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【摘要】為進一步加強國內民用建筑行業的電氣節能設計，響應國家建設節能減排、低碳環保大環境的政策，本文從六個方面對國內高層民用建筑內各電氣系統的能耗進行分析，針對各電氣系統節能的關鍵環節，提出對應的減少能耗的措施，期望為我國民用建筑行業的電氣節能設計提供參考。
【關鍵詞】建筑物；能耗；電氣設計；節能
1國內建筑能耗現狀簡述
建筑能耗包括建材生產階段能耗、建筑施工階段能耗、建筑運行階段能耗。根據中國建筑節能協會的《中國建筑能耗研究報告》（2020）中的統計數據：2018年國內建筑全過程能耗總量為21.47億tce，占全國能源消費總量比重的46.5%，其中：①建材生產階段能耗為11.00億tce，占全國能源消費總量的22.6%；②建筑施工階段能耗為0.47億tce，占全國能源消費總量的2.2%；③建筑運行階段能耗為10.00億tce，占全國能源消費總量的21.7%。隨著經濟的迅速發展，建筑耗能逐漸增長為與工業耗能、交通耗能并列的我國三大“耗能大戶”。截至2018年，全國現有建筑總面積為671億m2，其中絕大多數為高耗能建筑，且每年仍有上億平方米的高耗能建筑落地，使建筑耗能占全國能源消費總量的比重持續上漲，不論是對可持續發展的內在需求，還是經濟國力增長的外在條件，都形成了極大的阻力。因此，建筑節能已成為我國建設低碳經濟、完成節能減排目標、保持經濟可持續發展的重要環節之一。
2建筑能耗分析
2.1建筑能耗來源
建材生產階段能耗主要指鋼鐵、鋁材、水泥及其他建材生產、加工時產生的能耗，約占建筑總能耗的48%。建筑施工階段能耗主要指建筑建設過程中水、電、媒、油、氣等能源的消耗，約占建筑總能耗的5%。建筑運行階段能耗主要指建筑各用能系統、用能設備運行期間產生的能耗，約占建筑總能耗的47%。
2.2主要研究方向
建材生產階段及建筑施工階段能耗可控性小，除非采用新技術、新材料，否則其節能的幅度有限。影響建筑運行階段能耗的因素較多，如各用能系統的系統形式，各類設備的節能效率，對各用能系統采用的監控、管理手段等。國內現有的建筑物采用的能源形式單一，主要以電能為主，如通風空調系統、照明插座系統、電梯扶梯系統等均用電能來維持工作，故建筑電氣節能就顯得尤為重要。
3建筑電氣系統的節能措施
高層民用建筑的電氣系統主要包括：變配電系統、動力配電系統、照明插座系統、火災自動報警系統、防雷接地系統、智能化系統。每個系統均有電源設備、用電設備、電能傳輸介質。節能的理念應從設計階段貫穿到運營階段，滲透入每個系統，如此才能最大限度降低建筑物電氣系統的能耗。
3.1負荷計算
準確的負荷計算是保證建筑內各電氣系統正常節能運行的基本條件。單位面積變壓器安裝容量是衡量建筑物用電情況的一個重要指標，設計階段應根據末端實際用電量，選取合適的系數，從末端用電設備至前端配電變壓器，逐級計算，合理配置變壓器的容量和臺數，并把每臺變壓器負荷率控制在70%~85%范圍內；當存在大容量季節性負荷或錯峰使用的負荷時，可設置專用變壓器，把不同季節或不同時間段使用的負荷分配至同一臺變壓器供電，可降低變壓器的容量。
3.2電氣設備
（1）變壓器。變壓器運行時，會因磁滯及渦流現象，產生空載損耗，其大小取決于變壓器的制造工藝，故變壓器采購時，應選用低損耗、低噪聲的節能型變壓器，在有效控制其損耗的同時，也能減少對環境的污染。（2）電動機。我國電動機耗電量占全國總耗電量的比例超過一半。國內中小型電動機的平均效率為87%，落后于國際先進水平的92%。電動機有功損耗可按式（1）計算：W0=P0×t=P2×1-ηη×t（1）式中：W0-電動機電能損耗，J；P0-電動機有功損耗，kW；P2-電動機輸出功率，kW；η-電動機效率；t-電動機運行時間，s。一臺效率為0.87，輸出功率10kW的三相異步電動機，持續運行1h，產生的能耗為5.4kJ，約1.5度電；當電動機效率提升1個百分點時，持續運行1h，可節約0.5kJ能耗，約0.14度電。民用建筑內的空調器、風機、水泵、電梯扶梯等采用的均是中小型電動機，尤其是大型民用建筑，采用的電動機數量多，當采用高效率、節能型電動機時，對于節能的效果顯而易見。另外，根據設備負荷特性配置合適的電動機，負荷變化較大時可采取變頻、調速等控制方式，使設備的運行工況保持在高效區，同時減少電動機的空載運行時間，也是電動機節能的重要措施之一。
3.3照明節能
