建筑工程電氣節(jié)能設計與綠色建筑電氣技術應用研究

時間：2024-10-09作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：340

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

0 引言

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。

1 建筑電氣節(jié)能設計主要內容

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)定化產生直接影響的關鍵要素，而對配供電系統(tǒng)供電質量產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。基于此，在建筑電氣節(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**，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)所接入的電網應當為 220V 的低壓電網用以供電。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)功能體驗帶來消較影響，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；*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。

2 綠色建筑電氣技術分析

（1）太陽能技術
現(xiàn)如今，可再生的清潔能源已經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**結合，進行獨立形式或并網形式的光伏發(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，可以根據實際情況調控建筑物內部的光源系統(tǒng)，不僅如此，借助**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。

3 建筑電氣節(jié)能設計及綠色建筑電氣技術的實際應用

（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，**，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；*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**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**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 Acrel-EMS企業(yè)微電網能效管理平臺

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品生態(tài)體系Acrel-EMS企業(yè)微電網能效管理平臺通過在企業(yè)源、網、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)據實時刷新。


圖 企業(yè)微電網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，一/二路交流電壓監(jiān)測。


圖 企業(yè)微電網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，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)據實時刷新，響應迅速。


圖 企業(yè)微電網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)微電網能效管理平臺電能質量諧波檢測界面圖
4.4.8數(shù)據采集和存儲
4.4.8.1數(shù)據采集和處理


圖 數(shù)據采集界面圖
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，具有單獨配置通信采集點信息的模塊，不與數(shù)據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，并將這些實時數(shù)據帶品質描述傳送至站控層和各級調度。
4.4.8.2數(shù)據庫的建立與維護


數(shù)據庫建立與維護界面圖
數(shù)據庫分為實時數(shù)據庫和歷史數(shù)據庫，實時數(shù)據庫存儲監(jiān)控系統(tǒng)采集的實時數(shù)據，其數(shù)值根據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)據庫對于需要長期保存的重要數(shù)據將存放在歷史數(shù)據庫中。提供通用數(shù)據庫，記錄周期為1min、5min、30min、60min任意調節(jié)。歷史數(shù)據實現(xiàn)在線滾動存儲5年，*人工干預。所有的歷史數(shù)據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**微機五防系統(tǒng)。遠方操作時通過**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。**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，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)據是否正常交互、是否有離線發(fā)生、何時離線與數(shù)據交互中斷的持續(xù)時間等內容，為用戶初步判斷設備通訊問題提供依據。


圖 企業(yè)微電網能效管理平臺設備通信界面圖
4.4.9.2 網關通訊狀態(tài)
       網關通訊狀態(tài)主要用于監(jiān)測目標站點的網關設備數(shù)據是否正常交互、是否有離線發(fā)生、何時離線，為用戶初步判斷網關通訊問題提供依據。


圖 企業(yè)微電網能效管理平臺網關通信狀態(tài)界面圖
 

5 總結

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.

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[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版本 

安科瑞電氣股份有限公司專注于物聯(lián)網儀表,無線測溫裝置,邊緣計算網關,預付費電表,電力監(jiān)控系統(tǒng),能耗監(jiān)測系統(tǒng),能源物聯(lián)網云平臺,企業(yè)微電網能效管理平臺,企業(yè)微電網解決方案,助力實現(xiàn)“碳達峰,碳中和等, 歡迎致電 18721098757

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