建筑电气设计中节能降耗措施探讨——以沙北实验学校为例

李建平，黄向阳

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

国务院《十三五节能减排综合工作方案》中明确提出了节能减排的发展理念，住建部也相应发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》。建筑能耗在社会总能耗中占很大的比重，有关数据显示，我国建筑能耗约占全社会总能耗的 27.5%，随着社会经济的快速发展，建筑能耗所占比率将会呈现出持续增长的趋势[1-2]。建筑电气系统的能耗是建筑能耗中的重要组成部分，主要包括供配电系统、照明系统、电气设备等方面的能耗。近几年，我国电力工程事业的逐渐发展，对电力资源的需求量愈加增大，致使我国整体的电力资源越来越紧缺。电气行业作为一个能源消耗严重、投入成本较高且存在一定环境污染的产业，节能减耗已经成为了长效发展的必然趋势。因此，为了有效缓解能源紧张、实现节能减排，加强电气工程节能化设计已成为我国现阶段建筑领域电气工程发展建设的重要目标[3];依托于建筑节能设计，可对节能环保理念进行有效实践，协调可持续发展，实现人与自然的和谐相处[4]。

荆州市沙北实验学校作为新建学校，计划在全校范围均按照湖北省绿色示范校园标准进行建设，采取供配电系统节能设计、照明系统节能设计、采用新型电气设备、光伏发电、地下室采用自然光导光管系统等措施，减少能源资源的消耗，从而解决我国能源资源不足和浪费问题，为我国节能减排总体目标服务。

1 工程与设计概况

1.1 工程概况

沙北实验学校位于湖北省荆州市沙北片区，学校选址区位条件优良，与城市控规预留的公园绿地及景观水系毗邻，用地面积为 49 707.89 m2，建设54班九年制完全学校。学校由1座4层小学部教学综合楼、1座5层中学部教学综合楼、1座2层食堂报告厅体育馆综合楼、负一层地下停车场组成。总建筑面积为 41 970 m2，其中地上建筑面积为 26 470 m2，地下停车场建筑面积为 15 500 m2。该建筑结构类型为框架剪力墙结构，建筑耐火等级为二级。作为新建学校，沙北实验学校计划建设成为湖北省荆州市九年制完全学校的绿色校园示范工程。

1.2 电气设计概述

本工程电气专业上的设计内容包括 10 kV/0.4 kV 变配电系统、柴油发电机系统、供配电系统、照明及动动系统、建筑物防雷接地及安全措施、安防系统、综合布线系统、火灾自动报警系统等。

1)10 kV/0.4 kV 变配电系统。由于教学楼与地下车库管理的要求不同，本项目在小学部一层和地下车库分别设置变配电室,由附近津乡大道上市政开闭所分别引来1路 10 kV 高压电源，提供本工程地上建筑和地下车库的正常负荷用电。

变配电室设置 10 kV 中置式高压开关柜，按无人值守标准进行设计，选用微机综合继电保护装置，方便、可靠地构成变电站自动化系统，以达到调控联网、遥控、遥测的技术目的。其中地上变配电室设2台 800 kVA 的变压器，负责承担地面上建筑小学部、中学部、食堂报告厅体育馆、附属门房、校园景观照明等负荷用电,其总负荷 1 561.5 kW，计算容量为 1 269.5 kVA。地下室的变配电室设置1台 800 kVA 变压器，负责承担地下车库负荷用电,其总负荷 627.8 kW，计算容量为 562 kVA。

2) 柴油发电机系统。为保证本项目的一、二级负荷要求，设置1台 550 kW 柴油发电机作为备用电源。

3)光伏发电系统。本工程在小学部、中学部屋顶部分屋面设置光伏发电系统，补充校园用电。

4)供配电系统。从变配电室的低压配电柜引来220/380 V 电源，供本建筑设备用电,同时从本建筑柴油发电机房引来 380 V 电源作为二级负荷的备用电源。当市电停电时，通过自动转换开关ATSE自动切换，自备电源 30 s 内对一、二级负荷供电，以确保供电的可靠性。本工程重要设备的低压配电线路,采用放射与树干混合配电方式。

5)照明及动力系统。地上建筑每层照明用电从相应楼层照明配电箱引来，动力用电从动力配电柜引来。照明照度值和照明功率密度值应符合《建筑照明设计标准》(GB50034—2013)的相关要求。

6)建筑物防雷接地及安全措施。地上主要建筑物采取二类防雷，采用ø12热镀锌圆钢沿屋面敷设，作为避雷带；利用建筑物的钢筋混凝土柱子内2根ø16(或柱对角4根ø12)以上主筋通长焊接、绑扎作为引下线；利用建筑物基础底梁上的上下两层钢筋通长焊接形成的基础接地网。本工程的配电系统接地型式采用TN-S系统，采用联合接地方式,利用建筑基础内主钢筋作为接地极,要求接地电阻≤1 Ω。

7)安防系统。为了保证安全，在小学部安防室设监控主机，负责学校安全防范，在教室内及走道公共部位设监控。

8)综合布线系统。在小学部一层设弱电机房，主要承接市政引来的数据光纤和通讯光纤；分配信息至学校各建筑物。本项目自通信机房引出语音和数据线缆,采用二级星型拓扑结构的综合布线系统，相关楼层内设19英寸标准机架为楼层配线架,通信机房主配线架引至楼层配线架的数据支干线采用多模光纤,语音支干线采用大对数铜缆，由楼层配线架引至各数据或语音信息插座采用六类非屏蔽UTP。

