低碳時代建筑電氣節能技術的設計與應用

文／陳晶晶 江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江西南昌 330046

引言：

在社會不斷發展的背景下，能源資源緊缺問題開始不斷突出，我國雖然是資源大國，但是也不可避免地遭遇能源危機。因此，近些年我國一直都在大力推廣低碳經濟，在此背景下建筑工程行業首當其沖，建筑工程行業無論是在工程建設還是后期應用階段都需要消耗大量能源資源，其能源消耗以電能為主，由此引發建筑工程行業對電氣節能技術的研究。目前為止，建筑工程行業在建筑電氣節能技術方面已經取得一定成功，多種電氣節能技術的應用取得良好的實踐效果，值得推廣應用，同時建筑電氣節能技術設計與應用也存在些許問題，亟待解決，當下建筑工程行業低碳發展的首要工作就是全面優化電氣節能技術，促進建筑電氣節能發展。

1.低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用的重要意義

低碳經濟作為當下我國經濟發展的主要趨勢，已經開始滲透到各行各業，建筑工程的低碳發展具有必要性，長久以來，建筑工程行業以節能研究為核心目標，積極探索以電氣節能技術為核心的節能技術。根據《2021 中國建筑能耗與碳排放研究報告》，建筑行業是我國能源消耗和碳排放的重要領域，約占全社會能源消耗的40%左右，碳排放量的約30%左右。因此，在低碳時代下，建筑電氣節能技術設計的應用具有以下重要意義：

第一，響應國家可持續發展的號召。建筑行業作為經濟發展中的重點內容，如果在建筑設計以及施工中能夠注重電氣節能建筑設計，將會解決電氣資源浪費、環境污染的狀況，積極響應國家可持續發展的號召，為建筑企業的長久發展打下基礎。

第二，改善電力能源分配，解決資源緊張問題。建筑電氣設計的過程中融入節能環保理念，可以在最大程度上節約電力資源，而目前電力資源是我國比較緊張的能源，我國雖然已經開始研究新型電能資源建設開發路徑。但是，從根本上而言，我國用電規模較大，如果單從生產入手根本無法解決資源緊張的問題。而在建筑行業中，完成電氣節能設計，更有利于電氣資源節約利用，與電氣生產形成配合，繼而全方位解決電力資源緊張問題。

第三，推動經濟發展。通過完善節能建筑設計方案能夠降低企業的建筑成本，提高經濟效益。同時，在建筑行業中應用綠色節能技術，能夠有效減少建筑工程在施工以及后續使用中對于電能的消耗量，使其滿足我國政府所提出的節能減排要求。還可以促進節能材料、技術的發展，對建筑行業有著重要意義。

第四，降低能耗和碳排放。建筑電氣設備在實際運行中嘗嘗需要消耗大量電能，通過采用節能技術和設備，可以有效降低建筑的能耗和碳排放。例如，通過優化建筑的用能結構，深化可再生能源建筑的應用，推動清潔取暖和提高建筑的終端電氣化水平，可以減少對傳統能源的依賴，提高能源利用效率，降低能源消耗和碳排放。

第五，推動綠色低碳建筑發展：低碳建筑是建筑行業的重要發展方向。通過應用建筑電氣節能技術，可以實現在一定程度上實現綠色低碳建筑的設計和施工。例如，目前各地都有相應的政策推動新建公共機構建筑和廠房屋頂光伏覆蓋率達到一定比例，可以提高建筑的綠色能源利用率，減少對非可再生能源的消耗，推動建筑行業的可持續發展。

2.低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用現狀研究

低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用已經成為重點研究目標，經過多年研究與應用，目前建筑電氣節能技術設計應用開始逐漸走向成熟，成為建筑節能設計的重點方向。我國建筑工程行業已經非常重視建筑電氣節能設計與管理，包括在前期施工階段也對電氣節能進行了統一規劃，使建筑工程設計和施工階段的電能消耗得到有效的節能控制。從總體上來看，低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用呈多元化趨勢發展，設計階段的節能技術包括電氣設備設計、電氣資源建設應用、自然光源的利用程度優化等措施，全方位的節能設計應用極大程度上節約了建筑工程中的電能資源，為后續的工程建設節約資本，同時更有利于整個行業的發展。

