民用建筑電氣節能設計與措施分析

陳 滿

(廣東省城鄉規劃設計研究院, 廣東廣州 510290)

隨著可持續發展的觀念的推進、節約能源以及可循環利用的理念的推行，“綠色建筑”這一概念已經深入人心。我國對民用建筑綠色化、節能化的改造和改善工作也在穩步前進。民用建筑節能化的關鍵在于可持續性，目的在于使建筑在使用年限內能夠循環利用資源、減少能源排放、降低污染、提高綜合效益。建筑的總體電氣設計是綠色建筑設計概念的一個重要組成部分，它對于提高民用建筑的美觀、發揮民用建筑的使用功能、為廣大居住者的生命財產安全提供保障、節約建筑成本等，均具有一定的影響[1]。

當前，民用建筑電氣設計的理論體系和實踐經驗已經日益完善，但在民用建筑電氣設計的節能化設計中，仍然存在一些問題值得研究和改進。目前我國的民用建筑的電氣系統主要存在如下問題。

(1)建筑節能體系不健全。雖然很多國家都在實施建筑電氣設計節能化，但我國的民用建筑節能體系和相關規范并不完善，很多時候在電氣設計時無法提供有效的節能評價指標，導致各地區、各部門的設計規范和要求沒有統一的標準。

(2)節能經常成為一張“空頭支票”，很多地區建設的民用節能建筑往往只有一個稱號，但在實際的運行中，這些民用建筑仍然是耗電大戶，能源消耗量并沒有實際意義上的減少。

(3)部分相關部門和開發商的節能意識不強，沒有認識到民用建筑電氣節能所能帶來的經濟效益和社會效益，導致民用建筑電氣設計節能化、綠色化進展緩慢，具體節能措施落實不到位，主要體現在了很多民用建筑電氣系統在初始設計時在安全性、節能性、規范性上就沒有得到很好的保障。

據統計，在我國有三分之一的總體能耗源于各類建筑能耗，且這種趨勢正隨著國家經濟發展和人民物質文化需求的提升不斷增長。專家分析統計了建筑能耗中各種能耗的組成，研究后發現各種能耗的組成中，所占比例最大的就是電氣能耗。各種電能的消耗比例大體如下：照明設備用電所占比例15 %～25 %，水泵、風機設備用電所占比例10 %～15 %，空調設備用電所占比例為40 %[3]。目前已有諸多學者針對我國民用建筑的節能措施進行了研究。

雷有秀[4]針對高層民用建筑提出了通過恰當選用電壓等級、優化配電線路、優化選擇電氣設備和照明系統節能設計四種措施來滿足高層民用建筑電氣節能環保需求。

彭子江[5]針對民用建筑照明系統節能設計進行了研究，介紹了與照明相關的常用光度量，引出照明質量評價指標，分析了常用電光源與燈具的特性，并討論其適用場所，論述了常用的照度計算方法的計算過程與應用條件，提出了便于設計人員選擇科學布置照明設備的正確的計算方法。

鄒玉宣[6]通過電氣設計、施工實踐，對民用建筑電氣節能設計規范和施工規范的要求和應用進行探討。

于劍[7]從節能降耗角度重點分析了民用建筑電氣系統節能設計方案，確定節能設計方向和要點，有針對性的采取措施進行優化，做好每個節點的控制，爭取在不影響系統基礎功能前提下，達到節能效果，并對多種民用建筑電氣節能設計方案進行了對比分析。

王甫、于妍[8]通過對地下車庫的設計實踐，從供配電系統和照明系統兩方面介紹和分析地下車庫的電氣節能設計措施，并提出了優化方案。

如何使民用建筑電氣設計更加符合可持續發展的要求，成為了擺在設計師面前的一個重大課題。本文利用實際項目，通過梳理民用電氣設計的思路和方法，以及針對民用建筑電氣設計中一些主要環節的節能措施展開研究，希望為民用建筑電氣節能措施的設計上提供一些理論參考和實踐借鑒。

1 供電源頭節能措施

1.1 負荷和電源

1.1.1 電源

通常，供電電源的電壓等級的主要參考依據是用戶最大的用電荷載，并同時考慮用電設備的總容量、變電站總變壓器的功率、當地供電環境條件和客戶群體特征，最后在經濟、環保、效益的綜合評價下確定。供電電源的電壓等級一般按以下原則確定。

(1)用電設備的總容量不大于100 kW或者受電變壓器容量不大于50 kVA，可采用低壓供電。用戶變壓器的總容量在 100～16 000 kVA時，應選用10 kV的電壓供電。

