卢伟东
广西泰鑫建设工程有限公司 广西南宁 530022
摘要：建筑生命周期伴随着巨大的能源消耗，尤其建筑投入运营之后（50年内），使用周期内电气系统能耗约占建筑生命周期总能耗的70%-80%，因此加强建筑电气节能设计至关重要。“绿色建筑”的核心内涵是节能减排，这一要求与建筑电气节能设计功能不谋而合，本文通过对该技术方向与方法的分析，以及绿色建筑电气技术应用“目的与原则”的分析，探索绿色建筑的可行性电气节能设计方案，以供借鉴和参考。
关键词：绿色建筑；电气技术；节能技术；再生能源
1 引言
人类社会进入“后工业时代”情境，能源危机的诱因变得更加多元化，除了常规意义上的“工业能耗”外，建筑能耗已经成为备受关注的焦点。基于生命周期理论分析，单体建筑建造、使用、拆出三个阶段中，“使用阶段”的能耗比例最高，而能耗主要由照明、空调、电梯、通风、采暖等模块构成的“电气系统”完成，所以尽可能提高建筑电气节能设计水平，是构建“资源节约型社会”的重要途径。在此基础上，需要进一步明确“一般建筑”与“绿色建筑”的相同之处、不同之处，以更好地明确“电气节能技术”的功能和定位，实现有效地运用。
显而易见，无论是一般建筑还是绿色建筑，其最大的相同之处是“电气系统载体”，是人们进行工作、学习、生活、社交等活动的重要空间，在现代化、城市化、智能化的综合发展进程中，建筑体本身的功能日益丰富、结构趋向复杂，这意味着在建筑搭载的电气系统规模、电气设备数量都会不断提高，那么在这一背景下展开建筑电气节能设计是一个“必选项”。不同之处在于，绿色建筑在设计规划、施工建造等过程中，已经充分考虑了建筑全生命周期内的能耗情况，本着“高效节能、生态环保、健康适用”等原则，促使建筑体本身就形成了一定的生态文明蕴含，如建筑结构设计中充分考虑自然采光、通风、保暖等条件，大量利用节能环保材料及施工技术等，以对冲电气系统的能源消耗，所以绿色建筑电气部分的节能设计，所要兼顾的能耗影响因素更多，即除了考虑常规建筑电气系统之外，还要将自然因素、新能源因素等考虑进来。
一般来说，建筑节能电气设计主要对象包括两类，一类是新建项目，一类是旧建筑改造项目——新建项目基础上展开电气节能设计，有利于发挥“绿色建筑”的设计优势，即从根源上促进“一般建筑”向“绿色建筑”标准靠拢。旧建筑改造项目的电气节能设计具有更大现实意义，究其原因，自20世纪90年代开始城镇化以来，“大城市”迅速崛起、高层建筑林立，且当前绝大部分建筑单体都处在正常使用期，传统电气设计是导致高能耗的主因——如果仅从“建筑”本身出发，电气节能设计分析的关键在于要求明确、内容合理，这是确保节能性价值的前提。
2 建筑电气节能设计分析
2.1 建筑电气节能设计要契合现代社会的需求
以建筑环境为参照，建筑体内、外电气系统承担的功能存在一定差异，如生活功能占主导的社区中，电气节能设计的重心应放在建筑体内部，包括中央空调、电梯、采暖等方面，而在生产功能占主导地位的工厂中，电气节能设计的中心应放在建筑体外部，如开放式车间、厂区照明、食堂及会议厅等公共环境等。其基本判断标准，是建筑体内、外环境中能耗较大的部分。同时，要明确电气节能设计的意义，不是一味地降低能源消耗，还要兼顾生产、生活等综合特征，高度契合现代社会的需要，例如居民家庭电气节能设计同时，要兼顾炊事、空调、厨卫等方面的用电需求，在开放式空间内要确保路灯亮度、线路通畅等。
2.2 建筑电气节能设计要符合的中国基本国情
“生态环保、降低消耗”是建筑节能电气设计的最低要求，而要达到这一要求，所需要付出的成本并不低。特别是在常规建筑中，电气系统设计的初衷是满足生产生活需要，主要考虑的是经济效益、时间成本等，而非“自然生态”和“节约能源”，无论是新建项目还是改造项目，人们在建筑全生命周期的第一阶段（包含建筑材料、建筑施工、建筑安装等）关注的焦点，大多是“一次性投资规模”，力求将建筑投入使用之前的成本控制到最低，忽略了这一前提，建筑电气节能设计就会脱离实际。例如，在建筑设计或改造方案中，过度强调使用价格昂贵的环保材料、节能技术等，并不符合当前中国国情，且无法保障由此简称的建筑电气系统完全发挥节能减排效果，加上管理不当、维护不善等原因，反而会出现更严重的浪费；因此，建筑电气节能设计要求符合中国基本国情，尤其要考虑经济方面的承受能力，再循序渐进、逐渐提高电气节能设计标准。
