綠色建筑電氣設計要點分析研究

孔 嵩

1. 北京交通大學， 北京 100044； 2. 北京市建筑設計研究院， 北京 100045

引言

我國正處于經濟快速發展階段，作為大量消耗能源和資源的建筑業，必須發展綠色建筑，改變當前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承擔起可持續發展的社會責任和義務。中國碳排放占全球18%，已超美國成為世界第一大碳排放國，在工業、建筑、交通三大領域應用低碳技術和加強節能減排是當務之急。尤其是建筑領域，一次性能源消耗中30%用于建筑，而在城市中這一數據高達60%。為應對全球氣候變化，我國政府承諾到2020年單位GDP二氧化碳排放要比2005年降低40% ～45%。中國節能面臨巨大挑戰，尤其是在中國的大規模城市建設時期，實現建筑的綠色、節能設計成為我國完成節能減排目標的重要突破口之一。

推進綠色建筑是發展節能省地型住宅和公共建筑的具體實踐。黨的十六大報告指出我國要實現“可持續發展能力不斷增強，生態環境得到改善，資源利用效率顯著提高，促進人與自然的和諧，推動整個社會走上生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路”。發展綠色建筑必須牢固樹立和認真落實科學發展觀，必須從建筑全壽命周期的角度，全面審視建筑活動對生態環境和住區環境的影響，采取綜合措施，實現建筑業的可持續發展。如何實現綠色建筑設計中的電氣設計，將是廣大設計師關注的問題。

1 綠色建筑定義及相關規定

1.1 定義

綠色建筑是在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源 （ 節能、節地、節水、節材 ） 、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。綠色設計（Green Design），又稱生態設計（Eco-Design）、面向環境的設計（Design for Environment），考慮環境的設計（Environmentally Conscious Design）等，是指利用產品全生命周期過程相關的各類信息（技術信息、環境信息、經濟信息），采用并行設計等各種先進的設計理論和方法，使設計出的產品除了滿足功能、質量、成本等一般要求外，還應該具有對環境的負面影響小、資源利用率高等良好的環境協調特性。

1.2 標準

綠色建筑是追求自然、建筑和人三者之間的和諧統一，其設計的重點是環保（綠色）和節能 ，而綠色建筑中電氣設計亦應圍繞這兩個主題進行，和這兩個主題相關的國家和地方現行標準、規范有如下版本。《綠色建筑評價標準》 GB/T 50378－2006 ；《綠色照明工程技術規程》DBJ01-607-2001；《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005；《公共建筑節能改造技術規范》JGJ176-2009；《建筑節能工程施工質量驗收規范》GB50411-2007；《公共建筑節能設計標準》DB11/ 687-2009，《全國民用建筑工程設計技術措施》節能專篇－電氣。

2 《綠色建筑評價標準》中電氣設計條款分析

我國在《綠色建筑評價標準》GB/T 50378—2006中確立了住宅建筑和公共建筑的綠色建筑基本要求和評價與等級劃分。標準中分別對住宅建筑和公共建筑列出控制項的要求，并按滿足一般項數和優選項數的程度，劃分為三個等級。相關技術規定詳見表1。

表1中控制項為綠色建筑電氣設計的必備條件；一般項和優選項為劃分綠色建筑等級的可選條件；其中優選項是難度大、綜合性強、綠色度較高的可選條件。

從表1分析看出，無論是住宅還是公建，其中必備的控制項在我們以往的設計中已經參照國家節能、照明等標準中的相關規定在執行，且很容易達到；而在一般項和優選項內的計量和智能化系統及設備管理系統設計亦在相應標準的住宅和公共建筑中普遍體現；那么單從《綠色建筑評價標準》而言，綠色度較高的電氣設計的重點、難點和今后的發展方向無疑是在可再生能源利用這個單元體現了。

3 環保電氣設計

未來的能源結構應是一個持久的、可再生的、干凈的體系。環保的電氣設計應該關注的方向是綠色能源—可再生能源的利用，如水能、生物能、太陽能、風能、地熱能和海洋能。這些綠色理念已逐步運用于現代建筑之中，運用較多的是太陽能和風能，例如：英國諾丁漢大學分校采用玻璃頂蓋的中庭將若干建筑物串聯，中庭玻璃所采用的半透明太陽能光電板每年所產生的電能約45MWh，可供建筑物整年機械通風電能的需求；廣州的珠江大廈，配有風力渦輪機以及太陽能電池板，這座高達310m的建筑號稱有史以來最節能的超級摩天大樓；上海世博會主題館，采用了單體面積3萬多m2的太陽能屋面、世博軸上的“陽光谷”具有為地下空間引入自然光、自然通風和雨水收集等功能。太陽能、風能既是當前綠色建筑可實施的近期補充能源，又是未來的能源基礎，而阻礙太陽能、風能發電的主要因素是價格和并網系統的技術問題。

表1 標準中對住宅建筑和公共建筑設計指標的要求

3.1 發電成本比較

時代的發展對建筑的復雜程度和功能要求更高、更難、設計技術更多樣化，前期多方案的可行性研究和綜合造價的比較日益成為工程建設的重點，以下是各種不同形式的發電成本經驗數據列表。

表2 煤電、水電、核電、風電、太陽能發電等各種不同形式的發電成本比較

根據以往具體工程案例分析，風能發電和太陽能發電的成本回收常常需要10 20年不等，這取決于當地的自然條件。采用何種形式能源，要進行經濟技術分析，合理的確定，才能真正實現可再生能源利用，才能實現建筑的綠色設計。

