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淺談建筑電氣節能設計與綠色建筑電氣技術研究與應用

更新時間：2023-04-03

瀏覽次數：558

胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：針對建筑電氣系統之中節能設計內容與綠色建筑電氣技術應用的問題，首先分析了建筑工程電氣節能設計的主要內容，分別為確保三相平衡、提升功率因數、控制諧波含量。其次，研究了綠色建筑電力技術，涉及太陽能技術、光伏建筑一體化技術、建筑能耗監控技術。總結了建筑電氣節能設計和綠色建筑電氣技術的實際應用，包括綠色節能技術在動力系統、照明設計、暖通空調之中的應用。

關鍵詞：建筑；電氣系統；節能設計；綠色建筑電氣技術

0 引言

建筑領域在建設期間和投入使用之后均會消耗大量的能源與資源，如果沒有做到節能措施的落實，出現資源與能源浪費情況的可能性將會加大。對于建筑工程而言，電氣系統設計與建設在其中占據著關鍵地位，對這項內容進行優化能夠為建設綠色建筑目標的達成奠定堅實基礎。

基于此，相關主體應當注重電氣節能設計內容的落實，同時應用更加可行、更加可靠的綠色建筑電氣技術，并在電氣系統之中的各個部分做到有效應用。

1 建筑電氣節能設計主要內容

對于當前存在的大多數的建筑物而言，配供電系統的供電水平和質量是能夠對一個單獨的建筑物內部與外部電氣系統的運行能否實現低能耗化、高效化和穩定化產生直接影響的關鍵要素，而對配供電系統供電質量產生決定性作用的因素則主要包含三個方面，即三相平衡、功率因數以及諧波含量。基于此，在建筑電氣節能設計之中，設計的主要內容即為這三項內容。

（1）確保三相平衡

所謂三相，指的是三相交流電源，亦可以將其理解為三相交流電源或三相電線。三相電線即三根電線，也就是火線、零線和地線。三相交流電源指的則是由三個相位依次互差 120 度的、振幅與頻率均一致的交流電勢共同組成的電源。

現階段，三相是一種使用廣泛的多相交流電系統。在建筑電氣節能設計之中，落實三相平衡是一個至關重要的組成部分。一旦電氣系統之中的三相處于不平衡狀態，將會引發一系列的不良后果，例如電機使用壽命大幅縮減、電機附加發熱與振動、線路損耗等等。

因此，為了能夠為三相平衡提供保障，在實際開展建筑電氣系統節能設計的過程中，應當做好如下幾方面的工作：首先，在對建筑物之中存在的各種用電設備進行 220V/380V 的三相系統設計接入時，要將三相平衡嚴格執行下去，從根本上避免三相負荷不平衡情況的產生，做到高效治理；其次，針對電氣系統的實際功能展開更加深入且細致的劃分。

在此之中，建筑物中的照明系統所接入的電網應當為 220V 的低壓電網用以供電。倘若電流不足 60A，在供電時也可以通過單向供電的形式，落實三相平衡供電的形式。倘若電流超過 60A，則需要通過 220V/380V三相四線制供電，始終保證三相平衡；為了切實達成三相平衡，還需要將平衡裝置安裝在電氣系統之中。

（2）提升功率因數

從物理學的角度來看，有功功率和實際功率的比值即為功率因數，它是電壓與電流之間相位差的余弦，功率因數為cos，用公式表示為SPcos（P 為有功功率，S 為實際功率）。

這是電力系統之中的重要技術數據之一，是用于對電氣設備的效率高低進行衡量和評估的基本系數。如果功率因數較小，則表明電路用于交變磁場轉換的無功功率較大，在這種情況下，線路供電損失將會上升，基于此，針對用電單位功率因數這一內容，供電部門設定了相應的標準要求。對于電氣節能設計而言，功率因數具備十分深刻的現實意義。原因在于建筑物之中存在的電氣設備大部分為感性負載，這也使得這些設備本身的功率因數往往保持在較低的水平。

