建筑電氣設(shè)計(jì)及節(jié)能措施淺析
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［摘要］隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展，建筑行業(yè)中電氣設(shè)備的技術(shù)水平獲得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，其功能性、適用性也不斷在強(qiáng)化。在建筑設(shè)計(jì)中，使用方及設(shè)計(jì)師們已經(jīng)不僅僅局限于設(shè)備功能使用方面的需求，綠色建筑等更進(jìn)一步的理念逐漸更多地占據(jù)設(shè)計(jì)方案內(nèi)容，成為主流思想。而這也對(duì)綠色與節(jié)能環(huán)保這一理念與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合提出更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。建筑電氣設(shè)計(jì)工作中，需要調(diào)配大量的能源、設(shè)備投入到建筑中，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的合理調(diào)配、對(duì)設(shè)備的科學(xué)運(yùn)用。合理實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)能措施的運(yùn)用，盡可能減少能源消耗，提高能源利用率，是目前進(jìn)建筑行業(yè)發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)。本文對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)中采取節(jié)能技術(shù)的意義進(jìn)行分析，并對(duì)原則、問題、措施與提升效果措施全面探索，以期高效達(dá)成建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，降低能源消耗，落實(shí)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。
［關(guān)鍵詞］建筑；電氣；節(jié)能
建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)指的是在滿足建筑基本使用功能的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)電氣工程之中照明、變壓器等設(shè)備所產(chǎn)生的損耗減少，使建筑用電的應(yīng)用效率顯著提高，將其在運(yùn)行中的成本降低。當(dāng)前，伴隨著建筑設(shè)備功能越來越強(qiáng)大，設(shè)備能耗量不斷提高，在設(shè)計(jì)中做到電氣節(jié)能具有重要價(jià)值，這也是建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。作者在建筑電氣設(shè)計(jì)以及節(jié)能措施方面深入探索，以節(jié)約能源消耗為目標(biāo)開展科學(xué)設(shè)計(jì)，推動(dòng)建筑業(yè)的持續(xù)性發(fā)展，也達(dá)成對(duì)生活環(huán)境的有效保護(hù)。
1建筑電氣設(shè)計(jì)中采取節(jié)能技術(shù)的意義
在建筑電氣設(shè)計(jì)之中，科學(xué)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，可將資源使用率大幅提高，降低浪費(fèi)，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有著積極意義。建筑業(yè)的不斷發(fā)展，使能源消耗狀況日趨嚴(yán)重，特別是電氣設(shè)計(jì)工作所體現(xiàn)出的直觀成果，并未讓人們對(duì)能源的消耗產(chǎn)生足夠的重視。節(jié)能設(shè)計(jì)與人們的生活息息相關(guān)，可對(duì)人們多方面的生活、工作等產(chǎn)生直接影響。若設(shè)計(jì)工作開展不夠科學(xué)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的資源損耗。合理開展此項(xiàng)設(shè)計(jì)，對(duì)于建筑業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有利[1]。同時(shí)，節(jié)能技術(shù)的普及可將目前能源緊張的現(xiàn)實(shí)情況有效緩解，強(qiáng)化對(duì)環(huán)境的保護(hù)，促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)健康發(fā)展。對(duì)資源的合理應(yīng)用，可以讓人們獲得更強(qiáng)烈的滿足感，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值的提高。
2建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則
2.1滿足基本要求
