【摘要】为进一步加强国内民用建筑行业的电气节能设计，响应国家建设节能减排、低碳环保大环境的政策，本文从六个方面对国内高层民用建筑内各电气系统的能耗进行分析，针对各电气系统节能的关键环节，提出对应的减少能耗的措施，期望为我国民用建筑行业的电气节能设计提供参考。
【关键词】建筑物；能耗；电气设计；节能
1国内建筑能耗现状简述
建筑能耗包括建材生产阶段能耗、建筑施工阶段能耗、建筑运行阶段能耗。根据中国建筑节能协会的《中国建筑能耗研究报告》（2020）中的统计数据：2018年国内建筑全过程能耗总量为21.47亿tce，占全国能源消费总量比重的46.5%，其中：①建材生产阶段能耗为11.00亿tce，占全国能源消费总量的22.6%；②建筑施工阶段能耗为0.47亿tce，占全国能源消费总量的2.2%；③建筑运行阶段能耗为10.00亿tce，占全国能源消费总量的21.7%。随着经济的迅速发展，建筑耗能逐渐增长为与工业耗能、交通耗能并列的我国三大“耗能大户”。截至2018年，全国现有建筑总面积为671亿m2，其中绝大多数为高耗能建筑，且每年仍有上亿平方米的高耗能建筑落地，使建筑耗能占全国能源消费总量的比重持续上涨，不论是对可持续发展的内在需求，还是经济国力增长的外在条件，都形成了极大的阻力。因此，建筑节能已成为我国建设低碳经济、完成节能减排目标、保持经济可持续发展的重要环节之一。
2建筑能耗分析
2.1建筑能耗来源
建材生产阶段能耗主要指钢铁、铝材、水泥及其他建材生产、加工时产生的能耗，约占建筑总能耗的48%。建筑施工阶段能耗主要指建筑建设过程中水、电、媒、油、气等能源的消耗，约占建筑总能耗的5%。建筑运行阶段能耗主要指建筑各用能系统、用能设备运行期间产生的能耗，约占建筑总能耗的47%。
2.2主要研究方向
建材生产阶段及建筑施工阶段能耗可控性小，除非采用新技术、新材料，否则其节能的幅度有限。影响建筑运行阶段能耗的因素较多，如各用能系统的系统形式，各类设备的节能效率，对各用能系统采用的监控、管理手段等。国内现有的建筑物采用的能源形式单一，主要以电能为主，如通风空调系统、照明插座系统、电梯扶梯系统等均用电能来维持工作，故建筑电气节能就显得尤为重要。
3建筑电气系统的节能措施
高层民用建筑的电气系统主要包括：变配电系统、动力配电系统、照明插座系统、火灾自动报警系统、防雷接地系统、智能化系统。每个系统均有电源设备、用电设备、电能传输介质。节能的理念应从设计阶段贯穿到运营阶段，渗透入每个系统，如此才能最大限度降低建筑物电气系统的能耗。
3.1负荷计算
准确的负荷计算是保证建筑内各电气系统正常节能运行的基本条件。单位面积变压器安装容量是衡量建筑物用电情况的一个重要指标，设计阶段应根据末端实际用电量，选取合适的系数，从末端用电设备至前端配电变压器，逐级计算，合理配置变压器的容量和台数，并把每台变压器负荷率控制在70%~85%范围内；当存在大容量季节性负荷或错峰使用的负荷时，可设置专用变压器，把不同季节或不同时间段使用的负荷分配至同一台变压器供电，可降低变压器的容量。
3.2电气设备
（1）变压器。变压器运行时，会因磁滞及涡流现象，产生空载损耗，其大小取决于变压器的制造工艺，故变压器采购时，应选用低损耗、低噪声的节能型变压器，在有效控制其损耗的同时，也能减少对环境的污染。（2）电动机。我国电动机耗电量占全国总耗电量的比例超过一半。国内中小型电动机的平均效率为87%，落后于国际先进水平的92%。电动机有功损耗可按式（1）计算：W0=P0×t=P2×1-ηη×t（1）式中：W0-电动机电能损耗，J；P0-电动机有功损耗，kW；P2-电动机输出功率，kW；η-电动机效率；t-电动机运行时间，s。一台效率为0.87，输出功率10kW的三相异步电动机，持续运行1h，产生的能耗为5.4kJ，约1.5度电；当电动机效率提升1个百分点时，持续运行1h，可节约0.5kJ能耗，约0.14度电。民用建筑内的空调器、风机、水泵、电梯扶梯等采用的均是中小型电动机，尤其是大型民用建筑，采用的电动机数量多，当采用高效率、节能型电动机时，对于节能的效果显而易见。另外，根据设备负荷特性配置合适的电动机，负荷变化较大时可采取变频、调速等控制方式，使设备的运行工况保持在高效区，同时减少电动机的空载运行时间，也是电动机节能的重要措施之一。
3.3照明节能
