高校建筑電氣節能設計探討

北京科技大學 覃 亮

十三五規劃以來我國的綠色建筑取得較快發展，但在2021年我國政府提出“碳中和、碳達峰”的背景下節能減排形勢依然嚴峻。隨著我國綠色建筑評價體系的不斷完善，建筑電氣節能設計作為綠色建筑設計中重要組成部分，提高建筑電氣節能設計質量可極大促進未來建筑投入運行使用后的節能降耗工作。高校擁有規模龐大和數量可觀的教學、科研、試驗、圖書館等建筑，這些建筑的用電能耗往往在整個校園總用電量中占相當大的比重。在高校踐行綠色發展理念，建設低碳環保的資源節約型校園，以及完成上級部門布置的節能減排約束性指標的工作中，做好前期的建筑電氣節能設計工作就顯得尤其重要。

1 建筑電氣節能設計的一般原則

要做好建筑節能設計工作，主要遵循三點原則：

滿足建筑使用功能的原則。建筑電氣節能設計必須符合未來建筑用戶的實際使用需求，盡可能實現人、建筑與自然的和諧共生。比如照明設計要保證不降低視覺要求、不影響照明質量的前提下，滿足不同照度、色溫和顯色指數要求，務求降低照明中光能的損失，從而更好地為廣大師生創造安全、舒適和健康的使用環境。

滿足投資效益的原則。從一定程度上來說，設計階段決定了建設規模和建設標準，也就直接影響到整個工程項目的投資規模以及后期建筑使用成本。高校的工程建設項目屬于國家投資，投資規模和運行成本受到嚴格管控，要從項目投資預算合理的角度出發，保持適度的投資規模，尤其是針對非必須增加的部分要避免投資，從而真正實現投資收益最大化，不能片面追求大而全。

節約運行用電成本的原則。簡而言之就是在綜合建筑全壽命周期的技術與經濟條件下，合理采用新技術節能型電氣設備，最大程度的降低建筑使用過程中的電能消耗，如采用節能型號的電力變壓器、水泵、風機以及照明燈具等。

2 建筑電氣節能設計的技術措施

2.1 確定建筑照明照度及照明功率密度

照度標準值是指照明設備進行維護時參考平面需維持的平均照度，國家規范要求表面上的平均照度不能低于規定的數值。照明功率密度即LPD，其限值是指限定某一建筑部位的照明功率密度最大允許值，實際設計的LPD值不得超過國家標準值，此規定是強制性條文，必須嚴格執行。

照明照度、功率密度標準值接影響整個建筑照明節能效果，因此各建筑內的房間或區域在滿足照度標準值的前提下，照明功率密度值不應高于現行國家標準《建筑照明設計標準》GB50034規定的現行值。高等院校的情況可參考表1執行，其中教室照度標準值對應的參考平面為課桌面、黑板，實驗室照度標準值對應的參考平面為實驗桌面，美術教室照度標準值對應的參考平面為桌面，多媒體教室、宿舍照度標準值對應的參考平面為0.75m水平面。

表1 高校建筑照明功率密度限值表

2.2 照明控制系統設計

照明系統分區根據建筑內各部位的使用功能需求、不同季節、作息時間、自然采光等因素，通過合理的照明管理，用最經濟的能耗來提供舒適的光照條件。其主要以節能控制模式為主，即以節約照明用電為目的，通過編寫控制程序或設置控制模塊來對照明設備的開關進行控制，通常采取區域遠程控制、感應自動控制、場景控制、定時控制和聯動控制等控制方式。

走廊照明控制，可按預先編制的程序開關進行控制并監視其開關的狀態，如采光的走廊，白天可自動切斷照明燈具電源，清晨、夜晚及上下班前后可接通其電源。辦公室及教室的照明也可預先設置若干作息的工作狀態，由時鐘管理器根據預設時間自動在各個狀態間進行切換。樓梯間照明控制則可采用聲光控制。多功能會議廳宜采用環境照度控制模式，可預設多種燈光照明場景適應不同場合的照明需求，由使用人員自主選擇，其照明控制可與試聽設備聯動，當播放投影時燈光可以自動變暗，播放結束時自動調回先前亮度，還可通過驅動電機自動拉伸窗簾充分利用日照補償。