在電氣設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)先將建筑自身功能需求得到有效滿足，確保建筑可以正常運(yùn)作。例如在通道走廊設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)先確保人們?cè)谛凶咧型〞碂o障礙，再運(yùn)用感知技術(shù)，將走廊的舒適度有效提高，滿足人們的更高需求。在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，通過樓控系統(tǒng)及能源監(jiān)控系統(tǒng)，有效滿足人們?cè)陔娫捶矫娴南嚓P(guān)需求，同時(shí)也需保證用電安全。對(duì)于特殊的建筑，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，使其滿足建筑本身的特殊需要。在節(jié)能設(shè)計(jì)中，需要與實(shí)際需求相符，同時(shí)注重對(duì)新型技術(shù)、設(shè)備的運(yùn)用，使其充分滿足能耗降低的目標(biāo)。
2.2降低能源損耗
在設(shè)計(jì)中運(yùn)用節(jié)能理念，將使能源得到更有效的應(yīng)用，需要探尋容易發(fā)生能源損耗的源頭，結(jié)合其開展針對(duì)性節(jié)能設(shè)計(jì)[2]。如，科學(xué)設(shè)計(jì)配電路由，將其中的功率損耗減少；使用節(jié)能型光源的燈具；將用電器相對(duì)平均地分配在三相電源上等等節(jié)能措施。
2.3注重經(jīng)濟(jì)性
在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，需要注意控制設(shè)備的成本，采用科學(xué)性方案，選擇最適合的電氣設(shè)備以及有關(guān)材料。對(duì)于節(jié)能電氣設(shè)計(jì)，不能直接將其納入建筑成本的計(jì)算之中，需綜合考慮一次投資成本和后期運(yùn)行成本的平衡。
2.4強(qiáng)調(diào)實(shí)用性
在建筑工程中，電氣各系統(tǒng)是其中的重要組成部分，是連接建筑、給排水、暖通專業(yè)的重要橋梁，其具有很強(qiáng)的實(shí)用性。維持電氣系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運(yùn)行，是設(shè)計(jì)師最主要的出發(fā)點(diǎn)。不可為了節(jié)能而節(jié)能，當(dāng)節(jié)能系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)在運(yùn)行中并無二致的時(shí)候，則需考慮系統(tǒng)的實(shí)用性是否適合。
2.5加強(qiáng)先進(jìn)性
設(shè)計(jì)師需與時(shí)俱進(jìn)，在不斷地學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)中，逐漸完善自己的設(shè)計(jì)技能。但不可為了凸顯設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，將能耗高、實(shí)用性低且不適合的電氣系統(tǒng)應(yīng)用在電氣設(shè)計(jì)中。應(yīng)運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)不必要的能耗進(jìn)行代替，實(shí)現(xiàn)能耗的降低。
3建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)問題
我國(guó)在建筑電氣領(lǐng)域的起步相較歐美等國(guó)略晚，且綜合國(guó)力在之前也與發(fā)達(dá)國(guó)家有所欠缺，再加上外國(guó)電氣品牌對(duì)核心技術(shù)的保護(hù)措施，導(dǎo)致很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)電氣領(lǐng)域處于劣勢(shì)，在國(guó)際上沒有競(jìng)爭(zhēng)力。隨著近年來國(guó)力上升，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)師們有機(jī)會(huì)接觸到國(guó)外更先進(jìn)的技術(shù)，且有能力理解并將其運(yùn)用到我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)中。但由于核心技術(shù)的研發(fā)困難，實(shí)現(xiàn)更加人性化的建筑功能，就需要以相當(dāng)大的能源消耗作為代價(jià)。因此，提高相應(yīng)的電氣及設(shè)備技術(shù)，對(duì)節(jié)能效果有直接的影響。另外，在建筑設(shè)計(jì)工作中，對(duì)綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行力度，以及建設(shè)方對(duì)于節(jié)能理念的接受程度不同，也極大地影響了節(jié)能設(shè)計(jì)成果。
4建筑電氣設(shè)計(jì)節(jié)能措施
4.1照明設(shè)計(jì)節(jié)能
