建筑电气节能及照明节能设计研究

2023-12-11李金会

中国科技纵横 2023年16期

李金会

（天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300110）

1 建筑电气节能概述

在确保电气装置和控制系统工作正常的基础上，建筑电气和照明节约兼顾资源消耗和整体经济性，通过采取合理保护措施，可以有效降低能源消耗，对现有能量消耗问题加以解决。在现代建筑物中，电气控制系统一直占据着重要位置，在其构件中发挥着无法取代的关键作用。而且，在人们日常生活中，电气已变成一个不能缺少的重要元件。因此，在开展具体建筑电气节能设计工作过程中，要重视建筑设计中电气节能设计工作的开展，必须区分照明和电气两大因素，通过合理规划建筑节能设计内容，提高建筑自身能效。

2 建筑电气节能及照明节能设计原则

2.1 经济高效

在开展建筑电气与照明节能设计中，首先要遵循经济高效性原则，既要对建筑能耗效率进行全面的考虑，还需要对整体建筑建设成本进行考虑与计算。将不同建筑方法中呈现的节能效益与建筑施工成本进行对比，在众多方案中挑选出最合适，且最具有经济效益、节能效益的设计方案，以此提升建筑电气与照明节能的整体与长期经济效益[1]。

2.2 科学适用

对建筑物电气节能方案设计和照明节能总体设计方案的制定，一方面既要确保总体设计方案的精准性；另一方面又要确保总体设计方案和建筑物运行要求的一致性，符合建筑设计要求以及实际建设情况。建筑节能效果应掌握在适宜范围内，避免盲目节能，要考虑到建筑物在实际应用环境中的照明需求和效率。

2.3 绿色照明

建筑照明节能设计要遵循绿色照明原则，在保证建筑建设工作能够正常开展的基础上，严格遵守国家绿色照明相关规定及标准，按照有关要求并结合实际建设需要进行绿色照明设计，以此提高建筑节能体系高效性和规范性，最大程度优化建筑能源使用效率。

2.4 安全使用

电气节能项目必须贯彻安全思想原则，设计工作者在设计期间，必须把安全作为整个项目的宗旨。在保证电气系统安全建设的基础上，再进行节能改造和完善设计项目，尽可能减少因节能过度造成的安全事故。因此，建筑电气节能设计工作中必须事先明确目标，并严格地对建筑电气系统安全中特定部分进行节能管理[2]。比如，对消防供电设备等进行严格管理，以此保证工作安全。当工程设计工作者从建筑电气系统安全中引入节能技术和相关设备装置时，也必须对其稳定性做出仔细判断，及时发现并预防可能发生的安全隐患。

3 建筑照明节能设计要求

满足建筑照明特定功能需求是建筑室内照明及节能系统设计的首要任务。在此基础上选用一些具有良好节能性能的照明灯具，实现经济效益的同时也能够满足建筑内照明以及色温等需求，合理有效通过照明系统设备控制达到节能效果。此外，照明节能设计还需要综合考虑建筑建设中其他专业内容，从而实现对系统整体的有效把控，并使之满足建筑整体结构的节能设计需求。因此，建筑照明控制系统的类型和设计必须与建筑设计的整体构造和外形匹配。建筑照明节能设计也应在符合有关专业技术规范基础上全面开展。

4 建筑电气节能设计方法

4.1 供配电系统节能设计

电气节能工程的基础是供配电系统建设，根据建设项目实际状况，科学计算建设项目负荷参数。在确定供电方案时，首先根据建筑物用电负荷情况进行负荷估算，根据负荷分布情况确定变电站位置。变电站要靠近负荷中心，缩短低压供电线路的长度。在变电站集中设置无功功率补偿装置，使功率因数不低于0.95；电源的供电半径控制在200m 内，当建筑和变电站距离较远时，应适当加大电缆截面，合理减少供电损失[3]。其次，供配电系统内的配电设备、元件规格型号选用，例如信号灯、接触器等，必须具备可靠性，同时应选用低损耗电气元器件，在发挥相应功能的同时实现节能目标。

4.2 变压器节能设计

变压器系统节能方案的设计，必须着重注意变压器系统电气消耗情况。通常情况下，影响变压器系统功率损失的因素大致包括变压器系统空载损耗和变压器系统负载损耗。假如在一个供电系统中变压器设备负载率相对较低，则会出现不同空载情况，导致变压器设备本身耗电量变大，从而严重影响变压器设备的工作效能，增加了变压器设备的功率消耗。因此，变压器节能设计必须考虑经济效益、使用特点、负荷情况等方面，合理选择变压器容量。一般情况下，变压器设计负荷比一般设定在80%以下。另外，在设计中还应该对变压器的选择进行综合考虑，不同变压器所产生的节能效应也是不同的，《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052-2020）[4]中标明了变压器能效标准节能评价值的要求。在设计中选用节能型电力变压器，其空载损耗和负载损耗低，在实际使用时可以达到节能效果。

4.3 电机节能设计

在建筑电气设计中，电机节能设计也是总体设计的重要内容。通常情况下，在建筑中电梯、风机、水泵等设备需要连续工作运转，占建筑使用电能的很大一部分。针对这一现象从两个方面进行节能设计：一是从电动机工作效率层面出发；二是从电动机功率层面出发。

