浅谈建筑电气节能设计与绿色建筑电气技术研究

摘  要：针对建筑电气系统之中节能设计内容与绿色建筑电气技术应用的问题，首先分析了建筑工程电气节能设计的主要内容，分别为确保三相平衡、提升功率因数、控制谐波含量。其次，研究了绿色建筑电力技术，涉及太阳能技术、光伏建筑一体化技术、建筑能耗监控技术。总结了建筑电气节能设计和绿色建筑电气技术的实际应用，包括绿色节能技术在动力系统、照明设计、暖通空调之中的应用。
关键词：建筑；电气系统；节能设计；绿色建筑电气技术
0 引言
    建筑领域在建设期间和投入使用之后均会消耗大量的能源与资源，如果没有做到节能措施的落实，出现资源与能源浪费情况的可能性将会加大。对于建筑工程而言，电气系统设计与建设在其中占据着关键地位，对这项内容进行优化能够为建设绿色建筑目标的达成奠定坚实基础。
   基于此，相关主体应当注重电气节能设计内容的落实，同时应用更加可行、更加可靠的绿色建筑电气技术，并在电气系统之中的各个部分做到有效应用。
1 建筑电气节能设计主要内容
   对于当前存在的大多数的建筑物而言，配供电系统的供电水平和质量是能够对一个单独的建筑物内部与外部电气系统的运行能否实现低能耗化、高效化和稳定化产生直接影响的关键要素，而对配供电系统供电质量产生决定性作用的因素则主要包含三个方面，即三相平衡、功率因数以及谐波含量。基于此，在建筑电气节能设计之中，设计的主要内容即为这三项内容。
（1）确保三相平衡
    所谓三相，指的是三相交流电源，亦可以将其理解为三相交流电源或三相电线。三相电线即三根电线，也就是火线、零线和地线。三相交流电源指的则是由三个相位依次互差 120 度的、振幅与频率均一致的交流电势共同组成的电源。
    现阶段，三相是一种使用广泛的多相交流电系统。在建筑电气节能设计之中，落实三相平衡是一个至关重要的组成部分。一旦电气系统之中的三相处于不平衡状态，将会引发一系列的不良后果，例如电机使用寿命大幅缩减、电机附加发热与振动、线路损耗等等。
    因此，为了能够为三相平衡提供保障，在实际开展建筑电气系统节能设计的过程中，应当做好如下几方面的工作：首先，在对建筑物之中存在的各种用电设备进行 220V/380V 的三相系统设计接入时，要将三相平衡严格执行下去，从根本上避免三相负荷不平衡情况的产生，做到高效治理；其次，针对电气系统的实际功能展开更加深入且细致的划分。
   在此之中，建筑物中的照明系统所接入的电网应当为 220V 的低压电网用以供电。倘若电流不足 60A，在供电时也可以通过单向供电的形式，落实三相平衡供电的形式。倘若电流超过 60A，则需要通过 220V/380V三相四线制供电，始终保证三相平衡；为了切实达成三相平衡，还需要将平衡装置安装在电气系统之中。
（2）提升功率因数
    从物理学的角度来看，有功功率和实际功率的比值即为功率因数，它是电压与电流之间相位差的余弦，功率因数为cos，用公式表示为SPcos（P 为有功功率，S 为实际功率）。
    这是电力系统之中的重要技术数据之一，是用于对电气设备的效率高低进行衡量和评估的基本系数。如果功率因数较小，则表明电路用于交变磁场转换的无功功率较大，在这种情况下，线路供电损失将会上升，基于此，针对用电单位功率因数这一内容，供电部门设定了相应的标准要求。对于电气节能设计而言，功率因数具备十分深刻的现实意义。原因在于建筑物之中存在的电气设备大部分为感性负载，这也使得这些设备本身的功率因数往往保持在较低的水平。
    此外，由于存在无功功率，因此，若想避免不利影响的产生，须得促使实际功率提升，以此实现功率因数的提升。在这种情况下，诸如变压器和电动机一类设备的装机容量将会不断增加。在提升功率因数的过程中，还需要进行无功补偿装置的安装，一方面，这能够达成电能资源损耗规模的减少，另一方面，仅将一些容量较小的变压器和电动机配备在电气系统之中即可以满足实际的用电需求，并且还能够在电气系统之中实现一些小截面导线的安装。
（3）控制谐波含量
    在用电设备、供电系统、输电系统和发电系统多个要素的整体作用之下，原本的 50Hz 正弦交流电在实际传送至建筑物的电气系统之后，将会出现一定的改变，出现一定量的谐波夹杂其中，这对于电气系统的安全运行而言是一种损害，并且还会引发额外的电力能源损耗和浪费的情况。
    举例来说，携带有谐波的电流将会使得用电设备和线路出现发热甚至是发烫的情况，比如变压器过热、线缆发烫等，而在这个过程中，将会浪费大量的电力能源，情节严重时，还可能会对建筑物电气系统功能体验带来消极影响，比如电子元件被烧毁、跳闸频率较高等等。所以，若想切实达成建筑电气系统节能设计，应当对谐波含量进行有效控制。
    当前，在治理谐波时，常见的方法基本为以下两类：首先，立足于电网进行谐波治理，借助非线性负载设备的功能，促使电流中的谐波含量有效降低；第二，立足于建筑电气系统之中存在的各个处于运行状态的电气设备，换言之，在开展建筑电气节能设计的过程中，对各项可能影响到电气系统的因素进行综合考虑，借助科学计算的形式，充分控制保证电气设备正常运行的供电系统中的谐波含量，使之处于安全范围，减少电能损耗。
2 绿色建筑电气技术分析
（1）太阳能技术
    现如今，可再生的清洁能源已经成为绿色建筑建设期间广泛应用的能源类型。在此之中，作为一种获取难度低、应用效果好、成本投入少的清洁能源，太阳能在绿色建筑之中实现了大面积的应用。将太阳能技术应用到建筑电气系统之中同样可以发挥良好作用。太阳能本身属于自然能源的一种，具备可再生和清洁的特征，将其作为一种绿色建筑电气技术加以应用时，主要是使用太阳光进行发电，同时还能够作为加热水的能源，将原本使用电能加热水时消耗的一部分电能进行有效节约，这充分展现了太阳能技术绿色节能的优势。
