民用建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)與措施分析

陳 滿

(廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 廣東廣州 510290)

隨著可持續(xù)發(fā)展的觀念的推進(jìn)、節(jié)約能源以及可循環(huán)利用的理念的推行，“綠色建筑”這一概念已經(jīng)深入人心。我國對民用建筑綠色化、節(jié)能化的改造和改善工作也在穩(wěn)步前進(jìn)。民用建筑節(jié)能化的關(guān)鍵在于可持續(xù)性，目的在于使建筑在使用年限內(nèi)能夠循環(huán)利用資源、減少能源排放、降低污染、提高綜合效益。建筑的總體電氣設(shè)計(jì)是綠色建筑設(shè)計(jì)概念的一個(gè)重要組成部分，它對于提高民用建筑的美觀、發(fā)揮民用建筑的使用功能、為廣大居住者的生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障、節(jié)約建筑成本等，均具有一定的影響[1]。

當(dāng)前，民用建筑電氣設(shè)計(jì)的理論體系和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)日益完善，但在民用建筑電氣設(shè)計(jì)的節(jié)能化設(shè)計(jì)中，仍然存在一些問題值得研究和改進(jìn)。目前我國的民用建筑的電氣系統(tǒng)主要存在如下問題。

(1)建筑節(jié)能體系不健全。雖然很多國家都在實(shí)施建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能化，但我國的民用建筑節(jié)能體系和相關(guān)規(guī)范并不完善，很多時(shí)候在電氣設(shè)計(jì)時(shí)無法提供有效的節(jié)能評價(jià)指標(biāo)，導(dǎo)致各地區(qū)、各部門的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)節(jié)能經(jīng)常成為一張“空頭支票”，很多地區(qū)建設(shè)的民用節(jié)能建筑往往只有一個(gè)稱號(hào)，但在實(shí)際的運(yùn)行中，這些民用建筑仍然是耗電大戶，能源消耗量并沒有實(shí)際意義上的減少。

(3)部分相關(guān)部門和開發(fā)商的節(jié)能意識(shí)不強(qiáng)，沒有認(rèn)識(shí)到民用建筑電氣節(jié)能所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，導(dǎo)致民用建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能化、綠色化進(jìn)展緩慢，具體節(jié)能措施落實(shí)不到位，主要體現(xiàn)在了很多民用建筑電氣系統(tǒng)在初始設(shè)計(jì)時(shí)在安全性、節(jié)能性、規(guī)范性上就沒有得到很好的保障。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國有三分之一的總體能耗源于各類建筑能耗，且這種趨勢正隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民物質(zhì)文化需求的提升不斷增長。專家分析統(tǒng)計(jì)了建筑能耗中各種能耗的組成，研究后發(fā)現(xiàn)各種能耗的組成中，所占比例最大的就是電氣能耗。各種電能的消耗比例大體如下：照明設(shè)備用電所占比例15 %～25 %，水泵、風(fēng)機(jī)設(shè)備用電所占比例10 %～15 %，空調(diào)設(shè)備用電所占比例為40 %[3]。目前已有諸多學(xué)者針對我國民用建筑的節(jié)能措施進(jìn)行了研究。

雷有秀[4]針對高層民用建筑提出了通過恰當(dāng)選用電壓等級、優(yōu)化配電線路、優(yōu)化選擇電氣設(shè)備和照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)四種措施來滿足高層民用建筑電氣節(jié)能環(huán)保需求。

彭子江[5]針對民用建筑照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，介紹了與照明相關(guān)的常用光度量，引出照明質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，分析了常用電光源與燈具的特性，并討論其適用場所，論述了常用的照度計(jì)算方法的計(jì)算過程與應(yīng)用條件，提出了便于設(shè)計(jì)人員選擇科學(xué)布置照明設(shè)備的正確的計(jì)算方法。

鄒玉宣[6]通過電氣設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐，對民用建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范的要求和應(yīng)用進(jìn)行探討。

于劍[7]從節(jié)能降耗角度重點(diǎn)分析了民用建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案，確定節(jié)能設(shè)計(jì)方向和要點(diǎn)，有針對性的采取措施進(jìn)行優(yōu)化，做好每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制，爭取在不影響系統(tǒng)基礎(chǔ)功能前提下，達(dá)到節(jié)能效果，并對多種民用建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對比分析。

王甫、于妍[8]通過對地下車庫的設(shè)計(jì)實(shí)踐，從供配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)兩方面介紹和分析地下車庫的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)措施，并提出了優(yōu)化方案。

