高校建筑电气节能设计探讨

北京科技大学 覃 亮

十三五规划以来我国的绿色建筑取得较快发展，但在2021年我国政府提出“碳中和、碳达峰”的背景下节能减排形势依然严峻。随着我国绿色建筑评价体系的不断完善，建筑电气节能设计作为绿色建筑设计中重要组成部分，提高建筑电气节能设计质量可极大促进未来建筑投入运行使用后的节能降耗工作。高校拥有规模庞大和数量可观的教学、科研、试验、图书馆等建筑，这些建筑的用电能耗往往在整个校园总用电量中占相当大的比重。在高校践行绿色发展理念，建设低碳环保的资源节约型校园，以及完成上级部门布置的节能减排约束性指标的工作中，做好前期的建筑电气节能设计工作就显得尤其重要。

1 建筑电气节能设计的一般原则

要做好建筑节能设计工作，主要遵循三点原则：

满足建筑使用功能的原则。建筑电气节能设计必须符合未来建筑用户的实际使用需求，尽可能实现人、建筑与自然的和谐共生。比如照明设计要保证不降低视觉要求、不影响照明质量的前提下，满足不同照度、色温和显色指数要求，务求降低照明中光能的损失，从而更好地为广大师生创造安全、舒适和健康的使用环境。

满足投资效益的原则。从一定程度上来说，设计阶段决定了建设规模和建设标准，也就直接影响到整个工程项目的投资规模以及后期建筑使用成本。高校的工程建设项目属于国家投资，投资规模和运行成本受到严格管控，要从项目投资预算合理的角度出发，保持适度的投资规模，尤其是针对非必须增加的部分要避免投资，从而真正实现投资收益最大化，不能片面追求大而全。

节约运行用电成本的原则。简而言之就是在综合建筑全寿命周期的技术与经济条件下，合理采用新技术节能型电气设备，最大程度的降低建筑使用过程中的电能消耗，如采用节能型号的电力变压器、水泵、风机以及照明灯具等。

2 建筑电气节能设计的技术措施

2.1 确定建筑照明照度及照明功率密度

照度标准值是指照明设备进行维护时参考平面需维持的平均照度，国家规范要求表面上的平均照度不能低于规定的数值。照明功率密度即LPD，其限值是指限定某一建筑部位的照明功率密度最大允许值，实际设计的LPD值不得超过国家标准值，此规定是强制性条文，必须严格执行。

照明照度、功率密度标准值接影响整个建筑照明节能效果，因此各建筑内的房间或区域在满足照度标准值的前提下，照明功率密度值不应高于现行国家标准《建筑照明设计标准》GB50034规定的现行值。高等院校的情况可参考表1执行，其中教室照度标准值对应的参考平面为课桌面、黑板，实验室照度标准值对应的参考平面为实验桌面，美术教室照度标准值对应的参考平面为桌面，多媒体教室、宿舍照度标准值对应的参考平面为0.75m水平面。

表1 高校建筑照明功率密度限值表

2.2 照明控制系统设计

照明系统分区根据建筑内各部位的使用功能需求、不同季节、作息时间、自然采光等因素，通过合理的照明管理，用最经济的能耗来提供舒适的光照条件。其主要以节能控制模式为主，即以节约照明用电为目的，通过编写控制程序或设置控制模块来对照明设备的开关进行控制，通常采取区域远程控制、感应自动控制、场景控制、定时控制和联动控制等控制方式。

走廊照明控制，可按预先编制的程序开关进行控制并监视其开关的状态，如采光的走廊，白天可自动切断照明灯具电源，清晨、夜晚及上下班前后可接通其电源。办公室及教室的照明也可预先设置若干作息的工作状态，由时钟管理器根据预设时间自动在各个状态间进行切换。楼梯间照明控制则可采用声光控制。多功能会议厅宜采用环境照度控制模式，可预设多种灯光照明场景适应不同场合的照明需求，由使用人员自主选择，其照明控制可与试听设备联动，当播放投影时灯光可以自动变暗，播放结束时自动调回先前亮度，还可通过驱动电机自动拉伸窗帘充分利用日照补偿。

2.3 确定分项电能计量装置设置原则

只有通过对建筑物内各类用电设备系统的回路进行精准的计量和采集，才能为提升综合能效管理提供可靠的数据支撑。因此，照明、空调、动力及特殊用电等耗能系统都应设计计量装置进行计量，照明插座用电分为照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电等；空调用电分为冷热站用电、末端空调设备用电等；动力用电分为电梯用电、水泵用电、通风风机用电等。

此外，北京市的国家机关建筑及大型公建的分项计量应满足《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统楼宇分项计量设计安装技术导则》以及《公共机构办公建筑用电分类计量技术要求》DB11/T624等相关规定规定，以下用电回路需要设置分项电能计量表：电力变压器低压侧的出线回路；需要单独计量的外供电回路；特殊部位的供电回路；可再生能源发电回路；制冷机组主供电回路；单独供电的冷热源系统附泵回路；集中供电的分体空调回路；照明插座主回路；电梯回路。

采用的计量装置最好选用多用户集中式型号，利于后期统一管理和维护与检修。数据通讯方式宜采用RS485专线方式，利用局域网络，通过RS485网线实现基于TCP/IP协议的远程数据传输和各类能耗数据的远程管理，由上位机进行统一管理，购电可采用射频卡方式，利用刷卡终端与读写器实现预付费用用电控制功能。计量装置采集数据标准应符合《民用建筑能耗数据采集标准》JGJ/T154中的有关规定。节能计量管理系统则通过上述分项电能计量装置，可实时采集耗能数据，并具有在线监测和动态分析功能。

