建筑电气设计在绿色建筑中的应用研究

许保平

（安庆市第一建筑设计研究院有限公司，安徽 安庆 246000）

0 引言

随着建筑行业的发展，政府相关人员越来越重视建筑的节能问题。在这种形势下，绿色建筑成为建筑行业中新的标准，电气设计是建筑中的重要组成部分，也是后续在使用中耗能最大的部分，所以在绿色建筑中对电气设计进行深入研究，从安全持久、安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居的方面，最大程度上减少对能源的消耗和降低碳排放量。通常绿色建筑电气设计涉及照明、供电、清洁能源的利用和智能化系统等方面。

1 绿色建筑技术概述

绿色建筑是当前时代发展的特殊产物，在建筑学的角度来看，绿色建筑是一个较为广泛的概念，并不是字面意义上的绿色植物，指的是尽可能提升对自然资源的利用率，并且建筑物对周围的环境无害并且尊重生态平衡的一种建筑技术，又被人们叫做可持续发展建筑或者是节能建筑、环保建筑。该种建筑技术从建筑构件的设计，再到相关构件的生产，施工过程中的管理，都以消耗最少的自然资源为原则，并且在施工的过程中不会产生较多的建筑垃圾。绿色建筑技术有着消耗自然资源少、使用寿命长、对环境无污染的特征。另一方面，绿色建筑技术就是把目前建筑行业中的高科技技术都集合起来，进行充分使用，尽可能降低对自然资源的消耗，把对建造过程中对周围环境产生的影响降到最低。该项技术中有一项较为显著的特点，是在建造的过程中施工材料会根据就近原则选用，基本上使用的都是项目所在地建材市场中的材料，这便减少了运输方面的成本，减少了对石油资源的消耗。

2 绿色建筑设计要素

虽然我国当前各方面的能源储备都较为丰富，但随着经济的发展，科技的进步，对自然能源的消耗速度是极为快速的，所以绿色建筑设计应当围绕以下几个要素进行设计。

2.1 和谐要素

任何建筑工程的最终目的都是为了提升人们的生活质量或者给人们提供便利，所以在绿色建筑的设计过程就要注意和谐要素，注意人与自然之间的和谐相处，人与建筑物之间的和谐相处，建筑物与自然环境之间的和谐相处。在实际的设计中，要把更多的自然环境要素和建筑相结合，尽可能的在建造的过程中保护好自然环境，在设计方面把人们的舒适、便利、健康作为设计原则，这才是未来建筑行业的发展趋势。

2.2 节约要素

在绿色建筑设计当中，最为重要的设计要素就是节约。节约的含义有两层，一是节约自然能源，二是节约土地资源。在改革开放以来，我国建筑行业迅速发展，一座又一座高楼大厦拔地而起，但不论在哪个城市中，土地资源都是有限的，随着建筑物越建越多，各个城市中可以供人们使用的土地面积越来越少，为解决该项问题，绿色建筑技术和绿色建筑理念应运而生，在此种条件下绿色建筑的设计人员要尽可能提高建筑的空间利用率，在满足人们使用需求的情况之下，尽可能减少土地面积的占用，实现用最少的空间满足人们最多的需求。所以，为了少占用城市中的土地资源，高层建筑就出现了，并且在高层建筑中通常还会建造储水池，实现了对自然资源的重复利用，充分体现了节约资源的设计要素，除此之外，在一些高层建筑中，也安装了小型的风力发电机和光伏太阳能板，用来把自然中的风能和光能转化为电能，进一步减少了对能源的消耗。

2.3 舒适要素

通常情况下建筑的舒适程度和其所消耗的自然能源数量是呈正相关的，消耗的自然资源越多，建筑物的舒适度也就越高。但绿色建筑的理念是减少对自然资源的消耗，这就要求设计人员要在保障人们舒适程度的基础上尽可能减少对施工材料的消耗，降低对自然环境的影响。比如，在传统的建筑物中想做到良好的隔音隔温效果就需要使用大量的混凝土来加厚墙体，而在绿色建筑中此种施工方法明显是不可取的，设计人员可以甄选现代中符合条件的高科技材料，这样就减少了在建造过程中对混凝土的消耗，既满足了人们的需求，还减少了建筑物本身的自重，不仅增加了建筑物的稳定性和抗震性。还达到了节约能源的目的。