(2)用戶變壓器的總容量在 8～40 MVA 時，可采用35 kV的供電電壓。但不推薦客戶變電站使用35 kV等級電壓，遇特殊情況需要使用的，應進行技術經濟比較。

(3)用戶變壓器的總容量在16～100 MVA 時，宜使用不小于120 kV的電壓級別供電。

(4)用戶變壓器的總容量在不小于100 MVA，宜采用不小于220 kV的電壓等級供電。

(5)使用不小于10 kV電壓供電時，當單回路電源線路的容量不滿足負荷需求且周邊無更高級別的電壓時，可適當、合理地增加供電回路數量，即多回路供電。

1.1.2 負荷

根據小區各類設備用途和重要性，可以將用電器負荷等級分為三級：

(1) 一級負荷：消防排煙風機、監控設備、消防泵、雨水泵、車道照明、事故應急照明等；其中監控設備、應急照明、火災報警系統為特別重要一級負荷。

(2)二級負荷：居民樓通風機、廢水泵、樓道照明、遮光段道路照明等。

(3)三級負荷：不屬于一、二級的其它負荷。

1.2 開閉站

雖然供電部門建議可以將開閉站及附屬設施設置在地面，但是在市中心等用地十分緊張的區域，為提升地上面積的使用效率，可以將開閉站與其他建筑物結合建設，也可考慮將開閉站設置在公共建筑地下一層。當開閉站設置在地下時，在初始設計中應采取安全、可靠、高效的防水、防火設備。同時開閉站要預留單獨的進出口、電纜夾層、電氣設備吊裝口、以及配備必要的檢修保養附屬設備。

開閉站的電源線路設計通常采用雙路電源進線，單母線分段接線。如果建設地區面積較小、用地緊張，可根據實際情況建設饋電出線為6～8路的小型開閉站，一般情況下不推薦帶保護而無配備母聯的大配電室模式。

1.3 變配電室節能方法

1.3.1 合理選擇變配電所的位置

變配電室應設置在用電負荷密集處，可以在減少供電電力電纜的建造成本的同時，縮短線路電纜的長度，縮短配電施工半徑從而減少了線路壓降和電路損耗。經過實際項目的測試，將供電半徑控制在100～160 m的范圍內，可以取得理想的節能效果。

1.3.2 選擇節能型配電器

變壓器在民用建筑電力設備系統中應用廣泛，從發電到供電再到用戶末端的用電器，需要經過數次的變壓。在這個過程中變壓器由于存在電阻及其他原因會產生相當大的功率損耗。我國民用建筑規模龐大、變壓器數量多，故變壓器的功率損耗量事十分巨大的，通常變壓器損耗可以占到電路總損耗的1/3～1/4。因此選擇節能型配電器成了降低變壓器損耗的有效手段之一。

1.3.3 合理選擇變壓器的數量、材料和運行方式

民用建筑一般是按照建筑區域里的最大負荷來選擇變壓器的容量，通常一個區域配置一套供電變壓器，而且變壓器的容量一般會富余且后期無法調整。這種“最大化”原則，會使變壓器的能源損耗很大，導致 “大馬拉小車”的情況出現。這種方案還有一個弊端，在工作室僅有一臺變壓器長期運行，沒有備用電源，一旦出現故障，往往無法及時恢復工作。

由于采用了高壓供電的模式，變壓器成為了建筑中不可缺少的部分，在建筑配電系統中發揮著非常重要的作用。同樣的，變壓器中消耗的電能也在建筑總能耗中占了一定的比例。在變壓器中，主要是銅耗和鐵耗兩種消耗形式。二者相比鐵質材料的損耗相比銅質更大，這種損耗和系統中承擔的負荷大小沒有關系，是系統本身材料和工藝導致的。降低這種能耗需要選擇電能損耗小的材質，可以選擇銅鋅合金或者鎂鋁合金的變壓器。另一方面，材料電能損耗和系統負載相關，控制變壓器電能損耗在選取合適材質的同時需要控制變壓器的臺數和容量，并根據建筑負載的變化周期性來選擇系統設置，從而保證對能源消耗的有效控制，減少不必要的能耗，達到節能的目的。

