探讨建筑电气节能减排措施及光伏新能源的应用

苏子龙

中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京，100010

0 引言

电气系统是建筑工程的重要组成部分，我国已发展成为世界第二大经济实体，能源问题受到全社会的普遍关注，节能减排的意义愈发受到重视。

1 光伏新能源发电原理与优势

1.1 原理

光伏发电是在充分利用光生伏特效应的基础上，实现从光子到电子的转变，以达到用光能（太阳能）发电的目的，充分节约电力能源。太阳能电池组件是光伏新能源技术不可或缺的重要设备，电池组件收集太阳能之后，把太阳能转化为直流电，然后经光伏发电系统中的逆变器转化成交流电，再通过控制器实现对交流电的调节[1]。

在建筑工程中采用光伏新能源技术，为建筑的电气系统提供电力能源，改变供电峰值，提高对太阳能的利用效率，在满足建筑供电的情况下，最大程度地节能减排，维持电网运作的安全性与稳定性，充分满足建筑行业的绿色、可持续性发展。在建筑电气系统中应用光伏新能源技术，可以促进光伏能与建筑的有机结合，实现光伏建筑的一体化建设。

1.2 优势

（1）占地面积小、安全性高、污染性低：建筑中的光伏新能源发电设备主要安装在采光良好的位置，比如外墙、屋顶等，以充分吸收太阳光。设备的占用空间不大，不需要专门为设备开辟安装场所，而且技术应用过程中不会产生任何污染物，不会对建筑及其周边环境产生污染，充分满足了绿色节能建筑的施工要求。

（2）降低能源消耗，减轻资源浪费：建筑并网是实现光伏新能源发电的基础，发电过程中不需要消耗燃料，也无需架设输电线路，且建筑的建设周期较短，获取新能源的时间短，充分满足了人们日常生活中的用电需求。现阶段，智能建筑已经实现了电能的输入、输出操作，且流程简单，对能源消耗较少，不会造成电能的浪费。而且日常生活中的用电量较小，不需要过多地布置光伏发电点就能满足人们的生活需求，充分实现了资源利用的最大化，避免长距离输送电能造成的能源损耗。总而言之，光伏发电系统实现了从太阳能到电能的转化，充分体现了其环保节能价值，节约了大量不可再生资源[2]。

（3）保障了建筑用电的安全性与可靠性：将光伏新能源技术应用于建筑的电气系统中，可以把多余电量存储起来，并输送到电网。电网系统会根据建筑用电情况自动化调节电能输出量，既满足了住户的用电需求，又避免了电力能源的浪费。从光伏新能源技术的实际应用来看，该技术具有原理简单、施工方便、安全性高、可靠性好等优势，且电能存储方便，实现了电能的有效调节。

（4）维护了建筑周边的自然环境：建筑电气系统的施工相对复杂，用到的材料较多。以往的电气系统施工过程中，不可避免地会对周边环境产生一定影响。当施工结束后，在夏天制冷、冬天供暖过程中，还可能造成电能浪费，产生污染性气体，危害周边环境与人们的身心健康。新时期下，随着建筑功能的完善与施工要求的提高，建筑的电气系统设计中所用到的环保材料和设备越来越多，其中便包括一部分的风能、太阳能等清洁能源技术，降低了对传统能源的依赖，使周边环境不会因为建筑电气系统的施工而受到不良影响。

2 建筑电气系统节能设计存在的不足之处

2.1 照明设计不合理

尽管与工业用电相比，日常生活中的耗电量不大，但如果照明设计不合理，仍可能造成大量电能的浪费。比如窗户材料的选择不科学，降低了建筑的透光度，太阳光无法充分照射到屋内，以至于白天也需要使用照明设备。如果屋内的照明设备节能效果较差，功效过大，也可能造成电能的浪费。

2.2 监控设备不合理

为了保障住户的人身财产安全，建筑通常都配备了监控系统，以满足人们对居住安全性的要求。监控设备往往需要24h全天候运行，长此以往，消耗的电量不容小觑，如果监控设备的布局不合理，监控数量过多，必然会增加电能消耗量。因此，技术人员应在充分了解建筑环境、场所、实际需求的基础上设计监控设备的布局，争取用最少的设备实现最全面的监控[4]。

