建筑电气照明节能技术研究与应用

陈 童 何纪杨

（浙江省建科建筑设计院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

能源问题与环境问题息息相关，能源短缺是我国国民经济面临的重大问题，因此节能技术的研究在整个科学领域都占据十分重要的位置[1]。在建筑工程使用阶段，电气照明系统的能源消耗在整个建筑能耗中也占据了非常重的比例，降低建筑工程电气照明系统的能源消耗，提高能源的利用率是缓解能源短缺问题的首要任务，也是建筑业绿色低碳发展和能源可持续发展的必然要求[2]。该文结合实际工程，提出建筑电气照明系统的节能手段，并对比采取节能措施后的能源消耗量，为大量建筑工程电气照明节能设计提供参考。

1 工程概况

为了更好地进行高层建筑运营过程中电气照明系统的节能技术深入研究，该文将浙江省杭州市某智能小区高层建筑作为研究对象，4 栋高层建筑为小区二期新建工程居民住宅楼和商用办公楼，建筑面积约为43208.8m2，地上建筑23 层～32 层。高层居民住宅建筑规模以及对应的功能用途见表1。

表1 浙江省杭州市某智能小区高层建筑规模及功能

2 建筑电气照明节能技术研究

建筑电气照明系统主要采取3 个最主要的节能途径，分别是降低照明功率密度LPD、提高照明利用率和优化照明配电系统。

2.1 降低照明功率密度LPD

照明功率密度是表征建筑照明系统节能程度的唯一指标，它与灯具的效率、照度等因素相关，其计算方法如公式（1）所示[3-4]。

式中：LPD为照明功率密度；K1为灯具利用系数；K2为灯具减光系数；η1为灯具效率；η2为灯具和镇流器的平均光效。

降低照明功率密度的主要途径是选择优质光源、高效率的节能灯具以及节能型的镇流器等。在常用的民用建筑光源使用中，白炽灯发光效率为7lm/W～25lm/W，使用寿命为1000h～2000h；荧光灯的发光效率为60lm/W～100lm/W，使用寿命为8000h～15000h；紧凑型荧光灯的发光效率为40lm/W～85lm/W，使用寿命为5000h～10000h；LED 的发光效率为50lm/W～130lm/W，使用寿命为15000h～50000h。在20000h 内将亮度相当的白炽灯（25W）、紧凑型荧光灯（5W）和白光LED 灯（3W）进行对比，25W 白炽灯单个灯泡平均寿命1500h，耗电量约500kW·h；5W 紧凑型荧光灯单个灯泡平均寿命6000h，耗电量约110kW·h；3W 白光LED 灯单个灯泡平均寿命20000h，耗电量约60kW·h。对比可知，选择白光LED 灯具有较好的节能优势和较长的使用周期，因此在节能设计中优先选用。

现有的镇流器主要分为电感型镇流器和电子型镇流器。其中，电感型镇流器的工作频率为低频（50Hz），功率因数约0.5，适用于AC120V 电压或AC220V 电压，存在频闪和噪声，谐波含量小于10%，无保护装置。而电子型镇流器的工作频谱为高频，功率因数大于0.9，适用电压范围为AC120V～AC277V，无频闪和噪声，谐波含量小于30%，存在多项异常保护功能。对比电感型镇流器和电子型镇流器可知电子镇流器具有高效节能、舒适安全的优点，功耗较小，科比电感型电流器节能约20%～50%，工作中无频闪和噪声，能够提供安静的照明环境，因此在节能设计中优先选用电子型镇流器。

2.2 提高照明利用率

提高照明利用率主要通过减少有效照明时间并降低非有效照明时间的额定功率来实现。通过充分利用自然光资源来降低有效照明时间。一般而言，在建筑设计中，自然光资源的利用主要取决于采光窗，采光窗的布置形式分为天窗和侧墙窗，不同布置形式的采光量和采光的分布也有所不同。天窗采光可以取得较为均匀的光照，可以将自然光直接引入室内，但这种采光形式对低矮建筑和公共建筑比较适用，对多层建筑、高层建筑和超高层建筑而言则会受到限制。侧墙窗采光分为单侧采光和多侧采光，一般随着窗间距的增加，光照的照度也积极下降，在节能设计时可采取多侧开窗的形式，以达到利用自然光的目的。

2.3 优化照明配电系统

优化照明配电系统主要通过降低电力传输中产生的功率损耗来实现。有功功率的损耗计算方法如公式（2）所示[5]。

式中：P为线路的有功功率损耗，kW；I为输电网的电流，A；R为输电网导线电阻，Ω。

由此可知，降低输电网的电力和导线的电阻均可取得较好的有功功率损耗降低效果，可以通过合理布设配电线路、提高系统功率因数、限制系统谐波污染等方法进行操作。在输电网导向中，优先采取铜芯导线，机械轻度大且其电阻率为铝材的1/3，发热量更低。敷设导线时，优化安装路径，尽量走直线，以减少供电线路和线路损耗，条件允许时将电源设置在负荷中心。

