谈节能理念在建筑电气设计中的应用
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【摘要】随着经济的发展，建筑行业也呈现蒸蒸日上的景象，但是电能在建筑总耗能中占有相当大的比重，有的甚至会达到80%以上。在这样的现实条件下，将节能理念贯穿到建筑电气设计之中，实现节能设计，是每一个建筑电气设计人员不可退却的责任。本文就从不同的角度对建筑电气的设计做了探讨，以期找到在建筑电气设计中更好的方案。
【关键词】节能理念；建筑电气设计；应用
能源危机已成为当今世界各国共同面对的问题。改革开放以来，我国经济迅猛发展，能源问题更加严峻。可是，在我国，各行各业普遍存在着能源浪费现象，这样下去，肯定会影响到我国国民经济良性发展，肯定会严重制约我国的可持续发展。经济的发展，势必会导致建筑行业的繁荣，而电能在建筑总耗能中占有相当大的比重，有的甚至会达到80%以上。因此，在建筑的电气设计中引入节能理念，实现节能设计，是每一个建筑电气设计人员不可推却的责任。
1 建筑电气设计中的节能理念
在建筑电气的设计过程中，设计人员要将节能理念贯穿在整个设计当中，从选用设备，选用供电电压等级，新材料、新技术的应用等方面，都要进行节能考虑。在设计过程中，建筑电气设计人员要精心筹划设计方案，尽可能地选用节能设备，应用新的节能技术，并按照电气规范标准进行设计。
在设计的过程中，还要考虑到人的问题，要考虑到是不是能够给人们提供健康、安全、舒适的环境。
2 建筑电气节能需要考虑的设计原则
2.1 建筑电气节能设计首先要考虑人的居住环境
在进行建筑电气节能设计过程中，首先要满足建筑物必备的功能。也就是说建筑物应该保证达到照明的照度、色温、显色指数；大用电负荷的智能化或节能控制，节能与舒适的统一；保证建筑物内空间的舒适，满足其它工艺要求。
2.2 建筑电气节能设计应该考虑节能与原材料之间的逻辑关系
在进行建筑电气节能设计过程中，还要考虑节能与原材料之间的矛盾，不能为了节能而大量地使用原材料，甚至使用新材料。要权衡节能与原材料的关系，争取做到既不浪费原材料，又达到了节能设计的目的。如果确实需要新材料，就要考虑投资原材料的经济费用，要在短时间内通过节省的能源得到回补。
2.3 建筑电气节能设计应该考虑能量消耗与建筑物功能的关系
在建筑物的节能设计中，应该慎重考虑节省无谓消耗的能量。所谓无谓消耗的能量就是指所消耗的能量与发挥建筑物的功能无关的能量消耗。比如，由于变压器的功率太大而导致的无谓消耗能量。
2.4 建筑电气节能设计中要尽可能地使用自然能量
自然能量是指既不浪费电能又不会产生污染、直接来源于自然界的能量。如太阳能、风能、地热能等。
3 建筑电气节能设计
在进行建筑电气的设计过程中，首先要对整个配电系统的设计进行综合考虑。要综合考虑整个建筑的总用电负荷，然后按照供电距离及用电设备分布等特点合理设计供配电系统。这样可以保证整个配电系统协调运行，保证各部分的电压、电流、电功率的差别最小，从而使系统内部的能耗降到最低，实现整个配电系统在最经济的状态下运行。
3.1 保证整个供配电系统系统的简洁、可靠
在设计时，首先要保证整个系统的简洁，也就是说在保证系统正常运行的前提下尽量使系统的结构简单。在电压等级相同的系统中变配电的的等级不易太过复杂，最多可以设计两个级别。否则，配电级别越多，造成电能的损耗也就越多。
3.2 各相位之间的负荷达到平衡
我们所使用的是三相电，每一相位下的用电户不同，其相位负载也不相同。如果各相位间的负载存在差别，并且差别比较大，这就容易产生相位间的负载差，从而导致中立重心位置的电位数据过大，这样就很容易因相位负载差别产生能耗。因此，在设计过程中要尽可能地满足电路各相位之间的负荷达到平衡，保持相位之间的负荷和各相位负荷的平均值差别在85%―115%之间，如果相位负荷和平均值差别过大，可以采用容抗平衡法或者移相平衡法来实现各相位之间的平衡，这样，可以使中立重心位置的电位为零，实现整个系统各部分负载的平衡，从而达到降低能耗的目的。
3.3 减少导线线路能量损耗
材质不同的导线存在不同的电阻。当电流通过导线时就会产生能量损耗，并且电阻越大，所消耗的能量越多。能量的损耗可以按照下面的公式进行计算：
W=I2RT
W――能量的损耗
I――流经导线的电流
R――导线的电阻
T――时间
3.3.1 改变导线的电阻率
电阻率是导线的固有属性，不同材质的导线电阻率不同。因此要想通过减小导线的电阻率减少能量损耗必须改用电阻率小的导线。基于减小能量消耗和经济两方面的考虑，通常在负荷较大的二类、一类建筑中使用铜质导线，在三类或负荷相对较小的建筑中使用铝质导线。
