关于绿色建筑电气节能设计的若干思考与建议

张茂锋

福建省第五建筑工程公司

1 引言

我国经济的高速发展以及人口的不断增加带来了建筑行业的黄金发展期，人们生活水平的不断提高促使了建筑工程中电气设备种类与数量的增加，电气设备的设计与安装为建筑工程施工带来了庞大的工作量，同时也为建筑带来了巨大的能耗。而能源短缺和环境污染是21世纪全球各国的关注点，在这一背景下，绿色建筑电气节能设计的概念应势产生，成为建筑电气设计人员关注的重点，更是新时期建筑行业发展的趋势。绿色建筑将环保理念融入到建筑工程施工中，实现建筑项目的节能环保，而电气节能则是通过对传统电气技术进行完善和改革，实现建筑电气的环保、节能和绿色发展。

电气节能是建筑节能领域的重要组成部分，电能损耗占据建筑耗能比例巨大，通过合理的电气节能设计施工，可以减少损耗，实现建筑物资源的最大程度合理化应用，为居住者提供舒适、经济、节能、环保、健康的生存环境，具有良好的社会经济和环保效益。

2 工程概况

背景工程为泉州市委党校新校区项目（一期工程），位于泉州市台商投资区，东临过溪村，西临安峰山北临泉州绕城高速，南临324 国道福夏路。一期总建筑面积72775m2，其中地上59395m2，地下13380m2。一期工程为A1 教研综合楼、A2 报告厅、A3 教学楼、B1 食堂、B2/B4/B5 宿舍、C1 文体中心、D2 大门。除A1 教研综合楼为二类高层，其余各建筑均为多层民用建筑。结构类型为钢筋混凝土框架—剪力墙结构，建筑耐火等级为A1教研综合楼地上一级，地下以及，其余各建筑为二级。建筑设计使用年限50年，抗震设防烈度7度。

本工程设计红线内的电气系统，包括10/0.4kV变配电系统、电力配电系统、照明系统等，根据DBJ 13—197—2017《福建省绿色建筑设计标准》及DBJ/T 13—118—2014《福建省绿色建筑评价标准》等，项目按按绿建二星标准设计，空调系统为分体空调或VRV。

3 绿色建筑电气节能设计要点

3.1 供配电系统节能设计

供配电系统是电气系统的重要组成部分，关系着终端用电负荷安全性、运行经济性，也是实现建筑居住性和功能性的关键，合理优化的供配电系统设计是绿色建筑电气节能设计的基础。配电系统设计人员应考虑地理气候条件、建筑布局等各种因素，充分调查计算建筑负荷特点、用电量大小等，基于此选择配电系统电压等级、电源位置等，节能措施还包括改进三相不平衡、治理谐波及提高功率因数，本节着眼于上述能耗点研究供配电系统节能设计。

3.1.1 电压等级及变配电房位置确定

应根据建筑总用电量确定电压等级，一般来说，当控制功率为定值时，电压越大电流越小。而计算线路损耗时采用公式为：

式中：

I——为线路电流；

R0——为单位长度电阻值；

L——为线路长度。

也就是是说电压的大小决定了电流，而电流又与输电导线长度共同决定了线路的电能损耗，合理选择电压等级即供电半径（即变配电房位置）可以有效减少电能损耗。根据本工程用电设备总容量和单台设备容量确定，供电电压等级采用10kV 供电，所有用电设备均经10/0.4kV变压器后配电；变配电房设置在负荷中心，本工程至末端配电箱最长供电距离约240m，低压侧线路长度减少，线路损耗降低。

3.1.2 三相不平衡治理

三相负荷不对称导致三相电流（电压）幅值不一致即所谓的三相不平衡现象，其不仅会造成严重的线路损耗，还会带来一系列其他问题，如电机发烫、照明设备寿命缩短和通信质量降低等等。只有当三相平衡，即三相电流（电压）幅值一致，相位互差120°时，才能保证电网的经济性和稳定性。然而绝对的三相不平衡是不存在的，本工程只能控制三相单负荷尽可能分配在三相上，最大相负荷不超过三相负荷平均值的115%，最小相负荷不小于三相负荷平均值的85%，同时采用分相无功自动补偿装置。

3.1.3 提高功率因数

功率因数是指用电设备正常运行消耗的电功率与视在功率（电压有效值×电流有效值）的比值，代表了电源的利用效率，功率因数越大，线路损耗越小。本工程在变配电所的低压测设集中无功自动补偿，采用自动投切装置，要求功率因数保持在0.95以上，对容量较大、负载稳定且长期运行的功率因数较低的用电设备采用并联电容器就地补偿，采取静止无功发生器抑制谐波，有效提高电源利用效率。

3.2 照明系统节能设计

照明是建筑必不可少的功能之一，照明节能设计是指根据建筑物类型及功能，以不降低视觉效果及照明质量为前提，对建筑物进行照明系统的电气节能设计，最大程度降低电能损耗。照明节能设计主要可从两个方面入手。

一方面是合理利用天然采光，太阳能是可再生能源，在进行电气节能设计时，完全可以考虑利用自然光作为白天照明，合理设计建筑门窗，同时还能利用太阳能发电。

另一方面是采用智能照明控制系统实现节能，可通过开关控制、调光控制、分区控制、定时控制等手段综合达到降低损耗目的。

开关控制也就是照明启停，实现“人来灯亮，人走灯灭”，在本工程中办公室公共区域、楼梯间、走道等场所均按使用需求自动开关灯，应急照明灯应急时启动。

调光控制是通过调整灯具敏感程度控制电能使用量，如会议室开会时筒灯与槽灯明亮辉煌，投影时则亮度调暗，本工程针对公共场所采用以LED 荧光灯为主的高光效光源，显色指数不小于80，而各房间的照明功率密度值满足现行国家标准即可。

