綠色建筑電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析研究

孔 嵩

1. 北京交通大學(xué)， 北京 100044； 2. 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院， 北京 100045

引言

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，作為大量消耗能源和資源的建筑業(yè)，必須發(fā)展綠色建筑，改變當(dāng)前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承擔(dān)起可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)。中國(guó)碳排放占全球18%，已超美國(guó)成為世界第一大碳排放國(guó)，在工業(yè)、建筑、交通三大領(lǐng)域應(yīng)用低碳技術(shù)和加強(qiáng)節(jié)能減排是當(dāng)務(wù)之急。尤其是建筑領(lǐng)域，一次性能源消耗中30%用于建筑，而在城市中這一數(shù)據(jù)高達(dá)60%。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)政府承諾到2020年單位GDP二氧化碳排放要比2005年降低40% ～45%。中國(guó)節(jié)能面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是在中國(guó)的大規(guī)模城市建設(shè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)建筑的綠色、節(jié)能設(shè)計(jì)成為我國(guó)完成節(jié)能減排目標(biāo)的重要突破口之一。

推進(jìn)綠色建筑是發(fā)展節(jié)能省地型住宅和公共建筑的具體實(shí)踐。黨的十六大報(bào)告指出我國(guó)要實(shí)現(xiàn)“可持續(xù)發(fā)展能力不斷增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境得到改善，資源利用效率顯著提高，促進(jìn)人與自然的和諧，推動(dòng)整個(gè)社會(huì)走上生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路”。發(fā)展綠色建筑必須牢固樹立和認(rèn)真落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，必須從建筑全壽命周期的角度，全面審視建筑活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境和住區(qū)環(huán)境的影響，采取綜合措施，實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)計(jì)，將是廣大設(shè)計(jì)師關(guān)注的問(wèn)題。

1 綠色建筑定義及相關(guān)規(guī)定

1.1 定義

綠色建筑是在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源 （ 節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材 ） 、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。綠色設(shè)計(jì)（Green Design），又稱生態(tài)設(shè)計(jì)（Eco-Design）、面向環(huán)境的設(shè)計(jì)（Design for Environment），考慮環(huán)境的設(shè)計(jì)（Environmentally Conscious Design）等，是指利用產(chǎn)品全生命周期過(guò)程相關(guān)的各類信息（技術(shù)信息、環(huán)境信息、經(jīng)濟(jì)信息），采用并行設(shè)計(jì)等各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和方法，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品除了滿足功能、質(zhì)量、成本等一般要求外，還應(yīng)該具有對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小、資源利用率高等良好的環(huán)境協(xié)調(diào)特性。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)

綠色建筑是追求自然、建筑和人三者之間的和諧統(tǒng)一，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是環(huán)保（綠色）和節(jié)能 ，而綠色建筑中電氣設(shè)計(jì)亦應(yīng)圍繞這兩個(gè)主題進(jìn)行，和這兩個(gè)主題相關(guān)的國(guó)家和地方現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有如下版本。《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 50378－2006 ；《綠色照明工程技術(shù)規(guī)程》DBJ01-607-2001；《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005；《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》JGJ176-2009；《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50411-2007；《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/ 687-2009，《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》節(jié)能專篇－電氣。

2 《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中電氣設(shè)計(jì)條款分析

我國(guó)在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378—2006中確立了住宅建筑和公共建筑的綠色建筑基本要求和評(píng)價(jià)與等級(jí)劃分。標(biāo)準(zhǔn)中分別對(duì)住宅建筑和公共建筑列出控制項(xiàng)的要求，并按滿足一般項(xiàng)數(shù)和優(yōu)選項(xiàng)數(shù)的程度，劃分為三個(gè)等級(jí)。相關(guān)技術(shù)規(guī)定詳見表1。

表1中控制項(xiàng)為綠色建筑電氣設(shè)計(jì)的必備條件；一般項(xiàng)和優(yōu)選項(xiàng)為劃分綠色建筑等級(jí)的可選條件；其中優(yōu)選項(xiàng)是難度大、綜合性強(qiáng)、綠色度較高的可選條件。

從表1分析看出，無(wú)論是住宅還是公建，其中必備的控制項(xiàng)在我們以往的設(shè)計(jì)中已經(jīng)參照國(guó)家節(jié)能、照明等標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定在執(zhí)行，且很容易達(dá)到；而在一般項(xiàng)和優(yōu)選項(xiàng)內(nèi)的計(jì)量和智能化系統(tǒng)及設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)亦在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的住宅和公共建筑中普遍體現(xiàn)；那么單從《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》而言，綠色度較高的電氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和今后的發(fā)展方向無(wú)疑是在可再生能源利用這個(gè)單元體現(xiàn)了。

3 環(huán)保電氣設(shè)計(jì)