3.低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用亟待解決的問題

建筑電氣節能技術設計應用雖然取得了良好的事件效果，但是遠遠未達到我國低碳設計標準。按照低碳建筑工程的標準而言，建筑電氣節能技術設計中依然存在問題，具體可以分析為以下幾點：

3.1 電氣節能設計未考慮區域環境

電氣節能設計需要考慮到自然區域環境，以我國為例，領土面積大，經度和緯度的跨度都比較大，加上不同的地理環境，使我國各地區的氣候環境，地形環境呈現差異化特點。而實際上，差異化的區域環境就會給建筑工程低碳發展造成影響。如，目前來看，溫度最低的區域為我國東北部，包括遼寧、吉林和黑龍江，以上區域在冬天冬季較為寒冷，但是夏季溫度不高，在建筑電氣設計的過程中，需要考慮以上因素，以完成暖通空調的供電設計。但是，目前來看，許多建筑工程設計中并未考慮到氣候環境特點，導致供電或者電氣設備選型與區域內的氣候環境不符，不僅無法達到節能效果，甚至有可能影響電氣設備應用效率，形成能耗較大的問題。

3.2 電氣節能設計缺乏自然資源合理利用

電氣節能設計缺乏對自然資源的合理利用導致節能效果不足。從技術層面來看，我國的建筑電氣節能技術設計應用正在日趨成熟，新技術和新設備的應用層出不窮。但是，在技術設計應用時依然需要注重自然資源的合理利用，設計者需要明確建筑低碳的真正內涵，不僅包括節約能源，同時也包括減少排放，而在合理利用自然資源的基礎上實現電氣節能，絕對是實現低碳經濟的完美路徑。但是，建筑工程行業電氣節能技術設計的突出問題便是過于依賴新技術和設備，雖然從呈現效果來看達到了資源節約的路徑，但是卻并非完全無“副作用”，未能合理的利用自然資源將會影響建筑工程低碳可持續發展。

3.3 電氣節能設計應用未實現整體化設計

電氣節能設計應用未達到整體化節能設計應用也是主要問題之一，該問題主要體現在兩個方面。

第一，建筑電氣節能技術設計應用的過程中，僅僅考慮部分模塊的節能，未達到整體節能串聯，節能效果一般。如，部分建筑工程在節能設計中僅僅完成照明系統節能施工，并未從其他設備和模塊入手，將會使節能效果大打折扣。

第二，建筑電氣節能技術設計應用過于偏重前期設計與施工，未考慮后期技術維護以及設備管理。例如，部分建筑工程開展電氣節能技術設計的過程中，并未針對設備管理和養護進行全方位規劃設計，從而導致在設備應用后期經常出現電氣節能設備故障問題，甚至會形成高能耗問題。因此，目前來看，現代建筑電氣節能設計需要逐步完善，提升設備應用效果[1]。

4.低碳時代下建筑電氣節能技術設計應用發展的有效對策

4.1 電氣節能設計需考慮區域環境

電氣節能設計需要考慮區域環境，根據區域環境進行整體的設計。在設計應用節能技術時需要保證節能技術業區域環境具有良好的適配性，不會因環境問題而產生反差而造成節能效果降低的問題。電氣節能設計的過程中可以考慮地區的氣候資源、地理資源等，根據溫度、地形等多項措施，完成科學合理的總臺規劃設計，從總體上實現建筑電氣節能。例如，高寒地區不僅要考慮到電氣節能設計，更需要考慮電氣設備的抗寒抗凍性能，如果選擇抗寒性能較差的設備，很容易在電氣設備施工后，設備無法正常運行或者設備運行效率較低，如此一來，不僅無法達到節能目標，甚至會造成高能耗或者高故障率等情況。