3 建筑电气照明节能技术应用效果

为了评价建筑电气照明节能技术的应用效果，采用线路降损率、谐波电流值和建筑能耗3 个指标进行分析。其中线路降损率、补偿电容和谐波电流值的计算方法如公式（3）～公式（5）所示[6-8]。

式中：K为节能补偿后的线路降损率，%；φ1为补偿前功率因数；φ2为补偿后功率因数；C为补偿电容，μF；m为灯具镇流器功率，W；f为供电电源的工作频率，Hz；U为供电电源工作电压，V；I1为基波电流，A；I2为谐波电流值，A；θi为电流畸变率，%。

建筑电气照明节能前后补偿电容和线路降损率计算结果如表2 和图1 所示。从图1 可以看出，在采用节能技术前，建筑电气照明系统的补偿前功率因数变化为0.36～0.48，标准差为0.0368。采用节能技术后，建筑电气照明系统的补偿后功率因数变化为0.89～0.97，标准差为0.0271。计算得到的补充电容曲线呈现不同程度的波动，其变化范围为7.37～8.79，标准差为0.4731。采用节能补偿技术后，建筑电力照明系统的线路降损率有大幅度降低，降损率变化为75.97%～91.70%，标准差为4.746。由此表明，所确定的节能技术措施有效降低了电气照明系统的线路损耗率，提高了用电质量，保证了供电质量和节能效益。

表2 建筑电气照明节能后补偿电容及线路降损率计算结果

图1 建筑电气照明节能后补偿电容及线路降损率变化曲线

建筑电气照明节能前后电流畸变率和谐波电流值计算结果如表3 和图2 所示。从图2 可以看出，采用节能技术前，建筑电气照明系统的电流畸变率呈现剧烈的波动，其变化为20.84%～34.07%，标准差为4.0292。采用节能技术后，建筑电气照明系统的电流畸变率得到明显改善，其变化幅度较平缓，变化为15.21%～21.55%，标准差为1.8510。对比采用节能技术前后的建筑电气照明系统的电流畸变率可发现，节能技术应用后电流畸变率有大幅度降低，降低幅度达到0.37%～47.37%。采用节能技术前，建筑电气照明系统的谐波电流值呈现一定程度的波动，其变化为71.74A～89.81A，标准差为6.1462。采用节能技术后，建筑电气照明系统的谐波电流值得到明显改善，其变化为30.99A～56.23A，标准差为6.2139。对比采用节能技术前后的建筑电气照明系统的谐波电流值容易发现，节能技术应用后谐波电流值有大幅度降低，降低幅度达到24%～61%。由此表明，采用节能技术之后，建筑电气照明系统中的谐波电流得到了良好的治理，降低了线路发生故障的概率，提高了电网的传输效率和电能的利用率。

图2 建筑电气照明节能前后谐波电流畸变率和谐波电流曲线对比

表3 建筑电气照明节能前后谐波电流值对比

建筑电气照明节能前后建筑节能监测结果如表4 和图3 所示。从图3 可以看出，采用节能技术前，随着时间的增加，建筑电气照明系统的能耗曲线呈现剧烈的波动，呈现多峰值的特征，建筑能耗变化为3.48kW～380.92kW，标准差为74.965。采用节能技术后，建筑电气照明系统的能耗曲线波动幅度明显降低，能耗变化范围为3.36kW～215.84kW，标准差为26.8971，降低幅度达到31.04%～75.43%。由此表明，该文所采用的建筑节能措施达到了良好的节能效果。

表4 建筑电气照明节能前后的能耗测试结果

图3 建筑电气照明节能前后的能耗曲线对比

4 结论

该文以浙江省杭州市某智能小区高层建筑为研究对象，分析了3 个主要的建筑电气照明系统节能途径，分别是降低照明功率密度LPD、提高照明利用率和优化照明配电系统，并对比节能前后的线路降损率、谐波电流和建筑能耗，得出以下结论：1）采用节能技术后，补充电容曲线呈现不同程度的波动，其变化为7.37～8.79，建筑电力照明系统的线路降损率大幅度降低，降损率变化为75.97%～91.70%。由此表明，该文所确定的节能技术措施有效降低了电气照明系统的线路损耗率，提高了用电质量，保证了供电质量和节能效益。2）节能技术应用后谐波电流值有大幅度降低，降低幅度达到24%～61%。由此表明，采用节能技术后，降低了线路发生故障的概率，提高了电网的传输效率和电能的利用率。3）采用节能技术后，建筑电气照明系统的能耗曲线波动幅度明显降低，能耗变化为3.36kW～215.84kW，降低幅度达到31.04%～75.43%。由此表明，该文所采用的建筑节能措施达到了良好的节能效果。