淺談建筑電氣節(jié)能設計與綠色建筑電氣技術研究與應用

摘  要：針對建筑電氣系統(tǒng)之中節(jié)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(jié)能設計的主要內容，分別為確保三相平衡、提升功率因數(shù)、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(jiān)控技術?？偨Y了建筑電氣節(jié)能設計和綠色建筑電氣技術的實際應用，包括綠色節(jié)能技術在動力系統(tǒng)、照明設計、暖通空調之中的應用。

關鍵詞：建筑；電氣系統(tǒng)；節(jié)能設計；綠色建筑電氣技術

    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(jié)能措施的落實，出現(xiàn)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(tǒng)設計與建設在其中占據(jù)著關鍵地位，對這項內容進行優(yōu)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(jié)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(tǒng)之中的各個部分做到有效應用。

   對于當前存在的大多數(shù)的建筑物而言，配供電系統(tǒng)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(tǒng)的運行能否實現(xiàn)低能耗化、高效化和穩(wěn)定化產(chǎn)生直接影響的關鍵要素，而對配供電系統(tǒng)供電質量產(chǎn)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(shù)以及諧波含量?；诖耍诮ㄖ姎夤?jié)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(xiàn)階段，三相是一種使用廣泛的多相交流電系統(tǒng)。在建筑電氣節(jié)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(tǒng)之中的三相處于不平衡狀態(tài)，將會引發(fā)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(fā)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(tǒng)節(jié)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(tǒng)設計接入時，要將三相平衡嚴格執(zhí)行下去，從根本上避免三相負荷不平衡情況的產(chǎn)生，做到高效治理；其次，針對電氣系統(tǒng)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(tǒng)所接入的電網(wǎng)應當為 220V 的低壓電網(wǎng)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(tǒng)之中。

（2）提升功率因數(shù)

    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(shù)，它是電壓與電流之間相位差的余弦，功率因數(shù)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(tǒng)之中的重要技術數(shù)據(jù)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(shù)。如果功率因數(shù)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(shù)這一內容，供電部門設定了相應的標準要求。對于電氣節(jié)能設計而言，功率因數(shù)具備十分深刻的現(xiàn)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(shù)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(chǎn)生，須得促使實際功率提升，以此實現(xiàn)功率因數(shù)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(shù)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(guī)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(tǒng)之中即可以滿足實際的用電需求，并且還能夠在電氣系統(tǒng)之中實現(xiàn)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(tǒng)、輸電系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)之后，將會出現(xiàn)一定的改變，出現(xiàn)一定量的諧波夾雜其中，這對于電氣系統(tǒng)的安全運行而言是一種損害，并且還會引發(fā)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(xiàn)發(fā)熱甚至是發(fā)燙的情況，比如變壓器過熱、線纜發(fā)燙等，而在這個過程中，將會浪費大量的電力能源，情節(jié)嚴重時，還可能會對建筑物電氣系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)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(wǎng)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(tǒng)之中存在的各個處于運行狀態(tài)的電氣設備，換言之，在開展建筑電氣節(jié)能設計的過程中，對各項可能影響到電氣系統(tǒng)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(tǒng)中的諧波含量，使之處于安全范圍，減少電能損耗。

（1）太陽能技術

    現(xiàn)如今，可再生的清潔能源已經(jīng)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(xiàn)了大面積的應用。將太陽能技術應用到建筑電氣系統(tǒng)之中同樣可以發(fā)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(fā)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(jié)約，這充分展現(xiàn)了太陽能技術綠色節(jié)能的優(yōu)勢。

    為此，需要在建筑物之中進行太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(fā)展中，相關領域的研究人員需要在開發(fā)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(yōu)勢十分明顯，即其在應用過程中不會產(chǎn)生附加的污染物質，能夠發(fā)揮可觀的節(jié)能環(huán)保效果。在一定程度上，光伏建筑一體化技術能夠將傳統(tǒng)電能加以取代，通過相應的發(fā)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(wǎng)形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計，同時在太陽能電池組的幫助下，將太陽輻射轉變?yōu)楣┙ㄖ锸褂玫碾娔苜Y源，這也意味著建筑物中各個電氣設備的穩(wěn)定運行能夠獲取到更加清潔的無污染能源的支撐，落實節(jié)能減排。