案例一：建筑管線集中穿過氣密層技術。該技術適合應用于我國寒冷地區的電氣節能設計。傳統建筑電氣節能設計的過程中，寒冷地區的電氣管線設計應用時，穿過頂層頂板、頂層層面較多且分散，而你上位置都是傳熱能力較強的區域，外界溫度一旦過低，將會給內部溫度造成影響，使內表面的溫度在此降低。因此，某建筑工程中，設計者提出建筑電氣管線集中穿過氣密層技術，該技術設計應用時將照明配電箱設計與地下1 層電井內，地下1 層照明單獨回路配電，各燈位處不分散向上引管線，1 層開始至16 層各燈位處向上引管線同一位置燈具為一供電回路配電，地上照明分支回路經電井套管集中穿過氣密層，電纜安裝完成后，管內用密封膠封堵。在設計中，護管材料也選擇PVC 管材，使用壽命更高，抗寒能力更強，此種節能技術應用后，形成氣密層后，能夠減少外界溫度對內部的影響，即使外界溫度低，內部溫度也會在氣密層和電線的作用下保持正常溫度，減少溫度異常而造成的電能損耗，也可以減少內部線路和設備電氣故障，從而從總體上實現了電氣節能[2]。

4.2 電氣節能設計需合理利用自然資源

電氣節能設計的過程中，合理利用自然資源也是一種行之有效的方法，同時也是符合低碳理念的最佳方法，保證建筑低碳設計應用達到最佳效果。通過研究發現，建筑工程的部分電能能耗可以通過自然資源的合理利用來替代，以照明系統的電能消耗為例，完全可以通過優化采光來實現節能。現代部分建筑工程為增加建筑容量而進行非標設計，樓間距不足、樓層高度未達標等問題均會給建筑采光造成影響，采光不足之時，居民只能開啟照明系統，從而增加了電力消耗。而如果在建筑電氣設計的過程中，考慮到自然資源的切實有效利用，就完全可以降低電能消耗，實現整體上的電力節能。

案例二：我國青海省建筑設計正在有效利用地區內的太陽能資源。以該地區樂都區麗水灣被動式超低能耗建筑項目為例，該項目結合地區獨特的太陽能光照資源，設計一種被動式能耗高層建筑。該建筑將傳統主動式采暖和空調系統取消，設計日光房、落地窗等結構，利用充足的光照，實現“冬季不采暖，夏季不用空調”。通過以上自然資源應用設計，實現建筑電氣節能降耗。另外，該建筑物實踐中發現，上述設計使建筑物內部平均室溫達到20-26℃、平均濕度為40%-60%、非常適合居住。此種方式雖然不是直接形成電能節約的設計，但是也從根本上達到了電氣能源節約的目的，可用于電氣節能設計[3]。

4.3 電氣節能設計應全面入手

電氣節能設計全面入手需要從設計、施工以及管理等多個階段。在設計和施工階段，電氣節能需要從電氣設備、照明系統、供電系統等多個環節入手，根據每個環節的特點完成針對性的電氣節能設計。如，供電系統的設計可以從變電所、節能設備選型等多個方面進行設計與施工。而照明系統的設計也可以從總體設計和設備選型入手，畢竟現代節能型照明設備逐漸增加，有利于提升節能設計質量。

案例三：某建筑工程為高層工程，建筑總面積超過140000m2，建筑類型為綜合性建筑，具備商業、辦公等多種功能，該工程總體工程量較大，為實現電能節約，工程設計和建設階段，從供配電系統、電氣設備節能以及照明系統節能等多個方面開展工作，保證各項節能設計符合工程結構特點和區域環境，保證工程建設達到最佳效果。

第一，供配電系統節能設計和建設。（1）變配電所的節能設置。該建筑工程為超高層建筑，對變配電所的功能需求比較大，設備在運行中的負荷也比較大，包括空調機房以及消防水泵房都對變配電所有電力需求。為此，在該配電所進行節能設計的過程中，1 層中設置1 號10/0.4kV 用戶變電所、在建筑的8 層中設置一個10kV專用高壓配電所。此種設計方式利用分布式設計，將不同樓層的配電所分開，提升配電供應能力，減少供電線路長度，降低線損。（2）低壓配電系統的節能設計。設計過程中，針對低壓配電系統的電氣負荷進行了精準計算，實現了低壓配電系統優化，并在系統中增設母聯開關，該開關可以通過啟停完成系統檢查，自動轉換變壓器供電模式，適用于三級配電，減少了供電半徑，繼而降低了線路損耗。（3）節能變壓器選型。該建筑工程電氣節能設計的過程中，為優化變壓器能耗，根據變電所需求，完成變壓器容量設計，做好負載調控，對空載損耗以及有功負荷等參數也進行了分析，最終節能型變壓器。（4）諧波控制設計。諧波的產生是造成電力系統能耗高，運行穩定性差的主要原因之一，建筑工程中的網絡管線或者電氣線路都會對電氣運行產生諧波干擾，從而影響電氣能耗，為此在設計的過程中，采用D,yn11 接線形式，該電氣接線形式能夠提升電力系統穩定性，并且在接線中安裝有源濾波裝置，減少諧波對電氣設備和線路的影響，從而減少線損。