3 绿色建筑中电气设计原则

在对绿色建筑中建筑电气进行设计的过程中，设计人员要把社会、经济、项目环境等多方面的因素综合考量，在设计方案中要合理利用自然资源，减少能源的消耗，在节约能源的基础之上保证建筑物内部的空间构造合理。通过合理的系统设计、设备选型、控制与管理，减少能源和资源消耗，提高资源利用率。设计人员可以遵循3 个方面的设计原则[1]。

（1）实用原则。建造建筑物的最终目的就是给人们的生活提供便利，满足人们的生活需求，所以在设计建筑电气的过程中也要遵循着实用的原则，设计方案尽量简约实用，使用符合国家能效标准的电气产品与节能电气产品。

（2）经济原则。在对绿色建筑的建筑电气进行设计的过程中也要遵循着经济原则，本身绿色建筑的建造成本就较高，如果在建筑电气的设计中仍旧为了节约能源去做一些高投入的设计方案，很容易导致项目整体超出预算。

（3）可持续发展原则。在电气的设计中要遵循着可持续发展原则，尤其是绿色建筑中的电气设计。设计人员不能为了达到绿色建筑的标准和规范，盲目的对电气设计方案进行精简，要在保障满足人们需求、绿色建筑的整体工程质量的情况下，尽可能减少能源的消耗增加资源的利用率[2]。

4 绿色建筑中建筑电气设计的应用

4.1 供电系统的应用

在绿色建筑的理念之下，供电系统的设计要尽可能简单的同时还要安全、可靠。同一用户内，高压变配电的级数不得超过二级，低压级数不超三级。各级数保护电器之间应具有选择性，避免接地故障时，越级跳闸，扩大停电范围。

根据项目用电负荷的容量及分布情况，合理的配置变电站的位置，尽量靠近项目中的负荷中心，缩短低压供电半径，并且根据实际情况合理分配的供电网络，并从电压损失情况、热稳定性以及短路保护三方面进行综合考量，以经济性为导向原则，尽量按经济电流密度选择长寿命周期电缆例如配电干线电缆，计划好电缆的铺设线路，节约电缆用量，将低电能损耗，减少电压损失，满足供电质量要求。如项目中多个负荷中心时，进行技术经济比较，合理配置变电所的数量。

负荷中心按下式计算：

（Xb，Yb，Zb）=i=0i=n（xi，yi，zi）×EACii=0i-nEACi[3]。

式中：（Xb，Yb，Zb）——负荷中心坐标；（Xi，Yi，Zi）——各用电设备的坐标；EACi——各用电设备的计算负荷。

在供电系统中，变压器等主要耗能设备中占比大3%左右，故变压器本身节能问题在设计中应引起关注。根据负荷大小及使用情况科学合理分配至适合的变压器，达到变压器的长期工作负载率在控制75%左右。不但保证了该设备可以适应供电系统中的电负荷波动，还能在一定程度上延长变压器的使用寿命。在干式变压器设备方面，选择低损耗、低噪音的节能型，能效限值应满足《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》（GB 20052—2013）中规定，且能效等级为2 级及以上的变压器，在经济情况允许下优先采用S11 及以上系列或非晶合金铁心型低损耗变压器。电梯及自动扶梯是建筑中广泛采用的设备，根据建筑物的性质、楼层、服务对象和功能要求，进行电梯客流分析，合理确定电梯控制和管理方案，提高运行效率，如采用变频措施及两台及以上电梯采用群控措施等，以达到减少有功损耗的目的。

另一方面，配电系统根据负荷情况及类型采用合理提高自然功率及谐波治理措施，如空调等容量较大的季节型负荷采用专用变压器供电；在负载侧集中设置无功补偿装置，在大功率低功率因数的用电设备就地设置无功补偿装置；对于单相负荷较多的配电系统，单相负荷尽量均匀分配在三相系统中，无功补偿部分采用分相无功补偿装置；有大量调光设备等产生谐波的电气设备处就地设置谐波抑制装置；配电变压器选用[D，Yn11]结线组别的变压器；上述措施均很好降低配电系统的无功损耗，减少传输过程中电能损耗。

