李 毅， 王 強(qiáng)

(北京維拓時代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，北京100025)

0 引言

電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)減少耗能，進(jìn)而減少CO2排放的節(jié)能目標(biāo)，需要經(jīng)過施工安裝環(huán)節(jié)，通過運(yùn)行使用結(jié)果得到實(shí)現(xiàn)，建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)考慮全過程，進(jìn)行系統(tǒng)性的思考，考慮最終的節(jié)能效果。所有耗能是由于人類的生存與活動引發(fā)的，在討論居住建筑耗能時，不應(yīng)忽略建筑中人的行為模式，不應(yīng)忽略人的感受、需求、活動特點(diǎn)。電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)考慮人的行為因素影響。本文就以上問題進(jìn)行探討。

1 居住建筑耗能構(gòu)成

建筑能耗，即建筑使用過程中由外部輸入的能源，包括維持建筑環(huán)境的用能和各類建筑內(nèi)活動的用能。建筑環(huán)境的用能包括供暖、制冷、通風(fēng)、空調(diào)和照明等。建筑內(nèi)活動的用能包括辦公、家電、電梯、生活熱水等。

按照GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》的分類方法，居住建筑能耗指標(biāo)構(gòu)成見圖1所示。

圖1 居住建筑能耗指標(biāo)構(gòu)成

圖1所示為民用(居住)建筑能耗構(gòu)成，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)由3項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，非嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)無建筑供暖能耗指標(biāo)。簡單的說，北方居住建筑能耗可以分為供暖能耗和非供暖能耗，南方居住建筑只有非供暖能耗。

非供暖能耗是指以電力為主的能耗，減少建筑電力能耗，是建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

居住建筑耗能按區(qū)域劃分包括公共區(qū)域耗能及家庭耗能，公共區(qū)域耗能占比一般為10%。居住建筑非供暖電力耗能構(gòu)成如圖2所示。

公共部分的節(jié)能可依靠電氣設(shè)計(jì)措施和物業(yè)的運(yùn)營來實(shí)現(xiàn)，而戶內(nèi)部分的節(jié)能要復(fù)雜得多。

對于精裝房設(shè)計(jì)，可以采用照明設(shè)計(jì)節(jié)能策略減少戶內(nèi)照明電器能耗。對于毛坯房設(shè)計(jì)，建筑電氣設(shè)計(jì)師無法控制戶內(nèi)照明節(jié)能。對于集中空調(diào)設(shè)計(jì)，電氣專業(yè)配合設(shè)備專業(yè)采取節(jié)能設(shè)計(jì)策略，減少環(huán)境設(shè)備耗能。對于非集中空調(diào)設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)師對戶內(nèi)空調(diào)部分的節(jié)能無能為力。家庭其他用電設(shè)備及家用電器的節(jié)能無法完全依靠建筑電氣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，節(jié)能效果的實(shí)現(xiàn)很大程度上受到人的行為因素影響。

圖2 居住建筑電力耗能構(gòu)成

2 居住建筑耗能指標(biāo)分析

居住建筑非供暖能耗指標(biāo)是以每戶每年能耗量為能耗指標(biāo)。GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》給出的能耗指標(biāo)約束值見表1。

居住建筑非供暖能耗指標(biāo)約束值 表1

綜合電耗指標(biāo)約束值制定以戶為單位(H)，按照年(a)周期制定，考慮了我國目前用能水平，各省市階梯電價的第一檔的上限值等因素，以滿足80%居民用電為依據(jù)。表1中數(shù)據(jù)包含了公共部分耗電分?jǐn)?，各氣候分區(qū)綜合電耗指標(biāo)的差異，是由于氣候環(huán)境所造成的空調(diào)使用強(qiáng)度的不同。

以寒冷地區(qū)為例，根據(jù)表1中指標(biāo)，去除公共部分耗電分?jǐn)?10%)及夏季空調(diào)用電(按300 kWh)，每戶每天的正常耗電量大約為5～6kWh。因此，每天節(jié)省1度電，電力耗能指標(biāo)能夠降低15%～20%。

真正減少家庭實(shí)際的年耗電量，是電氣節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要目的之一，家庭年耗電量是節(jié)能設(shè)計(jì)策略效果好壞的重要衡量指標(biāo)。隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，家庭耗電量會呈不斷上升趨勢，滿足表1中約束值的要求并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低，需要付出一定的努力，從小處著手。