以筆者參與的實際項目為例，每個建筑區域按照用電負荷的要求都配置了2臺(甚至3臺)容量相等的變壓器，這2臺變壓器的容量和等于建筑范圍內的用電總負荷。在低峰時期，1臺變壓器運行，高峰期間，2臺變壓器并列啟動。這2臺變壓器互為備用設備，當某一臺發生故障而無法工作時時，另一臺可以繼續為用電器供電，從而在提高供電經濟效益的同時，又提高了供電可靠性和穩定性。

1.3.4 提高功率因素和負荷率

變壓器效率與用電負荷功率因數、變壓器荷載等級和損耗大小都有關系。通常來說，變壓器的負荷率在30 %～75 %時，是經濟運行區；在50 %～60 %時，變壓器的運行效率是最高的。在用電負荷不變時，功率因數越大，變壓器運行效率越高。

功率因數的提高通常有電容補償法和自然調整法兩種方法。電容補償法是指變壓器和高壓用電設備的無功功率可以由高壓電容器進行補償，對用電設備進行無功的集中成組補償。若用電設備距離較遠，且設備比較分散，還可使用就地補償的方法。自然補償法要求合理選擇變壓器的用電容量，減少變壓器的空載運行時間從而提高負荷率，提高變壓器的功率因數。

2 電力電纜節能措施

在民用建筑電氣設計中，作為電能運輸導體，電力電纜的設計是重要部分。各種電力線纜上都有一定的電阻，當電流通過時，就會產生壓降和電能損耗。在電能輸送時，線纜的電能損耗與距離及線纜的電阻值成正比。由于民用建筑室內外電纜數量較多，由此造成的電能損耗也是相當巨大的，必須在電氣設計中引起足夠的重視，因此如何采用合理的措施來減少電纜電阻，就成了節能的關鍵：

R=ρ·L/S

(1)

式中：ρ為導體電阻率；L為導體長度；S為導體橫截面積。

由上式可見，減少電阻的方式主要有以下三種：

(1)設計合理的電纜線路，從而減少電纜長度。

(2)確定合理的設備放置點，例如變配電室的位置應盡量位于供電區域的負荷中心；在高層建筑中，單體的低壓配電間應盡量靠近電氣豎井，對于長度較長的單體，可以考慮分段設置配電間。

(3)適當增加線纜橫截面積，采用電阻率較小的線纜材料。

在電纜設計時，可以通過選取節能型的電纜型號以及控制截面來降低能耗，在滿足使用條件及電纜運行要求的前提下減小電纜線的截面，價格相對便宜。但是電阻截面越小也就意味著電阻值大，從而電能損耗也增加，造成運行費用不降反升。適當的增大電纜截面積可以減少能耗，但線路設計的前期投資也會增加，因此在增大電纜截面積來減小能耗需要重復考察各種環境、資源條件的前提下，根據實際建筑耗能的情況來適當選取一個調節范圍。

在具體的電纜布設實施中，為了進一步降低民用建筑中的能量消耗，要在最初設計時就將節能問題考慮在內。首先，必須要意識到線路損耗是不可能完全避免的，目標應該是將這個損耗降低到某個范圍內；其次要考慮輸電纜路徑設計，控制路徑長度能夠減少在不必要路徑中的損耗；最后，電氣設備廠房的布設要不斷趨向合理化，要綜合考慮到各個終端的距離、各區域用電功率和用電頻率、根據供電線路最小化的原則合理設計。

3 照明設備節能措施

3.1 燈源的選取

選擇合適的光源是照明部分設計的一個重要環節，一種光源是否是高效節能的光源，主要是看它的發光效率有多少。我國基礎建設量巨大，燈具的使用數量也相當可觀。作為照明設備的一個重要附件，鎮流器的選取對于民用建筑照明設備的節能起到了一定的作用。配備了節能型電感鎮流器的燈具的價格雖然高于其他類型的燈具，但是其帶來的節能效果能夠很快的顯現出來。經過一些設計師的對項目后期的跟蹤調查發現，使用節能型電感鎮流器的燈具一年后，所節省出來的電費就能夠補齊當初購買時的差價部分。

此外，節能型電感鎮流器在性價比方面確實具有優勢。節能型電感鎮流器有安全可靠、長壽命和節能的多個優點，是熒光燈鎮流器的首選產品。所以，在選擇照明燈具的時候最好選擇配備節能型電感鎮流器的熒光燈具。例如，民用小區夜間至凌晨19∶00～06∶00的照明約占整個建筑照明用電量的20 %～30 %，因此，根據不同時段的建筑用電分布，選用具有調光控制模式的LED照明燈具，根據環境亮度隨時加強或減弱小區照明燈具的亮度，其節電效果非常明顯。另外，由于基本照明段LED照明燈具采用調光控制模式，在人流進出量小的情況下，調低整體照明亮度，達到節能目的，同時避免了傳統“間隔開燈”給照明帶來斑馬線效應。