2.3 建筑电气节能设计要兼顾系统性与整体性
在进行建筑电气节能设计中，要充分考虑节能障碍因素，这涉及到“主导地位”的争议，即“以建筑为本”还是“以节能为本”。结合现状来看，建筑电气系统是建筑体的组成部分，人们对于建筑的用途认知并不复杂，无论居住、工作、学习等行为，最直观地要求建筑提供便捷性、舒适性、安全性等保障，所以电气系统设计多以建筑实际形态为基础设计，反之，“以节能为本”会限制建筑用途，甚至影响建筑设计、施工、管理的合理性（如不同地理、地质环境）。所以，一方面建筑电气节能设计要兼顾系统性，即在保障“建筑-电气”匹配性的基础上，对电气系统中影响较小的部分展开节能设计，如照明系统大量采用LED节能灯具。另一方面，建筑电气节能设计要兼顾完整性，尽可能消除建筑电气系统中独立性，如为公共照明系统增设智能控制模块、采用变频式中央空调。
3 建筑电气节能设计主要内容
以一般建筑为参照，建筑电气节能设计内容主要包括“供配电系统”“照明系统”“建筑设备系统”三类。
2.2.1 供配电系统节能设计
供配电系统是建筑电气节能设计的“基石”，从系统逻辑上分析，一个单体建筑内外电气系统是否运行稳定、高效低耗，主要取决于配供电系统供电质量，而影响质量的因素主要包括谐波含量、功率因数、三相平衡三方面。
第一，谐波含量控制。由于发电系统、输电系统、供电系统及用电设备的综合作用，输送到建筑电气系统中的电力并非是一直维持50Hz的正弦交流电，其中或多或少夹杂着一定分量的谐波，严重影响电气系统的安全性，同时也会造成额外的能源损耗。例如，谐波电流会造成线缆发烫、变压器过热，相当一部分电力能源被浪费掉，更严重的是会影响建筑电气系统功能体验，如经常跳闸、烧毁电子元件；基于此，建筑电气节能设计时必须重视谐波治理，目前主要采用的方法有两种，其一是面向电网展开治理，通过运用非线性负载设备来减少谐波电流，但这已经不属于本文探讨的范围。另一种则是针对电气系统中的运行设备展开，即在进行电气节能设计时，要综合多方面因素、通过科学计算，将运行设备的供电控制在谐波含量安全的水平。
第二，提高功率因数。物理学意义上的“功率因数”是指有功功率与视在功率的比，这一指标对于电气节能设计具有重要现实意义。因为建筑电气设备多为感性负载，自身功率因数维持在较低水平，考虑到无功功率的存在，就不得不提高视在功率，这就牵涉到电动机、变压器等装机容量的持续上升，同时，功率因数低还会造成一定的线路损耗。解决这一问题的方法，目前较有效且较经济的就是安装无功补偿装置，不仅可以有效减少电能损耗，同时电气系统配备小容量电动机、变压器即可，整个电气线路也可以使用截面较小的导线。
第三，保障三相平衡。电气系统中三相不平衡的危害主要有线路损耗、电机附加发热及振动、缩减电机寿命等，为保障三相平衡，需要注意以下事项：（1）建筑中用电设备在设计接入220V/380V三相系统时严格执行三相平衡，杜绝三相负荷不平衡的现象，从根源上实现有效治理。（2）电气系统进行功能划分，其中照明系统接入低压电网供电（220V），如果电流小于60A可采用单相供电，做到三相平衡供电，大于60A应采用220V/380V三相四线制供电。（3）在电气系统中安装平衡装置。
整体上，建筑电气节能设计的一个基础工作，就是确保供配电系统实现节能，在具体设计时，还要考虑建筑所处实际环境，综合供电距离、用电设备、空间分布、负荷量等数据，展开谐波含量、功率因数、三相平衡的综合治理，在此基础上最大可能地简化供配电系统。
2.2.2 照明系统节能设计
照明系统是建筑电气节能设计中重要一环，主要基于两种情况展开。
