探討建筑電氣節能減排措施及光伏新能源的應用

蘇子龍

中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京，100010

0 引言

電氣系統是建筑工程的重要組成部分，我國已發展成為世界第二大經濟實體，能源問題受到全社會的普遍關注，節能減排的意義愈發受到重視。

1 光伏新能源發電原理與優勢

1.1 原理

光伏發電是在充分利用光生伏特效應的基礎上，實現從光子到電子的轉變，以達到用光能（太陽能）發電的目的，充分節約電力能源。太陽能電池組件是光伏新能源技術不可或缺的重要設備，電池組件收集太陽能之后，把太陽能轉化為直流電，然后經光伏發電系統中的逆變器轉化成交流電，再通過控制器實現對交流電的調節[1]。

在建筑工程中采用光伏新能源技術，為建筑的電氣系統提供電力能源，改變供電峰值，提高對太陽能的利用效率，在滿足建筑供電的情況下，最大程度地節能減排，維持電網運作的安全性與穩定性，充分滿足建筑行業的綠色、可持續性發展。在建筑電氣系統中應用光伏新能源技術，可以促進光伏能與建筑的有機結合，實現光伏建筑的一體化建設。

1.2 優勢

（1）占地面積小、安全性高、污染性低：建筑中的光伏新能源發電設備主要安裝在采光良好的位置，比如外墻、屋頂等，以充分吸收太陽光。設備的占用空間不大，不需要專門為設備開辟安裝場所，而且技術應用過程中不會產生任何污染物，不會對建筑及其周邊環境產生污染，充分滿足了綠色節能建筑的施工要求。

（2）降低能源消耗，減輕資源浪費：建筑并網是實現光伏新能源發電的基礎，發電過程中不需要消耗燃料，也無需架設輸電線路，且建筑的建設周期較短，獲取新能源的時間短，充分滿足了人們日常生活中的用電需求。現階段，智能建筑已經實現了電能的輸入、輸出操作，且流程簡單，對能源消耗較少，不會造成電能的浪費。而且日常生活中的用電量較小，不需要過多地布置光伏發電點就能滿足人們的生活需求，充分實現了資源利用的最大化，避免長距離輸送電能造成的能源損耗。總而言之，光伏發電系統實現了從太陽能到電能的轉化，充分體現了其環保節能價值，節約了大量不可再生資源[2]。

（3）保障了建筑用電的安全性與可靠性：將光伏新能源技術應用于建筑的電氣系統中，可以把多余電量存儲起來，并輸送到電網。電網系統會根據建筑用電情況自動化調節電能輸出量，既滿足了住戶的用電需求，又避免了電力能源的浪費。從光伏新能源技術的實際應用來看，該技術具有原理簡單、施工方便、安全性高、可靠性好等優勢，且電能存儲方便，實現了電能的有效調節。

（4）維護了建筑周邊的自然環境：建筑電氣系統的施工相對復雜，用到的材料較多。以往的電氣系統施工過程中，不可避免地會對周邊環境產生一定影響。當施工結束后，在夏天制冷、冬天供暖過程中，還可能造成電能浪費，產生污染性氣體，危害周邊環境與人們的身心健康。新時期下，隨著建筑功能的完善與施工要求的提高，建筑的電氣系統設計中所用到的環保材料和設備越來越多，其中便包括一部分的風能、太陽能等清潔能源技術，降低了對傳統能源的依賴，使周邊環境不會因為建筑電氣系統的施工而受到不良影響。

2 建筑電氣系統節能設計存在的不足之處

2.1 照明設計不合理

盡管與工業用電相比，日常生活中的耗電量不大，但如果照明設計不合理，仍可能造成大量電能的浪費。比如窗戶材料的選擇不科學，降低了建筑的透光度，太陽光無法充分照射到屋內，以至于白天也需要使用照明設備。如果屋內的照明設備節能效果較差，功效過大，也可能造成電能的浪費。

2.2 監控設備不合理

為了保障住戶的人身財產安全，建筑通常都配備了監控系統，以滿足人們對居住安全性的要求。監控設備往往需要24h全天候運行，長此以往，消耗的電量不容小覷，如果監控設備的布局不合理，監控數量過多，必然會增加電能消耗量。因此，技術人員應在充分了解建筑環境、場所、實際需求的基礎上設計監控設備的布局，爭取用最少的設備實現最全面的監控[4]。

