民用建筑电气节能设计与措施分析

2018-03-21陈满

四川建筑 2018年2期

陈满

(广东省城乡规划设计研究院, 广东广州 510290)

随着可持续发展的观念的推进、节约能源以及可循环利用的理念的推行，“绿色建筑”这一概念已经深入人心。我国对民用建筑绿色化、节能化的改造和改善工作也在稳步前进。民用建筑节能化的关键在于可持续性，目的在于使建筑在使用年限内能够循环利用资源、减少能源排放、降低污染、提高综合效益。建筑的总体电气设计是绿色建筑设计概念的一个重要组成部分，它对于提高民用建筑的美观、发挥民用建筑的使用功能、为广大居住者的生命财产安全提供保障、节约建筑成本等，均具有一定的影响[1]。

当前，民用建筑电气设计的理论体系和实践经验已经日益完善，但在民用建筑电气设计的节能化设计中，仍然存在一些问题值得研究和改进。目前我国的民用建筑的电气系统主要存在如下问题。

(1)建筑节能体系不健全。虽然很多国家都在实施建筑电气设计节能化，但我国的民用建筑节能体系和相关规范并不完善，很多时候在电气设计时无法提供有效的节能评价指标，导致各地区、各部门的设计规范和要求没有统一的标准。

(2)节能经常成为一张“空头支票”，很多地区建设的民用节能建筑往往只有一个称号，但在实际的运行中，这些民用建筑仍然是耗电大户，能源消耗量并没有实际意义上的减少。

(3)部分相关部门和开发商的节能意识不强，没有认识到民用建筑电气节能所能带来的经济效益和社会效益，导致民用建筑电气设计节能化、绿色化进展缓慢，具体节能措施落实不到位，主要体现在了很多民用建筑电气系统在初始设计时在安全性、节能性、规范性上就没有得到很好的保障。

据统计，在我国有三分之一的总体能耗源于各类建筑能耗，且这种趋势正随着国家经济发展和人民物质文化需求的提升不断增长。专家分析统计了建筑能耗中各种能耗的组成，研究后发现各种能耗的组成中，所占比例最大的就是电气能耗。各种电能的消耗比例大体如下：照明设备用电所占比例15 %～25 %，水泵、风机设备用电所占比例10 %～15 %，空调设备用电所占比例为40 %[3]。目前已有诸多学者针对我国民用建筑的节能措施进行了研究。

雷有秀[4]针对高层民用建筑提出了通过恰当选用电压等级、优化配电线路、优化选择电气设备和照明系统节能设计四种措施来满足高层民用建筑电气节能环保需求。

彭子江[5]针对民用建筑照明系统节能设计进行了研究，介绍了与照明相关的常用光度量，引出照明质量评价指标，分析了常用电光源与灯具的特性，并讨论其适用场所，论述了常用的照度计算方法的计算过程与应用条件，提出了便于设计人员选择科学布置照明设备的正确的计算方法。

邹玉宣[6]通过电气设计、施工实践，对民用建筑电气节能设计规范和施工规范的要求和应用进行探讨。

于剑[7]从节能降耗角度重点分析了民用建筑电气系统节能设计方案，确定节能设计方向和要点，有针对性的采取措施进行优化，做好每个节点的控制，争取在不影响系统基础功能前提下，达到节能效果，并对多种民用建筑电气节能设计方案进行了对比分析。

王甫、于妍[8]通过对地下车库的设计实践，从供配电系统和照明系统两方面介绍和分析地下车库的电气节能设计措施，并提出了优化方案。

如何使民用建筑电气设计更加符合可持续发展的要求，成为了摆在设计师面前的一个重大课题。本文利用实际项目，通过梳理民用电气设计的思路和方法，以及针对民用建筑电气设计中一些主要环节的节能措施展开研究，希望为民用建筑电气节能措施的设计上提供一些理论参考和实践借鉴。