此外，由于存在無功功率，因此，若想避免不利影響的產生，須得促使實際功率提升，以此實現功率因數的提升。在這種情況下，諸如變壓器和電動機一類設備的裝機容量將會不斷增加。在提升功率因數的過程中，還需要進行無功補償裝置的安裝，一方面，這能夠達成電能資源損耗規模的減少，另一方面，僅將一些容量較小的變壓器和電動機配備在電氣系統之中即可以滿足實際的用電需求，并且還能夠在電氣系統之中實現一些小截面導線的安裝。

（3）控制諧波含量

在用電設備、供電系統、輸電系統和發電系統多個要素的整體作用之下，原本的 50Hz 正弦交流電在實際傳送至建筑物的電氣系統之后，將會出現一定的改變，出現一定量的諧波夾雜其中，這對于電氣系統的安全運行而言是一種損害，并且還會引發額外的電力能源損耗和浪費的情況。

舉例來說，攜帶有諧波的電流將會使得用電設備和線路出現發熱甚至是發燙的情況，比如變壓器過熱、線纜發燙等，而在這個過程中，將會浪費大量的電力能源，情節嚴重時，還可能會對建筑物電氣系統功能體驗帶來消極影響，比如電子元件被燒毀、跳閘頻率較高等等。所以，若想切實達成建筑電氣系統節能設計，應當對諧波含量進行有效控制。

當前，在治理諧波時，常見的方法基本為以下兩類：首先，立足于電網進行諧波治理，借助非線性負載設備的功能，促使電流中的諧波含量有效降低；第二，立足于建筑電氣系統之中存在的各個處于運行狀態的電氣設備，換言之，在開展建筑電氣節能設計的過程中，對各項可能影響到電氣系統的因素進行綜合考慮，借助科學計算的形式，充分控制保證電氣設備正常運行的供電系統中的諧波含量，使之處于安全范圍，減少電能損耗。

2 綠色建筑電氣技術分析

（1）太陽能技術

現如今，可再生的清潔能源已經成為綠色建筑建設期間廣泛應用的能源類型。在此之中，作為一種獲取難度低、應用效果好、成本投入少的清潔能源，太陽能在綠色建筑之中實現了大面積的應用。將太陽能技術應用到建筑電氣系統之中同樣可以發揮良好作用。太陽能本身屬于自然能源的一種，具備可再生和清潔的特征，將其作為一種綠色建筑電氣技術加以應用時，主要是使用太陽光進行發電，同時還能夠作為加熱水的能源，將原本使用電能加熱水時消耗的一部分電能進行有效節約，這充分展現了太陽能技術綠色節能的優勢。

為此，需要在建筑物之中進行太陽能發電系統和太陽能熱水器裝置的安裝，對自然資源進行充分利用。在未來的發展中，相關領域的研究人員需要在開發利用太陽能技術之中投入更多的努力，探尋更加高效、更加科學的太陽能資源利用方式。

（2）光伏建筑一體化技術

光伏建筑一體化技術在應用到建筑物中之后，其本身的優勢十分明顯，即其在應用過程中不會產生附加的污染物質，能夠發揮可觀的節能環保效果。在一定程度上，光伏建筑一體化技術能夠將傳統電能加以取代，通過相應的發電裝置的安裝能夠為建筑物提供更加清潔的能源。在應用這一技術時，設計人員可以與建筑物自身的功能需求和實際使用特點進行有機結合，進行獨立形式或并網形式的光伏發電系統的設計，同時在太陽能電池組的幫助下，將太陽輻射轉變為供建筑物使用的電能資源，這也意味著建筑物中各個電氣設備的穩定運行能夠獲取到更加清潔的無污染能源的支撐，落實節能減排。