3.2 并網技術

隨著分布式發電技術的飛速發展，并網問題越來越受到人們的重視。并網可以合理利用清潔能源，而且由于風能、太陽能等獨立發電系統原動力不可控、電能質量不佳、調節能力有限、能量轉化效率低、投資成本較高，為了優化電力結構和方便統一調度，并網發電已是大勢所趨。為了不影響電網的質量，必須保證使發電系統的輸出電壓與電網電壓在頻率、相位和幅值上保持高度一致，而且發電系統和電網間功率能夠雙向調節。這就牽涉到功率因數校正、大功率變換以及高穩定性系統設計等技術，這正是當前各個國家研究的熱點，也是我國國內新能源發電技術中最薄弱的環節之一。

4 節能電氣設計

以上從環保的角度分析了綠色建筑的電氣設計，通過分析得出，可再生能源利用的環保電氣設計存在著價格、技術等方面問題的制約。那么換個角度思考，我們通過節能（節能概念還應兼顧對設備生產前端過程中對自然的破壞低等綜合指標限制）設計降耗以實現低碳和環保，也是對綠色建筑的一種貢獻。下面從節能的角度進一步探討，電氣設計應包括以下關鍵點。

4.1 電源環節

變配電機房位置需設置在負荷中心，并可參照表3確定變配電機房的數量。

表3 變壓器裝置指標

合理確定建筑物的單位建筑面積用電指標。宜對不同類型的設備分組計算取系數（例如：廚房設備每根干線，需用系數不宜過低，但是所有廚房設備按設備組可根據使用情況取很低的同期系數，便于變壓器值的精確選取）。對大量存在一、二級負荷的建筑物，還應考慮變壓器的冗余度，表4是目前用電水平和裝備標準的參照數據。

表4 變壓器裝置指標

4.2 電傳輸環節

各層配電豎井的合理設置及縮短配電距離、降低線路壓降損失。而直流供配電將是未來發展方向。由于交流方式在長距離大規模送電時可輕松升降電壓，交流供電模式仍是當前全球供電標準。然而，隨著電力電子學技術的飛速發展，可為設備提供直流的“直流供電”方式越來越受關注。日本一些家電企業例如日本夏普公司曾在日本電子展中兩次展示了“直流生態住宅”技術和產品。相對交流而言，直流供電有很多好處:節能-簡化了原家用電器中交直流轉換的電氣系統，從而提高了效率，減少了系統中的線路損耗；安全-直流系統的安全電壓約120V，交流系統約50V；環保-便于可再生能源系統的利用。

4.3 設備的選擇和管理

現在和未來設備的選擇會更多涉及到以下幾個方面：LED燈、光導照明、變壓器選擇、功率因數補償、變頻設備（諧波的抑制）、舞臺燈光調光方式的探討（PWM技術的運用，將對諧波的抑制起到關鍵性的作用，從而節約能耗）、高速電梯制動的能量回饋（未來設想）。

4.3.1 LED燈照明

LED光源具有很多優勢：高節能（直流驅動，超低功耗，單管0.03 ～0.06W，電光功率轉換接近100%，相同照明效果比傳統光源節能80%以上）、壽命長（6萬 ～10萬h）、多變幻、利環保；同時，當下的LED光源也存在著未能克服的缺點：散熱方面（LED的耐熱很差會帶來燈芯壽命的問題）、價格方面、光譜過于純凈不適于辦公等視覺環境、系統驅動板對壽命的影響（LED的壽命瓶頸在系統驅動板，往往LED燈芯還未損壞，系統驅動已經壞掉了）、LED的重量對燈座的考驗及功率的限制。

由于存在以上原因導致LED尚且不能用于大范圍照明，比如機場，工地，甚至室內照明方面。LED也暫時不能和熒光燈相提并論，所以當前LED這種綠色節能的光源主要還是在室外景觀照明中應用較為廣泛 。

4.3.2 光導照明

光導照明的優勢在于既充分的利用了自然光源，又可避免因直接采光而增加的室內空調成本，對于展覽類、廠房類等大空間、大屋面建筑可考慮實施。

4.3.3 PWM技術

PWM整流器具備實現無電網污染和運行于單位功率因數，能量雙向傳輸等優點，因而真正實現了“綠色電能變換”，使其成為理想的用電設備或電網與其他電氣設備的接口。PWM整流器技術目前是電力電子技術研究的熱點和亮點，它的發展成為太陽能、風力發電等綠色能源技術快速發展的關鍵推手。

4.3.4 控制和管理

綠色設計控制和管理涉及到建筑設備監控系統、冰蓄冷（消峰填谷）技術、冷熱電聯產（消峰填谷）技術、智能照明控制系統、設備能耗的計量等方面，針對不同建筑物的使用功能和設計標準實施，方能達到良好的節能效果。

5 結束語

綠色、節能是未來世界可持續發展的主題，對建筑行業來說，能不能建造出綠色節能的房子，對未來全社會的能源消耗有著舉足輕重的影響。值得關注的是，綠色建筑雖好，但目前的成本是巨大的（英國數據稱，綠色住宅比普通住宅造價高20%；而由世界可持續發展商業協會組織完成的最新調查發現，建筑專業人員和房地產人員將綠色建筑成本過高估計達300%），因此綠色設計對于電氣設計人員是長期追求，并隨著電力電子等相關科學技術發展而有望盡早實現的目標；而節能設計是針對建筑特點思考合理供配電、管理、控制方案，合理運用產品來達到降耗、低碳、環保的目的。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T50378-2006綠色建筑評價標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2006.

[2]中國建筑標準研究院. 全國民用建筑工程設計技術措施-電氣節能專篇[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2007.