    为此，需要在建筑物之中进行太阳能发电系统和太阳能热水器装置的安装，对自然资源进行充分利用。在未来的发展中，相关领域的研究人员需要在开发利用太阳能技术之中投入更多的努力，探寻更加高效、更加科学的太阳能资源利用方式。
（2）光伏建筑一体化技术
    光伏建筑一体化技术在应用到建筑物中之后，其本身的优势十分明显，即其在应用过程中不会产生附加的污染物质，能够发挥可观的节能环保效果。在一定程度上，光伏建筑一体化技术能够将传统电能加以取代，通过相应的发电装置的安装能够为建筑物提供更加清洁的能源。在应用这一技术时，设计人员可以与建筑物自身的功能需求和实际使用特点进行有机结合，进行独立形式或并网形式的光伏发电系统的设计，同时在太阳能电池组的帮助下，将太阳辐射转变为供建筑物使用的电能资源，这也意味着建筑物中各个电气设备的稳定运行能够获取到更加清洁的无污染能源的支撑，落实节能减排。
（3）建筑能耗监控技术
   在应用建筑能耗监控技术之后，能够实现全方位跟踪并监控建筑物内部各种电气设备实际能源消耗情况的目标。依托于技术人员和系统的支撑，可以根据实际情况调控建筑物内部的光源系统，不仅如此，借助高级传感器装置，还能够实现自动化控制建筑物内部照明设备明暗程度的目的，在一定程度上，还可以按照实际使用需求，控制建筑物中的电梯等多种类型的电气设备。不过，我国当前还未实现建筑能耗监控技术的广泛应用与普及，仅在一些商业场所中实现了应用。
3 建筑电气节能设计及绿色建筑电气技术的实际应用
（1）动力系统中绿色节能技术的应用电动机是支撑家用电器设备和大型电力设备可以
    始终维持在正常运行状态下的关键要素，同时，它也是动力系统的重要组成部分。通常情况下，确保电动机的稳定、可靠运行需要大量的电力能源作为支撑，基于这种情况，在落实建筑电气节能设计的过程中，须得针对电动机展开相应的设计，从而实现电力能源损耗规模的充分缩减。
    在这个过程中，一，需要确保动力系统中选用的电动机足够合理，尽量选择一些效率较高的电动机设备，同时不断优化电动机控制形势，很大限度的降低电动机处于空载和负载状态下损耗的电力能源，实现电动机运行质量和效率的提升；二，需要确保动力系统中选用的电动机设备的使用型号足够合理，设计人员应当在与建筑工程电气设备的具体使用需求和环境进行有机结合的基础上，分析并评估电动机的符合要求，基于不同使用型号电动机的负荷特点，同时充分遵循经济性选择，确保选用的电动机可以在满足使用需求的前提下，消耗少的能源。
（2）照明设计中绿色节能技术的应用
    电力是保障建筑工程项目规划和建设顺利落实的关键所在，不过，在研究实际情况之后可以发现，由于电气设备依旧存在相应的问题，难以与节能的要求相匹配，这也意味着可持续发展目标无法实现。在实际开展建筑电气节能设计过程中，照明设计是其中的重要一环，为了确保这一部分能够切实做到节能环保，设计人员应当借助有效手段对自然光进行很大限度的利用，将人造照明的使用时间尽可能地缩短。与此同时，建筑物中所使用的照明灯具也应当尽可能地选择节能灯具，从而实现有效控制照明过程中消耗电能的目的。
    此外，还可以与建筑物中各个功能区的实际特点进行深度融合，确保设计的照明系统能够满足相应区域的实际使用需要。值得一提的是，在设计建筑照明方案之时，需要科学利用一些具备较高光通量的照明灯具，提升整体光能利用率。
（3）暖通空调中绿色节能技术的应用
    为了与当前我国的生态文明建设理念相契合，在进行建筑电气节能设计的过程中，应当与新形势所提出的现实要求进行充分结合。就现阶段建筑电气设计的情况来看，在应用自动控制时还存在着一定的问题和缺陷，比较典型的一项表现即为空调系统和供暖通风系统在实际应用期间存在能源消耗规模较大的现象，暖通空调是建筑物中能源损耗严重的一个方面。
    基于这种情况，应当严格控制建筑工程项目中包含的暖通系统，这能够直接影响到节能环保目标的落实效果。
    为此，开发人员应当与低电流工程师展开紧密合作 ， 逐 步 改 良 HVAC （ Heating Ventilating Air Conditioning）接口，通过智能接口的应用准确监测并分析风速和空调温度等内容。同时，在空调接口之处，还应当进行低电流传感器的安装，从而做到监督和控制能源消耗的实时化，达成节约能源的目的。
4 Acrel-EMS企业微电网能效管理平台
4.1概述
    安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系Acrel-EMS企业微电网能效管理平台通过在企业源、网、荷、储、充的各个关键节安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测企业能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护企业运行安全可靠，提高企业能效，为企业的能效管理提供科学、精细的解决方案
4.2应用场所
    适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。
4.3系统架构
    AcrelEMS企业微电网能效管理平台，采用B/S架构，集成Acrel-1000变电站综合自动化系统与Acrel-2000Z电力监控系统，企业微电网能效管理平台实现了从35kV配电到0.4kV用电侧的整体监控，提供变电站综自系统，电力监控，电能质量监测，电气保护，电能统计。对企业的用电管理起到的帮助。
4.4系统功能
4.4.1实时监测
    综合看板
    系统提供低压配电监测大面板，提供变电站和光伏电站运行情况展示，通过地图显示各电站具体位置，并展示目前告警数目和具体信息。
    地图支持放大缩小且响应迅速。
    报警信息支持轮播功能。

