笼式电动机比绕线式电动机功率因数高，相同类型电动机，大容量电机功率因数高于小容量电机；选择合适的启动方式，可选用软启动器，避免电动机直接气动、星/三角降压启动等传统的启动方式对电气与机械的冲击，使电动机的启动与停止运行趋于平稳，在提高设备的使用寿命同时也减少电动机的运行损耗。

（2）采用变频器供电构成高效、节能的变频调速系统。通过变频器改变供电频率，对电机的转速进行无级调节，使电机工作在理想的额定状态，采用合适的变频调速装置，可以使电动机的节能效果提高10%以上，提高了系统的节能效益。

（3）选择与建筑电气系统配套的电动机。在电动机满足机械工作的前提条件下，根据负荷特性，合理的选择电动机，提高工作效率，也可加装轻载节电器，使电机在空载、轻载等运行状态下，电动机端电压自行降低，达到节约电能的目的。

3.3 照明节能

在建筑电气系统中，照明系统能耗占到整个电气系统能耗的20%-30%，所以照明节能是建筑电气节能的重要组成部分。

（1）利用天然光源实现节能。照明系统与天然光结合使用，既能有利于节能环保，又能使照明环境舒适高效[9]。我们应从被动的使用天然光源向积极的利用天然光源转变，也可利用集光装置进行采光，提高天然光的利用率。

（2）选择高光效节能光源。根据光源使用场合及不同的需求，从光效、寿命、节能等方面综合考虑光源。白炽灯发光效率、寿命等处于较低水平，需减少使用；荧光灯能效高，使用寿命长，更加绿色环保，应增加使用，其中，直管荧光灯发光效率、寿命、经济性优于紧凑型荧光灯；对于一些高层建筑，安装高度较高，后期维护保养较困难，可选用高频无极荧光灯。与电光源进行配套使用的附件，也需进行合理的选择：产生主要功耗的镇流器，应选择高品质、低功耗的电子镇流器；对于一些附件仅起到装饰作用，但会造成光源的输出效率下降，电能消耗增加，此情况下能减少附件的增加尽量减少附件，以提高灯具的使用效率。

（3）选用智能照明控制系统。对照明系统进行智能的控制和管理，如采用自动调节照明系统，可以根据自然光的强弱自动调节建筑内部照度强弱，不仅能够实现室内照明稳定，实现工作精度提高，同时保证了运行成本降低和资源能源的节约。

（4）优化照明供电系统设计。供电照明系统同样也要做到节能优化设计，例如，导线尽量设计为直线敷设；选用电阻率较小的导线；通过科学合理的计算实现照明负载的三相平衡，避免零线电流过大增加电能消耗。

（5）采用绿色节能技术。将节能技术与太阳能、风能等绿色能源相结合，实现节约资源的目的。

4 结语

总之，在能源资源消耗日益严重的今天，建筑电气节能已越来越引起人们的重视，只有采取有效的节能措施，才能提高电气系统工作效率，减少能源损耗，实现经济与环境的协调发展。