摘要：近些年，随着我国经济的快速发展，工业化进程的不断加快，人民生活水平得到了大幅度提高，人们越来越重视生活质量的提高，建筑电气化设备被普遍应用，而电能在民用建筑中的消耗量越来越大。节约能源是我国的基本国策，因此电气设计人员应在设计工作中采取有效的降低建筑电能消耗措施，实现绿色建筑。基于此，本文就民用建筑电气节能设计的基本概念与原则进行剖析，并提出了有效的民用建筑电气设计的节能措施，对民用建筑电气设计提供一些参考。
关键词：民用建筑；电气设计；节能措施
前言：民用建筑电气的设计是处在不断发展变化的过程当中，未来的发展方向必定更加智能化、信息化和自动化。这就要求我们对建筑电气中的问题进行不断的完善，从节能的角度出发，不仅要能够达到节能的目的，同时也要为使用者建造一个可靠的、安全的用电条件和良好的居住、工作环境，为运行管理者提供便捷的管理工具。
1民用建筑电气节能设计概述
民用建筑包括居住建筑、办公建筑、科研建筑、商业建筑、医疗建筑、交通建筑、教育建筑、文化建筑、体育建筑、展览建筑等等多种类型。目前我国正处在经济快速发展的时期，随着城镇化的发展，每年都有大量的新增民用建筑，并在此基础上产生巨大的电能消耗，据统计，我国建筑能耗已占全国总能耗的30%左右，而电能在建筑总能耗中占有的比例在60%～90%之间，多数民用建筑，其电气能耗在80%左右。因此研究建筑电气的节能，选择合理的节能设计方案，在不降低建筑使用功能和安全性能、舒适性等的前提下，减少建筑物的电能消耗，具有十分重要的经济和社会意义。这就需要我们电气设计师在建筑电气设计中广泛推行节能设计，推广建筑节能产品，才能对实现节约型社会，并有效促进经济可持续健康发展。
2民用建筑工程电气节能设计的基本原则分析
①对于民用建筑而言，其根本目的是提升居民生活品质，建筑的实用性是建筑得以使用的基础和前提。因此节能设计要在充分满足、完善建筑物功能要求地前提下，减少能源消耗，提高能源利用率，而不是简化建筑物地功能要求，降低其功能标准。行之有效的节能途径之一是合理配置建筑设备，并对其进行有效、科学地地控制与管理。 ② 建筑物的能源消耗取决于建筑物类型、建筑标准、建筑所在地区地环境条件、经济发展水平以及人民的使用习惯等多种因素，涉及建筑、结构、给排水、暖通空调、电气等多个专业的系统性工程设计与系统配置。建筑电气专业设计人员应根据建筑物的使用功能和设计标准等的综合要求，合理进行供配电、电气照明、建筑设备及系统的控制设计，确保安全可靠、经济合理、灵活适用、高效节能。③因实施电气节能而额外增加的投入应合理，不能盲目地为了节能而投入大量的资金；在综合考虑设备更新、运行维护费用等综合因素后，为节电而投入的资金能在2~5年内收回。④随着科技的迅速发展，节能技术、设备也在不断提高和发展。在工程设计中要不断总结经验，深入调查研究，把握成熟的新技术、新设备信息，逐步加以推广应用。既要采用高科技、联动控制的节能技术，也应重视行之有效的传统的节能方案；既重视大范围、大容量设备的节能，也不应忽略局部、点滴的小功率设备的节能功效。
3民用建筑电气设计的节能措施
民用建筑电气节能设计需要遵循相应的原则，在基本原则的指导下，采取有效的措施提高电气节能水平，具体包括以下内容。
3.1配电系统节能设计
在设计前期，要了解清楚设计项目的负荷类型、特点及要求，地区电网可能提供的容量、电压等级等信息。在设计过程中，根据电源条件、负荷特点合理确定变电所的位置、电压等级，以及系统的结线方式；根据需要配置无功功率补偿及谐波抑制装置，合理选择节能型电气设备。
（1）选择合理的供电电压
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（1）
在负荷不变的情况下，电压由0.38KV升10KV，有功功率损耗降低了99.8%。根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008），当用电设备容量在250KW及以上时，宜采用10（6）KV供电；对于大型商业建筑、办公建筑、医疗建筑等公共建筑的中央空调系统，做经济技术比较，当电机容量超过一定规格时，10KV冷水机组的总投资与常规的低压冷水机组总投资（包括高压柜、变压器、低压柜、低压电缆、低压冷水机组等的投资）相差不大，甚至前者的总投资将少于常规系统，可采用高压冷水机组方案。采用高压冷水机组具有系统简单、电流小、对其他设备影响小、损耗低、运行费用低、节省空间等优点。