2.4 节能计量管理系统的功能配置

节能计量管理系统就是利用能耗计量、通讯装置以及分析管理软件，提出个性化的节能方案，实现节能降耗、提升能效。节能计量管理系统宜采用多用户管理模块架构，即通过电能计量装置对各个用户电能能耗点进行精准计量和专门节能用电管理应用。节能计量管理系统应具备以下基本功能：

2.4.1 数据采集与处理功能

计量模块采用“多线程高速交互动态监测”用户用电量与用电参数，根据嵌入软件自动处理，系统自动采集个用户信息，通过上位机软件系统进行处理；安全用电管理功能。监测瞬时接入设备综合参数，识别限制恶性负载，限制恶性负载设备接入；远程控制功能。管理部门可查询用电信息，可以设置剩余电量断电提示或设置透支额度，如电费少于设定值系统自动控制欠费用户的电源，提高回收电费效率。

2.4.2 双回路或三回路控制功能

控制照明回路，另一路控制大功率用电设备(如空调、饮水机、洗衣机等)回路，定时抄表和阶梯电价；防作弊功能。实现授权密码操作，设有运行日志，详细记录历史操作记录；记录预付费功能。实现自动收费或自主购电；系统运行日志、数据存储、备份以及打印等基本功能。节能计量管理系统能为节能管理部门实现科学用电管理，提供准确、可靠的电能计量数据和报表分析，完善电费结算和量化控制，安全监控和实施效果评价，实现管理提效，从而达到降低运行成本、节约电能及安全用电的目的。

2.5 电梯节能控制措施

电梯作为建筑物中使用频繁、持续时间长的大型特种设备，属于动力系统中电能消耗较大的机电设备，高等院校作为人员密集场所，保有数量较为可观的电梯，有统计数据显示，建筑物中电梯的电能消耗占到建筑总用耗电量得的25%[1]。因此采用新的电梯节能技术也是建筑电气节能的重要途径之一，它可以有效降低后期电梯运行成本，对于高校节约电能消耗产生良好的经济效益。

在电梯节能设计过程中，必须通过人流平衡计算以及考虑使用需求，确定电梯台数、载客量、速度等指标。宜采用变频调速拖动方式或能量再生回馈技术，可将原本通过能耗电阻消耗的再生绿色电能无污染回馈到电网。利用能量回馈技术，可将回收能量大致占电梯用电能耗比例为25%~35%。3台及以上电梯集中设置时应具备群控功能，可根据不同时段使用需求，智能化的提供派梯方案，极大减少用户候梯时间和乘梯时间，通过减少电梯无效运行，降低整个建筑物的电梯运行能耗。还应采用轿厢无人自动关灯技术、驱动器休眠技术等节能控制措施，提高电梯的节能效率。此外可以采用具有永磁同步电机驱动的无齿轮曳引机技术的电梯型号，与传统有齿轮曳引机相比，其节能比例最高可以达到20%[2]。

2.6 配电系统设计及合理选用节能型电气设备

配电系统应在满足安全性、可靠性、经济性和技术合理性的基础上，提高运行效率，根据负荷计算确定变压器容量与数量，同时避免变压器在低负荷状态下长期运行。在建设大型新校区时，确定总变配电室变压器容量指标，可按如下标准计算：普通高等院校（理工类）30~60W/m2，办公楼和教室安装空调的用电指标增加25~35W/m2。10kV及其以下电力电缆截面应当按照《电力工程电缆设计规范》GB50217的有关要求，并需要综合技术、经济电流计算方法进行设计，尤其时长期持续运行的负荷须采用经济电流选择电缆截面，可以降低使用电力成本。

配电系统还应满足工程对用电质量的要求，需要综合考虑电压偏移、电压波动、闪变、频率偏差、谐波等因素，高校中特别是理工科院校，一般都有金工实习厂房或者大型的试验设备，因此有必要配置滤波及补偿装置，要求补偿后的功率因数不小于0.95，对于谐波较大的单独设备或设备组，可就地加装交流滤波装置；低压配电系统宜选择放射式和树干式相结合配电方式；不同用电设备的低压配电出线的设计应合理，单相用电设备配置时需要达到三相符合平衡，还必须考虑线路的电压损失，一般情况下低压线路供电半径不应超过250米。

根据国家《节约能源法》的规定，要求政府机关、企事业单位使用节能设备。三相配电变压器的设计选型应满足《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》GB20052-2013的节能评价要求，空载损耗和负载损耗均不应高于能效等级2级，可以选择如D,yn11接线组别的SCB13、SCB15型变压器，投资规模可控的可以采用非晶合金铁芯型低损耗变压器；水泵、风机等低压交流电动机设备及其他电气装置满足《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》GB18613、《通风机能效限定值及能效等级》GB19761、《清水离心泵能效限定值及节能评价值》GB19762的节能评价值。

据统计数据显示，与传统照明光源相比，节能光源可以节电比例为35%。因此照明灯具宜选用节能型LED灯具，其具有光效高、能耗低、响应速度快、启辉时间短（纳秒级）、可调光、易于与计算机接口匹配；使用寿命长、可达到25000小时，远超传统光源的使用寿命；直流供电且电压低，使用过程中不易造成触电事故，安全性较高；无频闪效应，尤其有利于保护人的视力等优点[3]。在不对炫光、色温漂移有过高要求场所，应当普及安装LED节能灯具。

3 结语

本文根据作者在北京地区的高校基建建设经验，着重从照明照度及照明功率密度值的确定、照明控制系统设计、分项电能计量装置设置的确定原则、节能计量管理系统的配置、电梯节能控制措施、电力配电系统设计及合理选用节能型电气设备等六方面，分析阐述建筑电气节能设计的技术措施，可为高校基建建设、尤其是新校区建筑电气节能的顶层规划设计提供有益的借鉴。