绿色“双碳”背景下电气设计理念的一些思考

邵 頲

(上海华建工程建设咨询有限公司，上海 200041)

0 引言

党的十九大报告提出了建设美丽中国、进一步推进落实绿色发展理念的战略方针。 国家各部委相继推出了一系列政策文件，实质性地推动了绿色行动方案的实施，深得社会各界的广泛共识。 “创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，以及贯彻“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针，使得建筑行业从业人员有了新的努力方向。 特别是新版《绿色建筑评价标准》的实施以及“双碳”目标的提出，绿色理念有了较大的更新提升，评价向运行实效方向发展，更突出了对绿色生活品质的追求。 电气设计也面临着设计理念的更新转变，客观上提出了更新、更高的要求，电气设计的作用也将得到更好的发挥。

1 绿色双碳的政策背景

习近平总书记在第七十五届联合国大会上的庄严承诺，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，2060 年前实现碳中和。 李克强总理在政府工作报告中提出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，并制定2030 年前碳排放达峰行动方案。 上海市政府“十三五”期间在新建建筑全面实施绿色建筑标准建设前提下，强化新一轮绿色建筑发展要求，在“十四五”期间持续推动建筑项目由绿色设计向绿色运行转变，持续推进建筑节能减排。

上海市政府提出，坚持绿色建筑高质量发展，新建民用建筑应当全部按照绿色建筑标准建设。其中，国家机关办公建筑、大型公共建筑以及其他5 000m2以上政府投资项目应当按照绿色建筑二星级及以上标准建设。 超高层建筑和五大新城内新建大型公共建筑执行三星级绿色建筑标准。 完善绿色建筑全过程监管体系，将绿色建筑专项内容纳入新建民用建筑验收范围，研究探索绿色建筑交付使用机制。 从推进建筑领域碳达峰行动、建立建筑设计用能限额体系、推广应用超低能耗建筑、推动可再生能源建筑规模化发展、推广应用绿色高效新技术产品等方面，切实推动新建建筑实效节能。

上海市绿色建筑协会批准了团体标准《民用建筑电气绿色设计与应用规范》的编制工作立项，目前已通过报批稿审查阶段，即将发布实施，有力地推动了电气设计在绿色建筑和绿色设计领域的发展。

2 电气设计所起的作用和意义

建筑项目类似于人体，其绿色健康的运行依赖于“人体”内各系统的协调工作。 电气系统作为建筑项目运行的“神经系统”，起到了一个非常重要的枢纽桥梁作用，因此电气设计扮演着不可替代的重要角色。 从新版绿色建筑标准的评价体系内容来看，有关电气专业的绿色技术要求，也在不断增加和提高。 特别在注重实际运行效果等考核指标的运行评价中，电气专业的作用显得越来越重要。

绿色双碳背景下的建筑工程设计，应属绿色设计概念。 最新的上海市工程建设规范《公共建筑绿色设计标准》DGJ 08-2143—2021 就“公共建筑绿色设计”提出术语定义，即“在公共建筑设计中采用可持续发展的技术措施，在满足公共建筑结构安全和使用功能的基础上，实现建筑全寿命周期内的资源节约和环境保护，为人们提供健康、适用和高效的使用空间”。 因此，从属于建筑设计组成部分的电气专业设计，也应倡导该专业领域的绿色设计，亦即电气绿色设计。

在即将发布的、笔者负责起草制订的上海市绿色建筑协会团体标准《民用建筑电气绿色设计与应用规范》中，“电气绿色设计”是这样定义的，即“建筑全寿命期内，在满足建筑总体规划要求下， 电气工程在设计中，最大限度地节约能源及材料、降耗增效、可循环利用、保护环境和减少污染，为人们创造一个安全、健康、舒适、便利、耐久和高效的使用空间提供系统保证”。

电气绿色设计的范围较广，其不仅涉及绿色建筑中的电气设计，更系统性地从专业本身，探讨怎样围绕绿色和绿色建筑理念，更好地从建筑全寿命期角度，做好电气专业设计。 其不仅只满足于绿色建筑的星级评价(评价标准只是一种评价系统类的标准而非设计标准)中的电气设计，更广泛地渗透在各类民用建筑电气专业设计的过程中，更全面地从绿色理念出发，进一步思考和提出绿色设计的要求。

3 电气绿色设计关键要点思路

得益于改革开放的国家战略，新世纪以来，房地产业发展飞快，各类民用建筑的建造规模和速度都在增长和加快。 而随着建设周期越来越短，项目设计时间也越来越紧，甚至到了完全按经验、按套路设计的“怪圈”，设计工作纯粹压缩成了工厂流水线上标准化产品的流程，脱离了建筑项目个性化特点的需求特征。 设计师们完全成了设计“机器”，对项目的需求理解没有更多的时间思考，只能停留在表面，设计出来的作品雷同性多，顶多算个标品，更谈不上精品，不能不说是一种遗憾。 电气设计也是如此。

