建筑電氣節能研究

郎東瑩

（濱州學院建筑工程學院， 山東 濱州 256600）

0 引言

建筑電氣由電源、動力系統和照明系統組成，電氣能耗也主要來源于這三大組成部分。相對于歐美等發達國家，我國建筑電氣能耗偏高，能源有效使用率偏低，節能意識不強，在建筑電氣節能方面，我國還處于初級的發展階段。因此，采取正確的節能措施，解決建筑電氣節能中存在的問題，提高電氣能源利用率，顯得至關重要[1]。

1 建筑電氣節能現狀及存在的問題

我國建筑節能體系起步較晚，于1986年才頒布了第一部有關建筑節能降耗的行業法規:《民用建筑節能設計標準》[2]，這與美國、英國、加拿大等發達國家在建筑節能方面相比，有較大的差距，也存在著諸多的問題需要解決：

（1）存在不合理的建筑電氣設計現象。合理的建筑電氣工程設計能夠大幅降低電氣系統的能耗，但是具體的實施過程中，有些設計單位和設計人員對此不夠重視，或有些工程設計周期較短，設計人員忽略了節能設計的質量，這都會增加能源的消耗。

（2）建筑節能相關標準、規范不夠系統和全面。目前，我國還未對建筑節能的相關標準、規范進行全面系統的概述，這導致部分工程在實際執行過程中造成選型不合適，如建筑照明系統的光源選擇不合理，一味提高照明照度，造成能源浪費；電氣系統選用導線、電纜選擇不合適，造成線損較大；變壓器選擇容量選擇不匹配，或者選擇變壓器規格、型號不合適，造成運行效率偏低，電能損耗嚴重。

（3）存在較多技術方面的問題。例如，有些電氣設備長期工作在非高效范圍內，增加了電能的消耗；空調系統不合理的系統設計導致其工作效率偏低，電能浪費嚴重。

（4）變頻設備在供電系統的過量使用，這會對電網系統造成諧波分量所占比重加大，不但會影響電氣設備的使用壽命，還會造成電能的浪費。

（5）許多建筑電氣設備的調節裝置不完善。例如，水泵、風機等設備的開關控制僅存在手動控制，無節能控制模式，這導致設備長時間的運行增加了電能的損耗。

隨著社會的發展，近年來我國建筑節能工作在各方面都取得了長足的進步，節能的重視程度逐漸加深，在相關部門和各行業的共同努力下，我國出臺了多項支持建筑節能的政策及標準。例如，《建筑節能施工質量驗收規范》、《綠色建筑評價標準》、《全國民用建筑工程設計技術措施——建筑節能專篇》等[3]。這些建筑節能標準的實施，為建筑電氣節能的發展提供了保證。

2 建筑電氣節能設計原則

建筑電氣節能可以節約能源資源，對建筑節能具有重要意義，但是在采取節能降耗的措施過程中，不能為了達到節能的目標而影響了建筑的特性和功能，更不能為了節能而盲目的增加投資，忽略了建筑成本。因此，建筑電氣節能的設計應遵循以下原則：

（1）適用性原則。實施建筑電氣節能要在滿足建筑物使用功能的基礎上進行，滿足人的使用需求，保障建筑電氣各系統正常的運行，如建筑的照明系統要滿足照度、顯色指數、色溫等；通道要保持暢通；室內要舒適、衛生。因此，在進行建筑電氣設計時，首先要考慮建筑物的功能類型，滿足建筑使用過程中的動力性、安全性和舒適性，達到供電可靠、運行穩定，其次才是根據使用的實際需要，科學的、合理的進行節能設計，使電氣系統充分的利用電能資源，達到電氣節能的要求。

（2）實際性原則。節能應該根據工程的實際情況，充分的考慮經濟效益，不能因為節能而過高的增加消耗投資，實際性原則是要科學的減少能源消耗，而不是為此盲目的消耗更多的物資和資金，達到節能的目的。在節能的實施過程中，要對增加的節能成本進行科學合理的估算，遵循經濟性原則[4]，以最少的投入收獲最大的回報，既達到節能的要求，又對生產成本進行有效控制。