定时控制一般运用在大型体育场所或办公场所，根据时间设置照明设备状态，本工程中的门厅、报告厅、电梯厅等场所，采用楼宇自动控制，定时管灯，景观照明采用集中控制方式，根据使用情况设置一般、节日、重大庆典等不同的开灯方案。

分区控制在以上所有控制方式中均有体现，建筑物的办公室、走道、餐厅等各个功能区域的照明显然是相对独立的，也就是所谓的分区，每个区域照明目的、照度等不一样，一般分为应急照明、走廊日常照明、景观等功能性照明等等，同样一个区域内的照明也可以分组控制，如本工程的景观照明系统就设有分区节能控制，楼梯间、卫生间和室外等无人长期停留的场所采用发光二极管（LED）灯。

3.3 建筑设备节能设计

建筑设备节能设计可从设备的选型和运行两个角度进行，设备选型是指选择适宜的变压器、电动机及电梯配置，设备运行是指控制空调系统、电梯设备等的能耗。

变压器是电力系统中必不可少的电气设备，其损耗高达电力系统的50%，可见变压器的选型节能具有重要意义。在选择变压器时，主要依据以下原则。

第一，优先选用新型节能变压器，如非晶合金铁芯变压器相较于硅钢片作铁芯变压器空载损耗就下降了80%左右。

第二，根据实际使用情况选择变压器容量。

第三，尽量保证负荷匹配，轻负荷会导致实际功耗比值增大。

从考虑成本的角度出发目前淘汰全部高耗能变压器是不现实的，因此应依据以上原则结合实际情况选择。本工程选用SCB13型变压器为低损耗、低噪音的节能产品，其空载损耗和负载损耗符合《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中规定的节能评价值的要求。配电变压器选用[D，yn11]结线组合的干式变压器。

电动机是将机械能转换为电能的一种转换装置，其消耗电能约占整栋建筑耗电的40%～60%，可见电动机耗能严重，节能潜力大。电动机选择时也应根据实际负荷情况，使电动机容量尽量接近使用设备需求容量，电动机功率充分利用。电动机运行时减小损耗主要可从提高电动机效率和改善功率因数两方面入手。

一方面，变频器可以根据电动机负载率自动调节电动机转速，不同转速下的电动机实际功率如表1所示，可见，转速变为额定转速的一半时，电动机实际功率相较于额定功率降低了87.5%，节省能耗量很大，因此减小空载或轻载运行可以有效达到节能目的。

另一个方面，增加就地补偿电容器可以提高功率因数，使线路损耗降低，实现节能。本工程选用中小型三相异步电动在额定输出功率的效率符合现行国家相关标准规定的节能评价值。

表1 不同转速下的电动机实际功率

电梯是建筑长期运行的动力设备，运行耗能较大，应按电梯的载重量、提升高度和停层方案，综合比较科学选择电梯拖动和控制方式，一般来说，高中档电梯采用变压变频（VVVF）调速方式，电梯组宜并联控制，多级梯照明应接到三相上使三相负荷平衡，电梯优化调度也对节能有一定意义。此外，建筑中还有很多其他用电设备存在较大的节能潜力，如空调。、电热用具等等，需要在实际使用过程中也注意节约环保。本过程电梯采用群控变频等节能控制措施，同时设置建筑电气能源管理系统，对应急照明、插座、空调、特殊用电按层或功能分区等进行能耗监测、统计、分析和管理，满足规范要求。

4 绿色建筑电气节能技术意义

4.1 促进科技进步

绿色建筑电气节能技术中运用到很多先进的智能化技术手段，在某种程度上是对科学技术的检验，绿色施工与科技进步是相辅相成的，科技的进步使得绿色建筑电气节能设计与施工更加周密与顺利，而反过来绿色建筑环保节能的理念对科技又提出了一定的要求，淘汰落后科技，使新型科技技术与设备占据主导地位，不断进行新旧更迭，促使科技技术不断进步。

4.2 推动经济发展

科技是第一生产力，绿色建筑电气节能技术促进科技进步，也推动了经济的发展。绿色建筑的要求是节能、环保和经济，每一点都可以创造一定的经济效益，不仅可以节约资源，还能减少对环境的破坏和污染，促进可循环利用，使生产成本大大降低，避免了一笔可观的维护环境费用，企业也可以在较低的负担下获得一定的利润回报，可见，绿色建筑电气节能技术兼顾了环境和经济效益，减轻了国民经济负担，实现双赢。

5 结语

我国绿色建筑理念发展较慢，许多设计原则和设计理念并不能完全满足绿色节能建筑的要求，电气节能设计还处在一个成长期和发展期的过程中，并未形成一套完整的技术体系。因此需要更多的具体项目不断积累实际经验，本文结合实际工程项目，大量查阅国内外资料和相关标准规范，从基本认知（概念）、政策标准、设计、先进技术应用等层面深入分析研究了电气节能设计，应基于满足建筑物基本功能的基础上，通过一系列新技术、新设备的应用等，全面研究、综合考虑，不断创新和完善，总结经验，进行科学的降耗节能设计，建造更加环保、节能、舒适的绿色建筑，实现人与自然的和谐共存。