（2）高压深入负荷中心，缩短低压配电线路，减少配电级数，以减少低压配电网络的电能损。低于超高层建筑，配电变压器可分别设在各避难设备层；对于大型民用建筑，配电变压器可根据缩短低压配电线路的原则设在建筑物内部。
（3）双回路或多回路供电时，多回路同时承担负荷
国家规范《供配电系统设计规范》要求，一级负荷应由双重电源供电，当一电源故障时，另一电源不应同时受到损坏。二级负荷供电系统，宜由双回路线路供电，以保证重要负荷的供电可靠性。同时供电的两回及以上供电线路中，当有一回中断供电时，其余线路应能满足全部一级负荷及二级负荷。
当采用两路及以上电源供电时，宜同时投入运行，并采用均衡负荷的方式。
一回线路供电时的线路损耗，其中I为供电电流，R为线路电阻；若在供电容量和供电线路不变的情况下，由两回线路供电，切平均分担负荷，在线路阻抗不变的情况下，每回线路的供电电流I2=I/2；两回线路总的线路损耗：
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可见在双回路或多回路供电时，各回路同时承担负荷，可以有效减少线路损耗。
（4）提高功率因数
提高功率因数可减少线路损耗和变压器铜损；同时可以减少线路和变压器的电压损失，增加配电设备的供电能力。
并联无功补偿是提高用电设备自然功率因数最有效的方法。目前实际工程中无功补偿方式，有集中补偿、分组补偿和就地补偿等方式。应根据项目的具体情况、用电设备运行特点、用电设备布置情况等因素将上述无功补偿方式配合使用，合理设置，以取得较好的经济效益。
1）变电站高压集中补偿方式，补偿电容集中安装在变电所10KV母线上，其目的是改善电网的功率因数。这种方式便于管理和维护，并可以按照实际负荷情况调节补偿电容器组的容量，从而合理提高功率因数，容易满足电力部门对功率因数的要求。但这种补偿方式只能补偿高压母线电源方向上线路的无功功率，而高压母线负载方向的线路及变配电变压器得不到补偿，故对用户的补偿经济效果差。
2）变压器低压集中补偿方式，在各配电变压器低压侧安装电容器柜进行集中补偿。通常通过微机控制，通过无功负荷的波动情况实时改变电容器组的数量，可在一定条件下实现跟踪补偿，这种方式在民用建筑供配电系统最为常用。通过低压集中补偿，将低压负荷的总体功率因数提高到0.9甚至更高，对配电网和配电变压器有明显降低损耗的作用；同时也可降低负荷侧的电压损失，补偿效果较好，运行可靠，便于维护和管理。
3）用电设备就地补偿方式，是直接将补偿电容安装在大容量设备旁，与设备同时投入或退出运行，使设备消耗的无功功率得到及时就地补偿。该方式使装设点以上线路输送的无功功率减少，能明显降低功率损耗，获得最明显的降损效益。尤其对容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备，补偿降损节点效果显著。对经常轻载或空载运行的电动机不宜采用就地补偿方式。
对于采用电感镇流器的气体放电灯，其功率因数通常很低，一般为0.4～0.5，宜在灯具内设置补偿电容，以提高功率因数，降低照明线路电流值，降低线路电能损耗和电压损失。按照《建筑照明设计规范》（GB50304-2013）规定，“使用电感镇流器的气体放电灯应在灯具能设置电容补偿，荧光灯的功率因数不应低于0.9，高强度气体放电灯的功率因数不应低于0.85。”
3.2配电变压器的节能设计
变压器损耗主要有空载损耗和负载损耗。空载损耗主要是铁芯损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成，其值与铁芯材料及制造工艺有关。负载损耗主要为负载电流通过绕组时的损耗；同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。所以，在设计时可以考虑采用具有2级或1级能效等级的非晶合金铁芯材料变压器。非晶合金铁芯材料采用快速急冷凝固生产工艺，其内部原子呈无序非晶体，具有软磁特性，利于磁化与去磁，磁化功率小，电阻率高，涡流损耗小，能大幅降低变压器的空载损耗和空载电流。