2.3 確定分項電能計量裝置設置原則

只有通過對建筑物內各類用電設備系統的回路進行精準的計量和采集，才能為提升綜合能效管理提供可靠的數據支撐。因此，照明、空調、動力及特殊用電等耗能系統都應設計計量裝置進行計量，照明插座用電分為照明和插座用電、走廊和應急照明用電、室外景觀照明用電等；空調用電分為冷熱站用電、末端空調設備用電等；動力用電分為電梯用電、水泵用電、通風風機用電等。

此外，北京市的國家機關建筑及大型公建的分項計量應滿足《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統樓宇分項計量設計安裝技術導則》以及《公共機構辦公建筑用電分類計量技術要求》DB11/T624等相關規定規定，以下用電回路需要設置分項電能計量表：電力變壓器低壓側的出線回路；需要單獨計量的外供電回路；特殊部位的供電回路；可再生能源發電回路；制冷機組主供電回路；單獨供電的冷熱源系統附泵回路；集中供電的分體空調回路；照明插座主回路；電梯回路。

采用的計量裝置最好選用多用戶集中式型號，利于后期統一管理和維護與檢修。數據通訊方式宜采用RS485專線方式，利用局域網絡，通過RS485網線實現基于TCP/IP協議的遠程數據傳輸和各類能耗數據的遠程管理，由上位機進行統一管理，購電可采用射頻卡方式，利用刷卡終端與讀寫器實現預付費用用電控制功能。計量裝置采集數據標準應符合《民用建筑能耗數據采集標準》JGJ/T154中的有關規定。節能計量管理系統則通過上述分項電能計量裝置，可實時采集耗能數據，并具有在線監測和動態分析功能。

2.4 節能計量管理系統的功能配置

節能計量管理系統就是利用能耗計量、通訊裝置以及分析管理軟件，提出個性化的節能方案，實現節能降耗、提升能效。節能計量管理系統宜采用多用戶管理模塊架構，即通過電能計量裝置對各個用戶電能能耗點進行精準計量和專門節能用電管理應用。節能計量管理系統應具備以下基本功能：

2.4.1 數據采集與處理功能

計量模塊采用“多線程高速交互動態監測”用戶用電量與用電參數，根據嵌入軟件自動處理，系統自動采集個用戶信息，通過上位機軟件系統進行處理；安全用電管理功能。監測瞬時接入設備綜合參數，識別限制惡性負載，限制惡性負載設備接入；遠程控制功能。管理部門可查詢用電信息，可以設置剩余電量斷電提示或設置透支額度，如電費少于設定值系統自動控制欠費用戶的電源，提高回收電費效率。

2.4.2 雙回路或三回路控制功能

控制照明回路，另一路控制大功率用電設備(如空調、飲水機、洗衣機等)回路，定時抄表和階梯電價；防作弊功能。實現授權密碼操作，設有運行日志，詳細記錄歷史操作記錄；記錄預付費功能。實現自動收費或自主購電；系統運行日志、數據存儲、備份以及打印等基本功能。節能計量管理系統能為節能管理部門實現科學用電管理，提供準確、可靠的電能計量數據和報表分析，完善電費結算和量化控制，安全監控和實施效果評價，實現管理提效，從而達到降低運行成本、節約電能及安全用電的目的。

2.5 電梯節能控制措施

電梯作為建筑物中使用頻繁、持續時間長的大型特種設備，屬于動力系統中電能消耗較大的機電設備，高等院校作為人員密集場所，保有數量較為可觀的電梯，有統計數據顯示，建筑物中電梯的電能消耗占到建筑總用耗電量得的25%[1]。因此采用新的電梯節能技術也是建筑電氣節能的重要途徑之一，它可以有效降低后期電梯運行成本，對于高校節約電能消耗產生良好的經濟效益。

