綠色建筑電氣節(jié)能設(shè)計研究

谷 葉

（民航新時代機場設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

今年3月1日，住建部印發(fā)《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》，明確到2025年，城鎮(zhèn)新建建筑全面建成綠色建筑。隨后，各省市陸續(xù)出臺相關(guān)政策法規(guī)，明確各地綠色建筑發(fā)展重點任務(wù)。在碳達峰、碳中和目標(biāo)下，綠色建筑已成大勢所趨，綠色建筑設(shè)計必將大有可為。可以從多方面考慮綠色建筑電氣部分的節(jié)能設(shè)計，采用不同的方法，達到增收節(jié)支的目的。如供配電系統(tǒng)合理規(guī)劃設(shè)計、照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計、變壓器選型、建筑能耗監(jiān)測與管理、可再生能源利用等。不同建筑的電氣設(shè)計應(yīng)根據(jù)建筑功能和特點進行，平衡節(jié)能效果和投資預(yù)算。

1 供配電系統(tǒng)合理規(guī)劃設(shè)計

以民用機場為例，機場重要性高，具有各種專業(yè)性功能要求的設(shè)施，如空調(diào)和泵類等動力設(shè)備，以及安檢、安防、電梯等工藝設(shè)備等。其供配電系統(tǒng)必須完善且節(jié)能，可從以下幾個方面進行規(guī)劃和設(shè)計。

應(yīng)確立合理的送電電壓等級。送電線路的損耗與送電容量、送電距離成正比，與送電的電壓等級成反比。合理電壓等級、送電的容量、供電的距離見表1。

表1 電壓等級、送電容量和供電距離關(guān)系

應(yīng)合理配置變壓器的容量和臺數(shù)。進行綠色建筑的用電負(fù)荷計算時，應(yīng)首先考慮更貼合實際情況的利用系數(shù)及算法，必須采用需要系數(shù)法計算時，應(yīng)盡量降低設(shè)備需要系數(shù)Kx，達到減少計算負(fù)荷，節(jié)省配電系統(tǒng)建設(shè)投資的目的。在保證電力需求的條件下，變壓器負(fù)荷率不大于85%，一般為60%。合理分配用電區(qū)域，變壓器靠近負(fù)荷中心，減小供電半徑，并考慮效率和輸出功率因數(shù)。

合理規(guī)劃供電線路、電纜截面面積。航站區(qū)和飛行區(qū)是民用機場的主要區(qū)域。航站區(qū)域內(nèi)的建筑物相對分散，相同的負(fù)荷等級（1～3級）的設(shè)施設(shè)備的用電量可從附近同級建筑物中選擇；飛行區(qū)內(nèi)的供電距離較遠，應(yīng)合理規(guī)劃供電線路，盡量以直線為主，避免不合理的浪費。同時，為了提高設(shè)備的絕緣性能，當(dāng)線路過長時，可以選擇大斷面的線路，保證線路的熱穩(wěn)定性，做好降壓以及線路的保護，保證設(shè)計的安全節(jié)能。應(yīng)使三相負(fù)載盡可能平衡，負(fù)荷功率因數(shù)較低時應(yīng)設(shè)置無功補償。不平衡的三相負(fù)載會產(chǎn)生零序電流，輸電線路線損增加；導(dǎo)致電動機負(fù)載發(fā)熱，使絕緣更易老化。

2 電氣照明節(jié)能

進行照明系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)工作、生產(chǎn)的特點和作業(yè)對視覺的實際要求合理選擇照度、控制照明功率密度。既要遵循設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，又應(yīng)因地制宜，結(jié)合切合需要、確定節(jié)約用電的照度水平。

在設(shè)計中，根據(jù)國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的要求來選用照明光源，并且選用符合節(jié)能評價值的高效光源。傳統(tǒng)光源主要包括白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈等。其中，白熾燈由于能效低、發(fā)熱量大已被淘汰；熒光燈含有汞，會污染以及危害環(huán)境，因此逐漸被LED光源取代；高強度放電燈主要包括高壓鈉燈以及金屬鹵化物燈，分別用于室內(nèi)外、汽車、國防等一般照明和特殊照明，雖然仍有一定的市場，但它們也逐漸受到LED光源的影響。

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源燈具的發(fā)光效率高達90 Lm/W，電光功率轉(zhuǎn)換率接近30%；它是一種固體冷光源，使用壽命是傳統(tǒng)光源的10倍以上，由可回收的無毒材料制成；同時還具有發(fā)熱量低、多色溫可選、顯色指數(shù)高、無頻閃等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的手動控制照明系統(tǒng)很難滿足人們對照明舒適性和綠色節(jié)能的雙重需求。而智能照明控制系統(tǒng)將LED光源可調(diào)光的優(yōu)點與近年來快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)計算機控制技術(shù)結(jié)合起來，利用傳感器獲取環(huán)境信息，輔以智能控制策略，可以實現(xiàn)遠程控制、場景控制、自動照度控制、自動開關(guān)控制等功能，避免過度照明和長期照明等現(xiàn)象，達到節(jié)約照明能耗、提高照明舒適度、提高建筑物智能化水平的目的。