（3）節能性原則。電氣節能的關鍵是在保證經濟性的前提下減少無謂的消耗，降低能耗，合理的利用能源，提高利用效率，而不是通過加大資金的投入達到節能的目的。要確定出哪些設備運行中的消耗與建筑物功能的實現無關，然后在有針對性的采取節能降耗措施，例如，通過合理有效的節能設計方案，降低輸電線路上的功率損耗；對用電負荷進行優化分配，降低減少電能的損耗[5]。

（4）技術性原則。采用先進的電氣節能技術，能夠有效的降低能源的消耗，如電梯拖動系統中，采用電動機與曳引輪組合技術，可以減少35%以上的電能損失[6]，達到節能效率高，運行成本低的效果。

（5）安全性原則。建筑電氣節能設計中，除了要考慮節能問題，還必須滿足建筑的安全性要求，例如，要重視電氣設計中的防火設計，加入相應的防火措施；要優化供電線路的設計，確保線路的安全性及穩定性；要強化漏電保護設計，設置合理的漏電保護參數及選擇合適的漏電保護器；要布置合理的安全接地等。因此，建筑電氣在設計過程中，除了要保持降低能源消耗的同時，還要確保建筑的安全性，若在建筑節能設計過程中存在著安全問題，將會對建筑造成巨大的安全隱患。

因此，電氣設計人員在進行電氣節能設計同時，要從適用性、實際性、節能性、安全性等方面綜合考慮，從而達到提高電能利用效率和節約能源的目的。

3 建筑電氣設計中的節能措施

建筑電氣系統在進行規劃的過程中，要充分的考慮整個建筑系統的實用性、穩定性和安全性，在此基礎上，提高實際應用的效率，減少能源、資源 的浪費，積極創造出節能環保的使用條件。采取有效的電氣節能措施，可以從電源節能、動力節能、照明節能三方面來實現。

3.1 電源節能

在電網的運行過程中，電能在線路中的傳輸以及通過變壓器進行升降壓，都會造成較大的能量損耗，因此，電源節能措施主要包括線路節能和變壓器節能兩個方面。

3.1.1 選用合適的供配電線路

（1）選擇正確的電網電壓等級。在相同的功率條件下，輸電線路的電壓等級越高，電流越小，損耗就會越低，所以，選擇合適的電壓等級對于電氣節能至關重要。

（2）設置合適的電源位置。為了減少供、輸電線路的損耗，電源設備應盡可能的設置在負荷中心。負荷中心不同于幾何中心，它是指在工作過程中線路損耗最小的位置，將電源設置在負荷中心，輸電線路不一定最短，但是此方案能耗最低，最經濟可行[7]。負荷中心一般可以通過負荷功率矩法、負荷電能矩法、負荷指示圖等計算方法近似得到[8]。

3.1.2 選用合適的變壓器

建筑工程中，變壓器用于輸電、變換電壓等環節，是電力系統中重要的電氣設備。降低變壓器的電能損耗，可以從有功功率損耗、無功功率損耗及綜合運行功率損耗三方面進行考慮。

（1）降低有功功率損耗。變壓器在工作過程中，有功功率損耗由空載損耗（又稱鐵損）及負載損耗（又稱銅損）組成。空載損耗與負載的大小無關，其大小與變壓器本身的鐵芯材質有關，因此在選用變壓器時，選擇節能型的變壓器型號或者非合金材料的變壓器，可以大幅降低空載損耗。負載損耗代表著變壓器繞組上的電阻損耗，與電阻及流過負荷的電流大小有關，選擇較小繞組電阻的變壓器，可以減少負載損耗，如選擇繞組為銅芯材質的變壓器。

（2）降低無功功率損耗。變壓器是根據電磁感應原理進行工作，其借助著交變磁場進行著能量的傳遞與轉換，因此，變壓器是感性的無功負載，所建立的交變磁場需要的功率即為無功功率。降低無功功率有效的方法就是改善功率因數，提高功率因數就會提高電源的利用效率，具體方法有：避免建筑電力系統中空載或者輕載運行；保證電力系統供電電壓的持續穩定；正確的選擇變壓器的容量及臺數；使用調相機或者電容器等裝置對系統進行無功的補償。

