韓占強(qiáng)

(中國中建設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100037)

0 引言

堅(jiān)持節(jié)能減排、推動綠色低碳發(fā)展是我國的基本國策。 2021 年全國兩會上，中央又提出了“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，“十四五”規(guī)劃也將加快推動綠色低碳發(fā)展列入其中。

節(jié)能減排關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各行各業(yè)，建筑作為人們從事生活和生產(chǎn)活動的場所，一直是重要的能耗大戶。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國建筑的運(yùn)行能耗占全國能源消費(fèi)總量的21.7%(2018 年數(shù)據(jù))，目前建筑能耗以電能為主，燃?xì)夂褪姓崃檩o。 為減少建筑對化石能源的使用，電力在終端能源消費(fèi)的占比將會大幅增加，可再生能源在電力供應(yīng)中的比例也將會大幅提高。

建筑電氣系統(tǒng)是建筑內(nèi)電能傳輸、分配和使用的載體，包括建筑紅線范圍內(nèi)的所有電氣設(shè)備和線路，可以比較全面地反映建筑的用能狀況。 因此，提高建筑電氣系統(tǒng)的能效對于建筑節(jié)能具有重要的意義。

1 建筑電氣系統(tǒng)能效的定義

建筑電氣系統(tǒng)能效是在滿足建筑使用功能和電氣安全的前提下，電氣系統(tǒng)的電能使用效率。 在相同的使用條件下，電氣系統(tǒng)消耗的電能越少，系統(tǒng)的能效越高。

從廣義上來講，建筑電氣系統(tǒng)的能效是建筑所消耗的電能轉(zhuǎn)化為其他能量的綜合效率。 例如:電能可轉(zhuǎn)化為光，為人們提供照明；電能可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等，機(jī)械能又能通過熱泵提升進(jìn)行制冷(熱)；電能還可以直接轉(zhuǎn)化為熱能，例如電加熱設(shè)備等。 近年來隨著電氣技術(shù)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備的能效越來越高。

從狹義上來講，建筑電氣系統(tǒng)的能效是建筑紅線范圍內(nèi)電氣系統(tǒng)本身的電能傳輸和設(shè)備用電效率，是建筑機(jī)電系統(tǒng)能效的一部分。 建筑機(jī)電系統(tǒng)主要包括暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，其中空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)在電氣系統(tǒng)里是作為終端用電設(shè)備出現(xiàn)的，其設(shè)備能效會對電氣系統(tǒng)的能耗有重要影響。

建筑電氣系統(tǒng)的能效受多種因素影響，包括電能傳輸效率、用電設(shè)備能效、人員使用情況、外部環(huán)境因素等。

2 建筑電氣系統(tǒng)組成和能耗分析

從電能全過程使用的角度來看，建筑電氣系統(tǒng)包括電能傳輸環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)。

(1)電能傳輸環(huán)節(jié)由市政電力進(jìn)線處起至終端用電設(shè)備的電力線路、電能變換設(shè)備及開關(guān)控制設(shè)備組成，包括建筑紅線范圍內(nèi)的高壓線路、高壓開關(guān)設(shè)備、變壓器、電容器、濾波器、UPS 設(shè)備、低壓開關(guān)和控制設(shè)備、低壓配電線路等。 對于低壓用戶，傳輸環(huán)節(jié)不包括變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備和高壓線路。

傳輸環(huán)節(jié)的損耗主要由線路損耗和電能變換設(shè)備損耗組成(高低壓開關(guān)設(shè)備的損耗通常小于1/1 000，可以忽略不計(jì))。 建筑中常見的電能變換設(shè)備包括變壓器、UPS、變頻器等。 電容器、濾波器可使線路或變壓器在傳輸同樣的有功功率下，有效降低電能損耗。

(2)用電環(huán)節(jié)由各種終端用電設(shè)備組成，分為固定安裝的用電設(shè)備和非固定安裝的用電設(shè)備。

固定安裝的設(shè)備包括:建筑照明、各種風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等，此部分設(shè)備含在建筑電氣安裝工程內(nèi)，設(shè)備容量是確定的，其能耗和設(shè)備使用情況有關(guān)。