以某交通中心及地下停車場項目為例，地上部分為客運交通中心，地下部分為近2萬m2的地下車庫。地下車庫照明的電力消耗本質(zhì)上是一個電源管理問題。地下車庫不是人們的主要活動場所，人們在車庫的活動一般僅限于停車和取車，照度要求不高，達到75Lx既滿足規(guī)范要求。該項目采用一種基于物聯(lián)自組網(wǎng)感應(yīng)節(jié)能燈的智能照明系統(tǒng)方案。所采用的LED燈具自帶集成的智能芯片進行點亮控制，自帶一套紅外感應(yīng)模塊或雷達波模塊，用于感應(yīng)車輛及行人；自帶通訊模塊，同時搭配網(wǎng)關(guān)，可利用無線MESH技術(shù)自組網(wǎng)絡(luò)，也可通過網(wǎng)關(guān)進行集中控制；燈具亮度1%～100%可調(diào)。

當(dāng)任意一盞燈感應(yīng)到人車移動時，會聯(lián)動周圍15～60 m（可調(diào)）內(nèi)其他光源同時進入高亮度照明狀態(tài)，為人車周圍提供足夠距離的照明空間，活動的人車可一直處于燈光中心圈內(nèi)，照明體驗良好。當(dāng)檢測到人或車輛已離開后，燈具首先進入50%功率模式，等待15秒后車道燈進入10%微亮狀態(tài)，車尾燈熄滅。經(jīng)實際測試，該項目智能照明系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燈具常亮模式相比，可實現(xiàn)71%～85%的節(jié)電率，按2萬m2地庫計算，每年可節(jié)約電費約30萬元。

圖1 地下車庫調(diào)光策略示意圖

智能照明控制系統(tǒng)主機設(shè)于地下車庫值班室內(nèi)，可通過網(wǎng)關(guān)采集每盞燈的感應(yīng)次數(shù)、時間、感應(yīng)狀態(tài)，并在某盞燈具出線故障時自動提示管理員故障燈位置，以便及時進行更換；同時可自動采集電能耗記錄圖表，可按小時、日、月、年查看，自動生成數(shù)據(jù)對比報告。

3 能耗分項計量與分析系統(tǒng)

根據(jù)國家分項計量導(dǎo)則的要求，照明插座用電、動力用電、空調(diào)用電和其他特殊用電幾項內(nèi)容均屬于建筑用電。通過對各分項用電的實時監(jiān)控，可以掌握分項能耗實際情況，及時發(fā)現(xiàn)用電的異常情況。利用智能信息技術(shù)挖掘節(jié)能潛力，可分析不同時期、不同分支的綜合能耗，發(fā)現(xiàn)設(shè)備匹配的不合理，通過互聯(lián)網(wǎng)與建筑控制相結(jié)合實現(xiàn)“節(jié)能監(jiān)管+最優(yōu)控制”。

能耗分項計量系統(tǒng)的主要組成部分包括末端的用電計量裝置、數(shù)據(jù)收集器以及系統(tǒng)服務(wù)器。電路的電流、電壓、功率等參數(shù)需要通過公共建筑用電計量裝置進行實時測量，電能表的額定精度不低于1.0級，且支持?jǐn)?shù)據(jù)的遠程傳輸；電流互感器精度等級不低于0.5級，可監(jiān)測有功功率或電流，采用標(biāo)準(zhǔn)串行的電氣接口。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器用于各種用能計量表的實時數(shù)據(jù)采集，低功耗嵌入式系統(tǒng)滿足電磁兼容相關(guān)的性能規(guī)范，且具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、遠程傳輸?shù)鹊裙δ堋?/p>

能耗分項計量與分析系統(tǒng)進行能耗評價的重要途徑，是能源管理的基本組成部分。必須依靠能源管理系統(tǒng)來及時有效地處理能源分項測量分析系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的問題，實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)。

4 可再生能源的應(yīng)用

綠色建筑要求在其生命周期內(nèi)，應(yīng)有效減少能源消耗。使用可再生能源這一需求是契合的，不僅可以替代煤炭等傳統(tǒng)能源，減少污染物的排放，對可持續(xù)發(fā)展也具有深遠意義。

4.1 太陽能

隨著光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進步，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力的成本已降至非常低的水平。太陽能相對清潔，易于安裝和后期維護，是一種成本低、可靠性高的新能源。