2.3 通风设计不合理

良好的通风能够维持室内空气质量，营造舒适、健康的生活环境。反之，通风不良不仅会影响人们的居住体验，而且还会增加建筑耗电。尤其是在炎热的夏天，人们对空调制冷有较高需求，空调设备往往长时间开启，如果建筑通风设计缺乏合理性与科学性，空调开启的时间就会更长，消耗的能源就会更多，造成的电能浪费也会更大。所以，设计人员应该根据建筑布局合理设计通风，保证室内通风良好，降低电能消耗。

3 建筑电气系统设计中节能减排技术的应用现状

近年来，在可持续发展理念的指导下，为了满足建筑工程节能减排、绿色环保的需求，国家和政府相继颁发了一系列法律法规，以此为节能减排技术的应用提供保障，更好地为广大住户提供优质、安全的服务。建筑电气系统节能减排措施的应用，需要从材料的选择、设备的布局、技术的应用等多方面做起。鼓励电气系统的设计与开发中应用新型材料，并且做好材料质量的监管，逐渐淘汰传统、落后、不满足节能环保要求的电气材料，从绿色、节能的角度给予企业贷款与税收等方面的优惠支持，全面贯彻节能减排理念在电气系统设计中的应用，充分满足建筑可持续发展的需求[5]。

传统建筑施工中，电气材料和设备的选择、使用是结合在一起的，这就增加了不合理、不规范材料使用的风险性，更容易产生废弃材料，造成人力与财力成本的浪费，还需要专门设置存储废弃材料的场所。而节能减排措施则能够充分发挥电气材料与电气设计功能的优势，通过节能技术、低碳技术、太阳能技术的应用，实现建筑与自然的深度融合，营造健康、节能、绿色、环保的生活空间。电气设计过程中应突出节能原则，综合考虑不同元素对能源消耗的影响，努力实现景观设计和建筑功能的结合，更好地体现建筑空间布局、自然环境的优势，在电气系统的设计中积极引入各种新能源技术，合理规划设备的布局，全面落实节能减排理念。

4 建筑电气节能减排措施

4.1 供电系统设计

在建筑电气系统中，供电系统是基础与核心组成部分，供电系统的节能设计是否合理，将直接影响整栋建筑的电能消耗情况。因此，设计人员应站在全面角度，用统筹规划的眼光把握供电系统的节能设计，保证设计方式符合建筑所在地区的环境和实际情况，充分考虑当地的气候、温度等客观因素，以保证供电系统节能设计的经济性，降低后期建筑的电能消耗。设计竖井和机房时，应全面了解供电系统的配置要求、电气设备的布局、系统修筑方案等，尽量缩短供电设备、变配电所、负荷基地之间的距离。

4.2 照明电路设计

在保证照明质量的基础上降低照明设备的电能消耗，这是建筑照明电路的设计关键所在。①充分发挥自然光的优势，自然光是取之不尽用之不竭的可再生能源，设计人员在设计照明电路时，应结合建筑位置和结构，最大化地提高自然光的利用率，降低电力资源的消耗，尤其是商务、公用建筑。②不同的场所和环境，可选择的光源也应有所区别。比如庭院照明更适合自然光，楼梯、走廊等场所则优先选择声控照明。③合理选择节能开关，以满足不同照明方式的需求。比如，工作区域对于照明的要求较高，可适当增加照明设备的数量或者瓦数；对于非工作区域，照明度可比工作区域降低1/3～1/5。此外，还应科学把握照明设备和墙壁之间的距离，避免墙壁遮挡损耗光源[6]。

4.3 合理选择变压器

变压器是建筑配电系统不可或缺的组成部分，电力系统的正常运行同样有赖于变压器的支持。现有研究显示：变压器的能源消耗高达6%～8%。变压器耗能大的原因主要来自铜耗和铁耗两方面，铁芯的材质和铁芯的制作工艺均与变压器耗能密切相关，但对负荷的影响并不大。因此，在选择变压器材料时，应充分考虑到节能原则。铜对电能的消耗和负载大小有关，所以要在分析负载的基础上确定铜材料的用量。

4.4 空调系统设计

现代建筑对供暖提出更高要求，这也是建筑电能消耗严重的重要因素。供暖系统耗能大与多种因素相关，设计人员在设计空调系统时，应尽量消除对节能减排不利的因素。比如合理把握控制界面，降低空调的电能消耗。在具体工作中，加强强弱电工程师与暖通空调工程师的技术交流，在空调系统的设计中引入弱电传感器，充分体现空调的节能价值。新时期下，空调系统中已基本实现了智能控制，设计人员可通过设置BAS系统，让供暖设备始终处于节能运行状态，以平衡设备的负荷，延长设备使用寿命。节能设计首先要满足行业标准，充分尊重业主的意愿，从技术和经济两方面衡量空调系统的设计，采用具有节能认证标志的产品调节冷热源；充分考虑空调的覆盖区域、覆盖面积和人数。