首先，选择节能型高效产品。电动机均选用符合国标《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020）[5]要求的产品，降低电机自身电能损耗。其次，选择节能控制方式。一般采用变频控制方式，根据设备负荷选择合适的电动机功率。在符合有关设计规范情况下选择适合的工作方式。尤其较大功率的电动机，可以采用软启动、变频器启动等启动方式，确保电机顺利启动。另外，当电机轻载运行时，可通过减小电机速度等方法，有效地降低电动机在工作中产生的能耗，起到良好节能作用。

4.4 建筑设备节能设计

以电梯设备节能设计为例，对电梯轿厢内配备的电灯、空调以及液晶显示屏等用电设备，采用间隙控制技术和精确控制方法。一方面，借助缝隙监控方式调节电灯、显示屏开关，使空调处于适合的运行模式，达到节能的目的；另一方面，借助精确监控机制，由感应器连续监测轿厢内环境空气质量，当氧浓度小于一定标准或二氧化碳含量达到一定标准后，自动开启换气扇并提升设备速度，在保证轿厢内部空气质量良好的前提下需要最大程度缩短换气扇的工作时限。

4.5 光伏发电设计

在早期节能设计方案中，如变电站布置、电气设备选型等方法，以提高能源利用效率为主要设计思想，但无法避免供电系统线缆损失的问题。太阳能作为可再生能源，在建筑工程上的应用越来越广泛，利用光伏发电方式、并网方式实现自发自用，也可用于上网。需要结合建筑的实际环境，如日照情况、全年日照时间长短变化情况、气候状况、发电单位的太阳高度角大小等情况，确定建筑物电气工程是否符合光伏发电工程技术的使用要求。

5 建筑照明节能设计方法

5.1 合理控制照明系统

灯光控制系统在实际使用过程中必须采取适合的控制方法，这与灯光控制系统所在的地理环境和灯光功能特点相关。一般情形下，如果灯光场地的空间范围有限，则需采用一对一甚至二对一的控制方法；如果灯光场地空间范围相对较大，那么整个空间区域内配备的灯具也就比较多。在这个情形下，工程设计人员必须对光照范围做出合理规划，根据不同地区光照特征和实际需要，选择适宜的灯光，并尽可能采取多对一的控制方法[6]。因此，在建筑物照明设计中，增加智能控制设备，对光学传感器信号、声学传感器信息进行收集，从而对建筑内灯光设备进行智能控制，对灯光亮度也能时限灵活调节，让其更具有节能性。建筑内部公共走廊以及客厅等部分的灯光设计，则主要选择红外线感应或者声控等方式，可以有效减少灯光控制系统的应用成本，从而实现灯光节能的效果。

照明设计结合建筑使用条件及天然采光状况，合理进行分区、分组控制，使其照度有选择性地开启，充分利用天然光，所控灯列与侧窗平行。一般房间采用面板开关就地控制，除单一灯具的房间，每个房间的灯具控制开关不宜少于2 个，且每个开关所控制的光源数不宜多于6 盏，以利于管理及节能；对大面积照明，采用分区控制方式，增加控制的灵活性，利于节能；在窗边及人不经常去的区域单独设置面板开关，以利节电；走道、门厅、楼梯间等公共部位设有智能照明控制系统，可分区、分组、定时、感应、按照度或按时间段调节等，从而实现灯光节能的效果。

5.2 照明技术优化设计

照明设计优化必须和电气节能技术结合。在照明配电系统中，除了灯具外，照明线路也产生额外电能损耗。因此，照明线路要尽可能采用电阻较小的电线，适当减小电线截面积和长度，把电气耗费降到最小。室内照明系统中灯具布置也是非常关键的，应按照有关技术规范和标准进行设计，确保照明系统各项参数指标的合理合规[7]。因此，灯具优化设计也可以借鉴一些前沿灯具科技，安装创新型节能装置。近年来使用最多的是LED 灯具，这种灯具有着功率损耗小、使用寿命长等多项优点，而且还可以很好地满足建筑内部照明要求。照明中永磁同步电动机LPD 值是衡量灯具节能的关键参数，有关标准也对各类建筑物LPD 值做出要求与限制，其制定准则必须符合有关规范要求的现行数值或目标值，因此工程设计部门要以照明目标值为制定基础，核算好灯具位置，以取得最大节能效益。

5.3 合理选择光源

工程中一般照明采用细管径直管型荧光灯（三基色荧光灯）、金属卤化物灯、LED 灯等高效照明光源。近年来LED 灯发展迅速，LED 灯在很多工程中大量使用。LED灯有功率损耗小、使用寿命长等多项优点，而且还可以很好地满足建筑内部照明要求。

5.4 合理选用节能灯具

建筑造型、使用功能、装饰装修对照明灯具外观、种类等提出更多要求。在满足上述要求的同时，选用高效节能灯，灯具效率不应低于规范要求。室外景观照明、道路照明不应采用强力探照灯、大功率泛光灯、大面积霓虹灯、彩灯等高亮度和高能耗的灯具，优先采用高效、长寿、安全、稳定的光源，如高频无极灯、冷阴极荧光灯、发光二极管（LED）照明灯等。

如果整个建筑内外空间均可以使用节能灯具，可以在较大范围上提高整体建筑节能性，如果建筑对照明没有特殊需求，则以日光灯和LED 照明灯居多。灯光也是灯具体系的主要部分，根据室内具体使用需要。灯光必须和照明设备配套，选择什么类型灯具需要综合考虑建筑物设计状态、灯光应用场合和灯光需要等各种因素。工程设计人员对灯光选择应重点从灯光开启时机、照明条件、光照品质和灯光应用年限等多角度综合考量，选择最佳灯光设计方法。