節(jié)能不能依靠降低環(huán)境的舒適度及人們對美好生活追求的標(biāo)準(zhǔn)來獲得，可以采取兩種方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能，一是不斷提升家用電器產(chǎn)品效能，降低其耗電指標(biāo)，二是采用人性化的節(jié)能控制措施，減少能源浪費(fèi)。

3 居住建筑耗能與人的行為耗能

環(huán)境用能是維持其使用功能的基本需求，包括供熱、供冷、通風(fēng)、光環(huán)境用能。其實(shí)際耗能量由基本需求指標(biāo)及人的特性需求決定。如冬季供暖溫度標(biāo)準(zhǔn)定為18℃，而不同的人有不同的要求，有的人可能覺得22℃才感覺舒適，集中供暖不滿足要求時，可能會使用電暖氣；有人習(xí)慣開窗補(bǔ)充新鮮空氣，會增加室內(nèi)供熱、供冷的能耗。因此，室內(nèi)環(huán)境耗能與人的行為有關(guān)。

人的活動會產(chǎn)生耗能，居住建筑中人的活動包括洗衣、餐飲、娛樂、學(xué)習(xí)、工作等。人的活動通過使用家用電器產(chǎn)生耗能，家用電器耗能＝家用電器電功率×運(yùn)行時間，家用電器的選擇及運(yùn)行時間取決于人的行為需求。以電冰箱為例，相同容量的不同品牌、型號的電冰箱，其耗電量大小是不一樣的，節(jié)能效率高的產(chǎn)品往往價格也會偏高。同樣是3口之家，有的家庭選擇120L，有的家庭選擇240L，有的家庭選擇更大尺寸的電視機(jī)或更多的家用電器，對于家用電器的使用頻次也不相同。

因此，受到人的行為方式、習(xí)慣的影響，各家庭的實(shí)際耗電量存在一定的差異。當(dāng)討論居住建筑的節(jié)能實(shí)際效果時，應(yīng)考慮和研究人的行為因素。

合理的需求及消費(fèi)行為不應(yīng)該被抑制，不合理的浪費(fèi)行為應(yīng)避免?！半S手關(guān)燈”是典型的行為節(jié)能，人的節(jié)能意識提升不屬于設(shè)計(jì)考慮的范疇。但可以通過電氣設(shè)計(jì)措施來提供行為節(jié)能的可實(shí)施性，如電氣分區(qū)控制、分時控制、一鍵控制等。

4 居住建筑無效電力耗能

滿足人的需求所產(chǎn)生的電力耗能為合理電力耗能，無需求工況下備運(yùn)行所產(chǎn)生的電力耗能為無效電力耗能。如在房間無人的情況下，燈具繼續(xù)點(diǎn)亮所產(chǎn)生的電耗為無效電力耗能，家用電器的待機(jī)耗電為無效電力耗能。以某品牌電熱水器為例，分析無效電力耗能的產(chǎn)生，該電熱水器24h運(yùn)行情況用電監(jiān)測曲線見圖3所示。

圖3 某品牌電熱水器24h運(yùn)行情況用電監(jiān)測曲線

圖3中將1天24h分為4個時間段，時間段1為0:00-6:00點(diǎn)，時間段2為 6:00-9:00點(diǎn)，時間段3為9:00-18:00點(diǎn)，時間段4為18:00-24:00。時間段1一般為睡眠時間，該階段耗電為無效電力耗能，大約占1天耗能的17%。對于3口之家的雙職工家庭，時間段3家中無人，該段時間的耗電亦為無效電力耗能，大約占1天耗能的33%。根據(jù)不同家庭結(jié)構(gòu)及人員活動特點(diǎn)情況，采用以上分析方法發(fā)現(xiàn)，其他家用電器亦存在無效電力耗能情況，如淋浴用電熱水器、網(wǎng)絡(luò)路由器、電視機(jī)頂盒等。對于雙職工家庭，時間段1、時間段3大部分家用電器的待機(jī)耗電為無效電力耗能。根據(jù)居住建筑內(nèi)人的活動規(guī)律進(jìn)行一天的時間分段，見圖4所示。

圖4 居住建筑內(nèi)人的活動時間分段示意圖

圖4所示的時間分段只作為本文討論節(jié)能問題的參考，并非準(zhǔn)確的時間定義。如圖4所示，居住建筑內(nèi)人的活動集中的時間段是時間段2與時間段4，時間段1與時間段3內(nèi)有可能產(chǎn)生無效電力耗能。