太陽能利用有兩種方式。第一種是被動式太陽能應(yīng)用，是指通過太陽能的傳熱效應(yīng)收集太陽能，然后通過建筑物內(nèi)的熱交換提供給用戶的應(yīng)用，如太陽能熱水器、太陽房采暖系統(tǒng)等，優(yōu)點是成本低，同時便于維護，缺點是轉(zhuǎn)化效率偏低。第二種常見的應(yīng)用是太陽能應(yīng)用，它是通過將太陽能轉(zhuǎn)化為電能來使用的，簡稱光伏發(fā)電系統(tǒng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件（太陽能電池板）、光伏控制器、逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)以及負(fù)載等組成，分離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立運行，系統(tǒng)簡單，但需要設(shè)置專用于儲能的蓄電池組，缺點是蓄電池體積大、維護難度高。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)與市電并行運行，陽光輻射能較強，發(fā)電功率大于所需時，電能由光伏發(fā)電系統(tǒng)饋入電網(wǎng)；在夜晚、陰雨等光伏發(fā)電功率較小的情況下，建筑物內(nèi)負(fù)荷改為由市電供電。這種模式的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有功率損耗低、電網(wǎng)調(diào)峰等優(yōu)點，更具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

結(jié)合綠色建筑的特點，光伏發(fā)電可與建筑體結(jié)合，形成建筑一體化光伏發(fā)電系統(tǒng)（BIPV）。常見的有將太陽能電池與建筑材料合二為一，成為一塊建筑材料，如光伏采光頂，這種安裝形式可有效利用屋頂空間，受其他建筑物遮擋概率低，受光照時間長；在已建成的建筑物上加裝光伏系統(tǒng)時，可以在現(xiàn)有建筑的基礎(chǔ)上增加光伏組件的安裝，安裝位置可選擇水平屋頂、坡面屋頂、墻面等處。

在公共建筑中，照明負(fù)荷不受季節(jié)影響，需求比較穩(wěn)定，最適合使用光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。對于部分建筑室內(nèi)區(qū)域，白天不能正常接受陽光而需要覆蓋照明設(shè)備的，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以高效工作，最大限度地發(fā)揮作用；對于夜間戶外景觀照明需求，可以連接電池儲存白天產(chǎn)生的電能，達到夜間照明的效果。工業(yè)負(fù)荷情況復(fù)雜，不確定性較高；動力負(fù)荷沖擊電流較大，同時具有隨時間、季節(jié)波動的特點，均不建議使用光伏系統(tǒng)供電。

結(jié)合使用主動式、被動式兩種太陽能利用技術(shù)，可以最大限度保證建筑的電能、熱能的供應(yīng)，構(gòu)建節(jié)能型建筑對于減少對傳統(tǒng)能源的需求是可行的，為未來建筑的發(fā)展提供了新的思路，也能保證可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略建筑目標(biāo)。

4.2 地?zé)崮?/h3>

地?zé)崮苁且环N常見的能源，大量的熱能儲存在地球的內(nèi)部。地球從太陽中接收到的能量大約是全球總能源消耗的2 000倍，地表10 m以上的地表溫度是受大氣環(huán)境影響的，10 m以下不受大氣環(huán)境影響。因此，淺層的地?zé)豳Y源豐富、分布廣泛，溫度是穩(wěn)定的（略高于當(dāng)?shù)仄骄鶞囟?～5℃），是一種存量豐富的能源儲備形式。

淺層地?zé)崮艿睦弥饕柚卦礋岜猛瓿桑@種能源可以通過熱能的方式對建筑進行制冷、供暖，從而達到節(jié)能減排的目的，還可以有效解決太陽能利用率受天氣影響的問題，同時地表熱能受氣候的影響較小，建筑施工也不會影響建筑的外觀，因此適用性比較強。

4.3 風(fēng)能

風(fēng)能是一種可再生的清潔能源。風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換成機械能，機械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電所需的設(shè)備被稱為風(fēng)力發(fā)電機組。

小型風(fēng)電場在建筑中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一個是在城市里的高層建筑之間，第二是建筑物樓頂。高層建筑兩樓之間的墻體是垂直的，風(fēng)通過時，比開闊區(qū)域更集中，可將風(fēng)力發(fā)電效果提高25%；建筑物樓頂安裝的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般作為獨立電源，向建筑物供電。與光伏發(fā)電系統(tǒng)類似，其發(fā)電功率具有強時變性，需電池組配置為照明負(fù)載供電。

4.4 生物質(zhì)能

地球上的生物質(zhì)能資源豐富，光合作用每年產(chǎn)生1 730億t生物質(zhì)能。隨著綠色節(jié)能的倡導(dǎo)，生物智能的應(yīng)用潛力也有所提高。然而，由于原材料收集困難，生產(chǎn)技術(shù)不成熟，我國生物質(zhì)能的利用率仍處于較低的水平。

將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的燃料加以利用是常見的生物質(zhì)能應(yīng)用方式主要。目前在一些生物質(zhì)能豐富的地區(qū)已實現(xiàn)了建筑一體的生物質(zhì)燃?xì)庀到y(tǒng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，在建筑電氣設(shè)計的過程中，相關(guān)設(shè)計人員要在滿足建筑實際性能要求的前提下，應(yīng)用綠色建筑電氣技術(shù)，如上述提到的供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和能耗分項計量與分析系統(tǒng)的應(yīng)用可以加強環(huán)境保護以及減少大型設(shè)備的能源消耗，以實現(xiàn)節(jié)能減排的最終目標(biāo)。