绿色建筑电气节能设计研究

2022-09-27谷叶

大众标准化 2022年18期

谷叶

（民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335）

今年3月1日，住建部印发《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》，明确到2025年，城镇新建建筑全面建成绿色建筑。随后，各省市陆续出台相关政策法规，明确各地绿色建筑发展重点任务。在碳达峰、碳中和目标下，绿色建筑已成大势所趋，绿色建筑设计必将大有可为。可以从多方面考虑绿色建筑电气部分的节能设计，采用不同的方法，达到增收节支的目的。如供配电系统合理规划设计、照明系统节能设计、变压器选型、建筑能耗监测与管理、可再生能源利用等。不同建筑的电气设计应根据建筑功能和特点进行，平衡节能效果和投资预算。

1 供配电系统合理规划设计

以民用机场为例，机场重要性高，具有各种专业性功能要求的设施，如空调和泵类等动力设备，以及安检、安防、电梯等工艺设备等。其供配电系统必须完善且节能，可从以下几个方面进行规划和设计。

应确立合理的送电电压等级。送电线路的损耗与送电容量、送电距离成正比，与送电的电压等级成反比。合理电压等级、送电的容量、供电的距离见表1。

表1 电压等级、送电容量和供电距离关系

应合理配置变压器的容量和台数。进行绿色建筑的用电负荷计算时，应首先考虑更贴合实际情况的利用系数及算法，必须采用需要系数法计算时，应尽量降低设备需要系数Kx，达到减少计算负荷，节省配电系统建设投资的目的。在保证电力需求的条件下，变压器负荷率不大于85%，一般为60%。合理分配用电区域，变压器靠近负荷中心，减小供电半径，并考虑效率和输出功率因数。

合理规划供电线路、电缆截面面积。航站区和飞行区是民用机场的主要区域。航站区域内的建筑物相对分散，相同的负荷等级（1～3级）的设施设备的用电量可从附近同级建筑物中选择；飞行区内的供电距离较远，应合理规划供电线路，尽量以直线为主，避免不合理的浪费。同时，为了提高设备的绝缘性能，当线路过长时，可以选择大断面的线路，保证线路的热稳定性，做好降压以及线路的保护，保证设计的安全节能。应使三相负载尽可能平衡，负荷功率因数较低时应设置无功补偿。不平衡的三相负载会产生零序电流，输电线路线损增加；导致电动机负载发热，使绝缘更易老化。

2 电气照明节能

进行照明系统设计时，首先应根据工作、生产的特点和作业对视觉的实际要求合理选择照度、控制照明功率密度。既要遵循设计标准，又应因地制宜，结合切合需要、确定节约用电的照度水平。

在设计中，根据国家现行相关标准中的要求来选用照明光源，并且选用符合节能评价值的高效光源。传统光源主要包括白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯等。其中，白炽灯由于能效低、发热量大已被淘汰；荧光灯含有汞，会污染以及危害环境，因此逐渐被LED光源取代；高强度放电灯主要包括高压钠灯以及金属卤化物灯，分别用于室内外、汽车、国防等一般照明和特殊照明，虽然仍有一定的市场，但它们也逐渐受到LED光源的影响。

与传统光源相比，LED光源灯具的发光效率高达90 Lm/W，电光功率转换率接近30%；它是一种固体冷光源，使用寿命是传统光源的10倍以上，由可回收的无毒材料制成；同时还具有发热量低、多色温可选、显色指数高、无频闪等优点。

传统的手动控制照明系统很难满足人们对照明舒适性和绿色节能的双重需求。而智能照明控制系统将LED光源可调光的优点与近年来快速发展的物联网计算机控制技术结合起来，利用传感器获取环境信息，辅以智能控制策略，可以实现远程控制、场景控制、自动照度控制、自动开关控制等功能，避免过度照明和长期照明等现象，达到节约照明能耗、提高照明舒适度、提高建筑物智能化水平的目的。

以某交通中心及地下停车场项目为例，地上部分为客运交通中心，地下部分为近2万m2的地下车库。地下车库照明的电力消耗本质上是一个电源管理问题。地下车库不是人们的主要活动场所，人们在车库的活动一般仅限于停车和取车，照度要求不高，达到75Lx既满足规范要求。该项目采用一种基于物联自组网感应节能灯的智能照明系统方案。所采用的LED灯具自带集成的智能芯片进行点亮控制，自带一套红外感应模块或雷达波模块，用于感应车辆及行人；自带通讯模块，同时搭配网关，可利用无线MESH技术自组网络，也可通过网关进行集中控制；灯具亮度1%～100%可调。

当任意一盏灯感应到人车移动时，会联动周围15～60 m（可调）内其他光源同时进入高亮度照明状态，为人车周围提供足够距离的照明空间，活动的人车可一直处于灯光中心圈内，照明体验良好。当检测到人或车辆已离开后，灯具首先进入50%功率模式，等待15秒后车道灯进入10%微亮状态，车尾灯熄灭。经实际测试，该项目智能照明系统与传统的灯具常亮模式相比，可实现71%～85%的节电率，按2万m2地库计算，每年可节约电费约30万元。

图1 地下车库调光策略示意图

智能照明控制系统主机设于地下车库值班室内，可通过网关采集每盏灯的感应次数、时间、感应状态，并在某盏灯具出线故障时自动提示管理员故障灯位置，以便及时进行更换；同时可自动采集电能耗记录图表，可按小时、日、月、年查看，自动生成数据对比报告。