5 居住建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)策略

實(shí)際建筑的運(yùn)行能耗與建筑和機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，與施工質(zhì)量和機(jī)電設(shè)備質(zhì)量有關(guān)，更與建筑的運(yùn)行管理水平及使用者使用方式有關(guān)。要實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗的目標(biāo)，必須從以上方面全面入手。在實(shí)現(xiàn)建筑使用功能的前提下，實(shí)現(xiàn)更高建筑節(jié)能效果的建筑能耗指標(biāo)期望目標(biāo)值，需要綜合高效利用各種建筑節(jié)能技術(shù)和管理措施。對于居住建筑，可以采取的主要電氣節(jié)能策略可以歸類為以下幾種。

(1)配電系統(tǒng)節(jié)能

選擇節(jié)能變壓器、節(jié)能配電設(shè)備，合理選擇配電電纜、導(dǎo)線截面，優(yōu)化配電線路敷設(shè)路徑，減少配電系統(tǒng)的固定損耗和運(yùn)行損耗。

(2)照明系統(tǒng)節(jié)能

采用節(jié)能光源、高效燈具，合理的照明設(shè)計(jì)，滿足照明功率密度值的要求。采用合理的控制方式，如光控、聲控、定時控制等，減少公共區(qū)域照明耗能及地下車庫照明耗能。

(3)建筑設(shè)備節(jié)能

采用節(jié)能高效風(fēng)機(jī)、水泵，采用節(jié)能電梯及群控方式，降低公共區(qū)域建筑設(shè)備電氣耗能。

(4)節(jié)能控制技術(shù)節(jié)能

居住建筑的節(jié)能控制包括公共區(qū)域節(jié)能控制及戶內(nèi)節(jié)能控制，公共區(qū)域節(jié)能控制措施相對比較明確，但對于進(jìn)一步提高其降低能耗的貢獻(xiàn)率是有限的。戶內(nèi)節(jié)能控制存在提升的空間，通過設(shè)計(jì)方法為用戶創(chuàng)造自主節(jié)能的條件，進(jìn)而影響用戶的節(jié)能行為，減少家庭無效電力耗能。

6 戶內(nèi)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)策略

為實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)節(jié)能可以采用以下設(shè)計(jì)方法。

(1)一鍵節(jié)能開關(guān)控制技術(shù)

現(xiàn)在的許多家庭為雙職工，在早晨上班離家至傍晚回家之間時間段，住宅中處于無人狀態(tài)，但家用電器處于待機(jī)狀態(tài)，仍然耗電。如電飲水機(jī)、電熱水器仍處于通電狀態(tài)，一直在無效的消耗電能。

住宅的居住者離開家時，有時會忘記關(guān)閉燈、排風(fēng)扇等電器的電源，這些電器一直保持運(yùn)行狀態(tài)，消耗能源。

當(dāng)住宅的居住者長時間離開家時，家中的電器設(shè)備均處于通電狀態(tài)，存在一定電氣安全隱患。住宅建筑可采用家庭節(jié)電配電箱，居住者可通過“一鍵控制開關(guān)”的簡單操作，方便切斷或接通住宅內(nèi)的分路電源，可促進(jìn)行為節(jié)能，減少家庭電器待機(jī)耗電量，同時提高家庭用電安全性。家庭節(jié)電配電箱系統(tǒng)圖見圖5所示。

圖5 家庭節(jié)電配電箱系統(tǒng)圖示例

(2)照明智能控制

現(xiàn)代家庭裝修照明設(shè)計(jì)要求越來越高，為實(shí)現(xiàn)各種家庭燈光效果，安裝的燈具越來越多。但頻繁進(jìn)行燈具開關(guān)的操作比較麻煩，合理的智能照明控制設(shè)計(jì)可以方便用戶的操作。根據(jù)人的活動規(guī)律、生活習(xí)慣，優(yōu)化燈具的組合控制，設(shè)置合理的場景控制模式，可以實(shí)現(xiàn)便捷操作及照明節(jié)能的雙重目的。智能照明控制開關(guān)示例如圖6所示。

圖6 智能照明控制開關(guān)模式示例

智能照明控制開關(guān)模式的合理設(shè)置，需要進(jìn)行生活場景模擬分析，體現(xiàn)“人性化”設(shè)計(jì)原則，使智能照明控制真正解決問題，真正實(shí)現(xiàn)舒適方便與節(jié)能。