在電梯節能設計過程中，必須通過人流平衡計算以及考慮使用需求，確定電梯臺數、載客量、速度等指標。宜采用變頻調速拖動方式或能量再生回饋技術，可將原本通過能耗電阻消耗的再生綠色電能無污染回饋到電網。利用能量回饋技術，可將回收能量大致占電梯用電能耗比例為25%~35%。3臺及以上電梯集中設置時應具備群控功能，可根據不同時段使用需求，智能化的提供派梯方案，極大減少用戶候梯時間和乘梯時間，通過減少電梯無效運行，降低整個建筑物的電梯運行能耗。還應采用轎廂無人自動關燈技術、驅動器休眠技術等節能控制措施，提高電梯的節能效率。此外可以采用具有永磁同步電機驅動的無齒輪曳引機技術的電梯型號，與傳統有齒輪曳引機相比，其節能比例最高可以達到20%[2]。

2.6 配電系統設計及合理選用節能型電氣設備

配電系統應在滿足安全性、可靠性、經濟性和技術合理性的基礎上，提高運行效率，根據負荷計算確定變壓器容量與數量，同時避免變壓器在低負荷狀態下長期運行。在建設大型新校區時，確定總變配電室變壓器容量指標，可按如下標準計算：普通高等院校（理工類）30~60W/m2，辦公樓和教室安裝空調的用電指標增加25~35W/m2。10kV及其以下電力電纜截面應當按照《電力工程電纜設計規范》GB50217的有關要求，并需要綜合技術、經濟電流計算方法進行設計，尤其時長期持續運行的負荷須采用經濟電流選擇電纜截面，可以降低使用電力成本。

配電系統還應滿足工程對用電質量的要求，需要綜合考慮電壓偏移、電壓波動、閃變、頻率偏差、諧波等因素，高校中特別是理工科院校，一般都有金工實習廠房或者大型的試驗設備，因此有必要配置濾波及補償裝置，要求補償后的功率因數不小于0.95，對于諧波較大的單獨設備或設備組，可就地加裝交流濾波裝置；低壓配電系統宜選擇放射式和樹干式相結合配電方式；不同用電設備的低壓配電出線的設計應合理，單相用電設備配置時需要達到三相符合平衡，還必須考慮線路的電壓損失，一般情況下低壓線路供電半徑不應超過250米。

根據國家《節約能源法》的規定，要求政府機關、企事業單位使用節能設備。三相配電變壓器的設計選型應滿足《三相配電變壓器能效限定值及節能評價值》GB20052-2013的節能評價要求，空載損耗和負載損耗均不應高于能效等級2級，可以選擇如D,yn11接線組別的SCB13、SCB15型變壓器，投資規模可控的可以采用非晶合金鐵芯型低損耗變壓器；水泵、風機等低壓交流電動機設備及其他電氣裝置滿足《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》GB18613、《通風機能效限定值及能效等級》GB19761、《清水離心泵能效限定值及節能評價值》GB19762的節能評價值。

據統計數據顯示，與傳統照明光源相比，節能光源可以節電比例為35%。因此照明燈具宜選用節能型LED燈具，其具有光效高、能耗低、響應速度快、啟輝時間短（納秒級）、可調光、易于與計算機接口匹配；使用壽命長、可達到25000小時，遠超傳統光源的使用壽命；直流供電且電壓低，使用過程中不易造成觸電事故，安全性較高；無頻閃效應，尤其有利于保護人的視力等優點[3]。在不對炫光、色溫漂移有過高要求場所，應當普及安裝LED節能燈具。

3 結語

本文根據作者在北京地區的高校基建建設經驗，著重從照明照度及照明功率密度值的確定、照明控制系統設計、分項電能計量裝置設置的確定原則、節能計量管理系統的配置、電梯節能控制措施、電力配電系統設計及合理選用節能型電氣設備等六方面，分析闡述建筑電氣節能設計的技術措施，可為高校基建建設、尤其是新校區建筑電氣節能的頂層規劃設計提供有益的借鑒。