电气节能技术在绿色建筑中的应用

傅应昶

（厦门兴南洋信息技术有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

绿色建筑是一种与自然和谐共生的建筑，能够最大限度地减少污染和保护环境，为人们提供舒适和环保的工作或居住环境。因此，在国家能源负担越来越沉重的今天，推广绿色建筑是一个较好的方案。电气节能作为绿色建筑的重要组成部分，随着科技的发展研发出了光伏与建筑一体化和太阳能光导管等大量的新技术，为提高建筑科技含量、彰显资源节约和环境友好的建设宗旨提供了技术支持，也推动了我国建筑节能发展历程。不但节省了大量能源，改善了环境，而且取得了可观的经济效益和社会效益。以下以某工程为例，深入剖析电气节能技术的实际应用。

1 工程概况

我国某工程建筑为满足国家关于公共建筑节能的法规与规范，拟对20世纪90年代建筑进行改建。由于建筑节能措施与区域自然条件密切相关，因此为了更好地开展节能环保新技术，需要对该地的气候特点及建筑能耗特点进行分析。

1.1 温 度

区域温度相对较高，年平均温度约在20 ℃。最冷月为1月，月平均温度14 ℃；最热月为7月，月平均气温34 ℃。具体各月温度如图1所示，由此可推断建筑能耗主要为空调能耗，可忽略采暖。

图1 全年温度曲线图

1.2 湿 度

福建省气候湿润，降雨量较为丰富，因此城市空气含湿量大，年均含湿量约为12.8 g/kg。其中，含湿量平均值最大的月份为7月，最小的月份为12月。可见，该地区建筑空调除湿将在能耗中占有一定的比重。

1.3 太阳辐射

福建地区太阳高度角较大，太阳辐射总量和日照时数都较为充足，因此可以说太阳辐射是影响空调能耗的重要因素。所以，既要合理利用太阳能，又要做好建筑遮阳[1]。

1.4 雨 量

福建地区雨季明显，降雨量充沛，年平均降雨量在1 400～2 000 mm，是我国雨量最丰富的省份之一。雨量主要集中在4～9月份，剩余月份为少雨季节。丰富的降雨量既是空气湿度大的主要因素，又为该地区带来了良好的水资源。

公共建筑面积虽占民用建筑总面积比例较小，但其能耗却约等于城市居民住宅能耗的总量。该工程结合我国现行公共建筑节能标准，对建筑进行功能改造，以尽量满足节能50%为预期目标。

2 电气节能技术光伏与建筑一体化

该技术主要是将光伏（太阳能发电）产品集中到建筑上，其中光伏发电系统的主要作用是将太阳能转化为电能。它的运行方式主要有独立运行系统、并网运行系统以及混合运行系统3种。独立运行系统主要适用于小区园林照明和指示灯等小型设备供电，以及建筑淋水降温等太阳辐射强烈同时用电量大的设备。并网运行系统省去了蓄电池，能够将电网作为储能和补能单元，但工作时需要对电能质量、电压平衡度以及过热保护等参数进行检测。

2.1 光伏发电系统的设备

2.1.1 太阳能电池方阵

太阳能电池方阵是太阳辐射能转化为电能的重要设备，通常由太阳电池组件、支架以及接线盒组成。其中，太阳能电池又可分为块状光伏电池和薄膜光伏电池。前者是目前市场上的主导产品，一般是指晶体硅光伏电池；后者薄膜厚度一般在2～3 μm，主要有硅薄膜型电池和新材料薄膜型电池等。

2.1.2 开关控制器

开关控制器主要由电子元器件、仪表、继电器以及开关等组成，主要用来控制太阳电池子方阵的接入或切出，以调节蓄电池的充电和稳定负载电压。由于各发电系统的需求和重要程度各不相同，因此控制器的类型也各有差异[2]。

2.1.3 阻塞二极管

阻塞二极管的主要作用是阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。具体工作时，阻塞二极管的工作电流不能低于方阵的最大输出电流，反向耐压不能低于蓄电池组的电压。

2.1.4 逆变器

逆变器的主要作用是将蓄电池的直流电逆变成交流电，具有输出正弦波电流、在负载和日照变化幅度较大时能高效运行、体积小以及可靠性高等特点，能够实现光伏阵列的最佳运行。

2.2 光伏发电系统的适用性研究

2.2.1 节约土地和保护环境

一方面，建筑物能够为PV板提供足够的安装面积，无需额外的土地资源支持，能有效地节约城市用地。另一方面，和一般的化石燃料发电相比，该系统不会产生空气污染，在保护自然环境和保护大气环境方面具有独特优势。

2.2.2 节约成本

系统采用就近并网和分散发电的运行方式，省去了输电费用，减少了电力传输和电力分配的损失，降低了电力传输和分配的投资及维修成本。

2.2.3 节约建筑能耗

在墙面和屋面的安装光伏，不仅可以直接吸收太阳能，降低建筑表面温度和空调负荷，而且并网系统不受蓄电池状态的影响，能够充分发电，降低能耗，缓解高峰电力需求，带来较好的社会效益。