1 供电源头节能措施

1.1 负荷和电源

1.1.1 电源

通常，供电电源的电压等级的主要参考依据是用户最大的用电荷载，并同时考虑用电设备的总容量、变电站总变压器的功率、当地供电环境条件和客户群体特征，最后在经济、环保、效益的综合评价下确定。供电电源的电压等级一般按以下原则确定。

(1)用电设备的总容量不大于100 kW或者受电变压器容量不大于50 kVA，可采用低压供电。用户变压器的总容量在 100～16 000 kVA时，应选用10 kV的电压供电。

(2)用户变压器的总容量在 8～40 MVA 时，可采用35 kV的供电电压。但不推荐客户变电站使用35 kV等级电压，遇特殊情况需要使用的，应进行技术经济比较。

(3)用户变压器的总容量在16～100 MVA 时，宜使用不小于120 kV的电压级别供电。

(4)用户变压器的总容量在不小于100 MVA，宜采用不小于220 kV的电压等级供电。

(5)使用不小于10 kV电压供电时，当单回路电源线路的容量不满足负荷需求且周边无更高级别的电压时，可适当、合理地增加供电回路数量，即多回路供电。

1.1.2 负荷

根据小区各类设备用途和重要性，可以将用电器负荷等级分为三级：

(1) 一级负荷：消防排烟风机、监控设备、消防泵、雨水泵、车道照明、事故应急照明等；其中监控设备、应急照明、火灾报警系统为特别重要一级负荷。

(2)二级负荷：居民楼通风机、废水泵、楼道照明、遮光段道路照明等。

(3)三级负荷：不属于一、二级的其它负荷。

1.2 开闭站

虽然供电部门建议可以将开闭站及附属设施设置在地面，但是在市中心等用地十分紧张的区域，为提升地上面积的使用效率，可以将开闭站与其他建筑物结合建设，也可考虑将开闭站设置在公共建筑地下一层。当开闭站设置在地下时，在初始设计中应采取安全、可靠、高效的防水、防火设备。同时开闭站要预留单独的进出口、电缆夹层、电气设备吊装口、以及配备必要的检修保养附属设备。

开闭站的电源线路设计通常采用双路电源进线，单母线分段接线。如果建设地区面积较小、用地紧张，可根据实际情况建设馈电出线为6～8路的小型开闭站，一般情况下不推荐带保护而无配备母联的大配电室模式。

1.3 变配电室节能方法

1.3.1 合理选择变配电所的位置

变配电室应设置在用电负荷密集处，可以在减少供电电力电缆的建造成本的同时，缩短线路电缆的长度，缩短配电施工半径从而减少了线路压降和电路损耗。经过实际项目的测试，将供电半径控制在100～160 m的范围内，可以取得理想的节能效果。

1.3.2 选择节能型配电器

变压器在民用建筑电力设备系统中应用广泛，从发电到供电再到用户末端的用电器，需要经过数次的变压。在这个过程中变压器由于存在电阻及其他原因会产生相当大的功率损耗。我国民用建筑规模庞大、变压器数量多，故变压器的功率损耗量事十分巨大的，通常变压器损耗可以占到电路总损耗的1/3～1/4。因此选择节能型配电器成了降低变压器损耗的有效手段之一。

1.3.3 合理选择变压器的数量、材料和运行方式

民用建筑一般是按照建筑区域里的最大负荷来选择变压器的容量，通常一个区域配置一套供电变压器，而且变压器的容量一般会富余且后期无法调整。这种“最大化”原则，会使变压器的能源损耗很大，导致 “大马拉小车”的情况出现。这种方案还有一个弊端，在工作室仅有一台变压器长期运行，没有备用电源，一旦出现故障，往往无法及时恢复工作。