（3）建筑能耗監控技術

在應用建筑能耗監控技術之后，能夠實現跟蹤并監控建筑物內部各種電氣設備實際能源消耗情況的目標。依托于專業技術人員和系統的支撐，可以根據實際情況調控建筑物內部的光源系統，不僅如此，借助高級傳感器裝置，還能夠實現自動化控制建筑物內部照明設備明暗程度的目的，在一定程度上，還可以按照實際使用需求，控制建筑物中的電梯等多種類型的電氣設備。不過，我國當前還未實現建筑能耗監控技術的廣泛應用與普及，僅在一些商業場所中實現了應用。

3 建筑電氣節能設計及綠色建筑電氣技術的實際應用

（1）動力系統中綠色節能技術的應用電動機是支撐家用電器設備和大型電力設備可以

始終維持在正常運行狀態下的關鍵要素，同時，它也是動力系統的重要組成部分。通常情況下，確保電動機的穩定、可靠運行需要大量的電力能源作為支撐，基于這種情況，在落實建筑電氣節能設計的過程中，須得針對電動機展開相應的設計，從而實現電力能源損耗規模的充分縮減。

在這個過程中，第一，需要確保動力系統中選用的電動機足夠合理，盡量選擇一些效率較高的電動機設備，同時不斷優化電動機控制形勢，很大限度的降低電動機處于空載和負載狀態下損耗的電力能源，實現電動機運行質量和效率的提升；第二，需要確保動力系統中選用的電動機設備的使用型號足夠合理，設計人員應當在與建筑工程電氣設備的具體使用需求和環境進行有機結合的基礎上，分析并評估電動機的符合要求，基于不同使用型號電動機的負荷特點，同時充分遵循經濟性選擇，確保選用的電動機可以在滿足使用需求的前提下，消耗少的能源。

（2）照明設計中綠色節能技術的應用

電力是保障建筑工程項目規劃和建設順利落實的關鍵所在，不過，在研究實際情況之后可以發現，由于電氣設備依舊存在相應的問題，難以與節能的要求相匹配，這也意味著可持續發展目標無法實現。在實際開展建筑電氣節能設計過程中，照明設計是其中的重要一環，為了確保這一部分能夠切實做到節能環保，設計人員應當借助有效手段對自然光進行很大限度的利用，將人造照明的使用時間盡可能地縮短。與此同時，建筑物中所使用的照明燈具也應當盡可能地選擇節能燈具，從而實現有效控制照明過程中消耗電能的目的。

此外，還可以與建筑物中各個功能區的實際特點進行深度融合，確保設計的照明系統能夠滿足相應區域的實際使用需要。值得一提的是，在設計建筑照明方案之時，需要科學利用一些具備較高光通量的照明燈具，提升整體光能利用率。

（3）暖通空調中綠色節能技術的應用

為了與當前我國的生態文明建設理念相契合，在進行建筑電氣節能設計的過程中，應當與新形勢所提出的現實要求進行充分結合。就現階段建筑電氣設計的情況來看，在應用自動控制時還存在著一定的問題和缺陷，比較典型的一項表現即為空調系統和供暖通風系統在實際應用期間存在能源消耗規模較大的現象，暖通空調是建筑物中能源損耗嚴重的一個方面。

基于這種情況，應當嚴格控制建筑工程項目中包含的暖通系統，這能夠直接影響到節能環保目標的落實效果。

為此，開發人員應當與低電流工程師展開緊密合作，逐步改良 HVAC （ Heating Ventilating Air Conditioning）接口，通過智能接口的應用準確監測并分析風速和空調溫度等內容。同時，在空調接口之處，還應當進行低電流傳感器的安裝，從而做到監督和控制能源消耗的實時化，達成節約能源的目的。

4 Acrel-EMS企業微電網能效管理平臺

4.1概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系Acrel-EMS企業微電網能效管理平臺通過在企業源、網、荷、儲、充的各個關鍵節安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測企業能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護企業運行安全可靠，提高企業能效，為企業的能效管理提供科學、精細的解決方案