3.3.2 尽量减少导线的长度
减小导线的长度，应该保证线路多走直线，尽量避免走弯路；保证线路要尽可能地避免走回头线；供电变压器要尽可能地配置在负荷中心位置，这样就可以减少供电距离，如果建筑物的面积超过一万平方米时，必须配置两个或者两个以上的变配电所，这样可以最大距离地减少导线的长度；如果建筑物属于高层建筑，那么在设计低压配电室时要尽可能地选择靠近竖井的位置，并且从两者的布局上都应该让线路分向前送，尽可能避免回头线。
3.33 合理选择导线的横截面积
合理选择导线的横截面积，首先应该满足载流量、热稳定等要素所需要的横截面积，然后可以选择加大一级横截面积。
3.3.4 合理搭配使用季节性负荷线路
由于冬夏两季用电器的选择使用不同，比如夏季通常使用的空调道路冬天就不再使用，而冬季使用的电取暖器到了夏季也不再使用，因此，当这些季节性的线路不使用时，可以用作供电线路。
4 减少变压器产生的能量损耗
在建筑电气设计中，减少变压器产生的能量损耗也使一个相当重要的手段。数字显示，因变压器产生的能量损耗占总发电量的2％一3％。因此，减少因变压器产生的能量损耗相当重要。
4.1 变压器的有功损耗
通常情况下，变压器的有功损耗按照下列公式进行计算：
ΔP=P0+β2Pk
ΔP――变压器的能量损耗
P0――变压器的空载损耗
Pk――变压器额定负载传输的损耗
β――变压器的负载率
4.1.1 P0是变压器的空载损耗，常常被称为铁损，它产生的主要原因是由于组成变压器铁芯的硅钢片内部能够产生涡流和漏磁。P0和变压器的硅钢片组成有关，和变压器的制造工艺有关，和变压器的负荷没有关系。随着科学技术的发展，节能型变压器被大量开发出来，组成这种类型变压器铁芯的硅钢片主要是采用先进的工艺制造而成的，是高导磁的优质冷轧晶粒取向硅钢片和先进工艺制造使硅钢片，这两种类型的硅钢片由于磁场方向比较一致，因此可以降低因涡流造成的能量损耗，形成良好的接缝密合。因此，在进行变压器的设计时，应该选用这种新型节能变压器。
4.1.2 Pk又被叫做变压器线损，它主要取决与变压器绕组导线的电阻和流经绕组电流的大小。一般来讲，Pk和绕组导线的电阻成正比，和流经导线绕组导线的平方成正比。因此，在进行变压器的设计时，要尽可能地选择绕组导线电阻比较小的变压器。
4.1.3 合理确定变压器的负载率（β）的取值范围
数学计算表明，当变压器的负载率（β）的取值等于50%时，变压器的能量消耗最小，但是这个时候知识减小了变压器内部线路的能量损耗，并没有减少变压器的空载损耗，因此在变压器的负载率（β）的取值为50%时，变压器的状态并不是处于最节能的状态。
综合考虑各种投资费用以及在以后的发展过程中外部负载的增加，因此将变压器的负载率（β）的取值范围设定在75%―85%。这样既可以保证经济实用，又可以保证变压器在绝缘使用年限期满之前的容量能够得到保证。
变压器还有一部分有功损耗来源于铜损，它是由变压器一、二次绕组中的铜导线产生的。
4.2 变压器的无功损耗
变压器的无功损耗也包括两部分的损耗，其中一部分来自于产生励磁电流时的无功损耗，它和绕组内的电压有关，和励磁电流有关，和绕组的电阻有关。它可以按照下列公式进行计算：
P=I0%Sn100
P――变压器的无功损耗
I0%――变压器空载电流占额定电流的百分比
Sn――变压器的额定容量
另外一部分无功损耗是由变压器一、二次绕组中的电抗产生的。在变压器内部，由于一、二次绕组的电阻和电抗来比相差很多，因此，由电抗产生的无功损耗可以近似的看做和阻抗电压成正比。它可以按照下列公式计算：
PN≈Ud%SN100
PN――由电抗产生的无功功率
Ud%――变压器短路电压占额定电压的百分比
Sn――变压器的额定容量
变压器的无功损耗可以按照下式进行计算：
PW=P+PN(S3Sn)¬2
≈I0%Sn100+ Ud%SN100(S3Sn)¬2
S30――变压器的计算负荷
从以上内容可以得知，旧式变压器的能耗相对来说非常大，因此，选择新型节能变压器，选择变压器的负载率对于降低变压器的能耗来讲意义非凡。
在对变压器进行设计时，有时使用一台变压器不能保证工作区位的能量供应，甚至因电路的损耗浪费过多的能量。因此在设计变压器时，常常选用多台合适的变压器来保证建筑的电能供应。
在对变压器进行选择时，如果负荷率小于30%，那么就应该设计容量较小的变压器，如果负荷率大于80%，就可以选择放大一级容量的变压器。
