工業與民用建筑電氣設計中節能體系的優化措施

馬曉亮

（張掖市西地城市建筑設計事務所）

1 節能照明設計

1.1 使用高效節能光源

高效光源如發光二極管（LED）與緊湊型熒光燈（CFL），因其顯著的低能耗與長壽命屬性而成為綠色建筑設計的首選。相較于傳統白熾燈，LED 光源具備更高的光電轉換效率和更低的熱能損失，且其光色穩定性及無頻閃特點對提高室內照明質量有重要影響。例如，LED燈在轉換電能為光能的過程中，其能量利用率可達到傳統光源的80%以上，顯著減少了為照明系統消耗的能量，也相應減輕了空調系統對于散熱的負擔，實現了雙重節能效果[1]。

1.2 智能照明控制系統

建筑節能照明設計的現代化趨勢中，智能照明控制系統發揮著至關重要的作用。該系統通過集成高度精確的傳感器、先進的通訊技術以及復雜的算法，能夠實現照明設施的優化運行。傳感器能夠監測環境光線強度、人體活動、時間周期等參數，并將數據傳輸至中央控制單元，后者根據預定算法自動調整照明設備的亮度和運行狀態，以適應實時需求。此外，通過人體紅外傳感器實現的占用檢測能夠在無人時自動關閉或調暗燈光，而在有人時恢復正常亮度，避免無效的能耗。

1.3 自然光的最大化利用

自然光利用，也稱為日照利用，旨在通過建筑設計與周邊環境的合理規劃，以及高效的光學調控技術，引入最大量的自然光，減少人工照明的需求。為此，設計師需深入分析建筑位置、方位、氣候條件等因素，并以此為基礎合理布局窗戶和采光設施，確保在日照充足時段內，自然光能夠深入室內，達到節能與照明效果的雙重優化。光線導入的策略包括使用高透光率的窗戶材料，設計反光板和光導管等光線分配裝置，以及采用可調節遮陽系統等。

2 節能空調與通風系統

2.1 采用變頻調速風機和泵

變頻技術通過改變電動機供電頻率，實現風機和水泵運轉速度的精確控制，根據實際需求調整氣流和水流量，這一技術的應用基于一個核心原理，即風機和水泵的能耗與運轉速度的立方成正比，即便是微小的速度下降也會導致顯著的能耗減少。通過變頻器實施調節電動機速度，能有效應對負載波動及優化系統運行點，避免過度耗能的現象，例如在建筑物低負荷時段，通過降低風機和水泵速度以減少能量消耗。變頻調速還可提升設備運行的平穩性與延長設備壽命，因為啟動時的電流沖擊與機械沖擊均得到顯著減輕[2]。此外，變頻調速還有助于降低噪聲污染，因為設備在較低的運行速度下通常會產生較小的噪聲。

2.2 優化冷熱源的選型與配置

建筑節能空調與通風系統的設計中，冷熱源的選型與配置優化是確保系統整體能效的關鍵環節。適宜的冷熱源應當基于建筑物的熱負荷特性、氣候條件、用戶需求及能源可獲得性等因素進行選擇，并且在其配置過程中需精細考慮能源利用效率和經濟性的平衡，實現所需熱舒適度與最小能源消耗的雙重最優化。在選型方面，高效的熱泵系統、地源熱泵、太陽能輔助系統等可再生能源技術與傳統的鍋爐和冷卻塔相比，在氣候條件允許的情況下能夠提供更低的能耗和更小的碳排放。此外，選擇具有高能效比(EER)和高系數性能(COP)的設備能夠有效減少運行成本。配置上，采用多級能量回收和利用技術，如余熱回收系統，可以進一步提升能效。結合熱負荷的多樣性和動態變化，可實施的策略包括變流量系統設計，使系統能根據實際負荷自動調整運行狀態，減少能耗。綜合考慮，對于大型建筑而言，可能需要采取集中式與分區式相結合的冷熱源配置策略，以提升能量分配的靈活性和精確性，集中式系統可用于處理基礎負荷，而分區式系統則處理峰值負荷和局部區域需求。

2.3 利用樓宇自動化系統進行智能控制

樓宇自動化系統通過集成先進的傳感器、控制器及執行器等智能化元件，實現對建筑內部空調與通風系統的精確控制，提高能效，降低能耗。樓宇自動化系統以其綜合性和智能性，能夠在確保室內舒適度的同時，對空調與通風系統的運行進行優化，動態調整各項參數以響應外部環境變化和內部負載需求。通過樓宇自動化系統，能夠實現對室內外溫度、濕度、二氧化碳濃度等關鍵參數的實時監測，并依此數據進行智能分析，預測建筑內部的環境變化趨勢。依托于這些分析，系統可以自動調整空調與通風設備的運行模式，如啟停時間、風速、冷熱水流量等，實現需求響應式的能源管理，以最小的能耗滿足室內環境質量的要求。