（3）建筑能耗監(jiān)控技術

   在應用建筑能耗監(jiān)控技術之后，能夠實現(xiàn)跟蹤并監(jiān)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(yè)技術人員和系統(tǒng)的支撐，可以根據(jù)實際情況調控建筑物內部的光源系統(tǒng)，不僅如此，借助高級傳感器裝置，還能夠實現(xiàn)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(xiàn)建筑能耗監(jiān)控技術的廣泛應用與普及，僅在一些商業(yè)場所中實現(xiàn)了應用。

（1）動力系統(tǒng)中綠色節(jié)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(tài)下的關鍵要素，同時，它也是動力系統(tǒng)的重要組成部分。通常情況下，確保電動機的穩(wěn)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(jié)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(xiàn)電力能源損耗規(guī)模的充分縮減。

    在這個過程中，第一，需要確保動力系統(tǒng)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(yōu)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(tài)下?lián)p耗的電力能源，實現(xiàn)電動機運行質量和效率的提升；第二，需要確保動力系統(tǒng)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(huán)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(jīng)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(jié)能技術的應用

    電力是保障建筑工程項目規(guī)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(fā)現(xiàn)，由于電氣設備依舊存在相應的問題，難以與節(jié)能的要求相匹配，這也意味著可持續(xù)發(fā)展目標無法實現(xiàn)。在實際開展建筑電氣節(jié)能設計過程中，照明設計是其中的重要一環(huán)，為了確保這一部分能夠切實做到節(jié)能環(huán)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(jié)能燈具，從而實現(xiàn)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(qū)的實際特點進行深度融合，確保設計的照明系統(tǒng)能夠滿足相應區(qū)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(jié)能技術的應用

    為了與當前我國的生態(tài)文明建設理念相契合，在進行建筑電氣節(jié)能設計的過程中，應當與新形勢所提出的現(xiàn)實要求進行充分結合。就現(xiàn)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(xiàn)即為空調系統(tǒng)和供暖通風系統(tǒng)在實際應用期間存在能源消耗規(guī)模較大的現(xiàn)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(tǒng)，這能夠直接影響到節(jié)能環(huán)保目標的落實效果。

    為此，開發(fā)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(jiān)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(jiān)督和控制能源消耗的實時化，達成節(jié)約能源的目的。

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(chǎn)品生態(tài)體系Acrel-EMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺通過在企業(yè)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測企業(yè)能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設備能效，保護企業(yè)運行安全可靠，提高企業(yè)能效，為企業(yè)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(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)架構

    AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)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(tǒng)與Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)，企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺實現(xiàn)了從35kV配電到0.4kV用電側的整體監(jiān)控，提供變電站綜自系統(tǒng)，電力監(jiān)控，電能質量監(jiān)測，電氣保護，電能統(tǒng)計。對企業(yè)的用電管理起到的幫助。

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實時監(jiān)測

    綜合看板

    系統(tǒng)提供低壓配電監(jiān)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(shù)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(tǒng)

     系統(tǒng)提供35kV/10kV一次系統(tǒng)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(tài)、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(tǒng)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(tǒng)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(shù)量等。

     ?提供變電所實時負荷曲線查詢，數(shù)據(jù)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(tǒng)一次圖，數(shù)據(jù)實時刷新。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺變電所運行看板界面圖

4.4.4直流屏監(jiān)測

     提供直流屏遙測數(shù)據(jù)，一/二路交流電壓監(jiān)測。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺直流屏監(jiān)測界面圖

4.4.5 變壓器監(jiān)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(shù)據(jù)實時刷新，響應迅速。

     ?支持三相功率曲線同時展示。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺變壓器監(jiān)測界面圖

4.4.6電能質量穩(wěn)態(tài)監(jiān)測

       提供電能質量檢測儀所采集數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)實時刷新，響應迅速。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺電能質量穩(wěn)態(tài)檢測界面圖

4.4.7電能質量諧波監(jiān)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(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺電能質量諧波檢測界面圖

4.4.8數(shù)據(jù)采集和存儲

4.4.8.1數(shù)據(jù)采集和處理

圖 數(shù)據(jù)采集界面圖

      監(jiān)控系統(tǒng)通過通信管理機實時采集模擬量、狀態(tài)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(shù)據(jù)，具有單獨配置通信采集點信息的模塊，不與數(shù)據(jù)庫等其它部分相關聯(lián)，并獨立運行。