建筑照明設(shè)計(jì)，首先要滿足建筑對(duì)照明的最基本需求。建筑照明數(shù)量和質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034的規(guī)定。所有功能房間或場(chǎng)所的照明均選用高效節(jié)能光源及高效燈具，指示標(biāo)志燈、常亮型燈具應(yīng)采用LED光源。樓梯間，走廊照明采用聲光控制熄開關(guān)控制。選用節(jié)能型燈具和節(jié)能電子整流器。金屬鹵化物燈配節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，并且燈具應(yīng)設(shè)置就地補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償后功率因數(shù)不小于0.9。照明燈具、鎮(zhèn)流器應(yīng)通過國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證。在滿足眩光限制和配光要求條件下，應(yīng)選用燈具效率或效能高的燈具，并應(yīng)符合表1～表4中的要求。主要功能房間或場(chǎng)所的室內(nèi)照明光源的色溫，應(yīng)滿足表5的規(guī)定：以筆者參與并負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的某幼兒園為例，照明光源大部分選用LED光源，部分選用細(xì)管徑直管形T5三基色熒光燈，配用電子鎮(zhèn)流器。睡眠區(qū)、活動(dòng)區(qū)采用漫光型燈具，光源采用防頻閃性能好的節(jié)能光源，光源的光通量為2500lm以上。鎮(zhèn)流器選用L級(jí)低諧波高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器（一拖一式），要求燈具功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。一層大廳、各房間燈具采用就地分組控制，其他層公共區(qū)域、走廊、樓梯間采用聲光控延時(shí)自動(dòng)開關(guān)控制。幼兒園嬰兒用房紫外線殺菌燈的控制裝置應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，并應(yīng)采取防誤開措施。主要房間的功率密度及照度值如表6計(jì)算：按照國(guó)家規(guī)范，合理布置照明燈具數(shù)量及位置，主要房間的計(jì)算功率密度值、計(jì)算照度值、眩光值、顯色指數(shù)等照明數(shù)值均滿足國(guó)家規(guī)范目標(biāo)值的要求。在做到最基本節(jié)能設(shè)計(jì)的前提下，滿足了幼兒園對(duì)照明系統(tǒng)的基本需要。在日常設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)師們?cè)谡彰鞣绞健⒖刂品椒ǖ确矫嬷諿3]，使照明系統(tǒng)更進(jìn)一步滿足節(jié)能需求。引入了智能控制系統(tǒng)，利用“傳感器+控制器”組合成的智能系統(tǒng)，將自然光引入室內(nèi)照明系統(tǒng)，進(jìn)而將建筑在照明之中所產(chǎn)生的消耗減少。例如，在開放式辦公區(qū)域的外窗附近及遠(yuǎn)離外窗處設(shè)置照度感應(yīng)器。根據(jù)感應(yīng)出的現(xiàn)狀日光光照強(qiáng)度，通過控制器控制本區(qū)域的燈具開關(guān)，從而避免日光照射區(qū)燈具點(diǎn)亮造成重復(fù)照明。利用精裝修辦公工位擺放，在通道處設(shè)置移動(dòng)感應(yīng)器，配合照度傳感器，使整個(gè)智能照明系統(tǒng)更具有針對(duì)性。圖1為施耐德公司C-BUS智能化照明管理系統(tǒng)原理圖：光導(dǎo)管的出現(xiàn)，使建筑照明系統(tǒng)將能源消耗降至了最低點(diǎn)。通過對(duì)自然光源的收集、反射、再輸出，將自然光源引入室內(nèi)區(qū)域。同時(shí)結(jié)合智能照明系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)光導(dǎo)管中的反光面大小，達(dá)到調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的效果。此項(xiàng)技術(shù)使得照明系統(tǒng)成為了近零能耗系統(tǒng)。但因初期投入略高、后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較貴及無自然光條件下仍需人工照明等諸多因素存在，光導(dǎo)管技術(shù)至今仍未大面積推廣。但作為照明系統(tǒng)的節(jié)能強(qiáng)有力的技術(shù)措施，光導(dǎo)管的發(fā)展前景十分可觀。
4.2供配電系統(tǒng)節(jié)能
