建筑电气系统和照明系统的节能设计研究

陈 辰

北京城建设计发展集团股份有限公司南宁分公司，广西 南宁 530025

0 引言

建筑行业在近几年取得了飞速发展，建筑工程中的电气系统和照明系统对提升建筑品质、改善建筑使用环境起到重要作用。但是，电气系统和照明系统在建筑使用阶段会造成了巨大的能源消耗。当下，我国的能源背景并不乐观，各行各业开展了节能探索，建筑行业作为高能耗行业，需要在节能领域贡献自己的力量。电气系统和照明系统消耗的能源占建筑使用阶段总能源消耗的80%以上，需要以电气系统和照明系统的节能设计为出发点，研究建筑工程的节能设计。

1 建筑节能设计的原则

在开展建筑节能设计时，需遵循以下原则[1]。

（1）满足既有设计需求。应用建筑节能的理念进行建筑节能设计时，需满足既有设计需求。若因建筑节能导致既有需求受损，是本末倒置，不利于相关工作的开展。

（2）保证建筑使用体验和住户生活质量。为了保证建筑的使用体验和住户的生活质量，需要使用能源。进行建筑节能设计时，也需保障建筑的使用体验与生活质量不受损。

（3）保证节能设计的全面性。建筑节能设计并不是简单地确保使用阶段节能，而需考虑建筑使用全过程的能源使用情况，需确保节能设计具有全面性。如果某种节能措施能够在使用阶段大大降低能耗，但其生产和安装环节的能源使用远远超过正常范围，则不可使用[2]。

2 建筑电气系统的节能设计

2.1 电气系统的整体设计

电气系统的整体设计对于后续的施工环节及使用环节的节能效果有着决定性的作用，若有电气节能的相关需求，需在设计阶段就开始应用相关理念开展电气系统的整体设计工作。电气系统主要由供电设备、供电线路和用电器组成。用电器作为主要的能源消耗端，需要规避其不合理的电气能源使用。在设计时，需要明确建筑的哪些部分对电气系统有需求，对于无相关需求的部分，可省略电气系统的设计；需要考虑线损对电气系统能源消耗的影响，尽量使用优质导线，同时在满足使用需求的前提下减少导线长度[3]。

也可通过风力发电、太阳能发电等形式减少对电网电能的依赖，实现节能的目的。对于建筑中的非关键工程，如户外照明、装饰性照明等工程，可采用新能源发电等作为能量来源；或直接在电网设计过程中应用具有发电功能的设备或材料，节约建筑整体的能源消耗。

2.2 电气设备的选用

建筑电气系统的主要部分是各种各样的设备，可以用来实现多种建筑的功能需求，提升建筑品质。电气系统的基础保障设备主要有变压器、输电线和用电器，用电器的种类会随着建筑具体需求的不同出现差异性。在建筑需求不断丰富的今天，建筑中的电气设备种类越来越多，所涉及的技术要点和节能指标也逐渐丰富。

合理的电气设备选择能够在达成同等目标的基础上，实现能源的节约。对于同种需求，有多个品牌规格和型号的设备可供选用，而各种设备的能源转化率不同。在选择建筑电气设备时，可针对其能源转化率和能耗情况合理选用。以我国民用建筑的一般家用电器设备为例，大部分用电器均需经过中国能效标识的相关认证。在设计过程中，可优先应用低能耗的设备，以此实现电气设备的节能目标。

2.3 使用端节能设计

对于一般建筑，建筑电气能耗大部分用于满足建筑的使用需求或提升建筑的使用体验，在使用端进行电气节能设计也具有重要价值。随着人们对建筑品质要求的提高，建筑电气的能耗直线上升；不健康的电气应用行为，也可能导致不必要的能源浪费。例如，暖通设备需要电气系统提供动力保障，暖通设备的能耗在建筑总能耗中占比极大。若用户能够养成良好的使用习惯，做到随用随开、随走随关，或降低自身对室内环境的要求，能够减少暖通设备电气能耗。在设计阶段需要进行使用端节能设计，如采用智能开关、智能化管理技术、新型智能设备等，避免使用过程中不必要的能源消耗。