      對所采集的實時信息進行數(shù)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(shù)等各種實時數(shù)據(jù)，并將這些實時數(shù)據(jù)帶品質描述傳送至站控層和各級調度。

4.4.8.2數(shù)據(jù)庫的建立與維護

圖 數(shù)據(jù)庫建立與維護界面圖

      數(shù)據(jù)庫分為實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫存儲監(jiān)控系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，其數(shù)值根據(jù)運行工況的實時變化而不斷更新，記錄被監(jiān)控設備的當前狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)庫對于需要長期保存的重要數(shù)據(jù)將存放在歷史數(shù)據(jù)庫中。提供通用數(shù)據(jù)庫，記錄周期為1min、5min、30min、60min任意調節(jié)。歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)在線滾動存儲5年，無需人工干預。所有的歷史數(shù)據(jù)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(tài)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(jié)與控制

圖 變電站綜自系統(tǒng)調節(jié)與控制界面圖

     操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。

     原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。

納入控制的設備有：

    a） 35kV及以下斷路器；

    b） 35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；

    c） 站用電380V斷路器；

    d） 主變壓器分接頭；

    e）繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。

4.4.8.4 微機五防閉鎖

圖 變電站綜自系統(tǒng)微機五防界面圖

      具備全站五防閉鎖功能。具有防止誤拉、合斷路器；防止帶負荷拉、合開關；防止帶電掛接地線；防止帶地線送電；防止誤入帶電間隔的功能。

      配置獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的專用微機五防系統(tǒng)。遠方操作時通過專用微機五防系統(tǒng)實現(xiàn)全站的五防操作閉鎖功能，就地操作時則由電腦鑰匙和鎖具來實現(xiàn)，同時在受控設備的操作回路中串接本間隔的閉鎖回路。專用微機五防系統(tǒng)與變電站監(jiān)控系統(tǒng)共享采集的各種實時數(shù)據(jù)，不獨立采集信息，采用相互通信的間隔層測控裝置實現(xiàn)。

4.4.9系統(tǒng)運行

4.4.9.1儀表通訊狀態(tài)

      儀表通訊狀態(tài)主要用于監(jiān)測目標站點的儀表設備數(shù)據(jù)是否正常交互、是否有離線發(fā)生、何時離線與數(shù)據(jù)交互中斷的持續(xù)時間等內容，為用戶初步判斷設備通題提供依據(jù)。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺設備通信界面圖

4.4.9.2 網(wǎng)關通訊狀態(tài)

       網(wǎng)關通訊狀態(tài)主要用于監(jiān)測目標站點的網(wǎng)關設備數(shù)據(jù)是否正常交互、是否有離線發(fā)生、何時離線，為用戶初步判斷網(wǎng)關通訊的問題提供依據(jù)。

圖 企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺網(wǎng)關通信狀態(tài)界面圖

4.5系統(tǒng)硬件配置

4.5.1電力監(jiān)控、電能質量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.2智能照明系統(tǒng)

4.5.3電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.4消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

     綜上所述，對于建筑電氣系統(tǒng)這一建設內容而言，設計工作在其中承擔著前期規(guī)劃的職責，為了能夠切實實現(xiàn)節(jié)約能源、降低損耗的目的，做到建筑電氣節(jié)能設計工作。

現(xiàn)如今，在人們逐漸樹立起生態(tài)環(huán)保理念的背景之下，建造綠色建筑已經(jīng)成為建筑領域發(fā)展的一項重點，而節(jié)能即為綠色建筑的一項硬性指標。為了切實滿足這項要素，建設人員應當注重多種節(jié)能設計內容和綠色建筑電氣技術的應用，同時在多個方面之中做到綠色節(jié)能技術的充分應用，促使建筑物真正成為節(jié)能、環(huán)保的新型綠色建筑。

 

參考文獻

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[2]李莉芳,沈飛.綠色建筑電氣節(jié)能設計與能源管理系 統(tǒng) 可 行 性 研 究 及 解 決 方 案 [J]. 現(xiàn) 代 建 筑 電氣,2021,12(01):8-12.

[3]丁建永.建筑電氣節(jié)能設計及綠色建筑電氣技術分析探討[J].建筑技術開發(fā),2020,47(15):6-7.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版本 

作者簡介：

劉細鳳，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電力監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應用。