非固定安裝的用電設(shè)備是建筑完工后用戶自行接入的設(shè)備，例如辦公電腦、家用電器等，此部分設(shè)備一般通過插座進(jìn)行供電，其容量不太確定，使用工況和建筑內(nèi)人員占用率密切相關(guān)，存在較大的不確定性。 設(shè)計(jì)階段可以通過對類似建筑的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算。

在設(shè)計(jì)階段建筑能耗分析中，可以通過ETAP電力分析軟件進(jìn)行仿真，見圖1。 利用其潮流分析功能，根據(jù)類似建筑使用情況建立分析模型，按照分時負(fù)荷法進(jìn)行模擬計(jì)算。 經(jīng)過對一些典型項(xiàng)目的建模計(jì)算分析，建筑電氣系統(tǒng)傳輸環(huán)節(jié)損耗占總能耗的3%～8%，用電設(shè)備環(huán)節(jié)能耗占總能耗的92%～97%。 由于用電設(shè)備能耗在系統(tǒng)總能耗中占比較高，因此提高用電設(shè)備的能效對建筑節(jié)能效果更顯著。 此結(jié)論對節(jié)能設(shè)計(jì)或改造具有重要的意義，可以用來評估不同投資方案的實(shí)際節(jié)能效果，把有限投資花在刀刃上。 以照明光源為例，傳統(tǒng)白熾燈的光效為10～15lm/W，直管熒光燈的光效為80～100lm/W，目前LED 光源的能效為90～130lm/W。 用LED 燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈，系統(tǒng)可節(jié)能85%以上；而如果僅考慮傳輸環(huán)節(jié)節(jié)能，同樣投資下節(jié)能效果將會差別巨大。

圖1 ETAP 分析軟件建模分析圖

3 建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能措施和控制策略

通過以上分析可以得出，建筑電氣系統(tǒng)節(jié)能的基本思路是:從整個系統(tǒng)的角度，在滿足建筑基本使用功能的前提下，盡量減少傳輸環(huán)節(jié)損耗，降低終端用電設(shè)備損耗，

3.1 傳輸環(huán)節(jié)的節(jié)能

3.1.1 減少電能變換的中間環(huán)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式

從建筑電源進(jìn)線處起，電能每進(jìn)行一次變換(例如降壓、整流、逆變等)，就會造成一定的電能損失，因此通過減少電能變換的次數(shù)，可以起到降低損耗的作用。 應(yīng)用舉例如下。

(1)對于大型用電設(shè)備，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可以采用高壓供電方式，減少中間降壓變壓器的損耗。電動機(jī)容量在350～550kW 時，宜采用高壓供電；電動機(jī)容量大于550kW 時，應(yīng)采用高壓供電。

(2)A 級數(shù)據(jù)中心在滿足供電可靠性和電能質(zhì)量要求時，末端雙電源IT 設(shè)備可以采用1 路市電和1 路UPS 電源供電，相較于UPS 2 N 供電系統(tǒng)，減少了1 組UPS 設(shè)備(圖2)。 市電直供電源由于減少了UPS 電源變換的損耗，提高了系統(tǒng)效能。

圖2 A 級數(shù)據(jù)中心一路市電加一路UPS電源供電系統(tǒng)圖

(3)A 級數(shù)據(jù)中心機(jī)房精密空調(diào)采用1 路市電和1 路UPS 電源供電，末端設(shè)置ATS 互投(圖3)。在正常工作情況下，通過設(shè)置ATS 把市電作為主用電源，UPS 作為備用電源；市電停電時，自動投入U(xiǎn)PS 電源。 這樣在正常工作時，UPS 輸出端只有電壓，不輸出工作電流，此種運(yùn)行方式可以有效減小UPS 的運(yùn)行損耗。