(3)集中空調(diào)系統(tǒng)、地暖系統(tǒng)分區(qū)分控

當(dāng)戶內(nèi)采用集中空調(diào)系統(tǒng)時，電氣專業(yè)應(yīng)配合設(shè)備專業(yè)設(shè)置分區(qū)控制面板，應(yīng)分室設(shè)置溫控面板，對大空間區(qū)域應(yīng)分區(qū)域設(shè)置。集中空調(diào)溫控系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)宜與家庭智能控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)空氣控制設(shè)備的聯(lián)動控制、自動控制、遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)戶內(nèi)采用地板采暖系統(tǒng)時，應(yīng)分房間、分區(qū)域設(shè)置溫控開關(guān)，可手動調(diào)節(jié)分集水器分路水閥的開度，調(diào)節(jié)各房間、區(qū)域的設(shè)定溫度。

合理的環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造行為節(jié)能的條件，在提高人的舒適度、滿意度的同時降低建筑環(huán)境耗能。

(4)智能電源插座的無線控制

隨著智能家居產(chǎn)品的不斷豐富與進(jìn)步，智能插座的使用將越來越普及。也許不遠(yuǎn)的將來，智能電源插座將取代普通電源插座。智能電源插座的使用，可以實(shí)現(xiàn)對每個末端設(shè)備的精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)各種家用電器使用特點(diǎn)，分別設(shè)置其電源開、斷時間，可以統(tǒng)計(jì)、顯示各種電器的耗電量，極大地豐富了家庭行為節(jié)電的手段。智能電源插座控制原理示意圖如圖7所示。

圖7 智能電源插座控制原理示意圖

利用手機(jī)APP程序，通過智能插座對家用電器進(jìn)行個性化設(shè)定，根據(jù)個人的生活習(xí)慣對不同的電器設(shè)置不同的通電與斷電的時間，而且設(shè)置方案可隨時變更，靈活方便，滿足了個性化需求。不同的控制方案得到不同的節(jié)電效果，節(jié)電的效果是可以被預(yù)算出來的。設(shè)定一個家庭為雙職工家庭，以一個電視機(jī)頂盒電源控制方案為例進(jìn)行分析，假定時間控制分段如圖8所示。工作日:時間段1、時間段2設(shè)定為電源關(guān)斷時間(假設(shè)此段時間不觀看電視)；周六、周日及節(jié)假日:僅將時間段1設(shè)定為電源關(guān)斷時間。

圖8 電視機(jī)頂盒電源時間控制分段示意圖

機(jī)頂盒待機(jī)耗電功率按15W(一般為10～20W之間)計(jì)，工作日時間按250天計(jì)，則時間段1減少待機(jī)耗電為:15W×7h/1 000×365天＝38kWh；時間段2減少待機(jī)耗電為:15W×12h/1 000×250天＝45kWh，全年合計(jì)減少待機(jī)耗電為:38kWh＋45kWh＝83kWh。就一個家庭來說，所減少的耗電量也許很少，但一個城市的家庭是百萬數(shù)量級的，家庭無效的電力消耗量是巨大的。

關(guān)注智能家居產(chǎn)品的變化及發(fā)展，考慮家庭終端電器的節(jié)能方法，適應(yīng)無線控制技術(shù)的普及及應(yīng)用，是電氣設(shè)計(jì)師面臨的新的挑戰(zhàn)，需要有新的思維方法，需要有創(chuàng)新意識，將無線控制技術(shù)融入到建筑電氣設(shè)計(jì)中。

7 結(jié)束語

綜上所述，居住建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)以最終減少家庭電力能耗為目標(biāo)。公共部分的節(jié)能策略比較明確，難點(diǎn)在于降低戶內(nèi)耗電量，衡量的指標(biāo)為用戶電度表記錄的年耗電量。戶內(nèi)節(jié)能效果受到人的行為因素的影響，電氣設(shè)計(jì)需要分析家庭活動特點(diǎn)、活動規(guī)律，從用戶角度出發(fā)，本著“人性化”原則，合理設(shè)計(jì)戶內(nèi)配電設(shè)計(jì)、節(jié)電控制設(shè)計(jì)，滿足用戶舒適、便捷要求的同時，創(chuàng)造行為節(jié)能的條件。電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)考慮家庭電器的無線控制方式，利用智能家居技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用新思維、新方法，時刻關(guān)注節(jié)能設(shè)計(jì)的效果目標(biāo)，將電氣節(jié)能設(shè)計(jì)提升到更高的水平。