由于采用了高压供电的模式，变压器成为了建筑中不可缺少的部分，在建筑配电系统中发挥着非常重要的作用。同样的，变压器中消耗的电能也在建筑总能耗中占了一定的比例。在变压器中，主要是铜耗和铁耗两种消耗形式。二者相比铁质材料的损耗相比铜质更大，这种损耗和系统中承担的负荷大小没有关系，是系统本身材料和工艺导致的。降低这种能耗需要选择电能损耗小的材质，可以选择铜锌合金或者镁铝合金的变压器。另一方面，材料电能损耗和系统负载相关，控制变压器电能损耗在选取合适材质的同时需要控制变压器的台数和容量，并根据建筑负载的变化周期性来选择系统设置，从而保证对能源消耗的有效控制，减少不必要的能耗，达到节能的目的。

以笔者参与的实际项目为例，每个建筑区域按照用电负荷的要求都配置了2台(甚至3台)容量相等的变压器，这2台变压器的容量和等于建筑范围内的用电总负荷。在低峰时期，1台变压器运行，高峰期间，2台变压器并列启动。这2台变压器互为备用设备，当某一台发生故障而无法工作时时，另一台可以继续为用电器供电，从而在提高供电经济效益的同时，又提高了供电可靠性和稳定性。

1.3.4 提高功率因素和负荷率

变压器效率与用电负荷功率因数、变压器荷载等级和损耗大小都有关系。通常来说，变压器的负荷率在30 %～75 %时，是经济运行区；在50 %～60 %时，变压器的运行效率是最高的。在用电负荷不变时，功率因数越大，变压器运行效率越高。

功率因数的提高通常有电容补偿法和自然调整法两种方法。电容补偿法是指变压器和高压用电设备的无功功率可以由高压电容器进行补偿，对用电设备进行无功的集中成组补偿。若用电设备距离较远，且设备比较分散，还可使用就地补偿的方法。自然补偿法要求合理选择变压器的用电容量，减少变压器的空载运行时间从而提高负荷率，提高变压器的功率因数。

2 电力电缆节能措施

在民用建筑电气设计中，作为电能运输导体，电力电缆的设计是重要部分。各种电力线缆上都有一定的电阻，当电流通过时，就会产生压降和电能损耗。在电能输送时，线缆的电能损耗与距离及线缆的电阻值成正比。由于民用建筑室内外电缆数量较多，由此造成的电能损耗也是相当巨大的，必须在电气设计中引起足够的重视，因此如何采用合理的措施来减少电缆电阻，就成了节能的关键：

R=ρ·L/S

(1)

式中：ρ为导体电阻率；L为导体长度；S为导体横截面积。

由上式可见，减少电阻的方式主要有以下三种：

(1)设计合理的电缆线路，从而减少电缆长度。

(2)确定合理的设备放置点，例如变配电室的位置应尽量位于供电区域的负荷中心；在高层建筑中，单体的低压配电间应尽量靠近电气竖井，对于长度较长的单体，可以考虑分段设置配电间。

(3)适当增加线缆横截面积，采用电阻率较小的线缆材料。

在电缆设计时，可以通过选取节能型的电缆型号以及控制截面来降低能耗，在满足使用条件及电缆运行要求的前提下减小电缆线的截面，价格相对便宜。但是电阻截面越小也就意味着电阻值大，从而电能损耗也增加，造成运行费用不降反升。适当的增大电缆截面积可以减少能耗，但线路设计的前期投资也会增加，因此在增大电缆截面积来减小能耗需要重复考察各种环境、资源条件的前提下，根据实际建筑耗能的情况来适当选取一个调节范围。

在具体的电缆布设实施中，为了进一步降低民用建筑中的能量消耗，要在最初设计时就将节能问题考虑在内。首先，必须要意识到线路损耗是不可能完全避免的，目标应该是将这个损耗降低到某个范围内；其次要考虑输电缆路径设计，控制路径长度能够减少在不必要路径中的损耗；最后，电气设备厂房的布设要不断趋向合理化，要综合考虑到各个终端的距离、各区域用电功率和用电频率、根据供电线路最小化的原则合理设计。