照明系統能耗是建筑電氣能耗中一個較大的能耗單元，大約占建筑總能耗的30%~60%，其受影響的因素主要有配電線路的敷設、照明設備的選型、控制方式的選擇。（1）照明燈具及光源。首先，照明設計應滿足《建筑照明設計標準》等相關國家規范的要求；其次，應在滿足顯色性、啟動時間等技術要求的前提下，優選光效高、顯色性好、壽命長、運行安全可靠、安裝維護簡單方便、性價比較高的發光光源[1]。選用熒光燈、氣體放電燈時，需配置鎮流器。傳統的電感鎮流器運行功耗約占燈具額定功率的15%~20%，而具有更高功率因數的電子鎮流器，其運行功耗僅占燈具額定功率的10%左右。大型建筑內燈具數量足有上萬，采用高功率因數的電子鎮流器，對于降低照明系統的電能損耗有明顯作用。半導體技術的快速發展，使LED（發光二極管）燈廣泛應用于民用建筑內。市場上的LED燈，光效可達60~100lm/W，同等亮度的條件下，消耗1度電，LED燈的使用時間要比其他傳統光源燈具長得多。LED燈的使用不僅能起到降低能耗的效果，而且因其使用壽命長的特點，也有助于減少后期運維的成本。（2）照明控制方式。傳統的照明控制方式是采用面板開關，人工手動控制，無法避免因人為因素造成的電能浪費。智能控制及調光技術的使用，可以有效解決這個問題。智能控制通過編程，可以任意選擇需要開啟的燈具，組合成不同的照明模式，使用者根據需要，僅控制需要照明區域的燈具；調光技術可以根據使用者的需求，在燈具最低至最高亮度之間平滑調節，直至最舒適的亮度。不同場所，也可選擇其他節能手段，比如在人員停留時間不長的場所，選用人體感應控制，達到人來開燈，人走延時關燈的效果。另外，天然光作為一種零成本、取之不盡的天然資源，采用天然光照明，也能實現照明節能。在建筑中合適的場所，應有意識地利用自然光照明，不僅可以節省大量電費，更可以達到環保節能的目的[2]。
3.4配電線路
高層民用建筑中，敷設有大量的電線電纜。電線電纜截面及敷設環境的選擇、敷設路由的設計都關系到其在電能傳輸過程中產生的損耗。（1）截面及敷設環境的選擇。電線電纜截面的選擇，應在滿足其動熱穩定條件及末端對電壓降要求的前提下，按經濟電流密度選擇適當的截面；同時，應避免其在易積水滲水、劇烈震動等惡劣環境下敷設，防止因絕緣損壞老化造成電能損耗。（2）敷設路由的設計。高層民用建筑中，電纜從低壓房集中引出，故低壓房應設置在負荷中心，并在其附近設置豎向電井，使配電線路盡量以最短距離敷設，控制在200m以內。減少電纜長度即可節省成本，也能減少電能在傳輸過程中的損耗。當配電區域平層面積大，用電點分散，且用電量相差不大時，可采用“總—分”的配電形式，在中心位置設置總配電箱，減少大截面電纜的敷設距離；當配電區域相對狹長，且用電點處在同一方向時，可采用“樹干形”配電方式，減少同一方向電纜敷設的數量；對于高層民用建筑，可采用大容量母線豎向配電。以上措施均有利于節省成本、減少電能損耗。
3.5運營管理
建筑節能除了在設計階段采取的節能措施之外，在后期的運營階段還可通過智能化監控手段對各個電氣系統進行自動監控管理，如此雙管齊下才能取得顯著的節能效果。（1）建筑設備監控系統。建筑設備監控系統，對建筑物內的空調風機、水泵、電扶梯及其他用電設備采用現代化的自動控制技術進行全面、有效的監視和管理，并輔以豐富的控制策略，使受控設備運行在用戶所設定的要求以及波動范圍內，將能量負荷冗余保持在最佳邊際成本狀態下[3]。（2）能源管理系統。能源管理系統，對建筑內的用水、用電、用氣、用冷的情況進行實時監測，可及時找出能源消耗異常點，既能減少管理成本，也能減少浪費。同時能源管理系統能對用水、用電、用氣、用冷的情況進行分析并出具報表，供管理者了解建筑內的能耗情況并制定節能策略。
3.6新能源利用
除了以上節能策略，我們還應積極研究新型能源，加快新型能源應用的進度。太陽能是目前使用較為廣泛的一種新型能源，但技術上尚不成熟，還存在著能量轉換效率較低等問題。在對太陽能發電系統的應用過程中，需要設計人員綜合考量設計區域的日光輻射量、日照時間長短、雷雨天氣影響、建筑結構形式、能量轉換效率與成本等問題，只要明確了以上這些問題，便可以在建筑設計中利用新能源技術實現更深層次的能源節約[4]。
參考文獻
[1]廖述龍.高層樓宇建筑電氣節能技術研究[D].上海：上海交通大學，2012.
[2]何葉.建筑電氣照明節能技術的研究[D].西安：長安大學，2014.
[3]楊小琴.淺析超高層建筑電氣節能設計[J].現代建筑電氣，2009（22）：56-60.
[4]肖壯生.探討建筑電氣節能環保技術的相關問題[J].科技創新與應用，2020（23）：166-167.
作者:李明雨 單位:中國電建城市規劃設計研究院有限公司