变压器的负载损耗与变压器负荷率的平方成正比，同型号、同容量的变压器负荷率越高，变压器综合损耗也越高，运行费用也越高。在相同的负荷容量下，选择的变压器容量越大，变压器的综合损耗越小，为损耗所支出的运行电费也相应减少，但变压器投资会相应增加，因此在选择变压器容量时，应综合考虑。一般变压器负荷率在68%左右时是合理的。
3.3配电线路的节能设计
一方面要将变压器深入负荷中心，对电器功能用房的位置进行合理布置，并设计合理的配电路由，以缩短低一级电压线路的距离。另一方面，要结合实际进行负荷计算，确定导线截面，在满足导体载流量和线路压降等技术条件下，导体截面宜适当加大，以降低线缆损耗，使在生命周期内累计降低线损的费用能合理补偿加大截面所增加的费用，达到经济合理。
3.4动力设备——电动机的节能设计
作为动力源的电动机，在民用建筑内部使用得比较普遍，其耗电量极大。减少电动机电能损耗的主要途径是提高电动机的效率和功率因数，主要可以从以下几个方面着手：
1）采用高效率的节能型电动机。提高电动机的效率和功率因数，是减少电动机的电能损耗的主要途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高3％～6％，平均功率因数高7～9％，总损耗减少20％～30％，因而具有较好的节电效果。所以在设计中，宜选用Y、YZ、YZR等系列高效率电动机，以节省电能。另一方面，高效电机价格比普通电机要高20％～30％，故采用时要做经济技术分析，因节能而额外投入的设备费用应能在短期内通过节省电费用进行收回。一般符合下列条件时可选用高效电机：（1）负载率在0.6以上；（2）每年连续运行时间在3000h以上；（3）电机运行时无频繁启、制动（最好是轻载启动，如风机、水泵类负载）；（4）单机容量较大。
2）根据负荷特性合理地选择电动机容量，避免“大马拉小车”的现象出现，以提高电动机运行的效率和功率因数。
3）优化控制方式，提高运行效率。对机械负载经常变化又有调速要求的系统，采用调速电机，是节能的有效方法。交流电动机调速分为变极调速、变频调速和变转差率调速等多种方式，节能效果以变频调速最为明显。在水泵、风机、压缩机、电梯等机械上使用变频器不但可以节约大量电能，还可以提高控制质量。
3.5照明节能设计
照明节能应在保证照明质量，为生产、工作、学习和生活创造良好的光环境前提下，尽可能节约照明用电。照明节能设计是一项系统性工程，既要处理好照明节能与照度水平的关系，要遵循设计标准，本着节能、适用、经济、美观的原则，确定切合实际需要的照度水平，不能为了节能而降低照度水平；又要处理好照明节能与照明质量的关系，设计时在保证良好的照明质量——良好的显色性、相宜的色温、较小的眩光、比较好的照度均匀度、舒适的亮度、良好的维护条件等等的前提下，合理选用高效光源、灯具和电器附件等；还要处理好节能与装饰美观的关系，根据建筑的具体条件，把美观、节能环保、经济适用等因素结合统一起来，寻求良好的光环境和较好的节能效果。照明节能设计可以从如下几方面着手：
1）合理确定场所或房间的照度水平。按照相关标准、规范确定照度水平；设计中要区分作业面和非作业面、通道的照度设计，非作业面、通道的照度可以适当降低，在保证照度水平和使用效果的同时，能明显降低照度功率密度值；照明功率密度值应严格执行标准的规定要求。在设计过程中，建议利用专业照明设计软件（如dialux等）进行详细的照度计算、灯具模拟布置，以提高计算精度。
2）选用优质、高效的照明器材。
在设计中选用符合节能评价标准的高效光源，淘汰和限制白炽灯、荧光高压汞灯的使用；对于高度较低的功能性照明场所，如办公、教室等场所宜采用细管径直管荧光灯，不宜采用紧凑型荧光灯；LED灯具近几年发展迅速，其整灯效率高，宜扩大LED灯具的使用。