照明系统能耗是建筑电气能耗中一个较大的能耗单元，大约占建筑总能耗的30%~60%，其受影响的因素主要有配电线路的敷设、照明设备的选型、控制方式的选择。（1）照明灯具及光源。首先，照明设计应满足《建筑照明设计标准》等相关国家规范的要求；其次，应在满足显色性、启动时间等技术要求的前提下，优选光效高、显色性好、寿命长、运行安全可靠、安装维护简单方便、性价比较高的发光光源[1]。选用荧光灯、气体放电灯时，需配置镇流器。传统的电感镇流器运行功耗约占灯具额定功率的15%~20%，而具有更高功率因数的电子镇流器，其运行功耗仅占灯具额定功率的10%左右。大型建筑内灯具数量足有上万，采用高功率因数的电子镇流器，对于降低照明系统的电能损耗有明显作用。半导体技术的快速发展，使LED（发光二极管）灯广泛应用于民用建筑内。市场上的LED灯，光效可达60~100lm/W，同等亮度的条件下，消耗1度电，LED灯的使用时间要比其他传统光源灯具长得多。LED灯的使用不仅能起到降低能耗的效果，而且因其使用寿命长的特点，也有助于减少后期运维的成本。（2）照明控制方式。传统的照明控制方式是采用面板开关，人工手动控制，无法避免因人为因素造成的电能浪费。智能控制及调光技术的使用，可以有效解决这个问题。智能控制通过编程，可以任意选择需要开启的灯具，组合成不同的照明模式，使用者根据需要，仅控制需要照明区域的灯具；调光技术可以根据使用者的需求，在灯具最低至最高亮度之间平滑调节，直至最舒适的亮度。不同场所，也可选择其他节能手段，比如在人员停留时间不长的场所，选用人体感应控制，达到人来开灯，人走延时关灯的效果。另外，天然光作为一种零成本、取之不尽的天然资源，采用天然光照明，也能实现照明节能。在建筑中合适的场所，应有意识地利用自然光照明，不仅可以节省大量电费，更可以达到环保节能的目的[2]。
3.4配电线路
高层民用建筑中，敷设有大量的电线电缆。电线电缆截面及敷设环境的选择、敷设路由的设计都关系到其在电能传输过程中产生的损耗。（1）截面及敷设环境的选择。电线电缆截面的选择，应在满足其动热稳定条件及末端对电压降要求的前提下，按经济电流密度选择适当的截面；同时，应避免其在易积水渗水、剧烈震动等恶劣环境下敷设，防止因绝缘损坏老化造成电能损耗。（2）敷设路由的设计。高层民用建筑中，电缆从低压房集中引出，故低压房应设置在负荷中心，并在其附近设置竖向电井，使配电线路尽量以最短距离敷设，控制在200m以内。减少电缆长度即可节省成本，也能减少电能在传输过程中的损耗。当配电区域平层面积大，用电点分散，且用电量相差不大时，可采用“总—分”的配电形式，在中心位置设置总配电箱，减少大截面电缆的敷设距离；当配电区域相对狭长，且用电点处在同一方向时，可采用“树干形”配电方式，减少同一方向电缆敷设的数量；对于高层民用建筑，可采用大容量母线竖向配电。以上措施均有利于节省成本、减少电能损耗。
3.5运营管理
建筑节能除了在设计阶段采取的节能措施之外，在后期的运营阶段还可通过智能化监控手段对各个电气系统进行自动监控管理，如此双管齐下才能取得显著的节能效果。（1）建筑设备监控系统。建筑设备监控系统，对建筑物内的空调风机、水泵、电扶梯及其他用电设备采用现代化的自动控制技术进行全面、有效的监视和管理，并辅以丰富的控制策略，使受控设备运行在用户所设定的要求以及波动范围内，将能量负荷冗余保持在最佳边际成本状态下[3]。（2）能源管理系统。能源管理系统，对建筑内的用水、用电、用气、用冷的情况进行实时监测，可及时找出能源消耗异常点，既能减少管理成本，也能减少浪费。同时能源管理系统能对用水、用电、用气、用冷的情况进行分析并出具报表，供管理者了解建筑内的能耗情况并制定节能策略。
3.6新能源利用
除了以上节能策略，我们还应积极研究新型能源，加快新型能源应用的进度。太阳能是目前使用较为广泛的一种新型能源，但技术上尚不成熟，还存在着能量转换效率较低等问题。在对太阳能发电系统的应用过程中，需要设计人员综合考量设计区域的日光辐射量、日照时间长短、雷雨天气影响、建筑结构形式、能量转换效率与成本等问题，只要明确了以上这些问题，便可以在建筑设计中利用新能源技术实现更深层次的能源节约[4]。
参考文献
[1]廖述龙.高层楼宇建筑电气节能技术研究[D].上海：上海交通大学，2012.
[2]何叶.建筑电气照明节能技术的研究[D].西安：长安大学，2014.
[3]杨小琴.浅析超高层建筑电气节能设计[J].现代建筑电气，2009（22）：56-60.
[4]肖壮生.探讨建筑电气节能环保技术的相关问题[J].科技创新与应用，2020（23）：166-167.
作者:李明雨 单位:中国电建城市规划设计研究院有限公司