第二，電氣設備節能。該工程中為實現電氣節能，也針對電氣設備進行了節能設計。如，在設計中針對電梯和扶梯電氣設備進行了節能設計，為減少不必要的電能消耗，在設計中在電梯和扶梯等常用設備中安裝傳感器，傳感器在已經出現無人行走知識，扶梯和電梯也會自動停止運行，當有人行走之時，電梯自動開始運行，以此種方式實施節能設計，更可以滿足電能消耗的控制需求，繼而保證電能消耗達到最佳效果[4]。

第三，照明系統節能設計。在建筑工程中，照明系統是電能消耗較大的模塊之一，無論是施工階段的照明還是建筑內部照明都會形成大量的電能消耗，在照明模塊開展電能消耗設計是電力節能的關鍵環節通過合理的照明設計，減少照明系統的能耗。可以采用LED 照明燈具，利用光感應器和人體感應器進行智能控制，根據光照強度和人員活動情況自動調節照明亮度和開關燈的時間，避免不必要的能源浪費。

第四，通過建立電力管理系統，對建筑物的電力需求進行分析和優化。可以通過時間段電價和電力需求側管理等手段，合理利用電力資源，避免用電高峰期的能源浪費。分析建筑物能源的使用情況，通過安裝能源監測設備，對建筑物的能源消耗進行實時監測和分析。可以利用智能化控制系統對建筑內部的燈光、空調、暖通等設備進行集中控制和調節，以實現節能目標。在建筑中構建一套完整的智能電網，通過構建智能電網，實現對建筑電氣系統的實時監控和優化調度，提高建筑電氣系統的運行效率，降低能源消耗。

第五，新能源應用：在建筑工程中加入新能源技術的應用，例如太陽能光伏發電系統、風能發電系統；儲能技術等。通過利用可再生能源，減少對傳統能源的依賴，實現建筑物的自給自足。目前我國已經實施全本強條的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB55015-2021），站在國家標準的層面上將新能源技術引入了建筑工程中。利用太陽能光伏發電系統為建筑提供電力，減少對傳統電力的依賴，降低碳排放。儲能技術結合光伏發電系統，應用儲能技術（如鋰離子電池、超級電容器等）將多余的太陽能儲存起來，以平衡建筑的用電負荷，降低對電網的依賴。

另外，在該工程中，為了強化電氣節能，設計應用智能化電氣監控系統，監控系統能夠對電氣節能設備進行監管，也能夠獲取各位置的電氣能耗信息，利用智能化管理優勢，實現建筑電氣的綜合管理。如，該系統具有電氣設備監控和保護功能，針對照明設備、對低壓配電設備以及變壓器等設備進行監控管理，實時獲取電氣設備的工作參數，發現設備工作異常，出現故障等情況可以實現自己報警，部分基礎故障可以自動解決，減少電氣設備故障率，減少電氣控制成本。另外，系統能夠對建筑區域內的電氣設備能耗進行監測，發現某設備能耗較高，發現設備應用較多的情況，可以實施專業化建設，保證設備建設達到最佳效果[6]。

結語：

本文針對建筑工程電氣節能技術設計應用進行分析研究，通過研究可知，部分電氣節能技術是從電氣設備和技術入手，也有部分節能技術是通過改造結構實現電氣節能，但是無論是何種技術，都需要根據區域環境和建筑整體情況進行綜合設計，才能夠確保電氣節能技術設計應用具有良好的效果。在低碳時代，建筑電氣節能技術的設計與應用對于實現綠色建筑和低碳城市具有重要作用。這些電氣節能技術的設計與應用可以相互結合，根據不同建筑的需求和特點進行選擇和應用，從而實現低碳建筑的目標。