 
4.4.2 35kV配电系统
     系统提供35kV/10kV一次系统图展示全站电气主接线图（支持缩放方式）包括显示设备运行状态、各主要电气量(电流、电压、频率、有功、无功)等的实时值。

图 35kV变电站综合自动化系统界面图
4.4.3变电所运行看板
     展示单个变电站运行状况，并提供系统一次图。
变电站基础信息维护，包括变压等级，装机容量，申报需量，变压器数量等。
     提供变电所实时负荷曲线查询，数据实时刷新。
     提供变电站分时段用电今日昨日对比柱状图。
     提供低压侧系统一次图，数据实时刷新。

图 企业微电网能效管理平台变电所运行看板界面图
4.4.4直流屏监测
     提供直流屏遥测数据，一/二路交流电压监测。

图 企业微电网能效管理平台直流屏监测界面图
4.4.5 变压器监测
      展示所选变压器实时负载率，频率，三相电压电流，三相绕组温度，电压/电流不平衡度。提供负载率、有功功率、无功功率曲线。如图7.3.6所示。
     数据实时刷新，响应迅速。
     支持三相功率曲线同时展示。

图 企业微电网能效管理平台变压器监测界面图
4.4.6电能质量稳态监测
       提供电能质量检测仪所采集数据，如电压值，偏差率，谐波畸变率，电流值，分相功率，总功率等。如图所示。数据实时刷新，响应迅速。

