建筑电气节能及照明节能设计探讨范文
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摘 要：建筑节能是我国建筑业的必然发展趋势，也是实现能源可持续发展战略、打造节约型社会、缓解资源紧缺矛盾的重要举措。对于建筑企业，如何控制电气系统能耗量、降低建筑总体使用成本，是当前亟待解决的重要问题。鉴于此，文章对现代建筑工程的电气节能与照明节能设计方法开展探讨，以此来助力建筑企业高质量发展，改善建筑节能效果。
关键词：建筑电气；照明系统；节能设计
0 引言
电气与照明系统是建筑工程的主要构成部分，发挥着提供稳定工作电源与营造舒适人工照明环境的重要作用。但在行业发展期间，存在着电气照明系统能耗过大的问题，这也是建筑行业可持续发展期间面临的全新难题与挑战[1]。
1 建筑电气节能设计方法
1.1 供配电节能设计
（1）变配电室位置选择。部分建筑工程的变配电室位置设定不当，因低压配电半径过大与输电线路较长，产生较大线损量。对此，在不影响建筑功能发挥的前提下，可合理选择变配电室位置，必要时在相同楼层内设置多处配电室，控制线路布设长度，将低压配电半径控制在 200 m以下，从而降低理论线损电量。同时，优先在建筑强电竖井周边布置变配电室，如果二者间距较远，可能出现电能倒送现象。
（2）变压器选型。变压器常用类型包括 D10 型变压器、S11 型变压器等，不同类型变压器的空载损耗率、空载电流等性能存在差异，视建筑电气运行需求而定。例如，从成本角度出发，可选取造价成本相对较低的 D10 型变压器，其造价仅为 S11 型变压器的 70% ～ 80% ；从节能属性角度出发时，则选取 SBH15 型变压器，较之 S11 型变压器，此类变压器的空载损耗率降幅超过 70%，但采购价格较为高昂。另外，在选择变压器时，要求变压器容量超过实际使用需求，避免变压器频繁、长期处于满负荷或超负荷状态，这将加快设备老化速度、增加空载损耗量。一般情况下，将变压器的运行负荷率控制在 30% ～ 80%，在变压器容量较大时可采取增加变压器台数的设计方法，如在装机容量值设定在 2 000 k VA 时可配置两台单机容量为 1 000 k VA 的变压器，从而改善供配电系统节能效果。
（3）导线选择。常见导线材质包括铜芯、铅芯与银芯导线，银芯导线的价格过于高昂，铅芯导线存在耐高温性能差、仅可制作单根硬线、使用寿命短的局限性，而铜芯导线有着使用寿命长、屈服次数多、电阻抗小、可制作多股软线等优势，可优先选取铜芯材质导线，这将显著提升系统通电效率。在导线规格设计期间，使用公式△ P=3I2R×10-3来计算线路功率损耗值（其中 I 为电流值，R 为电阻值）[2]。随后，根据已掌握的导线发热条件、布设长度、电流电阻值、机械强度等信息来验算导线截面面积的最佳值，要求零线、相线二者的截面面积保持一致，可采取提高电压等级、加大导线截面面积的措施来减少线损量。（4）谐波治理。系统运行期间，输送的交流电中夹杂少量谐波，会导致供电质量下降，损耗一部分电能，如在谐波电流经过导线时，产生趋肤反应，致使导线横截面积缩小、送电电阻增加，线路持续释放热量。为解决这一问题，需要在系统中设置无源滤波装置或有源式电力滤波器，起到抑制谐波、补偿无功功率、控制功率因数的作用。
1.2 建筑设备节能设计
以电梯设备的节能设计为例，一方面，对于电梯轿厢内配置的照明灯具、空调机与液晶显示屏等用电设备，采取间隙控制与精密控制方式。依托间隙控制机制，在电梯超过一段时间处于无人呼叫状态时自动将空调机与照明灯具切换至低功耗运行模式；依托精密控制机制，由传感器持续监测轿厢内部环境的空气质量，在氧气含量低于相应标准及二氧化碳浓度超过相应标准后，自动启动换气扇或提高设备转速，在保证空气质量的前提下缩短换气扇运行时间。另一方面，在电梯动力系统中建立能量回馈机制，安装变频器装置与应用逆变电源技术，在电梯运行期间，持续将负载机械能转换为直流电，对其进行二次转换处理来形成交流电，再将电源回送至电网或是建筑供配电系统中，也可选择增设电阻单元，将电能直接转换为热能进行释放。
1.3 设备智能控制设计
