基于安全和節能的建筑電氣設計要點探討

王慶鍵

（中鐵建設集團有限公司，北京 100040）

隨著科學技術不斷發展、人們生活水平提升，用電量也不斷增加。各類新型設備的使用給用電安全提出了巨大挑戰，同時也使電能損耗量劇增。據我國建設部、建材局統計，建筑工程能耗量占據社會總能耗量的27%以上，為了能夠實現社會經濟可持續發展，倡導綠色建筑，減少建筑物電能浪費量勢在必行。從某種程度上來看，電力系統的安全性與節能性存在矛盾，如何做好安全性、節能性的權衡也是需要重點考慮的問題。

1 建筑電氣設計普遍存在的問題

建筑工程電氣系統涉及范圍廣、涉及內容多、發展速度快，使得電氣設計難度越來越大。雖然我國建筑行業提出了一系列建筑電氣設計國家規范、行業標準，但很多規范、標準存在規定不一致等問題，再加上部分設計人員對電氣設計標準規范條文理解不到位，導致很多建筑工程都存在電氣系統混雜、錯亂等問題，對電氣系統正常運行帶來了很大的安全隱患。

節能減排是我國近些年大力倡導的理念，這就要求電氣系統設計在能夠滿足用戶實際使用需求的基礎上，最大程度上減少電能損耗。但電氣系統節能設計發展還不夠成熟，加之新技術、新產品、新材料、新工藝、新能源不斷涌現，很多設計人員對電氣節能設計理解不深入，導致大量電能浪費，如很多建筑物變壓器負載持續率常年不足50%運行、辦公樓公共區域長明燈、供水系統水泵全功率運行等。

2 建筑電氣系統設計原則

2.1 功能性

建筑電氣系統會直接影響建筑工程的使用功能，所以在設計中要確保電氣系統可以滿足建筑工程整體需求，并需要滿足特殊場所用電，如公共建筑食堂燃氣間防爆要求等。同時，還要保證建筑工程的舒適性，包括建筑溫度控制、照明控制等，進一步細分，如照明系統中除了要保證照度外，還需要保證照度均勻度、眩光控制、光源色溫、光源顯色指數等指標。

2.2 安全性

電氣系統由于內部結構復雜、涉及面較廣，確保整個系統安全是需要重點考慮的問題。例如電氣短路問題，需要在設計中保證電氣系統絕緣、短路分斷等滿足要求，短路時保護開關可以有效動作，避免危害進一步擴大。同時，還有更重要的消防問題，消防配電直接關乎火災時消防水泵、防排煙風機等消防設備的可靠運行等。

2.3 節能性

節能并不是一味地減少電氣系統電能損耗，而是減少無謂的電能浪費，也就是盡可能節省無法發揮建筑功能的電氣消耗，并采用節能措施。無謂電能損耗主要有輸配電線路功率損耗、變壓器空載損耗、電力用戶用電設備無功損耗等，這些因素都要重點考慮如何降低電能損耗，從而實現節能目標。

3 建筑電氣安全性設計

在電氣安全性設計方面，文章主要就供電可靠性、接地故障、電涌防護、建筑消防控制等方面展開探討。

3.1 供電可靠性

供電可靠性會直接影響建筑使用功能，保證電力供應正常運行是基礎與核心。對于一級負荷，通常需設有2個或2個以上的獨立電源，供電方案根據負荷性質、當地電網設置情況等確定。一般情況下2個獨立電源可一用一備，亦可同時工作。若有一級負荷中特別重要負荷時，根據負荷性質，有時還要設置快速自啟動柴油發電機組，停電時的電力恢復時間在15s之內，正常情況下電源斷電時作為保障負荷的備用電源，消防狀態時作為消防負荷的應急電源等。對于二級負荷則要求采用雙回路電源供電[1]。針對消防負荷必須采取雙電源末端切換供電，以滿足供電可靠性。

3.2 接地故障

建筑火災大部分都是電氣系統故障引起的事故，究其根本是因為電氣設備故障或線路故障。電氣故障主要包括帶電導體間的短路、帶電導體對地短路。接地故障作為短路形式的一種，其短路電流、故障嚴重性、保護措施等方面與普通相間短路存在較大的差異。如果帶電導體出現短路等情況，由于電流量激增，此時斷路器自動切斷故障回路，從而避免發生電氣火災。接地故障電流相對較小，特別是電弧接地故障問題，斷路器可能無法動作，此類問題不僅會造成人身電擊，還會出現火災問題。因此電弧性接地故障所引發的火災概率更高。

在電氣架構設計當中，要在進線端或者分支處設置RCD，在設定RCD保護時，根據標準最佳保護動作電流通常為I≤300mA，動作時間延遲為0.25s，誤差控制在±20%。這樣設計可以在電源箱供電范圍內如果某個線路出現了接地故障，此時RCD可以在0.2～0.3s切斷電源，避免電氣火災發生。

3.3 電涌保護

為了提高建筑的防雷性能，要采用建筑外部防雷系統，主要是由接地裝置、接閃帶、引下線等構成。通過分析可知，雷電電涌可以通過外部線路進入到建筑內部造成電氣事故，并且雷電的電流量非常大，有非常強的瞬變電磁場感應，導致建筑內敏感電氣設備損壞。特別是在電氣自動化背景下，建筑內所使用的敏感類電子設備數量不斷增多，并且這些設備工作電壓普遍較低，所以受到電涌襲擊的概率更大。一旦有設備受到損壞，可能會導致整個系統運行中斷。