2.3 通風設計不合理

良好的通風能夠維持室內空氣質量，營造舒適、健康的生活環境。反之，通風不良不僅會影響人們的居住體驗，而且還會增加建筑耗電。尤其是在炎熱的夏天，人們對空調制冷有較高需求，空調設備往往長時間開啟，如果建筑通風設計缺乏合理性與科學性，空調開啟的時間就會更長，消耗的能源就會更多，造成的電能浪費也會更大。所以，設計人員應該根據建筑布局合理設計通風，保證室內通風良好，降低電能消耗。

3 建筑電氣系統設計中節能減排技術的應用現狀

近年來，在可持續發展理念的指導下，為了滿足建筑工程節能減排、綠色環保的需求，國家和政府相繼頒發了一系列法律法規，以此為節能減排技術的應用提供保障，更好地為廣大住戶提供優質、安全的服務。建筑電氣系統節能減排措施的應用，需要從材料的選擇、設備的布局、技術的應用等多方面做起。鼓勵電氣系統的設計與開發中應用新型材料，并且做好材料質量的監管，逐漸淘汰傳統、落后、不滿足節能環保要求的電氣材料，從綠色、節能的角度給予企業貸款與稅收等方面的優惠支持，全面貫徹節能減排理念在電氣系統設計中的應用，充分滿足建筑可持續發展的需求[5]。

傳統建筑施工中，電氣材料和設備的選擇、使用是結合在一起的，這就增加了不合理、不規范材料使用的風險性，更容易產生廢棄材料，造成人力與財力成本的浪費，還需要專門設置存儲廢棄材料的場所。而節能減排措施則能夠充分發揮電氣材料與電氣設計功能的優勢，通過節能技術、低碳技術、太陽能技術的應用，實現建筑與自然的深度融合，營造健康、節能、綠色、環保的生活空間。電氣設計過程中應突出節能原則，綜合考慮不同元素對能源消耗的影響，努力實現景觀設計和建筑功能的結合，更好地體現建筑空間布局、自然環境的優勢，在電氣系統的設計中積極引入各種新能源技術，合理規劃設備的布局，全面落實節能減排理念。

4 建筑電氣節能減排措施

4.1 供電系統設計

在建筑電氣系統中，供電系統是基礎與核心組成部分，供電系統的節能設計是否合理，將直接影響整棟建筑的電能消耗情況。因此，設計人員應站在全面角度，用統籌規劃的眼光把握供電系統的節能設計，保證設計方式符合建筑所在地區的環境和實際情況，充分考慮當地的氣候、溫度等客觀因素，以保證供電系統節能設計的經濟性，降低后期建筑的電能消耗。設計豎井和機房時，應全面了解供電系統的配置要求、電氣設備的布局、系統修筑方案等，盡量縮短供電設備、變配電所、負荷基地之間的距離。

4.2 照明電路設計

在保證照明質量的基礎上降低照明設備的電能消耗，這是建筑照明電路的設計關鍵所在。①充分發揮自然光的優勢，自然光是取之不盡用之不竭的可再生能源，設計人員在設計照明電路時，應結合建筑位置和結構，最大化地提高自然光的利用率，降低電力資源的消耗，尤其是商務、公用建筑。②不同的場所和環境，可選擇的光源也應有所區別。比如庭院照明更適合自然光，樓梯、走廊等場所則優先選擇聲控照明。③合理選擇節能開關，以滿足不同照明方式的需求。比如，工作區域對于照明的要求較高，可適當增加照明設備的數量或者瓦數；對于非工作區域，照明度可比工作區域降低1/3～1/5。此外，還應科學把握照明設備和墻壁之間的距離，避免墻壁遮擋損耗光源[6]。

4.3 合理選擇變壓器

變壓器是建筑配電系統不可或缺的組成部分，電力系統的正常運行同樣有賴于變壓器的支持。現有研究顯示：變壓器的能源消耗高達6%～8%。變壓器耗能大的原因主要來自銅耗和鐵耗兩方面，鐵芯的材質和鐵芯的制作工藝均與變壓器耗能密切相關，但對負荷的影響并不大。因此，在選擇變壓器材料時，應充分考慮到節能原則。銅對電能的消耗和負載大小有關，所以要在分析負載的基礎上確定銅材料的用量。

4.4 空調系統設計

現代建筑對供暖提出更高要求，這也是建筑電能消耗嚴重的重要因素。供暖系統耗能大與多種因素相關，設計人員在設計空調系統時，應盡量消除對節能減排不利的因素。比如合理把握控制界面，降低空調的電能消耗。在具體工作中，加強強弱電工程師與暖通空調工程師的技術交流，在空調系統的設計中引入弱電傳感器，充分體現空調的節能價值。新時期下，空調系統中已基本實現了智能控制，設計人員可通過設置BAS系統，讓供暖設備始終處于節能運行狀態，以平衡設備的負荷，延長設備使用壽命。節能設計首先要滿足行業標準，充分尊重業主的意愿，從技術和經濟兩方面衡量空調系統的設計，采用具有節能認證標志的產品調節冷熱源；充分考慮空調的覆蓋區域、覆蓋面積和人數。