如果确实需要使用多台变压器，在设计时必须保证各部分电路中的负载能够得到合理分配，并在这个前提下尽可能选择大容量的变压器，避免使用过多小容量的变压器。因为，变压器的数量越多，所消耗的能量也就越多。
5 提高配电系统的功率因数
在电路配置时因为各部分电路的有用功不同会导致功率因数不同，功率因数不同导致电能损耗大。因此在电路配置时可以考虑用无功补偿的方法来补偿功率因数，这样可以使电路各部分的功率平衡，达到降低电路线损的作用。
在设计过程中，应该考虑到变压器的无功能耗比有功能耗要大很多，并且变压器的容量越大、台数越多，产生的无功能耗就越多，因此在设计时，可以在大容量变压器或者多台变压器的一次侧装静电电容器进行无功补偿。在通常的建筑设计中，大部分使用的并不是一次侧装静电电容器，而是采用二次侧集中补偿。这种补偿办法可以使用户处的功率因数得到提高，使得变电站到用户处的用电能耗降低。但是二次侧集中补偿相对建筑来讲从低压配电系统到用电地点的电能消耗并没有降低。
在设计时还应当考虑在建筑中如果出现大功率电器时的补偿办法，如果在建筑中出现了超过10千瓦的大型用电器，应该使用启用就地补偿装置来完成功率因数的补偿。
除了这些办法，还可以使用节能型电器，用来提高电器的自然功率因数。或者采取尽可能减少无功补偿和选择合理的补偿位置的办法完成无功补偿。
这样，通过一系列的办法提高了系统的功率因数，保证了系统内部各部分的功率平衡，从而使系统运行稳定，达到节约能量的目的。
6 建筑照明系统的设计
建筑电气设计人员在进行建筑电气照明系统的设计时，应该从下面几个方面来进行设计：
6.1 选择合适的外界光源
在设计时，首先应该选择合适的外界光源，这样可以降低建筑对电能的消耗量，从而达到节约能源的目的。科学实验表明，合适的光源能够通过提高照度水平，提高照明的质量和能效。在建筑电气设计时，通过选择合适的光源，可以适度改善人们的工作条件，达到人们正常生活所需要视觉效果。
6.2 选择合适的照明控制方式
在进行建筑电气的设计中，选择合适的照明控制方式可以达到合理利用外界光源，达到节能的目的。在设计照明控制方式时，要认真分析人们在不同工作或者生活环境下所需要的亮度情况，然后按照这个需要对照明的控制方式进行合理设计。
6.3 选择合适的照度控制方式
在进行建筑电气的设计中，需要严格按照国家规范的要求控制照明功率密度（照明功率密度就是建筑的房间或场所，单位面积的照明安装功率）。这也就是说，在进行设计时，选择合适的照度控制方式，必须保证照明功率密度既不能超过国家规范的标准，也不能低于国家规定标准的90%，为了达到这个目的，在进行设计时，应尽量选择光源、镇流器、和灯具效率高的产品。
6.4 选择效率比较高的光源进行照明
6.4.1 选择使用合理的光源
工作场所的不同，所需要的光源不同。在选择光源时，应该做到具体问题具体分析，尽量选择高效率的光源，这样可以将电能尽最大可能转化为光能，从而达到节能的目的。
在频繁开关的场所，一般应该使用普通白炽灯；而在普通的照明场所，应该选用荧光灯等高效光源，而不应该选用普通白炽灯。
如果建筑内的空间比较高大，比如室内篮球场、大型会议室等场所，应该使用金属卤化物灯等高光强气体放电灯。在使用这些气体放电灯的过程中，还应该设置使用电容器，用以补偿高光强气体放电灯使用过程中的无功损耗。
6.4.2 选择使用高效率的灯具
在选择灯具时也要选择高效率的灯具，如果灯具的效率低，就是使用其它方法进行补救，也很难达到节能的效果。目前市场上出售的灯具中，直接型灯具的效率比较高，其它灯具的效率比较低。因此在设计时应该尽量采用直接型灯具。
6.5 选择合理的照明控制和管理方式
在进行照明设计时，常常会遇到场所面积比较大的照明设计问题，在这种情况下，通常应该采用分区控制的照明方式，这样可以分别对不同的地方的照明进行控制。在照明设计上，还可以采用现代化的技术手段。例如：光控、声控、节能开关的使用等。
6.6 大力推广使用新型节能光源
随着科学技术的发展，LED灯（发光二极管）、太阳能灯具等新型节能光源以优良的节能性能得到了人们的青睐。在建筑的设计中，大力推广使用新型节能光源是每一个建筑电气设计者的最佳选择。
总之，建筑节能问题是一个相当复杂的问题，它不单单是上面提到的这些内容，而是一个相当复杂的各学科问题的整合过程。随着科学技术水平的发展，新技术、新材料被不断的发现和制造出来，建筑节能设计也拥有了相当广阔的发展空间。作为一个建筑电气设计人员，要认真学习、研究、大胆使用新材料和新技术，只有这样，建筑电气节能的设计才能越走越远。
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