如何使民用建筑電氣設(shè)計(jì)更加符合可持續(xù)發(fā)展的要求，成為了擺在設(shè)計(jì)師面前的一個(gè)重大課題。本文利用實(shí)際項(xiàng)目，通過梳理民用電氣設(shè)計(jì)的思路和方法，以及針對民用建筑電氣設(shè)計(jì)中一些主要環(huán)節(jié)的節(jié)能措施展開研究，希望為民用建筑電氣節(jié)能措施的設(shè)計(jì)上提供一些理論參考和實(shí)踐借鑒。

1 供電源頭節(jié)能措施

1.1 負(fù)荷和電源

1.1.1 電源

通常，供電電源的電壓等級的主要參考依據(jù)是用戶最大的用電荷載，并同時(shí)考慮用電設(shè)備的總?cè)萘?、變電站總變壓器的功率、?dāng)?shù)毓╇姯h(huán)境條件和客戶群體特征，最后在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、效益的綜合評價(jià)下確定。供電電源的電壓等級一般按以下原則確定。

(1)用電設(shè)備的總?cè)萘坎淮笥?00 kW或者受電變壓器容量不大于50 kVA，可采用低壓供電。用戶變壓器的總?cè)萘吭?100～16 000 kVA時(shí)，應(yīng)選用10 kV的電壓供電。

(2)用戶變壓器的總?cè)萘吭?8～40 MVA 時(shí)，可采用35 kV的供電電壓。但不推薦客戶變電站使用35 kV等級電壓，遇特殊情況需要使用的，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

(3)用戶變壓器的總?cè)萘吭?6～100 MVA 時(shí)，宜使用不小于120 kV的電壓級別供電。

(4)用戶變壓器的總?cè)萘吭诓恍∮?00 MVA，宜采用不小于220 kV的電壓等級供電。

(5)使用不小于10 kV電壓供電時(shí)，當(dāng)單回路電源線路的容量不滿足負(fù)荷需求且周邊無更高級別的電壓時(shí)，可適當(dāng)、合理地增加供電回路數(shù)量，即多回路供電。

1.1.2 負(fù)荷

根據(jù)小區(qū)各類設(shè)備用途和重要性，可以將用電器負(fù)荷等級分為三級：

(1) 一級負(fù)荷：消防排煙風(fēng)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備、消防泵、雨水泵、車道照明、事故應(yīng)急照明等；其中監(jiān)控設(shè)備、應(yīng)急照明、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)為特別重要一級負(fù)荷。

(2)二級負(fù)荷：居民樓通風(fēng)機(jī)、廢水泵、樓道照明、遮光段道路照明等。

(3)三級負(fù)荷：不屬于一、二級的其它負(fù)荷。

1.2 開閉站

雖然供電部門建議可以將開閉站及附屬設(shè)施設(shè)置在地面，但是在市中心等用地十分緊張的區(qū)域，為提升地上面積的使用效率，可以將開閉站與其他建筑物結(jié)合建設(shè)，也可考慮將開閉站設(shè)置在公共建筑地下一層。當(dāng)開閉站設(shè)置在地下時(shí)，在初始設(shè)計(jì)中應(yīng)采取安全、可靠、高效的防水、防火設(shè)備。同時(shí)開閉站要預(yù)留單獨(dú)的進(jìn)出口、電纜夾層、電氣設(shè)備吊裝口、以及配備必要的檢修保養(yǎng)附屬設(shè)備。

開閉站的電源線路設(shè)計(jì)通常采用雙路電源進(jìn)線，單母線分段接線。如果建設(shè)地區(qū)面積較小、用地緊張，可根據(jù)實(shí)際情況建設(shè)饋電出線為6～8路的小型開閉站，一般情況下不推薦帶保護(hù)而無配備母聯(lián)的大配電室模式。

1.3 變配電室節(jié)能方法

1.3.1 合理選擇變配電所的位置

變配電室應(yīng)設(shè)置在用電負(fù)荷密集處，可以在減少供電電力電纜的建造成本的同時(shí)，縮短線路電纜的長度，縮短配電施工半徑從而減少了線路壓降和電路損耗。經(jīng)過實(shí)際項(xiàng)目的測試，將供電半徑控制在100～160 m的范圍內(nèi)，可以取得理想的節(jié)能效果。