首先合理選用供配電電壓等級(jí)，是減少電能損耗和電壓損失的重要因素。根據(jù)供電距離、用電設(shè)備容量、受電變壓器容量、用電地區(qū)公共電網(wǎng)狀態(tài)等因素，選擇35kV、10kV、6kV、220V/380V等供電電壓等級(jí)。民用建筑市政公共供電多用10kV或6kV輸送，至用電端變?yōu)橐瞬捎?20V/380V三相四線制供電。因供配電電纜材料、配電距離等因素，配電過程中會(huì)產(chǎn)生電壓偏差。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052中明確要求，在一般情況下電動(dòng)機(jī)、一般照明等無特殊要求的用電設(shè)備，在配電端電壓偏差允許值為額定電壓的±5%。為滿足這一要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑規(guī)劃將變配電室盡量設(shè)置在負(fù)荷中心，減少低壓側(cè)線路長(zhǎng)度，降低線路損耗。220V/380V低壓供電半徑不宜超過250m，應(yīng)盡量避免“倒送電”現(xiàn)象。針對(duì)供電半徑相對(duì)較大的線路，可以結(jié)合實(shí)際情況增大電纜截面，以求降低電壓偏差。干式變壓器選用D，Yn11接線形式低損耗、低噪聲節(jié)能型電力變壓器，達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》GB20052的2級(jí)能耗或以上的要求。在低壓側(cè)設(shè)置集中無功自動(dòng)補(bǔ)償，采用自動(dòng)投切裝置，要求補(bǔ)償后功率因數(shù)保持在0.9以上。10KV供電進(jìn)線處的功率因數(shù)不應(yīng)低于0.95。對(duì)容量較大、負(fù)載穩(wěn)定且長(zhǎng)期運(yùn)行的功率因數(shù)較低的用電設(shè)備采用并聯(lián)電容器就地補(bǔ)償。對(duì)諧波電流較嚴(yán)重的非線性負(fù)荷，無功功率補(bǔ)償考慮諧波的影響，采取抑制諧波的措施：安裝無源濾波裝置。根據(jù)用電負(fù)荷，合理選擇變壓器的容量，使變壓器的負(fù)債率在85%左右。在配電過程中，單相負(fù)荷需盡可能均衡地分配在三相上，使三相負(fù)荷保持基本平衡，最大相負(fù)荷不超過三相負(fù)荷平均值的115％，最小相負(fù)荷不小于三相負(fù)荷平均值的85％。對(duì)于三相不平衡或采用單相配電的供配電系統(tǒng)，采用分相無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置。
4.3自控系統(tǒng)節(jié)能
建筑設(shè)備管理系統(tǒng)包括冷凍機(jī)房控制系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)、給排水、中水及熱水、污水監(jiān)視系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、智能變配電監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)?？茖W(xué)地配置建筑設(shè)備管理系，讓系統(tǒng)始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，能產(chǎn)生顯著的節(jié)能效益。系統(tǒng)可以根據(jù)建筑的工藝流程合理調(diào)用大樓整體能量，做到重點(diǎn)分配，重點(diǎn)使用。同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)大樓的運(yùn)行歷史記錄，管理、分析當(dāng)前和過去的運(yùn)行過程，并作趨勢(shì)報(bào)告。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，將大樓內(nèi)各設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行情況一目了然地展示給操作人員，且當(dāng)系統(tǒng)中控設(shè)備停止工作時(shí)，可由現(xiàn)場(chǎng)DDC實(shí)現(xiàn)控制。系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)也分別自成體系，通過Lonworks、BACnet、OPC、TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用總線制的形式與管理系統(tǒng)連接，以達(dá)到系統(tǒng)與不同廠商產(chǎn)品互聯(lián)的目的。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，聯(lián)系溫度控制區(qū)實(shí)際使用冷熱負(fù)荷量，對(duì)運(yùn)行臺(tái)數(shù)與運(yùn)行工況予以控制。系統(tǒng)監(jiān)控空調(diào)機(jī)組中：空調(diào)風(fēng)機(jī)的手自動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警顯示；溫度、濕度等參數(shù)顯示，超限報(bào)警；溫度、濕度控制；防凍保護(hù)控制；風(fēng)過濾堵塞報(bào)警控制；風(fēng)閥啟?？刂?、狀態(tài)檢測(cè)。冷凍機(jī)房和換熱機(jī)房之間自成系統(tǒng)，將所有運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、冷熱水供回水溫度、壓力、流量等參數(shù)上報(bào)給建筑管理系統(tǒng)。在新風(fēng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過監(jiān)控以上參數(shù)，使整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中各類設(shè)備互相配合，將空氣處理所需的能耗降低。