圖3 A 級數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)供電系統(tǒng)圖

3.1.2 提高電能變換設(shè)備的能效

傳輸環(huán)節(jié)的電能變換設(shè)備包括變壓器、UPS 等設(shè)備，可以通過選用高效節(jié)能設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行方式來降低損耗。 下文進(jìn)行應(yīng)用措施舉例。

(1)降低變壓器損耗。 1)選用高效節(jié)能變壓器，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器能效限定值和能效能級》GB 20052—2020，優(yōu)先選用一級能效和二級能效的變壓器。 2)優(yōu)化變壓器負(fù)載率和運(yùn)行方式，使變壓器運(yùn)行在節(jié)能區(qū)間。 例如在正常工作時，變壓器負(fù)荷率控制在40%～80%范圍內(nèi)。

(2)選用高效能UPS。 目前高頻模塊化UPS 的效率要優(yōu)于工頻UPS，成為數(shù)據(jù)中心的首要選擇。對于2 N 配置的UPS 供電系統(tǒng)，正常工作時UPS 的負(fù)載率小于50%，由于UPS 的效率隨著負(fù)載的減小而降低，所以應(yīng)選擇在低負(fù)載率下效率高的UPS，以降低設(shè)備損耗。

3.1.3 降低配電線路損耗

(1)變電室和各級配電箱深入或接近負(fù)荷中心設(shè)置，是電氣設(shè)計(jì)的基本原則之一。 對于某一確定的建筑，變壓器和各級配電箱越接近其所服務(wù)對象的負(fù)荷中心，低壓配電線路的長度越短，線路的損耗就越小。 負(fù)荷中心可以采用重心法計(jì)算(參考IEC 60364-8-1 附錄A)，其方法如下:

式中，xb，yb，zb為計(jì)算得到的負(fù)荷中心位置三維坐標(biāo)；xi，yi，zi為各負(fù)荷位置三維坐標(biāo)；EACi為各負(fù)荷每年的估算耗電量，kWh。

需要注意的是，以上計(jì)算公式中所采用的參數(shù)是設(shè)備能耗EAC，而非設(shè)備的功率P。 這樣計(jì)算得到的是能耗最優(yōu)的負(fù)荷中心。 如果采用設(shè)備功率P計(jì)算，得到的負(fù)荷中心是功率負(fù)荷中心，雖可在一定程度上減少線纜長度，但不一定能使整體能耗最低。 由于不同設(shè)備的運(yùn)行時間是不同的，設(shè)備之間的能耗與其功率不是正比關(guān)系。 采用基于能耗的重心法計(jì)算得到的負(fù)荷中心可以使線路損耗相對較小。

(2)合理增大回路導(dǎo)體截面。 由于回路電阻和導(dǎo)體截面成反比，增大導(dǎo)體截面可以減少導(dǎo)體電阻，進(jìn)而減少導(dǎo)體有功損耗。 但要同時考慮投資收益比，從全壽命期的角度降低總體擁有成本TCO。

應(yīng)用舉例:對于雙路電源供電的負(fù)荷，盡量采用三開關(guān)切換方式(2 進(jìn)線1 母聯(lián)，正常情況下雙路電源同時工作、每路電源各帶一半負(fù)荷見圖4)。

圖4 舞臺照明雙進(jìn)線一母聯(lián)主接線系統(tǒng)圖

由于任何一路線路都可以承載全部負(fù)荷電流，采用雙路電源同時工作的方式相當(dāng)于將線路截面增大一倍，線路損耗減少為兩電源一用一備工作方式的1/4。 典型應(yīng)用為某大型劇場的舞臺照明供電，由于負(fù)荷容量較大(該劇場舞臺照明安裝容量為PeΣ＝5 013kW，計(jì)算容量Pj＝1 013kW)，一般從變電所采用雙路母線供電，引至舞臺硅控室的舞臺照明總配電柜，總配電柜采用雙路進(jìn)線、中間帶母聯(lián)的主接線形式，正常工作時每路電源各帶一半負(fù)荷，母聯(lián)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。 這樣的雙回路同時工作方式不但使供電線路損耗減小，也可使兩臺變壓器負(fù)載更加均衡，提高變壓器的運(yùn)行效率。