电气专业更注重系统性的方案设计，系统方案可靠、合理、经济，设计优劣也就十有八九明确了。现今绿色双碳的时代背景下，电气设计更应该往绿色设计方向发展。 笔者基于在绿色设计方面的多年研究及经验，认为电气绿色设计可从如下几方面重点关注。

(1)注重系统定量化计算比选，让电气方案有“据”可依

以前常规的建筑电气设计计算，主要有:电力负荷计算、系统短路电流计算、线路电压损失计算、防雷计算等，供配电系统的二次保护设计中，还有线路保护的整定计算等等。 这些计算结果，构成了电气系统安全可靠的前提。 但这些计算，未能较多涉及系统设计中节能损耗方面的分析。 电气系统运行中，线路传输上的能耗控制、变电所深入负荷中心的能效测算以及电能质量方面谐波含量控制等，对节能减排的效果意义重大，必须引起设计师们足够的重视。

譬如，建筑设计中变电所的选址，在以往的规范及设计手册中，只给出深入负荷中心的基本原则，并没有理论性的计算依据作为评判标准，完全靠设计经验定性确定平面位置。 现在最新的《民用建筑电气设计标准》GB 51348—2019 中提出了“负荷中心法”的概念，上海市绿建协会团体标准《民用建筑电气绿色设计与应用规范》也同步提出了“负荷重心法”和“最小能量矩法”的概念，作为设计师在选址上做到低碳节能降耗的理论依据。 负荷重心法是参照 IEC 标准” Low-voltage electrical installations Part 8 - 1 Functional aspects-Energy efficiency” IEC 60364-8-1 的要求提出的，“最小能量矩法”是由中元国际主编的《建筑电气系统能效评价标准》中提出的。 从系统运行中控制传输能耗最小角度、最优化取值来确定作为能源中心的变电所位置，不啻为电气设计精准化的一个进步。 当然，民用建筑有其自身的功能特点和使用场所要求，建筑平面的布局需要综合考虑其应用价值，公式中确定的位置未必是最合适的场所(可能为建筑主体功能所占据)。 但通过计算，可以多方案比较，选择最为靠近理论计算点位置，寻求最佳的低碳供电设计方案。

(2)低碳低耗、健康舒适及安全可靠、经济适用的设计思路

低碳和节能，目标导向不同，也可以说是同一目标的两个方面。 碳排放的概念比较广泛，在建筑行业，包括生产制造、建造和拆除、建筑运行、回收利用等各个阶段。 碳排放计算较为复杂，但对于电气设计而言，减碳的核心是在满足建筑功能使用前提下，充分降低机电设备的用能，减少系统损耗，提高运行效率。 电气设备各系统中，变压器控制在经济运行范围区段，避免低载运行；提高线路功率因数，降低无功损耗；控制好谐波干扰，降低谐波损耗；控制配电线路敷设距离，进一步降低传输损耗等措施，均能减少电气系统运行中的碳排放量，同时节省大量电费。

机电设备是为建筑功能使用服务的，因此，在安全可靠、健康舒适的建筑使用环境中，本着低碳低耗、经济适用的设计思路，每个项目的建设把方案落到实处，运行时就能充分享受到绿色低碳带来的显著效益。

(3)节能设计电气参数指标的确定和提高

随着电气设备行业的技术进步和产品更新，电气工程建设规范和产品的国家标准也在不断地修订更新，一些节能设计的参数指标在不断提高。 如国标《民用建筑电气设计标准》GB 51348—2019、《建筑节能与可再生能源利用通用规范》 GB 55015—2020、《电力变压器能效限定值及能效等级》GB 20052—2020、《电动机能效限定值及能效等级》GB 18613—2020 等，都提出了新的电气节能指标要求。

新版《建筑照明设计标准》GB 50034 已经修订完成，计划今年发布实施，其对照明灯具及照明质量、照明功率密度值有了新的LPD 值要求。 上海市绿建团标《民用建筑电气绿色设计与应用规范》在其目标值基础上提出了新的推荐值要求，在满足照明质量的同时，结合照明灯具的技术成熟发展现状，节能指标进一步提高，从而带动照明用电能耗的进一步减少。 据测算，采用该团标中LPD 推荐值指标进行设计，在现有照明功率密度限值的标准上提升10%～20%，相当于将照明能耗整体进一步减少10%～20%。 按正常的照明设备负荷容量占比，如常规建筑中一台1 000 kVA 变压器正常运行下，普通办公楼一年时间运行节省的电费就在1.58 万元～3.16 万元，节省费用还是比较可观的。