為了避免以上問題，需要采用等電位連接方案，室外電纜需要在進入建筑前做好接地。電源線路上設置電涌防護器SPD。如果雷電電涌、電氣內部電壓值超過了SPD設定閾值時，就會形成等電位。等電位可以將大量電壓、電涌瞬間釋放給大地，有效減少了設備各個接口之間的電位差，從而起到保護作用。

3.4 建筑消防控制

建筑電氣消防系統的設計核心是火災自動報警及聯動控制系統，整個系統包括火災探測報警系統、消防聯動控制系統、火災預警系統以及消防電源監控系統，實現了消防系統的自動化體系。火災報警控制系統線纜除采用阻燃耐火銅芯電線電纜外，消防線路暗敷時所有線路都要穿金屬管暗敷在保護層厚度≥30mm的不燃性結構內，這樣即使發生火災，也可以保證線路正常使用，有效傳遞火災信號和聯動控制。

4 建筑電氣節能性設計

4.1 供配電系統

（1）變壓器選擇。如今新型變壓器種類較多，通常10型以上的變壓器均具備節能效益。如可以選擇SC（B）10變壓器（全名為“環氧樹脂真空澆注干式變壓器”）。該變壓器采用硅鋼片剪切線、晶粒取向冷軋硅銅片、階梯步迭鐵芯接縫，相比普通的干式變壓器，空載損耗可以降低33%、負載損耗可以降低15%，總損耗下降20%。資金較充裕時還可選擇非晶合金變壓器，其空載損耗一般不到用硅鋼片制作的變壓器的30%。從變壓器日常使用情況分析，其長期工作負載量控制在70%～85%，因此在變壓器數量和容量選擇當中，要結合負載變化量、運行運費、投資量等，合理分配變壓器運行負荷，要求變壓器容量與電力負荷相匹配，減少長期負載運行的電能損耗量[2]。同時，變壓器運行溫度越高，其電能耗費量越大，因此要控制運行環境，保持三相負荷平衡，采取科學的變壓器界限方案。季節性負荷較大時可以設置專用變壓器。

（2）配電系統功率因數。為了能夠減少電氣設備無功損耗，提高運行功率因數，必須科學選擇電感性用電設備，并采取并聯電容器等方式進行無功補償，以提高功率因數。

（3）線路損耗控制。采用電阻率小的導線，變電所深入負荷中心，避免導線長度過長，適當提高導線截面積。雖然在建設中可能會增加成本，但從長遠發展來看具有非常高的經濟效益和節能效益。

（4）供電電壓。在相同條件下，電壓與損耗通常成反比，即電壓越低損耗越大。結合電氣系統投入量和電力企業規定標準確定供電電壓等級，如電氣設備容量總和超過250kW或變壓器容量超過了160kVA時，宜采用10kV供電。

4.2 電氣設備

（1）風機、水泵。根據運行工況設置自動啟停；對于風機、泵類負載，當流量在90%～100%范圍內變化時，通過風門控制器、閥門控制器控制風門和閥門的開度；采用電動機定子調壓、變換極對數、變頻等調速方式運行。

（2）電動機。電動機損耗主要是輕載運行、空載運行，很難達到滿功率運行，需根據運行狀況進行自動調節，因此需安裝以變頻器、智能控制器、現場傳感器為主的節能控制系統，采集各控制點工藝參數及環境參數，實時調節變頻器運行狀態，最大限度實現節能。

4.3 照明系統

照明系統主要采用節能高效的燈具，無特殊要求場所，盡量選擇開敞式直接型燈具，同時還要考慮色溫、光效、顯色指數、使用壽命、價格等。嚴格控制照明功率密度值，充分利用天然光，配合天然光采取分區、分組等合理控制方式。建筑內照明主要是采用聲感照明和光感（體感）照明，如建筑的走廊和樓梯間，可以同時設置聲感照明和光感照明，同時捕捉人的腳步聲、咳嗽聲，如果用戶的行走聲音較小，光感器也可以捕捉人經過的動態光，實現自動控制[3]；還可以采用智能照明控制系統，讓照明系統更加智能，如傳統控制系統在一定時間內無聲音、無走動會自動關閉燈具，而智能照明系統采用了更加智能的控制方案，可以運用紅外線傳感器（人體都會輻射紅外線），只要人在燈具就不會熄滅；還可以根據室內外環境光變化自動調節光照亮度，例如傍晚在走廊較暗（并非全黑）的情況下，系統會自動打開30%～50%的光亮度，在保證滿足用戶使用需求基礎上，盡可能減少電能損耗量。

4.4 分布式能源系統

分布式能源系統是一種更高效、環保、可靠的能源轉換技術集成系統。根據發電方式，分為小水電站、新能源發電、余熱發電、冷熱電三聯供等類型。分布式能源系統對節能減排具有重要意義，以太陽能光伏發電為例，太陽能資源豐富地區1MWp并網太陽能電站，預計發電量約為95×104kWh，相當于年節標準煤約330t，并且無噪聲、無污染、運行可靠[4-5]。

5 結束語

綜上所述，為了能夠保證建筑電氣系統運行安全性和節能性，必須全面考慮電氣設計的每個要點。電氣設計人員要精心考量，對多個設計方案進行安全性、節能性對比，從技術指標滿足度、建筑功能需求度、系統運行安全性、系統總體能耗量等角度出發，這樣才能充分發揮建筑電氣系統的綜合效能。