未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個(gè)持久的、可再生的、干凈的體系。環(huán)保的電氣設(shè)計(jì)應(yīng)該關(guān)注的方向是綠色能源—可再生能源的利用，如水能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽堋＿@些綠色理念已逐步運(yùn)用于現(xiàn)代建筑之中，運(yùn)用較多的是太陽(yáng)能和風(fēng)能，例如：英國(guó)諾丁漢大學(xué)分校采用玻璃頂蓋的中庭將若干建筑物串聯(lián)，中庭玻璃所采用的半透明太陽(yáng)能光電板每年所產(chǎn)生的電能約45MWh，可供建筑物整年機(jī)械通風(fēng)電能的需求；廣州的珠江大廈，配有風(fēng)力渦輪機(jī)以及太陽(yáng)能電池板，這座高達(dá)310m的建筑號(hào)稱有史以來(lái)最節(jié)能的超級(jí)摩天大樓；上海世博會(huì)主題館，采用了單體面積3萬(wàn)多m2的太陽(yáng)能屋面、世博軸上的“陽(yáng)光谷”具有為地下空間引入自然光、自然通風(fēng)和雨水收集等功能。太陽(yáng)能、風(fēng)能既是當(dāng)前綠色建筑可實(shí)施的近期補(bǔ)充能源，又是未來(lái)的能源基礎(chǔ)，而阻礙太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的主要因素是價(jià)格和并網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)住宅建筑和公共建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求

3.1 發(fā)電成本比較

時(shí)代的發(fā)展對(duì)建筑的復(fù)雜程度和功能要求更高、更難、設(shè)計(jì)技術(shù)更多樣化，前期多方案的可行性研究和綜合造價(jià)的比較日益成為工程建設(shè)的重點(diǎn)，以下是各種不同形式的發(fā)電成本經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表。

表2 煤電、水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等各種不同形式的發(fā)電成本比較

根據(jù)以往具體工程案例分析，風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的成本回收常常需要10 20年不等，這取決于當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件。采用何種形式能源，要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，合理的確定，才能真正實(shí)現(xiàn)可再生能源利用，才能實(shí)現(xiàn)建筑的綠色設(shè)計(jì)。

3.2 并網(wǎng)技術(shù)

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，并網(wǎng)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。并網(wǎng)可以合理利用清潔能源，而且由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)原動(dòng)力不可控、電能質(zhì)量不佳、調(diào)節(jié)能力有限、能量轉(zhuǎn)化效率低、投資成本較高，為了優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)和方便統(tǒng)一調(diào)度，并網(wǎng)發(fā)電已是大勢(shì)所趨。為了不影響電網(wǎng)的質(zhì)量，必須保證使發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓與電網(wǎng)電壓在頻率、相位和幅值上保持高度一致，而且發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)間功率能夠雙向調(diào)節(jié)。這就牽涉到功率因數(shù)校正、大功率變換以及高穩(wěn)定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)，這正是當(dāng)前各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)，也是我國(guó)國(guó)內(nèi)新能源發(fā)電技術(shù)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

4 節(jié)能電氣設(shè)計(jì)

以上從環(huán)保的角度分析了綠色建筑的電氣設(shè)計(jì)，通過(guò)分析得出，可再生能源利用的環(huán)保電氣設(shè)計(jì)存在著價(jià)格、技術(shù)等方面問(wèn)題的制約。那么換個(gè)角度思考，我們通過(guò)節(jié)能（節(jié)能概念還應(yīng)兼顧對(duì)設(shè)備生產(chǎn)前端過(guò)程中對(duì)自然的破壞低等綜合指標(biāo)限制）設(shè)計(jì)降耗以實(shí)現(xiàn)低碳和環(huán)保，也是對(duì)綠色建筑的一種貢獻(xiàn)。下面從節(jié)能的角度進(jìn)一步探討，電氣設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下關(guān)鍵點(diǎn)。

4.1 電源環(huán)節(jié)

變配電機(jī)房位置需設(shè)置在負(fù)荷中心，并可參照表3確定變配電機(jī)房的數(shù)量。

表3 變壓器裝置指標(biāo)

合理確定建筑物的單位建筑面積用電指標(biāo)。宜對(duì)不同類型的設(shè)備分組計(jì)算取系數(shù)（例如：廚房設(shè)備每根干線，需用系數(shù)不宜過(guò)低，但是所有廚房設(shè)備按設(shè)備組可根據(jù)使用情況取很低的同期系數(shù)，便于變壓器值的精確選?。?duì)大量存在一、二級(jí)負(fù)荷的建筑物，還應(yīng)考慮變壓器的冗余度，表4是目前用電水平和裝備標(biāo)準(zhǔn)的參照數(shù)據(jù)。

表4 變壓器裝置指標(biāo)

4.2 電傳輸環(huán)節(jié)