选用高效的照明灯具，无特殊要求的场所，应选用效率高的直接型灯具，不宜采用带透射比不高的漫射型灯具。在设计时，应根据灯具的安装高度确定室形系数选用配光曲线合理的利用系数高的灯具。灯具选择时还需要满足视觉场所对眩光、装饰美观性灯要求，必须合理协调，兼顾各方面的要求。
3）合理利用天然光。
合理利用天然光，不仅可改善室内的光环境，同时也有利于照明节能。为了实现良好的光环境，需要在设计阶段准确把握光环境的效果，照明系统的性能和运行情况，从而进行优化合理的设计。在建筑结构设计上要注重自然光的利用，最大限度地增加采光口面积和数量，尽量采用光透性强的玻璃，提高对自然光的利用。或根据房间的具体使用情况，利用各种技术措施将天然光引入室内进行照明，对日光有较高要求的场所宜采用主动式导光系统，一般场所采用被动式导光系统。对于地库等无法通过开窗等传统采光方式的区域，可以采用天然光导光照明系统实现。
天然光导光系统主要由采光部分、导光部分、照明器及其附件、配件等组成。其照明原理是通过采光罩高效采集室外自然光线并导入系统内重新分配，经过特殊制作的光导管传输和强化后由系统底部的漫射器把自然光均匀高效的照射到场地内部。
当采用天然光导光系统时，需同时设置人工照明，当天然光对室内照明达不到照度要求时，系统应能自动开启人工照明，直到满足照度要求。
4）合理选择照明控制方案。
照明灯具的控制一方面要考虑使用管理方便，另一方面还要为节约用电创造条件，通过合理控制照明灯具的启闭来节能；应根据不同的使用场景采用不同照明控制方式。照明控制主要分为手动控制和制动控制，而自动控制包括时钟控制、红外人体感应、微波雷达感应控制、声控、光控、智能控制等多种方式。 体育馆、影剧院、候机厅、美术馆、博览馆等公共建筑宜采用智能控制系统，按需要采取调光或降低照度的控制措施。根据预先设定的程序通过控制模块、控制面板灯实现场景控制、定时控制、恒照度控制、红外控制、就地控制、群组控制等多种控制模式。如地铁站站台照明可通过智能控制系统自动将候车时的照度降低适当降低，而列车进站时自动恢复正常照度，从而达到节能目的。
居住建筑及办公楼等公共建筑的楼梯间，除应急照明外，应采用延时自熄节能开关。对于居住建筑和酒店的走廊、电梯厅可采用人体感应的自动光暗调节（延时）控制灯具。对于地下停车场，长时间处于无车、人走动的场所，可采用微波雷达感应自动光暗调节（延时）控制灯具，有车、人走动时通过微波雷达感应自动点亮（100%功率），无车、人走动时，灯具维持20%左右的功率照度。
夜景照明，要具有平时、节假日、庆典等多种控制模式，并可根据季节的昼夜长短变化，定时自动开关。小区庭院灯应将灯具间隔设置在不同的配电回路，将一部分灯具设成“半夜”自动关闭。
3.6加强电气系统的运行管理
通过加强民用建筑电气系统运行的管理，也可达到节能的效果。电气是否节能很大一部分取决于设备的运行状况，保障设备安全稳定的运行能帮助故障的快递排除，节约能量；设计开发和利用功能强大的管理软件也是有利于实现电气节能的有效措施；加强员工的培训，增加员工的学习机会，建立严格的规章制度，提高管理人员素质是实现电气系统高效运行的基本举措。
3.7大力推广新技术和新产品
在当前的电气工程中，应用了大量的新技术和新设计，以求得更好的节能效果。例如，太阳能光源、新型变压器、矿物绝缘电缆等。这些技术的应用能够有效降低成本投入，推动节能目标的实现，其必将拥有更加广泛的应用前景。
4结语
随着社会对民用建筑用电需求的增多，加强电气节能设计，能够减少电力资源的浪费，节约电能消耗和经济成本，有利于构建节约型社会，所以提高民用建筑电气设计水平，提高科学技术的进步，运用科学技术等高端手段发展民用建筑电气节能，才能实现经济效益与社会效益的共赢，实现社会的可持续发展，实现利益的最大化。
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论文作者:冯金超
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：节能论文; 民用建筑论文; 建筑论文; 照度论文; 负荷论文; 变压器论文; 功率因数论文; 《基层建设》2020年第1期论文;