(4)积极采用绿色新技术产品，提升电气设计技术，助推绿色低碳新发展

互联网时代，新的技术层出不穷，电气专业也不例外。 智能配电、光伏发电、分布式微电网、储能技术、直流配电技术等，在市场需求中不断通过研发，新技术成熟地应用于一些示范性项目并推向市场。 这些新技术的应用，极大地便利了人们的工作、学习和生活，也为绿色节能、低碳可持续等的发展奠定了基础。

双碳政策以来，各地都发布了一些实施文件，大力推广太阳能光伏等可再生能源的应用。 由于光伏技术的发展，光伏材料价格持续走低，为市场应用提供了良好的基础条件。 结合储能技术，从供应侧能源结构，逐步过渡到以需求侧响应为主的能源结构，未来“光、储、直、柔”技术的应用，将不再苦恼于发出电能是否能实时同步使用；用能电气化的推广，也可以更好地节约燃煤、燃油、燃气等，保证碳排放量的有效控制。 这些新技术的应用，不光减少了碳排放还增加了碳汇量，实现电力负荷峰谷时的平衡，降低用电峰谷差；可以更精准地选择和控制变压器装机容量，避免浪费，相应也减少了空载损耗的增加。

新的技术必然伴随着新的产品涌现，电气产品也从原先传统意义上的节能产品，提升到了绿色产品。 绿色设计产品的理念，来源于现行国家标准《生态设计产品评价通则》GB/T 3216—2015、《电子电气产品的环境意识设计》GB/T 23686—2018 等要求，以产品的绿色制造为最终体现，实现供给侧结构性改革，侧重产品全寿命期的绿色化。 产品绿色化，是综合分析产品从原材料选用、生产、销售、使用、回收、处理等全寿命期的各环节，对资源环境造成的影响，做到对能源资源消耗最低、生态环境影响最小、可再生率最大。 同时，要求生产企业的污染物排放状况、产品质量性能、节能降耗水平、生产工艺先进性等，达到国家及行业标准要求。 工信部已于2016年1 月21 日发布中国版RoHs 法令《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》，涵盖断路器、接触器等电工产品。 多功能模块化、易扩展维护、寿命长、宜回收等都是绿色产品发展的重要方向。

为贯彻落实绿色发展方针，国家工信部等有关部委在绿色机电产品的设计、制造、检验测试等方面，不断加强政策引导，开展绿色制造体系建设，组织相关行业协会等专业团体发布制定了一系列标准及文件规定，推动绿色设计产品评价工作。 除了最新颁布的国家标准《生态设计产品评价技术规范变压器》GB/T 40092—2021、《变压器产品生命周期评价方法》GB/T 40093—2021 外，绿色设计产品评价技术规范中，还有《家用及类似场所用过电流保护器》T/CEEIA 334—2018、《塑料外壳式断路器》T/CEEIA 335—2018 和《交流接触器》T/CEEIA 391等，清单范围每年还在不断扩充中。 电气设计选型中，应多关注具有绿色生态特征的产品，其代表着电气绿色技术发展的方向。

(5)全寿命周期设计考虑，设计施工运维一体化协调连贯

建筑工程设计是为建筑功能使用服务的。 绿色建筑的评价，从新版《绿色建筑评价标准》开始，已从设计评价为主，转向体现绿色效果的运行评价方面更具落地性。 电气设计系统的可靠合理，需要运行时各类电气指标参数的实际效果来评判。 因此电气绿色设计时，还需多关注施工及运维阶段的实施有效性，设计师不能局限于图面的设计成果，更需注重设计实效，完成从图纸设计师到项目工程师的转变，这才是体现设计师价值的正确途径。 全寿命周期理念，是绿色设计的基本要求，也是实现绿色低碳的必经之路。

4 结束语

新的时代背景下，建设美丽家园、追求美好生活，已成为全社会努力奋斗的愿景共识。 绿色建筑的发展进入了一个新的阶段，作为建筑行业的一个设计人员，有责任多一份思考，在设计实践中多一份努力，树立起正确的绿色设计理念:(1)全寿命周期的绿色理念；(2)低碳低耗、健康舒适及安全可靠、经济适用的设计理念；(3)设备产品生态、环保的绿色选型理念；(4)便利、高效的设备系统运行维护理念；(5)可回收、可持续的发展理念。 做到了这些，设计的成果才有生命力，也对得起自己对职业生涯的一份坚守。