一方面，基于传统照明方式，包括：（1）选购节能光源设备，遵循实用性与经济性的统一原则，有效控制成本。（2）按照国家建筑照明设计的相关要求，保障功率密度合理，兼顾发光率与配光率统一的原则。（3）区分照明场合、契合实际目的，在遵守照度功率密度要求的前提下，计算照明面积、灯具规格、灯具数量等。（4）最大程度利用自然光源，在建筑电气设计过程中，按照绿色建筑要求进行改进。另一方面，在建筑电气系统中引入智能系统，展开智能照明设计，包括：（1）按照建筑结构，通过与建筑设计方的沟通，核对照明回路所涉及的光源、灯具属性，论证智能照明的可行性。（2）基于照明回路特点，选购合适的传感器、驱动器，结合用电方的控制需求，在适当位置安装控制元件。（3）优化附件、附加功能及集成方式。
2.2.3 建筑设备系统节能设计
建筑设备泛指建筑中的各类功能设备，如电梯、风机、空调、水泵等，与节能设计相关的部件主要有电动机。不同功能的建筑设备，在具体的节能设计方式上也不同，但所遵循的原则是统一的，即保障“耗能-功能”的匹配性。例如，针对中央空调节能技术的运用，要综合室内空间大小、空调功率、制冷/制热/通风等需求展开合理配置，避免能耗过大或功能不足，采用变频技术是一个很好的方式。又如，现代建筑日趋高层化，电梯是重要的建筑运输设备，占据很大的能源消耗比例，在进行节能设计时，可以从优化电梯调度切入，这是因为电梯并非一定要“从上至下、贯穿到底”，按照不同楼层进行合理分配，可以做到人员与货物运输的有效分流，提高单次做功率，同时也降低了电梯毫无意义的上下运行频次，减少了空转机会。
4 基于绿色建筑的电气节能设计方案
在绿色建筑基础上展开电气节能设计，需要考虑两个方面，其一是如何配合绿色建筑固有的节能特征，如在采光、采暖等方面，绿色建筑通过保温材料使用、围护结构优化等，已经具备了很好的节能性。其二是如何引进全新的节能要素，因为“自然能源”本身就是绿色建筑的一个选项。从以上两个角度出发，基于绿色建筑的电气节能设计方案主要考虑两个模块。
4.1 照明系统设计
绿色建筑照明系统设计不仅要考虑节能灯具、亮度调节、功率密度，还要考虑照明回路中手动控制、自动控制的配合，尤其在较大公共建筑空间中，一方面为了高效率利用自然光源，采光位置与照明灯具的设计要保持平行，当自然光线充足的状态下，手动关闭电力照明系统。另一方面，为了保障建筑照明效果，在自然光源不稳定的状态下，可通过自动控制装置，自动调节光源亮度、关闭或电量局部灯具，以此实现整体上的照明效果。
同时，依据建筑空间中人员的活动特点，进行合理的时间控制。例如，建筑办公区域在周六、周日默认为“无人”，动静感应装置应处在24小时激活状态，而周一到周五的晚间（20:00-8:00），动静感应装置也应该处在激活状态。
4.2 光伏系统设计
在建筑外部、周边引入光伏系统，利用太阳能发电减少建筑电力消耗，在当前已经具备了很好的技术条件。光伏系统设计中，需要综合考虑当地光照资源、建筑屋顶及外围面积，按照每个光伏组件保持0.5m的通道空间，在建筑上安装光伏并网逆变器。光伏系统提供的电能，以满足建筑电气系统使用为前提，多余部分可以转移到公共电网中，当然建筑电气系统中也应该搭配储能装置，具体的设计结构如下所示。
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综上所述，不难发现建筑电气节能设计是一个宏大且系统的工程，具体到绿色建筑电气技术运用方面，既要正确取舍、也要大胆创新，但前提必须遵循建筑实际需要。从未来发展趋势上看，传统建筑理念及模式必然改变，绿色建筑是一个重要的发展趋势，随着大量节能材料、技术的运用，建筑电气节能设计在绿色建筑中的运用，必然会在“做减法”（如舍弃不节能的电气设备）的同时“做加法”（如引进光伏系统），设计时需要兼顾经济性、安全性、稳定性等多方面需求。
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作者简介：
卢伟东，男，汉族，1971年12月出生，广西桂平市人，现为广西泰鑫建设工程有限公司副总经理、总工、工程师。研究方向：智能建筑中的电气应用。