1.3.2 選擇節(jié)能型配電器

變壓器在民用建筑電力設(shè)備系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，從發(fā)電到供電再到用戶末端的用電器，需要經(jīng)過數(shù)次的變壓。在這個(gè)過程中變壓器由于存在電阻及其他原因會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功率損耗。我國民用建筑規(guī)模龐大、變壓器數(shù)量多，故變壓器的功率損耗量事十分巨大的，通常變壓器損耗可以占到電路總損耗的1/3～1/4。因此選擇節(jié)能型配電器成了降低變壓器損耗的有效手段之一。

1.3.3 合理選擇變壓器的數(shù)量、材料和運(yùn)行方式

民用建筑一般是按照建筑區(qū)域里的最大負(fù)荷來選擇變壓器的容量，通常一個(gè)區(qū)域配置一套供電變壓器，而且變壓器的容量一般會(huì)富余且后期無法調(diào)整。這種“最大化”原則，會(huì)使變壓器的能源損耗很大，導(dǎo)致 “大馬拉小車”的情況出現(xiàn)。這種方案還有一個(gè)弊端，在工作室僅有一臺(tái)變壓器長期運(yùn)行，沒有備用電源，一旦出現(xiàn)故障，往往無法及時(shí)恢復(fù)工作。

由于采用了高壓供電的模式，變壓器成為了建筑中不可缺少的部分，在建筑配電系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。同樣的，變壓器中消耗的電能也在建筑總能耗中占了一定的比例。在變壓器中，主要是銅耗和鐵耗兩種消耗形式。二者相比鐵質(zhì)材料的損耗相比銅質(zhì)更大，這種損耗和系統(tǒng)中承擔(dān)的負(fù)荷大小沒有關(guān)系，是系統(tǒng)本身材料和工藝導(dǎo)致的。降低這種能耗需要選擇電能損耗小的材質(zhì)，可以選擇銅鋅合金或者鎂鋁合金的變壓器。另一方面，材料電能損耗和系統(tǒng)負(fù)載相關(guān)，控制變壓器電能損耗在選取合適材質(zhì)的同時(shí)需要控制變壓器的臺(tái)數(shù)和容量，并根據(jù)建筑負(fù)載的變化周期性來選擇系統(tǒng)設(shè)置，從而保證對能源消耗的有效控制，減少不必要的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

以筆者參與的實(shí)際項(xiàng)目為例，每個(gè)建筑區(qū)域按照用電負(fù)荷的要求都配置了2臺(tái)(甚至3臺(tái))容量相等的變壓器，這2臺(tái)變壓器的容量和等于建筑范圍內(nèi)的用電總負(fù)荷。在低峰時(shí)期，1臺(tái)變壓器運(yùn)行，高峰期間，2臺(tái)變壓器并列啟動(dòng)。這2臺(tái)變壓器互為備用設(shè)備，當(dāng)某一臺(tái)發(fā)生故障而無法工作時(shí)時(shí)，另一臺(tái)可以繼續(xù)為用電器供電，從而在提高供電經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，又提高了供電可靠性和穩(wěn)定性。

1.3.4 提高功率因素和負(fù)荷率

變壓器效率與用電負(fù)荷功率因數(shù)、變壓器荷載等級和損耗大小都有關(guān)系。通常來說，變壓器的負(fù)荷率在30 %～75 %時(shí)，是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；在50 %～60 %時(shí)，變壓器的運(yùn)行效率是最高的。在用電負(fù)荷不變時(shí)，功率因數(shù)越大，變壓器運(yùn)行效率越高。

功率因數(shù)的提高通常有電容補(bǔ)償法和自然調(diào)整法兩種方法。電容補(bǔ)償法是指變壓器和高壓用電設(shè)備的無功功率可以由高壓電容器進(jìn)行補(bǔ)償，對用電設(shè)備進(jìn)行無功的集中成組補(bǔ)償。若用電設(shè)備距離較遠(yuǎn)，且設(shè)備比較分散，還可使用就地補(bǔ)償?shù)姆椒?。自然補(bǔ)償法要求合理選擇變壓器的用電容量，減少變壓器的空載運(yùn)行時(shí)間從而提高負(fù)荷率，提高變壓器的功率因數(shù)。

2 電力電纜節(jié)能措施

在民用建筑電氣設(shè)計(jì)中，作為電能運(yùn)輸導(dǎo)體，電力電纜的設(shè)計(jì)是重要部分。各種電力線纜上都有一定的電阻，當(dāng)電流通過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓降和電能損耗。在電能輸送時(shí)，線纜的電能損耗與距離及線纜的電阻值成正比。由于民用建筑室內(nèi)外電纜數(shù)量較多，由此造成的電能損耗也是相當(dāng)巨大的，必須在電氣設(shè)計(jì)中引起足夠的重視，因此如何采用合理的措施來減少電纜電阻，就成了節(jié)能的關(guān)鍵：