3.1.4 低壓無功補(bǔ)償和諧波治理措施

低壓無功補(bǔ)償可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少流經(jīng)線路和變壓器的無功電流，從而降低傳輸環(huán)節(jié)損耗。 根據(jù)電容器安裝位置，分為集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償。 在變電室低壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償時，可以減少變壓器的負(fù)載損耗，但不能降低低壓配電線路的損耗。 對于長時間運(yùn)行的大容量用電設(shè)備，推薦采用就地?zé)o功補(bǔ)償方式，可以同時降低低壓配電線路和變壓器的損耗。 對于三相負(fù)荷不平衡的負(fù)荷，建議采用分相無功補(bǔ)償方式。

諧波電流可在線路和設(shè)備中造成損耗，對于大型諧波源設(shè)備，建議在設(shè)備安裝處就地安裝有源濾波裝置。 也可在變電室低壓側(cè)集中設(shè)置有源電力濾波器，以減少變壓器發(fā)熱損耗，并滿足電網(wǎng)對用戶諧波治理的要求，提高電能質(zhì)量。

在實(shí)際工程中，電容補(bǔ)償和諧波治理應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷特性，采用集中和分散相結(jié)合的形式，以期獲得最大效益。

3.2 終端用電設(shè)備的節(jié)能

終端用電設(shè)備的節(jié)能主要通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 降低用電設(shè)備的安裝容量

(1)采用高效節(jié)能用電設(shè)備。 例如采用高效節(jié)能電動機(jī)，電動機(jī)能效應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《電動機(jī)能效限定值及能效等級》GB 18612-2020 的規(guī)定，并推薦選用1 級和2 級能效的電機(jī)。 除選用高效電機(jī)外，還應(yīng)關(guān)注所拖動負(fù)載的整體效能，以離心式空調(diào)制冷機(jī)組為例，選用磁懸浮離心式機(jī)組(壓縮機(jī)為磁懸浮軸承)比普通離心式機(jī)組能效比值(COP)提高30%以上，參見表1。 在產(chǎn)生同樣冷量的情況下，電機(jī)功率大大降低。

表1 離心式制冷機(jī)組能效值

(2)合理進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少設(shè)備安裝容量。以照明系統(tǒng)為例，除選用高效節(jié)能燈具以降低燈具安裝容量外，還可以通過合理設(shè)計(jì)，在滿足規(guī)范功照明質(zhì)量的前提下，盡量采用直接照明方式，采用單燈功率較大的燈具，減少照明功率密度值，提高系統(tǒng)整體能效。

3.2.2 減少用電設(shè)備的運(yùn)行時間或運(yùn)行功率

在滿足建筑使用功能的前提下，主要是通過合理的控制方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時間的減少。 例如設(shè)置建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，采用主動節(jié)能控制策略?？梢愿鶕?jù)建筑內(nèi)以下三種不同的負(fù)荷特性，采用相應(yīng)控制策略。

(1)即時類用電設(shè)備。 此類設(shè)備不含慣性或儲能環(huán)節(jié)，典型設(shè)備如照明、辦公電腦用電等，此類設(shè)備的控制要點(diǎn)在于將設(shè)備的工作狀態(tài)和實(shí)際使用需求真正對應(yīng)。 以照明系統(tǒng)為例，在有自然采光的場所，可根據(jù)光線情況，由亮度傳感器控制燈具的開啟；會議室設(shè)置移動感應(yīng)探測器，無人時自動關(guān)燈。 以上控制方式通過傳感器來主動感知建筑的真正需求，減少燈具不必要的開啟時間，達(dá)到節(jié)能目的。