2.4 控制设计、施工过程的能源使用

电气工程几乎贯穿于建筑施工的全流程。在主体施工阶段开始时，需要预埋地下电网，以及预留部分穿墙管道的孔洞，以便主体施工完成之后进行管线工程的施工工作；在建筑的装饰装修环节，可能涉及部分电气设备的安装。由于电气工程的特殊性，在施工过程中可能出现不必要的能源损耗问题。控制电气工程施工过程的能源使用，可在电气工程施工的角度上实现建筑节能。

电气工程的设计、施工工作需要根据工程项目的实际进度开展，通过合理的进度统筹与施工组织设计，能够减少反复施工的情况。在设计阶段，设计人员要控制工程质量，避免频繁返工和拆除重建的情况，以实现能源节约；在施工阶段，施工人员需要控制水、电的浪费情况，减少不必要的能源使用；在施工完成的测试阶段，可通过科学设置抽查检验批次，避免安装之后的高强度测试，进而避免工程施工过程中的能源消耗提高，以及设备使用寿命受到一定影响。

3 建筑照明系统的节能设计

3.1 照明系统的整体设计

为了实现照明系统的节能效果，可在设计过程中应用节能相关理念明确设计方案，这对于后续的施工及使用阶段有着决定性意义。通过设计方案的合理把控，可实现建筑照明系统的节能目标[4]。照明系统的作用是为建筑室内环境补充光照，其本质是为使用者提供服务。对于建筑中不会关联使用者也不需光照的部分，无须设置照明灯具，以此避免不必要的能源浪费，也能减少导线产生的电能损耗。基于建筑使用者的需求，建筑室内流明值控制在2 000～3 500 lm即可，亮度过高会造成能源的大量使用，也会使使用者感到不适。

照明系统的设计还涉及材料及设备的选择，除材料及设备的直接节能效果，设计人员也需考虑材料、设备在生产、运输、施工安装过程中的能源消耗情况，以便综合把控建筑节能效果。照明系统在一般民用建筑中的覆盖面积极广，其产生的能源消耗占比较大，设计过程中需考虑照明系统全过程的能源消耗问题[5]。

随着建筑新品质要求的提出，照明系统除了需要具备基础的照明功能，还起到装饰和提升室内品质的作用。这也需要设计人员在设计过程中进行综合考虑，在明确建筑节能的基本原则的同时平衡建筑节能与使用品质之间的关系。在进行整体设计时，可通过使用节能型灯具、合理设计开关方式及供电模式等形式，在不损害建筑装饰需求的前提下实现照明节能。

3.2 照明灯具控制节能设计

照明灯具的主要功能是提供夜间光照，以满足建筑内部正常的使用需求。可通过照明灯具控制优化来实现照明节能，如实施人走灯灭的控制模式，根据光照环境对灯具实施分片区管理等[6]。当前，建筑面积逐渐加大，公共面积的比例也在上升，在公共建筑中的照明系统极少采用人工管理，需要在设计阶段就开始进行照明灯具的设计优化。

可应用声控、红外感应、光控等形式控制公共场所的照明灯具，一般住宅类建筑的夜间照明补充光源也可采用此种控制方式。也可以使用基于远程通信和智能化控制技术的照明灯具，在不同的使用场景和使用需求下实现对照明灯具的控制。通过一系列措施在建筑使用阶段减少不必要的照明能源消耗，实现节能目标。

3.3 应用高效节能灯具

灯具是一种将电能转化为光能的装置，但灯具的能源转化率不高。以传统白炽灯为例，其能源转化率不足30%，而其余能源以热能和内部损耗的形式被消耗。在此背景下，需要应用高效节能灯具。一般而言，高效节能灯具主要采取LED光源，这种光源又被称为冷光源，在其工作过程中极少有热量产生，同时内部电阻消耗较少。因其发光原理和普通白炽灯有显著区别，其能源转化率约提高50%，大面积应用高效节能灯具能够大大提高建筑照明系统的节能效果。