R=ρ·L/S

(1)

式中：ρ為導(dǎo)體電阻率；L為導(dǎo)體長度；S為導(dǎo)體橫截面積。

由上式可見，減少電阻的方式主要有以下三種：

(1)設(shè)計(jì)合理的電纜線路，從而減少電纜長度。

(2)確定合理的設(shè)備放置點(diǎn)，例如變配電室的位置應(yīng)盡量位于供電區(qū)域的負(fù)荷中心；在高層建筑中，單體的低壓配電間應(yīng)盡量靠近電氣豎井，對于長度較長的單體，可以考慮分段設(shè)置配電間。

(3)適當(dāng)增加線纜橫截面積，采用電阻率較小的線纜材料。

在電纜設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過選取節(jié)能型的電纜型號(hào)以及控制截面來降低能耗，在滿足使用條件及電纜運(yùn)行要求的前提下減小電纜線的截面，價(jià)格相對便宜。但是電阻截面越小也就意味著電阻值大，從而電能損耗也增加，造成運(yùn)行費(fèi)用不降反升。適當(dāng)?shù)脑龃箅娎|截面積可以減少能耗，但線路設(shè)計(jì)的前期投資也會(huì)增加，因此在增大電纜截面積來減小能耗需要重復(fù)考察各種環(huán)境、資源條件的前提下，根據(jù)實(shí)際建筑耗能的情況來適當(dāng)選取一個(gè)調(diào)節(jié)范圍。

在具體的電纜布設(shè)實(shí)施中，為了進(jìn)一步降低民用建筑中的能量消耗，要在最初設(shè)計(jì)時(shí)就將節(jié)能問題考慮在內(nèi)。首先，必須要意識(shí)到線路損耗是不可能完全避免的，目標(biāo)應(yīng)該是將這個(gè)損耗降低到某個(gè)范圍內(nèi)；其次要考慮輸電纜路徑設(shè)計(jì)，控制路徑長度能夠減少在不必要路徑中的損耗；最后，電氣設(shè)備廠房的布設(shè)要不斷趨向合理化，要綜合考慮到各個(gè)終端的距離、各區(qū)域用電功率和用電頻率、根據(jù)供電線路最小化的原則合理設(shè)計(jì)。

3 照明設(shè)備節(jié)能措施

3.1 燈源的選取

選擇合適的光源是照明部分設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一種光源是否是高效節(jié)能的光源，主要是看它的發(fā)光效率有多少。我國基礎(chǔ)建設(shè)量巨大，燈具的使用數(shù)量也相當(dāng)可觀。作為照明設(shè)備的一個(gè)重要附件，鎮(zhèn)流器的選取對于民用建筑照明設(shè)備的節(jié)能起到了一定的作用。配備了節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的燈具的價(jià)格雖然高于其他類型的燈具，但是其帶來的節(jié)能效果能夠很快的顯現(xiàn)出來。經(jīng)過一些設(shè)計(jì)師的對項(xiàng)目后期的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的燈具一年后，所節(jié)省出來的電費(fèi)就能夠補(bǔ)齊當(dāng)初購買時(shí)的差價(jià)部分。

此外，節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器在性價(jià)比方面確實(shí)具有優(yōu)勢。節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器有安全可靠、長壽命和節(jié)能的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是熒光燈鎮(zhèn)流器的首選產(chǎn)品。所以，在選擇照明燈具的時(shí)候最好選擇配備節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的熒光燈具。例如，民用小區(qū)夜間至凌晨19∶00～06∶00的照明約占整個(gè)建筑照明用電量的20 %～30 %，因此，根據(jù)不同時(shí)段的建筑用電分布，選用具有調(diào)光控制模式的LED照明燈具，根據(jù)環(huán)境亮度隨時(shí)加強(qiáng)或減弱小區(qū)照明燈具的亮度，其節(jié)電效果非常明顯。另外，由于基本照明段LED照明燈具采用調(diào)光控制模式，在人流進(jìn)出量小的情況下，調(diào)低整體照明亮度，達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)避免了傳統(tǒng)“間隔開燈”給照明帶來斑馬線效應(yīng)。