3.2 地下車庫照明

為了滿足居民泊車需求，同時減少地面停車位占地面積，很多民用建筑通過建設大型地下停車庫來緩解停車壓力。一般來說，地下車庫晚間使用和上下班時間處于高峰使用時間，而且白天沒有自然采光，在高峰期間要使用者要支付高價電費，所以很多民用建筑的地下車庫的電能損耗量相當巨大。傳統的節能方案通常是采用聲控開關以及紅外和微波探測器，但這兩種節能方案都具有缺點。采用聲控開關由于頻繁開閉會加速燈管損壞，維護費用隨之提高，例如出現高音量的汽車鳴笛現象將會啟動大范圍區域照明；紅外和微波探測器造價較高，通過探知光源來工作，探測到人員或車輛時開燈，然后一定時間后延時關閉，不便進行區域集中管理。本文根據實際工程提出了兩種地下車庫照明節能設計的改進方案。

3.2.1 紅外與分段控制相結合

在車位上方安裝紅外探測器，每個紅外探測器可探測3～5個車位，當探測器探測到人員和車輛時開燈，人離開后30 s延時關閉。

此外，車道上方照明具有如下特點：照明設備密集，主要車道照明的使用率高。倘若僅僅安裝紅外探測器，有可能造成照明的頻繁開閉，光源每開啟一次將損失3 h的使用壽命，建議在主車道上不宜使用紅外探測器。所以，建議采用分時段定時控制，例如根據車流情況預先劃分時段，如白天10∶00～16∶00和夜間11∶00～5∶00關閉一半的照明燈。

3.2.2 實行分時段定時控制

根據車流量和高峰時段分布對地下車庫全部實行分時段定時控制，如白天10∶00～16∶00和夜間0∶00～5∶00關閉一半的照明燈，其它時間照明燈全部打開；該方法適用于小面積的停車區域照明控制，可以起到較為明顯節能效果。

3.3 應急照明系統

根據規范規定，居民小區必須設置應急照明供電系統，以確保緊急情況下，疏散及救助工作的安全進行。應急照明的范圍包括樓道內應急照明、車行道和人行道的應急照明、設置在各樓層安全門(逃生口)處的應急誘導標志。應急照明供電系統能在正常外部電源全部失去時，提供不間斷的交流電源，切換時間不大于0.2 s。應急電源在正常母線電壓低于額定電壓的80 %時，仍然能正常啟動和工作。

4 結論

本文依據民用建筑現有的規范和設計原理，討論了供電電源、變配電室、室外電力電纜、照明設備的節能措施，提出了相對應的具有可行性的節能手段。

(1)合理設置變電室位置，選用節能型變壓器，考慮綜合效益的前提下確定變壓器數量、材質、布設位置及運行方式，提升變壓器的負荷率和功率因素。

(2)合理選擇線纜型號，通過減小電纜電阻來減小能耗需要在重復考察各種環境、資源條件的前提下，根據實際建筑耗能的情況來適當選取一個調節范圍。

(3)選用節能燈具來減少照明設備的能耗損失，對大面積地下車庫可以設計紅外與分段控制相結合、分時段定時控制等智能照明控制系統，并且需要通過經濟測算，為民用建筑電氣設計創造節能收益。

[1] 劉智宏. 住宅小區的建筑電氣設計及其節能措施研究[D]. 北京: 北京建筑大學, 2013.

[2] 侯瑞. 基于可拓理論的建筑電氣節能研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2011.

[3] 文桂萍. 建筑電氣照明節能設計的探討[J]. 四川建筑科學研究, 2007, 33(6): 218-221.

[4] 雷有秀. 淺談高層民用建筑電氣設計的節能[J/OL]. 建筑知識,2017(13):(2017-10-18).http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1243.TU.20171018.1420.040.html.

[5] 彭子江. 淺談民用建筑的照明節能設計[J]. 四川林勘設計,2007(3):75-78.

[6] 鄒玉宣. 民用建筑電氣節能設計規范與施工規范探討[J]. 安裝,2009(10):41-44.

[7] 于劍. 關于民用建筑電氣的節能設計研究[J]. 山東工業技術,2016(13):72.

[8] 王甫,于妍. 地下車庫電氣節能設計[J]. 電世界,2011,52(12):30-33.