使建筑獲得舒適、健康的空氣同時(shí)，保持了相對(duì)較低的能耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。建筑設(shè)備管理系統(tǒng)在供配電系統(tǒng)中，監(jiān)控高壓配電系統(tǒng)的進(jìn)、出線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)；進(jìn)、出線電流、電壓；有功、無功功率；計(jì)量數(shù)字。低壓配電系統(tǒng)的進(jìn)線、主要回路出線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)；進(jìn)線電流、電壓；功率因數(shù)；計(jì)量數(shù)字。變壓器的溫度值及超溫報(bào)警信號(hào)；運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)如果采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源的話，系統(tǒng)還可以監(jiān)控柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)；蓄電池電壓、日用油箱油位；所有故障報(bào)警。連同電梯的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等信號(hào)匯聚至控制室。由監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)配電室內(nèi)變配電設(shè)備的運(yùn)行情況和建筑內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況及用電計(jì)量情況進(jìn)行有效管理。
4.4綠色產(chǎn)品節(jié)能
在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境中，隨著科技獲得快速發(fā)展，各種清潔型電氣設(shè)備逐漸步入人們的視野。結(jié)合建筑的地理位置、自然條件等相關(guān)因素，運(yùn)用低碳能源替代高碳能源是未來電氣設(shè)計(jì)發(fā)展的重要趨勢(shì)。在利用風(fēng)力、水力等自然力發(fā)電的同時(shí)，人們也在逐漸將可循環(huán)能源向城市內(nèi)發(fā)展。光伏發(fā)電具有安全可靠、無污染、不受地域及環(huán)境限制、能源質(zhì)量高等特點(diǎn)。利用建筑外立面、屋面等無法有效利用區(qū)域，敷設(shè)光伏板，實(shí)現(xiàn)建筑自我發(fā)電，節(jié)約電網(wǎng)消耗。甚至在光照強(qiáng)度較高地區(qū)，用電低谷時(shí)段，光伏發(fā)電建筑還可以向公共電網(wǎng)反向送電。光伏發(fā)電配電示意如圖2所示：（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）但因?yàn)楣夥宸垂庥泄馕廴?、電能轉(zhuǎn)化率低、發(fā)電效率受光照影響大等缺點(diǎn)，使光伏發(fā)電還有很大的上升空間。
4.5管理方式節(jié)能
在運(yùn)維管理工作中，可以結(jié)合建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，配合BIM，通過三維模型對(duì)于建筑的全部用電設(shè)備開展集中的監(jiān)視與管理工作。智能化建筑系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單性，可將在操作中的專業(yè)要求降低，結(jié)合自動(dòng)運(yùn)行模式，還能夠?qū)⑷肆Ψ矫娴男枨蠼档蚚4]。
5結(jié)語(yǔ)
如今，運(yùn)用節(jié)能技術(shù)是建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，其也能夠?yàn)槟茉垂?jié)約發(fā)揮重要作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，在滿足節(jié)能需求的原則下，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，在合理資金范圍中選擇最優(yōu)節(jié)能方案，才能夠真正實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、減少能源損耗的目標(biāo)。建筑電氣專業(yè)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，采取具有有效性、可行性的節(jié)能方式，將此電氣節(jié)能方案不斷優(yōu)化，在降低碳排放的基礎(chǔ)上促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。
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作者:李宏森 單位:中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司