3 能耗分项计量与分析系统

根据国家分项计量导则的要求，照明插座用电、动力用电、空调用电和其他特殊用电几项内容均属于建筑用电。通过对各分项用电的实时监控，可以掌握分项能耗实际情况，及时发现用电的异常情况。利用智能信息技术挖掘节能潜力，可分析不同时期、不同分支的综合能耗，发现设备匹配的不合理，通过互联网与建筑控制相结合实现“节能监管+最优控制”。

能耗分项计量系统的主要组成部分包括末端的用电计量装置、数据收集器以及系统服务器。电路的电流、电压、功率等参数需要通过公共建筑用电计量装置进行实时测量，电能表的额定精度不低于1.0级，且支持数据的远程传输；电流互感器精度等级不低于0.5级，可监测有功功率或电流，采用标准串行的电气接口。系统中的数据采集器用于各种用能计量表的实时数据采集，低功耗嵌入式系统满足电磁兼容相关的性能规范，且具有数据采集、处理、存储、远程传输等等功能。

能耗分项计量与分析系统进行能耗评价的重要途径，是能源管理的基本组成部分。必须依靠能源管理系统来及时有效地处理能源分项测量分析系统中发现的问题，实现真正意义上的节能和环保的目标。

4 可再生能源的应用

绿色建筑要求在其生命周期内，应有效减少能源消耗。使用可再生能源这一需求是契合的，不仅可以替代煤炭等传统能源，减少污染物的排放，对可持续发展也具有深远意义。

4.1 太阳能

随着光伏产业技术的进步，将太阳能转化为电力的成本已降至非常低的水平。太阳能相对清洁，易于安装和后期维护，是一种成本低、可靠性高的新能源。

太阳能利用有两种方式。第一种是被动式太阳能应用，是指通过太阳能的传热效应收集太阳能，然后通过建筑物内的热交换提供给用户的应用，如太阳能热水器、太阳房采暖系统等，优点是成本低，同时便于维护，缺点是转化效率偏低。第二种常见的应用是太阳能应用，它是通过将太阳能转化为电能来使用的，简称光伏发电系统。

光伏发电系统主要由光伏组件（太阳能电池板）、光伏控制器、逆变器、监控系统以及负载等组成，分离网型和并网型两类。离网型光伏发电系统独立运行，系统简单，但需要设置专用于储能的蓄电池组，缺点是蓄电池体积大、维护难度高。并网型光伏发电系统与市电并行运行，阳光辐射能较强，发电功率大于所需时，电能由光伏发电系统馈入电网；在夜晚、阴雨等光伏发电功率较小的情况下，建筑物内负荷改为由市电供电。这种模式的光伏发电系统具有功率损耗低、电网调峰等优点，更具有发展潜力。

结合绿色建筑的特点，光伏发电可与建筑体结合，形成建筑一体化光伏发电系统（BIPV）。常见的有将太阳能电池与建筑材料合二为一，成为一块建筑材料，如光伏采光顶，这种安装形式可有效利用屋顶空间，受其他建筑物遮挡概率低，受光照时间长；在已建成的建筑物上加装光伏系统时，可以在现有建筑的基础上增加光伏组件的安装，安装位置可选择水平屋顶、坡面屋顶、墙面等处。

在公共建筑中，照明负荷不受季节影响，需求比较稳定，最适合使用光伏发电系统供电。对于部分建筑室内区域，白天不能正常接受阳光而需要覆盖照明设备的，光伏发电系统可以高效工作，最大限度地发挥作用；对于夜间户外景观照明需求，可以连接电池储存白天产生的电能，达到夜间照明的效果。工业负荷情况复杂，不确定性较高；动力负荷冲击电流较大，同时具有随时间、季节波动的特点，均不建议使用光伏系统供电。

结合使用主动式、被动式两种太阳能利用技术，可以最大限度保证建筑的电能、热能的供应，构建节能型建筑对于减少对传统能源的需求是可行的，为未来建筑的发展提供了新的思路，也能保证可持续发展的战略建筑目标。

4.2 地热能

地热能是一种常见的能源，大量的热能储存在地球的内部。地球从太阳中接收到的能量大约是全球总能源消耗的2 000倍，地表10 m以上的地表温度是受大气环境影响的，10 m以下不受大气环境影响。因此，浅层的地热资源丰富、分布广泛，温度是稳定的（略高于当地平均温度3～5℃），是一种存量丰富的能源储备形式。

浅层地热能的利用主要借助地源热泵完成，这种能源可以通过热能的方式对建筑进行制冷、供暖，从而达到节能减排的目的，还可以有效解决太阳能利用率受天气影响的问题，同时地表热能受气候的影响较小，建筑施工也不会影响建筑的外观，因此适用性比较强。

4.3 风能

风能是一种可再生的清洁能源。风力发电是将风的动能转换成机械能，机械能转化为电能。风力发电所需的设备被称为风力发电机组。

小型风电场在建筑中的应用主要体现在以下两个方面。一个是在城市里的高层建筑之间，第二是建筑物楼顶。高层建筑两楼之间的墙体是垂直的，风通过时，比开阔区域更集中，可将风力发电效果提高25%；建筑物楼顶安装的小型风力发电系统一般作为独立电源，向建筑物供电。与光伏发电系统类似，其发电功率具有强时变性，需电池组配置为照明负载供电。