图 企业微电网能效管理平台电能质量稳态检测界面图
4.4.7电能质量谐波监测
      通过柱状图展示电能质量检测仪谐波和间谐波各频谱。如图7.4.3所示。

图 企业微电网能效管理平台电能质量谐波检测界面图
4.4.8数据采集和存储
4.4.8.1数据采集和处理

图 数据采集界面图
      监控系统通过通信管理机实时采集模拟量、状态量等信息量；通过公共接口设备接受来自其他通信装置的数据，具有单独配置通信采集点信息的模块，不与数据库等其它部分相关联，并独立运行。
      对所采集的实时信息进行数字滤波、性检查，工程值转换、信号接点抖动、刻度计算、人工置入等加工。从而提供电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等各种实时数据，并将这些实时数据带品质描述传送至站控层和各级调度。
4.4.8.2数据库的建立与维护

图 数据库建立与维护界面图
      数据库分为实时数据库和历史数据库，实时数据库存储监控系统采集的实时数据，其数值根据运行工况的实时变化而不断更新，记录被监控设备的当前状态；历史数据库对于需要长期保存的重要数据将存放在历史数据库中。提供通用数据库，记录周期为1min、5min、30min、60min任意调节。历史数据实现在线滚动存储5年，无需人工干预。所有的历史数据转存到光盘或磁带等大容量存储设备上作为长期存档。对于状态量变位、事件、模拟量越限等信息，按时间顺序分类保存在历史事件库中，并保存10年，以供查询。
4.4.8.3调节与控制

图 变电站综自系统调节与控制界面图
     操作员对需要控制的电气设备进行控制操作。监控系统具有操作监护功能，允许监护人员在操作员工作站上实施监护，避免误操作。
     原则上间隔层控制和设备就地控制作为后备操作或检修操作手段。为防止误操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即选择、返校、执行，并在站级层设置操作员、监护员口令及线路代码，以确保操作的性和正确性。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才进行下一步操作。同一时间只允许一种控制方式。
纳入控制的设备有：
    a） 35kV及以下断路器；
    b） 35kV及以下隔离开关及带电动机构的接地开关；
    c） 站用电380V断路器；
    d） 主变压器分接头；
    e）继电保护装置的远方复归及远方投退连接片。
4.4.8.4 微机五防闭锁

图 变电站综自系统微机五防界面图
      具备全站五防闭锁功能。具有防止误拉、合断路器；防止带负荷拉、合开关；防止带电挂接地线；防止带地线送电；防止误入带电间隔的功能。
      配置独立于监控系统的专用微机五防系统。远方操作时通过专用微机五防系统实现全站的五防操作闭锁功能，就地操作时则由电脑钥匙和锁具来实现，同时在受控设备的操作回路中串接本间隔的闭锁回路。专用微机五防系统与变电站监控系统共享采集的各种实时数据，不独立采集信息，采用相互通信的间隔层测控装置实现。
4.4.9系统运行
4.4.9.1仪表通讯状态
      仪表通讯状态主要用于监测目标站点的仪表设备数据是否正常交互、是否有离线发生、何时离线与数据交互中断的持续时间等内容，为用户初步判断设备通讯问题提供依据。

图 企业微电网能效管理平台设备通信界面图
4.4.9.2 网关通讯状态
       网关通讯状态主要用于监测目标站点的网关设备数据是否正常交互、是否有离线发生、何时离线，为用户初步判断网关通讯问题提供依据。

图 企业微电网能效管理平台网关通信状态界面图
4.5系统硬件配置
4.5.1电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统




4.5.2智能照明系统




4.5.3电气火灾监控系统

4.5.4消防设备电源监控系统

4.5.5防火门监控系统


4.5.6消防应急照明和疏散指示系统





 
5 总结
     综上所述，对于建筑电气系统这一建设内容而言，设计工作在其中承担着前期规划的职责，为了能够切实实现节约能源、降低损耗的目的，做到建筑电气节能设计工作必不可少。
现如今，在人们逐渐树立起生态环保理念的背景之下，建造绿色建筑已经成为建筑领域发展的一项重点，而节能即为绿色建筑的一项硬性指标。为了切实满足这项要素，建设人员应当注重多种节能设计内容和绿色建筑电气技术的应用，同时在多个方面之中做到绿色节能技术的充分应用，促使建筑物真正成为节能、环保的新型绿色建筑。
 
参考文献
[1]黄昌辉.建筑电气节能设计与绿色建筑电气技术
[2]李莉芳,沈飞.绿色建筑电气节能设计与能源管理系 统 可 行 性 研 究 及 解 决 方 案 [J]. 现 代 建 筑 电气,2021,12(01):8-12.
[3]丁建永.建筑电气节能设计及绿色建筑电气技术分析探讨[J].建筑技术开发,2020,47(15):6-7.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版本 
作者简介：
陈芳芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事电力监控系统的研发与应用。