各層配電豎井的合理設(shè)置及縮短配電距離、降低線路壓降損失。而直流供配電將是未來(lái)發(fā)展方向。由于交流方式在長(zhǎng)距離大規(guī)模送電時(shí)可輕松升降電壓，交流供電模式仍是當(dāng)前全球供電標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著電力電子學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，可為設(shè)備提供直流的“直流供電”方式越來(lái)越受關(guān)注。日本一些家電企業(yè)例如日本夏普公司曾在日本電子展中兩次展示了“直流生態(tài)住宅”技術(shù)和產(chǎn)品。相對(duì)交流而言，直流供電有很多好處:節(jié)能-簡(jiǎn)化了原家用電器中交直流轉(zhuǎn)換的電氣系統(tǒng)，從而提高了效率，減少了系統(tǒng)中的線路損耗；安全-直流系統(tǒng)的安全電壓約120V，交流系統(tǒng)約50V；環(huán)保-便于可再生能源系統(tǒng)的利用。

4.3 設(shè)備的選擇和管理

現(xiàn)在和未來(lái)設(shè)備的選擇會(huì)更多涉及到以下幾個(gè)方面：LED燈、光導(dǎo)照明、變壓器選擇、功率因數(shù)補(bǔ)償、變頻設(shè)備（諧波的抑制）、舞臺(tái)燈光調(diào)光方式的探討（PWM技術(shù)的運(yùn)用，將對(duì)諧波的抑制起到關(guān)鍵性的作用，從而節(jié)約能耗）、高速電梯制動(dòng)的能量回饋（未來(lái)設(shè)想）。

4.3.1 LED燈照明

LED光源具有很多優(yōu)勢(shì)：高節(jié)能（直流驅(qū)動(dòng)，超低功耗，單管0.03 ～0.06W，電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上）、壽命長(zhǎng)（6萬(wàn) ～10萬(wàn)h）、多變幻、利環(huán)保；同時(shí)，當(dāng)下的LED光源也存在著未能克服的缺點(diǎn)：散熱方面（LED的耐熱很差會(huì)帶來(lái)燈芯壽命的問(wèn)題）、價(jià)格方面、光譜過(guò)于純凈不適于辦公等視覺環(huán)境、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板對(duì)壽命的影響（LED的壽命瓶頸在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板，往往LED燈芯還未損壞，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)壞掉了）、LED的重量對(duì)燈座的考驗(yàn)及功率的限制。

由于存在以上原因?qū)е翷ED尚且不能用于大范圍照明，比如機(jī)場(chǎng)，工地，甚至室內(nèi)照明方面。LED也暫時(shí)不能和熒光燈相提并論，所以當(dāng)前LED這種綠色節(jié)能的光源主要還是在室外景觀照明中應(yīng)用較為廣泛 。

4.3.2 光導(dǎo)照明

光導(dǎo)照明的優(yōu)勢(shì)在于既充分的利用了自然光源，又可避免因直接采光而增加的室內(nèi)空調(diào)成本，對(duì)于展覽類、廠房類等大空間、大屋面建筑可考慮實(shí)施。

4.3.3 PWM技術(shù)

PWM整流器具備實(shí)現(xiàn)無(wú)電網(wǎng)污染和運(yùn)行于單位功率因數(shù)，能量雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而真正實(shí)現(xiàn)了“綠色電能變換”，使其成為理想的用電設(shè)備或電網(wǎng)與其他電氣設(shè)備的接口。PWM整流器技術(shù)目前是電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)，它的發(fā)展成為太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電等綠色能源技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵推手。

4.3.4 控制和管理

綠色設(shè)計(jì)控制和管理涉及到建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、冰蓄冷（消峰填谷）技術(shù)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)（消峰填谷）技術(shù)、智能照明控制系統(tǒng)、設(shè)備能耗的計(jì)量等方面，針對(duì)不同建筑物的使用功能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，方能達(dá)到良好的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綠色、節(jié)能是未來(lái)世界可持續(xù)發(fā)展的主題，對(duì)建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，能不能建造出綠色節(jié)能的房子，對(duì)未來(lái)全社會(huì)的能源消耗有著舉足輕重的影響。值得關(guān)注的是，綠色建筑雖好，但目前的成本是巨大的（英國(guó)數(shù)據(jù)稱，綠色住宅比普通住宅造價(jià)高20%；而由世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)協(xié)會(huì)組織完成的最新調(diào)查發(fā)現(xiàn)，建筑專業(yè)人員和房地產(chǎn)人員將綠色建筑成本過(guò)高估計(jì)達(dá)300%），因此綠色設(shè)計(jì)對(duì)于電氣設(shè)計(jì)人員是長(zhǎng)期追求，并隨著電力電子等相關(guān)科學(xué)技術(shù)發(fā)展而有望盡早實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)；而節(jié)能設(shè)計(jì)是針對(duì)建筑特點(diǎn)思考合理供配電、管理、控制方案，合理運(yùn)用產(chǎn)品來(lái)達(dá)到降耗、低碳、環(huán)保的目的。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T50378-2006綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2006.

[2]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)研究院. 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-電氣節(jié)能專篇[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.