随着经济水平的提高，人们对于高品质建筑的追求逐步增加，灯具除了需要具有基础的照明功能，还起到装饰作用，而灯具应用数量的增加，也使建筑照明的能源消耗大大增加。高效节能灯具的应用能够解决建筑灯具装饰和照明节能之间的矛盾。一方面，新型LED光源可通过添加不同荧光粉的形式实现不同颜色的光照；另一方面，LED光源的整体功耗为传统灯具的10%左右，即使大面积应用也不会造成建筑能耗的显著提升。高效节能灯具对于现代建筑的节能设计有重要意义，能够在不损害建筑使用需求和使用体验的基础上实现节能效果。

3.4 降低照明线路电能损耗

相比于其他电气工程系统，建筑中的照明系统具有分散性较强的特点，并且照明线路无法进行优化规划。在建筑的使用空间内，必须保证每个使用空间均有照明设备，这也导致了部分节能措施的失效。在此背景下，通过技术手段与专项设计，降低因照明所产生的线路电能损失也是进行建筑节能的一个切入点。

导线的长度越长，所产生的电路损耗越大。在照明设备的整体规划中，需要保障所有建筑空间的照明覆盖，以及照明灯具的规划位置合理。因此，需要在规划过程中加强线路规划，减少整体的导线长度，可通过多次串联和调节技术实现照明电路网络的覆盖，同时减少导线总长度；也可根据建筑的整体形状及照明需求采取多种线路规划形式，避免出现回头路、导线绕弯、频繁交叉等非必要增加长度的情况出现。对于导线的选择，需要明确导线横截面越大，电路损耗越少，但导线横截面积的增大会提升工程成本，可在工程成本和节能需求之间，根据实际情况进行选择；导线的材质一般以低电阻的铜制导线为主。

在灯具的导线规划、开关安装、灯具串并联的过程中，必须考虑因故障所导致的电能损耗。在设计过程中要保证一个开关控制一个灯具，避免灯具绕过开关直接串联，这样可能导致个别灯具在对应开关闭合阶段也有微弱电流通过，从而造成不必要的能源浪费；还会表现为灯具闪烁和暗光的情况，影响室内使用体验，对灯具寿命也产生不利影响。

3.5 应用创新型节能照明技术和产品

在进行照明节能优化时，所利用的高效节能灯具在本质上未改变建筑照明的能源消耗类型。随着针对自然采光弥补室内照明的研究的发展，已经出现较成熟的技术及产品。可在建筑设计阶段控制建筑和窗户朝向，利用外部光线补充室内照明，从而减少对照明设备的依赖。为了避免自然采光对室内热环境造成的影响，也可采用新型高反玻璃，在不影响采光的前提下反射部分热量，从而利用自然光补充室内照明，以此达到节能的目的。此外，还可通过采光井和光纤引导自然光的光路，为不具直接采光条件的室内空间补充光照，采光井和光纤在安装施工完成之后，不需要消耗额外的能源，可以节约照明消耗的能源。

近年来，对于新型节能设备的探索从未停止，从传统白炽灯到当前广泛应用的LED灯具，均能体现建筑照明节能的内涵。当前，行业内正在推广应用高能效发光二极管LED，其可采用电压低于36 V的直流电作为能源，照明效果比相同功率LED灯具更优，通过储电设备还能够确保特殊阶段照明的供应稳定，对于建筑能源节约和提高使用品质有着重要意义。创新型节能照明技术和产品的发展不仅能够促进照明节能的发展，也能够提升建筑的安全性及建筑品质。

4 结束语

节能型建筑是建筑行业的未来发展趋势，电气系统与照明系统是建筑中能源应用比较多的部分。电气系统与照明系统的节能设计可从建筑设计、设备选择、使用阶段节能、创新技术应用等几个方向来实现。通过全方位、多角度的建筑节能设计，能够降低建筑的整体能源利用量，也有助于可持续发展战略的实现。