（3）降低綜合功率損耗。要綜合的降低變壓器的有功功率損耗及無功功率損耗而達到降低配電系統電能損耗，需要對變壓器綜合功率進行整體考慮，科學分析，可以通過選擇變壓器合適的運行方式，降低變壓器的綜合功率損耗。

除根據相關準則確定好合適的配電線路、選用正確的變壓器之外，減少供電距離、增加線纜的截面、選用電阻率較低的輸電線路都會實現電源節能。

3.2 動力節能

電動機是建筑電氣系統重要的組成設備，在建筑領域運用廣泛，其所消耗的電能占到電力系統總發電量的60%-70%，由于電動機運行時易出現輕載、低效、能耗高狀態，浪費電能現象嚴重，所以動力節能是建筑電氣節能的關鍵。

（1）維持電動機的高效運行。提高電機的功率因數，避免電機出現空載或者輕載運行狀態，相同容量的電動機，在一般情況下，鼠籠式電動機比繞線式電動機功率因數高，相同類型電動機，大容量電機功率因數高于小容量電機；選擇合適的啟動方式，可選用軟啟動器，避免電動機直接氣動、星/三角降壓啟動等傳統的啟動方式對電氣與機械的沖擊，使電動機的啟動與停止運行趨于平穩，在提高設備的使用壽命同時也減少電動機的運行損耗。

（2）采用變頻器供電構成高效、節能的變頻調速系統。通過變頻器改變供電頻率，對電機的轉速進行無級調節，使電機工作在理想的額定狀態，采用合適的變頻調速裝置，可以使電動機的節能效果提高10%以上，提高了系統的節能效益。

（3）選擇與建筑電氣系統配套的電動機。在電動機滿足機械工作的前提條件下，根據負荷特性，合理的選擇電動機，提高工作效率，也可加裝輕載節電器，使電機在空載、輕載等運行狀態下，電動機端電壓自行降低，達到節約電能的目的。

3.3 照明節能

在建筑電氣系統中，照明系統能耗占到整個電氣系統能耗的20%-30%，所以照明節能是建筑電氣節能的重要組成部分。

（1）利用天然光源實現節能。照明系統與天然光結合使用，既能有利于節能環保，又能使照明環境舒適高效[9]。我們應從被動的使用天然光源向積極的利用天然光源轉變，也可利用集光裝置進行采光，提高天然光的利用率。

（2）選擇高光效節能光源。根據光源使用場合及不同的需求，從光效、壽命、節能等方面綜合考慮光源。白熾燈發光效率、壽命等處于較低水平，需減少使用；熒光燈能效高，使用壽命長，更加綠色環保，應增加使用，其中，直管熒光燈發光效率、壽命、經濟性優于緊湊型熒光燈；對于一些高層建筑，安裝高度較高，后期維護保養較困難，可選用高頻無極熒光燈。與電光源進行配套使用的附件，也需進行合理的選擇：產生主要功耗的鎮流器，應選擇高品質、低功耗的電子鎮流器；對于一些附件僅起到裝飾作用，但會造成光源的輸出效率下降，電能消耗增加，此情況下能減少附件的增加盡量減少附件，以提高燈具的使用效率。

（3）選用智能照明控制系統。對照明系統進行智能的控制和管理，如采用自動調節照明系統，可以根據自然光的強弱自動調節建筑內部照度強弱，不僅能夠實現室內照明穩定，實現工作精度提高，同時保證了運行成本降低和資源能源的節約。

（4）優化照明供電系統設計。供電照明系統同樣也要做到節能優化設計，例如，導線盡量設計為直線敷設；選用電阻率較小的導線；通過科學合理的計算實現照明負載的三相平衡，避免零線電流過大增加電能消耗。

（5）采用綠色節能技術。將節能技術與太陽能、風能等綠色能源相結合，實現節約資源的目的。

4 結語

總之，在能源資源消耗日益嚴重的今天，建筑電氣節能已越來越引起人們的重視，只有采取有效的節能措施，才能提高電氣系統工作效率，減少能源損耗，實現經濟與環境的協調發展。