3 電力系統優化

3.1 變壓器的選擇與效率優化

電力系統優化的諸多方面中，變壓器的選擇與效率優化是實現能源節約和提升系統經濟性的重要環節。選擇適當類型和容量的變壓器對于保障電力系統的可靠性、減少能耗以及降低運行成本至關重要。在進行變壓器選擇時，必須精確評估建筑物的負荷特性，包括最大需求負載、負載變化范圍以及負載的持續時間，以確保變壓器能在最佳效率點附近運行。變壓器負荷率過低或過高都將導致能源的不必要浪費，前者由于變壓器在低負載下效率較低，后者則因負載過大時效率急劇下降。在效率優化方面，應選用符合或超過能效標準的變壓器，如采用無載調壓或有載調壓技術，以實現在不同工作條件下的能效最大化。近年來，隨著技術的進步，氨基甲酸酯類絕緣材料、無晶向硅鋼等新材料的使用也提升了變壓器的能效表現。此外，通過高精度的損耗測量和熱成像技術可以對變壓器進行實時監控，及時發現并糾正效率低下的問題[3]。而在系統層面上，利用智能電網技術集成變壓器運行數據，可通過先進的數據分析和管理策略，進一步優化整個供電系統的能效。

3.2 電動機效率的提升

電動機作為電力系統中最廣泛使用的動力設備，其效率的提升對于整個系統的能效有著舉足輕重的影響。在電動機的設計階段，采用高質量的電磁材料、優化電動機的磁路設計、減小電氣和機械損耗，是提升其效率的基礎。當前，采用超高效的電機、改進的繞組布局以及先進的冷卻技術已經成為效率提升的關鍵手段。應選用與負載特性相匹配的電動機，確保其在接近滿負荷運行的狀態，可避免因選用過大功率電動機而導致的能源浪費。在電動機的運行過程中，變頻器的使用可以有效地控制和調節電動機的速度，適應不同工況的需求，進一步優化能效。此外，實施定期的電動機維護和檢測，及時發現和處理損耗增加的問題，也是確保電動機長期保持高效運行的重要措施。

3.3 電力系統功率因數的改善和無功補償

電力系統功率因數是衡量電力系統效率的重要指標，反映了有功功率與視在功率的比例，其值越接近，表明系統效率越高，無功功率和電能損耗越小。在工業及民用建筑中，由于存在大量感性負載如電動機、變壓器等，常常導致電力系統功率因數降低，進而增大了供電系統的損耗，尤其是在傳輸和分配環節。為了改善電力系統功率因數，無功補償技術被廣泛應用，通過引入與系統無功功率相反的無功功率來抵消原系統的無功分量，常用的補償設備包括并聯電容器和電抗器。這些設備可以是固定式的，也可以是基于需求變化的動態式的，后者通常由電力電子設備如靜止無功發生器（SVG）或無功補償器（SVC）實現。動態無功補償系統能夠提供快速、準確的無功功率調節，對于改善電力系統的動態穩定性和減少電能損耗具有顯著效果。

4 可再生能源的利用

4.1 太陽能光伏系統的應用

太陽能光伏系統的應用是當代建筑能源優化與可持續發展戰略的重要組成部分。該系統通過轉換太陽輻射能為電能，實現了對傳統能源的有效替代，減少了對化石燃料的依賴，同時顯著降低了建筑的碳足跡。在設計和實施光伏系統時，必須綜合考慮建筑物的地理位置、建筑物自身的設計特點、太陽輻照量，以及當地的氣候條件。為了最大化能量收集，光伏組件的安裝角度和方向應當精確計算，以確保接收到最大限度的太陽直射光。此外，系統的規模化設計應考慮到未來的能源需求和技術升級的可能性，以便系統能持續適應變化。

4.2 風能與地熱能的利用

風能與地熱能作為可再生能源的重要形式，在當代建筑能源結構中發揮著越來越關鍵的角色。風能利用通過風力發電機轉換風能為電能，其效率依賴于風速的分布特性與風力發電機的設計。風力發電設備的選型及其布局設計需要考慮到地理環境、風速的歷史數據和發電量的預期目標。在建筑集成風力發電系統時，其在城市環境中的應用受到建筑高度、周圍建筑群體以及城市規劃等多重因素的影響，需要通過精確的計算和專業的設計來確保其可行性與效益。地熱能利用則是指從地球內部提取的熱能，用于建筑的供暖、制冷和熱水供應[4]。地熱能源具有穩定性高、環境影響小的特點，其開發與利用要求精確評估地熱資源的分布、可行性和可持續性。地熱發電和地熱熱泵系統是當前地熱能應用的兩大主流方式。其中，地熱熱泵系統因其在不同氣候條件下均能高效運行，尤其在工業與民用建筑中得到廣泛應用。

5 結語

綜上所述，優化建筑電氣設計中的節能體系，對于促進能源的合理利用和環境保護具有不可估量的重要性。本文提出的節能措施涉及照明、空調通風、電力系統以及可再生能源等方面，不僅技術可行、經濟效益明顯，而且有助于實現建筑的綠色轉型。隨著技術的不斷進步和節能意識的普及，節能優化措施將進一步完善和推廣。同時，政府和行業應制定更多鼓勵和支持節能的政策，加強節能技術的研發和應用，確保工民建筑電氣設計在新時代下的持續發展和進步。