5 光伏新能源在建筑電氣系統中的應用

光伏新能源是一種將光能轉化成電能的光伏發電技術，極大地降低了對化石能源的需求。光伏新能源技術所轉化的電能主要以直流電為主，在建筑電氣系統的使用中需要配合逆變器，從而讓直流電轉變成交流電，結合其他電氣設備控制電能輸出。太陽能是光伏新能源主要的能量來源，比如光伏太陽能發電板便是這一技術的充分體現，白天接受充足的太陽光照，并將轉化成的電能存儲在蓄電設備中，用戶在夜間通過控制電氣設備進行放電。建筑電氣系統設計中應用光伏新能源技術，能夠有效降低能源消耗，實現節能減排目的[7]。

5.1 太陽能電池板的選擇

光電系統對太陽能的轉化效率，很大程度上取決于太陽能電池板。在實際施工中，應結合建筑電氣系統的要求選擇太陽能光伏組件，充分滿足電壓、電流、功率等各方面的需求。現階段，常用的太陽能電池板主要有以下兩種。

5.1.1 晶硅太陽能電池

這是目前建筑電氣系統中應用最廣泛、技術最成熟的一種電池材料，多年來始終在光伏新能源技術中占有重要地位。晶硅太陽能電池可分為單晶硅、多晶硅兩種類型，二者對太陽能的轉化效率有所差異，前者轉化率約為14%～18%，后者約為11%～16%。盡管晶硅太陽能電池的轉化效率比較理想，但生產成本也較高。目前的研究重點主要集中在兩方面，一是降低成本；二是提高光能與電能的轉化效率。

5.1.2 非晶硅太陽能電池

其優勢是成本低、重量輕，適用于大批量生產與大規模安裝；缺點主要體現在材質方面，非晶硅太陽能電池的光電轉換效率略微遜色，只有6%～10%。此外，隨著時間的推移，非晶硅太陽能電池的光電效率會持續衰減，穩定性較差，因此在建筑電氣系統中的應用有一定的局限性。如果非晶硅太陽能電池能取得技術上的突破，憑借其性價比高、弱光感應好的優勢，應該具有樂觀的應用前景。

5.2 光伏幕墻

這是一種將光伏發電技術應用于建筑圍護結構外表層的方式，也是非常先進的一種節能技術，甚至可以直接取代建筑原本的維護結構，充分實現光伏發電技術和建筑外幕墻的有機融合，將傳統外墻材料取而代之，極大地減輕了環境污染，實現了低耗能設計。建筑屋頂面積并不大，在屋頂修建太陽能墻面，可有效降低噪音干擾，讓建筑外墻處于相對低的溫度環境中，以提高夏季室內的舒適度。在設計安全光伏幕墻系統的過程中，應根據建筑工程的施工要求與當地的光照情況、周邊環境全面分析光伏幕墻和建筑的結合方式，持續優化設計方案，提高節能減排效果，充分發揮建筑光伏幕墻的技術優勢，實現建筑整體的低能耗[8]。

5.3 光伏能源設備的維護

要想在建筑電氣系統的設計中充分體現光伏技術的優勢，以滿足住戶的日常生活需求，則需要全面分析該技術的特點。在光能轉換為電能的過程中，利用蓄電池，將直流電轉換為交流電，再將交流電輸送到配電柜，從而為用戶提供電能。鑒于光伏電能技術的工作原理，電氣設備應該安裝在光照充足的位置，以保證設備能夠充分吸收光照；科學地計算設備安裝角度，保證設備光照均勻，設備周圍沒有障礙物遮蔽陽光。在設備投入使用后，應定期檢修和維護，及時處理故障，避免設備損壞。

6 結論

新時期下，人們的節能環保意識越來越強，建筑電氣系統的節能減排設計既是大勢所趨，也是基本要求。作為建筑設計人員，應該嚴格遵循電氣系統設計原則，從供電系統、照明電路、空調系統等各方面做好節能設計。與此同時，結合建筑所在地區的氣候、光照特點合理選擇光伏新能源設備，提高對太陽能資源的利用率，節約建筑對電力能源的消耗，充分發揮科學技術的優勢，維持我國建筑行業的可持續發展。