3 照明设备节能措施

3.1 灯源的选取

选择合适的光源是照明部分设计的一个重要环节，一种光源是否是高效节能的光源，主要是看它的发光效率有多少。我国基础建设量巨大，灯具的使用数量也相当可观。作为照明设备的一个重要附件，镇流器的选取对于民用建筑照明设备的节能起到了一定的作用。配备了节能型电感镇流器的灯具的价格虽然高于其他类型的灯具，但是其带来的节能效果能够很快的显现出来。经过一些设计师的对项目后期的跟踪调查发现，使用节能型电感镇流器的灯具一年后，所节省出来的电费就能够补齐当初购买时的差价部分。

此外，节能型电感镇流器在性价比方面确实具有优势。节能型电感镇流器有安全可靠、长寿命和节能的多个优点，是荧光灯镇流器的首选产品。所以，在选择照明灯具的时候最好选择配备节能型电感镇流器的荧光灯具。例如，民用小区夜间至凌晨19∶00～06∶00的照明约占整个建筑照明用电量的20 %～30 %，因此，根据不同时段的建筑用电分布，选用具有调光控制模式的LED照明灯具，根据环境亮度随时加强或减弱小区照明灯具的亮度，其节电效果非常明显。另外，由于基本照明段LED照明灯具采用调光控制模式，在人流进出量小的情况下，调低整体照明亮度，达到节能目的，同时避免了传统“间隔开灯”给照明带来斑马线效应。

3.2 地下车库照明

为了满足居民泊车需求，同时减少地面停车位占地面积，很多民用建筑通过建设大型地下停车库来缓解停车压力。一般来说，地下车库晚间使用和上下班时间处于高峰使用时间，而且白天没有自然采光，在高峰期间要使用者要支付高价电费，所以很多民用建筑的地下车库的电能损耗量相当巨大。传统的节能方案通常是采用声控开关以及红外和微波探测器，但这两种节能方案都具有缺点。采用声控开关由于频繁开闭会加速灯管损坏，维护费用随之提高，例如出现高音量的汽车鸣笛现象将会启动大范围区域照明；红外和微波探测器造价较高，通过探知光源来工作，探测到人员或车辆时开灯，然后一定时间后延时关闭，不便进行区域集中管理。本文根据实际工程提出了两种地下车库照明节能设计的改进方案。

3.2.1 红外与分段控制相结合

在车位上方安装红外探测器，每个红外探测器可探测3～5个车位，当探测器探测到人员和车辆时开灯，人离开后30 s延时关闭。

此外，车道上方照明具有如下特点：照明设备密集，主要车道照明的使用率高。倘若仅仅安装红外探测器，有可能造成照明的频繁开闭，光源每开启一次将损失3 h的使用寿命，建议在主车道上不宜使用红外探测器。所以，建议采用分时段定时控制，例如根据车流情况预先划分时段，如白天10∶00～16∶00和夜间11∶00～5∶00关闭一半的照明灯。

3.2.2 实行分时段定时控制

根据车流量和高峰时段分布对地下车库全部实行分时段定时控制，如白天10∶00～16∶00和夜间0∶00～5∶00关闭一半的照明灯，其它时间照明灯全部打开；该方法适用于小面积的停车区域照明控制，可以起到较为明显节能效果。

3.3 应急照明系统

根据规范规定，居民小区必须设置应急照明供电系统，以确保紧急情况下，疏散及救助工作的安全进行。应急照明的范围包括楼道内应急照明、车行道和人行道的应急照明、设置在各楼层安全门(逃生口)处的应急诱导标志。应急照明供电系统能在正常外部电源全部失去时，提供不间断的交流电源，切换时间不大于0.2 s。应急电源在正常母线电压低于额定电压的80 %时，仍然能正常启动和工作。