(2)慣性類用電設(shè)備。 此類設(shè)備本身或其服務(wù)對象包含慣性能量環(huán)節(jié)，在設(shè)備停止運(yùn)行后，仍能使其輸出參數(shù)在一定時間內(nèi)保持在需求范圍內(nèi)。例如房間空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備停止運(yùn)行后，由于房間存在熱慣性，溫度上升/下降到設(shè)定值的上限或下限時，還需要一段時間，可以利用該特性，在滿足房間基本需求的情況下，調(diào)整房間的設(shè)定參數(shù)，適當(dāng)改變機(jī)組的運(yùn)行方式，減少機(jī)組運(yùn)行時間，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

(3)儲能類用電設(shè)備。 設(shè)備本身包含儲能環(huán)節(jié)，例如蓄電池或其他儲能介質(zhì)。 可以根據(jù)其良好的負(fù)荷特性，削峰填谷，降低建筑運(yùn)營成本。 以電動汽車充電樁為例，可以利用充電樁充電管理系統(tǒng)，制定主動管理策略，在每天用電高峰期間減少投入充電樁數(shù)量，在用電低谷期間增加充電樁數(shù)量，這樣可以使配電系統(tǒng)得到充分利用，相比于不受控制的自然使用狀態(tài)，最大需求功率值大為降低，配電系統(tǒng)的整體損耗降低。

通過以上措施可以減少終端用電設(shè)備的能耗，同時也使傳輸環(huán)節(jié)的電能損耗減小，建筑電氣系統(tǒng)整體能耗相應(yīng)降低。

4 提高與創(chuàng)新——綠色可再生能源的應(yīng)用

從能源輸入的角度來看，提高建筑電氣系統(tǒng)能效可以理解為在滿足建筑使用功能的前提下，從市政電網(wǎng)輸入的電能最小。 按照此思路，建筑因地制宜合理采用可再生能源，也是間接提高建筑能效的一種方式。

可再能源包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等。 根據(jù)國家能源局《關(guān)于2021 年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》，2021 年全國風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會用電量的比重約達(dá)11%，后續(xù)逐年提高，2025 年非化石能源消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比重將達(dá)到20%左右。

目前建筑中應(yīng)用最多的是分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，隨著近年光伏發(fā)電效率的不斷提高和安裝成本的降低，光伏發(fā)電優(yōu)勢將日益明顯。 北京地標(biāo)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 DB11/891—2020 3.1.8 條規(guī)定:對于新建居住建筑，12 層以上的應(yīng)有不少于全部屋面水平投影面積40%的屋面設(shè)置太陽能光伏組件；12 層及以下的建筑，應(yīng)設(shè)計(jì)供全樓用戶使用的太陽能生活熱水系統(tǒng)或有不少于全部屋面水平投影面積40%的屋面設(shè)置太陽能光伏組件。 光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量越大，年發(fā)電量越大，對建筑的節(jié)能貢獻(xiàn)越大，建筑的能效就越高。

光伏發(fā)電系統(tǒng)宜采用和市電并網(wǎng)運(yùn)行模式，并宜設(shè)置儲能系統(tǒng)。 儲能系統(tǒng)可以優(yōu)化可再生能源的使用，其本身并不能提高電氣裝置的效率，但可以減少市電電網(wǎng)的供電損失，可視為一種間接的節(jié)能措施。 在IEC 60364-8-1 中，設(shè)置儲能系統(tǒng)可以作為建筑能效評估加分項(xiàng)。

5 結(jié)束語

電氣系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，分析各個環(huán)節(jié)耗電情況，采用被動式節(jié)能和主動式節(jié)能相結(jié)合的方式。 從系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備選擇、負(fù)荷控制三個維度進(jìn)行綜合考慮。

從以上分析看出，提高建筑電氣系統(tǒng)能效，首要是提高用電環(huán)節(jié)的能效，減少用電設(shè)備本身的能耗，這是最有效的方式，節(jié)能潛力最大；其次是降低電能傳輸環(huán)節(jié)的損耗；最后是因地制宜合理利用可再生能源，減少從市政電網(wǎng)輸入的電能，提高整個建筑系統(tǒng)的能源效率。