5 光伏新能源在建筑电气系统中的应用

光伏新能源是一种将光能转化成电能的光伏发电技术，极大地降低了对化石能源的需求。光伏新能源技术所转化的电能主要以直流电为主，在建筑电气系统的使用中需要配合逆变器，从而让直流电转变成交流电，结合其他电气设备控制电能输出。太阳能是光伏新能源主要的能量来源，比如光伏太阳能发电板便是这一技术的充分体现，白天接受充足的太阳光照，并将转化成的电能存储在蓄电设备中，用户在夜间通过控制电气设备进行放电。建筑电气系统设计中应用光伏新能源技术，能够有效降低能源消耗，实现节能减排目的[7]。

5.1 太阳能电池板的选择

光电系统对太阳能的转化效率，很大程度上取决于太阳能电池板。在实际施工中，应结合建筑电气系统的要求选择太阳能光伏组件，充分满足电压、电流、功率等各方面的需求。现阶段，常用的太阳能电池板主要有以下两种。

5.1.1 晶硅太阳能电池

这是目前建筑电气系统中应用最广泛、技术最成熟的一种电池材料，多年来始终在光伏新能源技术中占有重要地位。晶硅太阳能电池可分为单晶硅、多晶硅两种类型，二者对太阳能的转化效率有所差异，前者转化率约为14%～18%，后者约为11%～16%。尽管晶硅太阳能电池的转化效率比较理想，但生产成本也较高。目前的研究重点主要集中在两方面，一是降低成本；二是提高光能与电能的转化效率。

5.1.2 非晶硅太阳能电池

其优势是成本低、重量轻，适用于大批量生产与大规模安装；缺点主要体现在材质方面，非晶硅太阳能电池的光电转换效率略微逊色，只有6%～10%。此外，随着时间的推移，非晶硅太阳能电池的光电效率会持续衰减，稳定性较差，因此在建筑电气系统中的应用有一定的局限性。如果非晶硅太阳能电池能取得技术上的突破，凭借其性价比高、弱光感应好的优势，应该具有乐观的应用前景。

5.2 光伏幕墙

这是一种将光伏发电技术应用于建筑围护结构外表层的方式，也是非常先进的一种节能技术，甚至可以直接取代建筑原本的维护结构，充分实现光伏发电技术和建筑外幕墙的有机融合，将传统外墙材料取而代之，极大地减轻了环境污染，实现了低耗能设计。建筑屋顶面积并不大，在屋顶修建太阳能墙面，可有效降低噪音干扰，让建筑外墙处于相对低的温度环境中，以提高夏季室内的舒适度。在设计安全光伏幕墙系统的过程中，应根据建筑工程的施工要求与当地的光照情况、周边环境全面分析光伏幕墙和建筑的结合方式，持续优化设计方案，提高节能减排效果，充分发挥建筑光伏幕墙的技术优势，实现建筑整体的低能耗[8]。

5.3 光伏能源设备的维护

要想在建筑电气系统的设计中充分体现光伏技术的优势，以满足住户的日常生活需求，则需要全面分析该技术的特点。在光能转换为电能的过程中，利用蓄电池，将直流电转换为交流电，再将交流电输送到配电柜，从而为用户提供电能。鉴于光伏电能技术的工作原理，电气设备应该安装在光照充足的位置，以保证设备能够充分吸收光照；科学地计算设备安装角度，保证设备光照均匀，设备周围没有障碍物遮蔽阳光。在设备投入使用后，应定期检修和维护，及时处理故障，避免设备损坏。

6 结论

新时期下，人们的节能环保意识越来越强，建筑电气系统的节能减排设计既是大势所趋，也是基本要求。作为建筑设计人员，应该严格遵循电气系统设计原则，从供电系统、照明电路、空调系统等各方面做好节能设计。与此同时，结合建筑所在地区的气候、光照特点合理选择光伏新能源设备，提高对太阳能资源的利用率，节约建筑对电力能源的消耗，充分发挥科学技术的优势，维持我国建筑行业的可持续发展。