智能控制系统由传感器、微处理器、执行机构组成，传感器负责采集电流值、环境光照亮度等现场监测信号，将信号上传至微处理器进行整理分析，再向执行机构下达控制指令，控制变压器、水泵、风机等终端设备，在无人工干预条件下，由系统自动评估电气系统的实际运行需求，自动调整用电设备的运行状态及参数，起到节能效果。以空调智能控制为例，在送风机控制线、送风道与送风口内分别设置变频器、压力传感器和风流速传感器装置，通过接口进行连接，由传感器采集实时送风量、风速等参数，由系统根据已掌握信息，通过变频器来调节风机转速，起到改变送风总量的作用。与传统的风量定时控制方式相比，搭建智能控制系统，既可以解决无法同时兼顾全部区域环境温度要求的使用问题，还可以节省 30% 的空调系统用 电量[3]。
1.4 光伏发电设计
在早期节能设计方案中，以提升电能实际利用效率为设计思路，如变电室位置选择、谐波治理等，无法解决电能自电网输入时的线损问题。现今，随着科学技术发展，可采取光伏发电技术提升能源利用率。可在建筑屋顶等光照充足、采光条件好、开阔区域中摆放太阳能光伏电池组件与控制器、蓄电池、逆变器等配套装置，基于光电效应，光伏电池持续将所吸收的太阳光辐射转换为电能，通过逆变单元将直流电转换为交流电，将电能接入建筑电气系统中，并将多余电能储存在蓄电池中，在日照条件较差时与夜间释放，以此来解决光伏发电系统电能输入不稳定的问题。此外，在光伏发电设计环节，应综合考虑建筑所处区域日照条件与平均日照时长、气候变化、放电电流平均值与最大值、发电单元接收太阳角度等问题，判断建筑电气工程是否具备光伏发电技术的应用条件。
2 建筑照明节能设计方法
2.1 改善室内自然采光条件
常规建筑照明节能设计方法通常以控制系统运行负荷、减少灯具开启数量、安装节能灯具设备为思路，其目的在于减少照明系统运行能耗，这一方法存在局限性。为取得额外节能效果，设计人员应从改善室内自然采光条件角度着手，采取调整建筑朝向与布局结构、增加外墙开窗面积与调整窗墙比、使用高透光性门窗材料、减少封闭式隔断构件数量等设计措施，充分利用自然光源，在缩短建筑照明系统运行时长的同时，满足业主的实际使用需求，提高室内环境光亮度。
2.2 选用新型节能照明设备
在照明设备选型环节，首先，确定灯具种类。从功耗、整体光效、省电效果、流明值、使用寿命、采购价格等多个维度进行综合考虑，优先选用 LED 灯、低压荧光灯、高压钠灯等新型节能灯具来取代白炽灯，这类灯具的节能效果普遍提升 10% 以上，节能效果显著。其次，确定灯具型号。以荧光灯为例，对比分析粗 / 细管荧光灯与长 / 短管荧光灯的光通量、综合能效、光源光效、功率等参数，优先选取细管荧光灯中的长管荧光灯，较之短管荧光灯，这类灯具的光效提升 17%、使用寿命多出 5 000 h、综合能效提升 45%。最后，确定灯具附件种类。以镇流器选型为例，在照明系统配置 T8 管 36 W 直管荧光灯的前提下，配置电子镇流器来取代电感镇流器，电子镇流器的光效比为 1.25，自身功耗为 3 ～ 5 W，而电感镇流器的光效比仅为 1，自身功耗为 8 ～ 9 W。同时，尽可能在照明系统中配置能效因数较高的镇流器装置，以提升电光转换效率，取得额外节能效果[4]。
2.3 照明控制设计
在建筑照明控制设计环节，可采取照明分区控制、定时控制、智能启停控制三项方法，根据实际照明需求来提供照明效果。
（1）照明分区控制方法。将照明系统拆分为应急照明、走廊楼梯照明、室内照明、功能性照明四部分，分别设定各部分的光照强度、开启时间等参数指标要求。例如，在白昼期间与室内自然采光条件较佳时完全关闭室内照明系统，在出现主电网电路切断与建筑火灾等突发情况时启动应急照明系统，根据使用需求在特定时间段或全天候开启障碍景观等功能性照明系统，根据人嘴发出的控制信号声来自动启动走廊楼梯照明系统中的声控灯具。
（2）定时控制方法。根据业主使用需求，预先在建筑照明系统中导入控制方案，在到达特定时间段后，由系统自动启动或关闭各区域的照明设备，可以额外采取手动方式来开启、关闭照明灯具。
（3）智能启停控制方法。为解决自动控制系统的控制精度低、区域控制时间无法调整、无法判断实时照明需求的问题，在照明系统中安装若干传感器与 PLC 装置，通过总线将输入、输出、系统单元接入计算机系统中加以集中管理，由传感器采集现场监测信号，将信号进行预处理后上传至 PLC 装置，由装置执行数据扫描、运算分析、指令输出等操作，根据实际照明需求来调整控制方案内容，包括各区域照明灯具启闭数量、开启时间段、照明负荷、室内环境光照亮度等。
3 结束语
综上所述，为促进我国建筑业的可持续发展，充分体现节能减排战略思想，建筑企业与从业人员需要对建筑节能设计开展深入研究，全面掌握建筑电气工程与照明系统的节能设计方法，树立清晰的设计思路，根据工程实际情况来制定科学、合理的建筑节能设计方案。
作者：魏世颖 单位：山东华邦建设集团有限公司