9)火灾自动报警系统。在小学部一层消防控制室内设消防集中报警系统、消防电源监控系统和电气火灾报警系统，实现火灾报警及联动控制。

2 建筑电气工程设计阶段的节能降耗措施

2.1 供配电系统节能设计

在设计阶段，本工程变配电室尽量设置在负荷中心，减少低压侧线路长度，降低线路损耗。变配电室分别设于小学部和地下车库。配电时，单相负荷尽可能均衡地分配在三相上，使三相负荷保持基本平衡，最大相负荷不宜超过三相负荷平均值的115%，最小相负荷不宜小于三相负荷平均值的85%。本工程的生活水泵、大容量空调系统等长期运行电动机采用变频调速控制。利用天正电气软件进行设计计算，计算供应整个建筑电力所需的供电线路，并且做到供电的合理性，在保证电线能够承受运行负荷的前提下，有效减少线路功率损失及电压降。在变压器低压侧设置成套静电电容器自动补偿装置,以低压集中补偿形式使高压侧功率因数提高到0.9以上，减少无功损耗。优化供配电系统、线路设计能够有效实现节能降耗。本工程地上设置2台 800 kVA 的变压器，根据季节进行调配运行，在春秋季空调等大用电设备不使用时，可停用1台变压器，避免变压器空载损耗，从而节约能耗。管理上设置电费计量，在变电所设高压计量装置,由供电部门负责；低压部分各栋建筑物分照明和动力系统分开设置，从而保证照明质量，避免动力运行对照明质量的影响，并且照明和动力分别设置智能计量电表，用于日常计量管理考核，达到节约用电目的。

2.2 照明系统节能设计

照明节能设计在建筑电气节能设计阶段有着重要地位，直接影响到整个建筑耗能。在设计阶段应充分考虑到电气设备节能性、适宜性。本工程照明设计符合《建筑照明设计标准》(GB50034—2013)中规定的照度标准、照度均匀度、统一眩光值、色温、显色指示、照明功率密度值等相关要求。本设计的场所的照明功率密度限值不大于GB50034—2013中目标值的要求，其中教室照明功率密度值LDP计算值为 4.4 W/m2，明显小于规范要求的现行值 9 W/m2。

在照明控制中，本工程的门厅、大空间等建筑内照明按建筑使用条件和天然采光状况采取分区、分组控制措施；公共的场所，如走廊、楼梯间等照明采用集中智能控制和声光节能控制；教室等场所，远离窗户和靠近窗户的灯采取分区控制，在自然光满足要求时，关闭靠近窗户的灯具，从而有效控制灯具的照明，在保证正常使用前提下，达到节能目的。

2.3 采用新型电气设备节能设计

合理选择变压器在变压器选择的过程中，要降低铜耗、铁耗和谐波，从而降低变压器能耗。因此必须选择合适的变压器，进而确保建筑电气设计节能降耗。本工程小学部设置2台SCB13-10/0.4 kV 800 kVA 干式电力变压器，地下车库采用1台SCB13-10/0.4 kV 800 kVA 干式电力变压器，变压器联结组别为D,Yn11Ud=6%，带IP31防护外壳，自带排风机及温控保护装置，此变压器能效等级达到2级标准，其空载损耗和负载损耗低。

采用LED节能灯具本工程照明灯具采用高光效光源LED灯具，其光通量大、光源的能效应符合相关能效标准的节能评价值。在达到相同的照度前提下，本工程采用LED灯 14 W/支代替传统荧光灯 36 W/支，对比如下。

采用传统荧光灯照明，其功率为：

P=NP=(96+17+16+748)×36+(573+462+78+19)×2×36+48×3×36+25×3×36=113.07 kW

本工程现采用LED灯照明，其功率为：

P=NP=(96+17+16+748)×14+(573+462+78+19)×2×14+48×3×14+25×3×14=35.04 kW

其照明功率节约 78.03 kW。

地下车库共有430个停车位，其中50个为电动汽车停车位，并设有50个电动汽车充电桩，用于电动汽车停放及充电使用，这样不仅节约能源，同时可减少汽车尾气对环境的污染。

为了有效利用自然光，地下车库采用自然光导光管系统，地下车库上方为运动场，运动场周边设置了多个采光点，采用威卢克斯导光管系统，将不同角度的自然光折射进入到导光管内部，再借由导光管的反射内壁将光导入到地下室空间，可以帮助地下室获得自然光的照射，作为白天补充照明，不管是引导还是释放自然光都不存在电力方面的消耗，因此可在白天为地下室提供部分无电照明；晚上,地下车库的灯光经过导光管照射到地面的运动场，补充地面景观照明，从而实现节能降耗。

2.4 光伏发电系统

光伏建筑一体化技术的使用能够降低建筑的电力消耗。光伏发电可以对供电峰值实现自动化调解与控制，保证电网具有更突出的稳定性和安全性。光伏发电不仅环保可持续，而且具备白天蓄电和晚间供电的功能，可显著减缩成本。本工程在小学部和中学部部分屋顶装设光伏发电系统，总装机容量为 146.575 kWP，光伏白天所发电能为学校优先使用，发电不足或晚上不发电时由市电作为学校的补充用电。146.575 kWP 光伏电站年发电量约17万度，按学校用电电价0.57元/度计算，则年收益约15万元。

3 结 语

荆州市沙北实验学校采用供配电系统节能设计、照明系统节能设计,采用新型电气设备、地下室采用自然光导光管系统等措施，起到节电降低能耗的作用；利用光伏发电提供能量来源，既可减少能源资源的消耗，又避免了因燃料燃烧发电所带来的环境污染问题。以上节能措施，不仅有利于节能减排发展策略的贯彻落实，还能够有效解决我国现阶段电力能源紧缺问题，达到电气工程在运行过程中节能减耗的目的。