4.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3系統架構

AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，采用B/S架構，集成Acrel-1000變電站綜合自動化系統與Acrel-2000Z電力監控系統，企業微電網能效管理平臺實現了從35kV配電到0.4kV用電側的整體監控，提供變電站綜自系統，電力監控，電能質量監測，電氣保護，電能統計。對企業的用電管理起到的幫助。

4.4系統功能

4.4.1實時監測

綜合看板

系統提供低壓配電監測大面板，提供變電站和光伏電站運行情況展示，通過地圖顯示各電站具體位置，并展示目前告警數目和具體信息。

?地圖支持放大縮小且響應迅速。

?報警信息支持輪播功能。

4.4.2 35kV配電系統

系統提供35kV/10kV一次系統圖展示全站電氣主接線圖（支持縮放方式）包括顯示設備運行狀態、各主要電氣量(電流、電壓、頻率、有功、無功)等的實時值。

圖 35kV變電站綜合自動化系統界面圖

4.4.3變電所運行看板

展示單個變電站運行狀況，并提供系統一次圖。

變電站基礎信息維護，包括變壓等級，裝機容量，申報需量，變壓器數量等。

?提供變電所實時負荷曲線查詢，數據實時刷新。

?提供變電站分時段用電今日昨日對比柱狀圖。

?提供低壓側系統一次圖，數據實時刷新。

圖企業微電網能效管理平臺變電所運行看板界面圖

4.4.4直流屏監測

提供直流屏遙測數據，一/二路交流電壓監測。

圖企業微電網能效管理平臺直流屏監測界面圖

4.4.5 變壓器監測

展示所選變壓器實時負載率，頻率，三相電壓電流，三相繞組溫度，電壓/電流不平衡度。提供負載率、有功功率、無功功率曲線。如圖7.3.6所示。

?數據實時刷新，響應迅速。

?支持三相功率曲線同時展示。

圖企業微電網能效管理平臺變壓器監測界面圖

4.4.6電能質量穩態監測

提供電能質量檢測儀所采集數據，如電壓值，偏差率，諧波畸變率，電流值，分相功率，總功率等。如圖所示。數據實時刷新，響應迅速。

圖企業微電網能效管理平臺電能質量穩態檢測界面圖

4.4.7電能質量諧波監測

通過柱狀圖展示電能質量檢測儀諧波和間諧波各頻譜。如圖7.4.3所示。

圖企業微電網能效管理平臺電能質量諧波檢測界面圖

4.4.8數據采集和存儲

4.4.8.1數據采集和處理

圖數據采集界面圖

監控系統通過通信管理機實時采集模擬量、狀態量等信息量；通過公共接口設備接受來自其他通信裝置的數據，具有單獨配置通信采集點信息的模塊，不與數據庫等其它部分相關聯，并獨立運行。

對所采集的實時信息進行數字濾波、性檢查，工程值轉換、信號接點抖動、刻度計算、人工置入等加工。從而提供電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等各種實時數據，并將這些實時數據帶品質描述傳送至站控層和各級調度。

4.4.8.2數據庫的建立與維護

圖數據庫建立與維護界面圖

數據庫分為實時數據庫和歷史數據庫，實時數據庫存儲監控系統采集的實時數據，其數值根據運行工況的實時變化而不斷更新，記錄被監控設備的當前狀態；歷史數據庫對于需要長期保存的重要數據將存放在歷史數據庫中。提供通用數據庫，記錄周期為1min、5min、30min、60min任意調節。歷史數據實現在線滾動存儲5年，無需人工干預。所有的歷史數據轉存到光盤或磁帶等大容量存儲設備上作為長期存檔。對于狀態量變位、事件、模擬量越限等信息，按時間順序分類保存在歷史事件庫中，并保存10年，以供查詢。

4.4.8.3調節與控制