3.2 地下車庫照明

為了滿足居民泊車需求，同時(shí)減少地面停車位占地面積，很多民用建筑通過建設(shè)大型地下停車庫來緩解停車壓力。一般來說，地下車庫晚間使用和上下班時(shí)間處于高峰使用時(shí)間，而且白天沒有自然采光，在高峰期間要使用者要支付高價(jià)電費(fèi)，所以很多民用建筑的地下車庫的電能損耗量相當(dāng)巨大。傳統(tǒng)的節(jié)能方案通常是采用聲控開關(guān)以及紅外和微波探測器，但這兩種節(jié)能方案都具有缺點(diǎn)。采用聲控開關(guān)由于頻繁開閉會(huì)加速燈管損壞，維護(hù)費(fèi)用隨之提高，例如出現(xiàn)高音量的汽車鳴笛現(xiàn)象將會(huì)啟動(dòng)大范圍區(qū)域照明；紅外和微波探測器造價(jià)較高，通過探知光源來工作，探測到人員或車輛時(shí)開燈，然后一定時(shí)間后延時(shí)關(guān)閉，不便進(jìn)行區(qū)域集中管理。本文根據(jù)實(shí)際工程提出了兩種地下車庫照明節(jié)能設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案。

3.2.1 紅外與分段控制相結(jié)合

在車位上方安裝紅外探測器，每個(gè)紅外探測器可探測3～5個(gè)車位，當(dāng)探測器探測到人員和車輛時(shí)開燈，人離開后30 s延時(shí)關(guān)閉。

此外，車道上方照明具有如下特點(diǎn)：照明設(shè)備密集，主要車道照明的使用率高。倘若僅僅安裝紅外探測器，有可能造成照明的頻繁開閉，光源每開啟一次將損失3 h的使用壽命，建議在主車道上不宜使用紅外探測器。所以，建議采用分時(shí)段定時(shí)控制，例如根據(jù)車流情況預(yù)先劃分時(shí)段，如白天10∶00～16∶00和夜間11∶00～5∶00關(guān)閉一半的照明燈。

3.2.2 實(shí)行分時(shí)段定時(shí)控制

根據(jù)車流量和高峰時(shí)段分布對地下車庫全部實(shí)行分時(shí)段定時(shí)控制，如白天10∶00～16∶00和夜間0∶00～5∶00關(guān)閉一半的照明燈，其它時(shí)間照明燈全部打開；該方法適用于小面積的停車區(qū)域照明控制，可以起到較為明顯節(jié)能效果。

3.3 應(yīng)急照明系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，居民小區(qū)必須設(shè)置應(yīng)急照明供電系統(tǒng)，以確保緊急情況下，疏散及救助工作的安全進(jìn)行。應(yīng)急照明的范圍包括樓道內(nèi)應(yīng)急照明、車行道和人行道的應(yīng)急照明、設(shè)置在各樓層安全門(逃生口)處的應(yīng)急誘導(dǎo)標(biāo)志。應(yīng)急照明供電系統(tǒng)能在正常外部電源全部失去時(shí)，提供不間斷的交流電源，切換時(shí)間不大于0.2 s。應(yīng)急電源在正常母線電壓低于額定電壓的80 %時(shí)，仍然能正常啟動(dòng)和工作。

4 結(jié)論

本文依據(jù)民用建筑現(xiàn)有的規(guī)范和設(shè)計(jì)原理，討論了供電電源、變配電室、室外電力電纜、照明設(shè)備的節(jié)能措施，提出了相對應(yīng)的具有可行性的節(jié)能手段。

(1)合理設(shè)置變電室位置，選用節(jié)能型變壓器，考慮綜合效益的前提下確定變壓器數(shù)量、材質(zhì)、布設(shè)位置及運(yùn)行方式，提升變壓器的負(fù)荷率和功率因素。

(2)合理選擇線纜型號(hào)，通過減小電纜電阻來減小能耗需要在重復(fù)考察各種環(huán)境、資源條件的前提下，根據(jù)實(shí)際建筑耗能的情況來適當(dāng)選取一個(gè)調(diào)節(jié)范圍。

(3)選用節(jié)能燈具來減少照明設(shè)備的能耗損失，對大面積地下車庫可以設(shè)計(jì)紅外與分段控制相結(jié)合、分時(shí)段定時(shí)控制等智能照明控制系統(tǒng)，并且需要通過經(jīng)濟(jì)測算，為民用建筑電氣設(shè)計(jì)創(chuàng)造節(jié)能收益。

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