4.2 照明系统设计

在建筑中，照明使用的频率最高，在建筑运营过程中照明耗能占具较大的部分，故合理设计照明系统，是节能减排节约能源降低建筑运营成本的关键之一。

照明设计应根据照明部位的自然环境条件，结合自然采光与人工照明的灯光布置形式和光源，合理选择照明控制模式，达到合理工作、学习所需的照度要求。

在建筑中，如果白天的采光效果好也开灯照明，这无疑是对电能的一种不必要消耗。所以，在绿色建筑中为了减少此种情况的发生；同时根据建筑物自身的特点，通过经济技术比较，合理增加导光设备使用，尽可能在白天的时候增加自然光利用率。

灯具的布置应和外窗平行，根据灯具布置合理划分控制分区，经济条件允许下预先选择智能照明控制系统，在自然采光的区域，设置随室外自然光的变化自动控制或调节人工照明照度的装置。在办公室等照度要求高场所，采用一般照明和局部照明相结合的混合照明；公共区域照明采用分区、定时、感应等节能控制；这些措施都能最大程度减少了电能的消耗。在光源的选择上，设计人员要秉承着节能的理念选择LED 光源，该种光源的原理是利用灯具中间的二极管把电能转化为光能，因为二极管的电阻较小，所以在通电的过程中不会产生过多的电热能，这就减少了电能的损耗，提升了电能转化的效率，对电能的利用率高。

4.3 清洁能源的利用

在自然界中风能和光能无处不在，此种能源清洁且无污染。风力发电相关设备体积较大，对场地要求较高，并产生噪声，影响建筑立面效果，并不适合在一些房屋建筑类项目中使用，但是光伏发电的发电装置的体积较小，适合使用在所有项目中，所以利用光伏板吸收太阳能发电的技术在绿色建筑中是经常使用的技术。该项技术应用的区域大部分为室外，就拿某地区的房屋建筑项目为例，该地区的年太阳辐照量为1768～1896kWh/m2，所以在该项目中应用太阳能光伏发电技术对于节约能源来说有着极强的现实意义，不仅可以对其他项目起到带头的作用，还能减少对能源的消耗，增加业主的经济效益。

该项目在路边使用的是太阳能路灯，光源采用的是LED 灯。在蓄电方面使用的是路灯专用的控制器、镇流器和一体化蓄电池组。只要在白天光照满足10h 左右就可以在蓄电池组中储存路灯3d 的光照用电量。

该项目在草坪灯的顶部设置了太阳能电池，这样在白天接受光照后就可以直接把电能储存在电池中，由于草坪灯的功率较小，耗电量不大，所以在施工的过程中不需要布线，也不需要设置额外的蓄电池组，难度较小。在夜间缺少光照的条件下，自动控制装置会自动启动，把太阳能电池和草坪灯的电路相连接，将其点亮，通常白天10h 的光照可以支撑夜晚8h 左右的照明。

该项目在庭院灯的顶部设置了太阳能芯片，并在庭院灯的内部设置了免维护并可以反复充电的蓄电池组，在白天的时候，太阳能芯片就可以把光能转化为电能储存到内部的蓄电池组中，在夜晚再使用专用的控制器开启庭院灯的光源，由于庭院灯的特殊性，该项目把控制器的开启方式设计为手动，只有在人们需要的时候手动开启才能启动庭院灯。该设备每次自动充电完成可以连续工作10h 以上。

随着建筑物太阳能光伏发电大力推广，如何提高建筑终端电气化水平，探索出一条建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电为一体的“光储直柔”建筑之路是今后待解决的问题。

5 结语

综上所述，绿色建筑中建筑电气的设计会极大程度上推进城市的建设水平进步。就目前的情况来看，绿色环保已经成为时代发展的主题，在设计人员对建筑电气进行设计的过程中，要时刻秉承着节能环保的理念，在设计过程中融合国家制定的标准，并结合国家的相关节能环保政策，使用科学合理的设计方法来设计节能环保的绿色建筑，从而为我国的环保事业做出贡献，给我国的经济可持续发展战略做出贡献，绿色的建筑电气设计体现了以人为本的设计理念，人们坚信，推进节能环保的发展就是推进社会的进步。