光伏与建筑一体化的安装模式主要有3种。第一，直接在屋顶安装。这是最常见也是最广泛的应用模式。第二，墙面外挂。这种模式既有利于采光，又能够与建筑紧密结合，实现了建筑功能和造型的统一。第三，在中庭的顶部安装，能够充分接收太阳光[3]。

2.3 方案设计

本次建筑改造为了充分利用太阳能发电，提高幕墙的遮阳能力，减少室内热负荷，在建筑立面的外幕墙安装了非晶硅太阳能薄膜电池。不仅较好地实现了自然资源和建筑节能的有效结合，而且实现了建筑一体化。具体效益分析如表1所示。

表1 非晶太阳能薄膜电池的经济性分析

由于该项工程为改造工程，综合各因素考虑，地下一层少灰尘、无高温以及无潮湿，因此将光伏系统配变电间、蓄电池室以及控制机房设置在该层。首层配变电间最接近光伏方阵，因此将逆变器布置其中。为保持建筑物外观整齐和美观，电缆敷设尽量沿电气竖井敷设。竖井外区域多采用暗敷，各电气系统均共同接地网。

3 绿色照明节能控制技术

3.1 绿色照明节能技术

3.1.1 节能光源

常用的节能光源主要有以下3种。

第一，LED灯。在颜色上，LED不仅色彩纯度高，而且能变幻出绚丽的色彩，达到动感效果。在耗电量上，相较普通白炽灯，LED在相同亮度下耗电量仅为白炽灯的1/10，且寿命远远大于普通白炽灯。在控制方式上，可利用计算机系统和网络系统等进行控制。目前，太阳能LED照明已成为重要的绿色照明技术之一，如图2所示。该技术无需转变太阳能光伏电池产生的直流电，因此极大地提高了照明效率。

图2 光伏与LED照明结合

第二，无极灯。该灯具有发光效率高、绿色环保、光衰小以及安全性高等优点，多应用于图书馆、会议室、地铁站以及高危或换灯困难场所。它是一种高新技术产品，代表了照明技术的未来发展方向。

第三，高强度气体放电灯。该灯的应用场所范围较广，如体育场馆和广场等，且节能效果显著。金属卤化物灯是它的主要代表。

3.1.2 灯具节能技术

不同类型的灯具，反射率不同。例如，磨砂或棱镜保护罩式灯具的反射率为55%，格栅式反射率为60%，透明式为65%，控照式或开敞式为75%。因此，应根据室形指数或室空间比选择合适的灯具，如办公建筑应选用格栅式灯具，体育馆建筑选择适合要求的节能型灯具。该项目中最终选用了12套卤钨灯和158套泛光灯[4]。

3.2 绿色照明智能控制技术

3.2.1 控制系统

为实现最佳的控制效果，可利用计算机技术和自动控制技术等网络通信技术，根据建筑需求和环境变化，实现对系统信息的采集、分析以及判断，并根据处理结果进行反馈控制。常用的控制系统有场景控制系统、自动控制系统以及应急电源等。

3.2.2 系统构成

智能照明控制系统多采用模块化分布式结构，通过将微处理器和存储器放置在模块内，实现各个控制部件的信息传递，进而完成对照明系统的控制。它主要可分为3个部分。第一，输入部分，如控制面板和智能传感器等，主要实现对外界控制信号的转换。第二，输出部分，如调光控制器和开关控制器等，主要接收总线上的控制信号，以控制相应的负载回路。第三，系统部分，如调制解调器、PC监控机以及系统网络等相互独立的部件，通过计算机实现对照明系统的实时控制。

3.3 方案设计

经过项目分析，该项目照明控制系统最终采用分布式和总线型智能控制系统。该系统不仅协议开放，还可以与其他控制系统如建筑设备监控系统和消防系统等结合进行互联和控制。在运行过程中，该系统具有较好的节能和照明效果，并预置了多种运行模式，节能可达到30%以上。

该系统通过对各单元器件如项目名称和区域地址等进行参数设定，实现了开关功能和调光功能等照明控制。该系统还提供了标准的OPC Server接口软件，相关系统可通过OPC访问方式监视和控制该系统。

4 结 论

随着可持续发展思想的深入，绿色建筑理念已成为建筑师和工程师未来的工作准则。本文结合具体工程改造实例，深入研究电气节能技术在绿色建筑中的应用。一方面，采用前瞻性的示范技术，能够有效提升科技含量，引领建筑节能技术发展方向。另一方面，通过对项目进行适用性分析，选择合适的节能技术，能够给工程带来良好的经效益济和社会效益。尽管新技术的应用都有造价高和应用范围小等制约问题，但凭借我国对节能环保的政策支持，节能新技术必然会在未来发展中大放异彩。