高层建筑电气节能技术研究

刘聪

【摘要】近年来，城市化建设的全面推进使得城市建筑建设也逐渐向着高层化的方向发展，高层建筑是城市人口剧增、社会需求不断提高、科技技术快速进步的一种展现，所以从另一种角度上来看，高层化是建筑水平提高，以及满足人们对建筑多元化需求的一种体现。但建筑的高层化建设使其在设计与建造中面临着新的难题，建造的质量、安全性、功能性能否满足需求成为了高层化建筑发展中需要着重解决的问题。但根据目前的高层建筑建设施工现状来看，電气设计仍然是其中的重点和难点，电气设计的科学性直接决定了人们的居住舒适性，因此需要在安全性、经济性、适用性等方面进行综合性考量。在能源需求与日俱增的背景下，建筑行业作为能耗“大户”，为实现长远可持续发展必须要通过节能技术的应用来降低能耗、提高能源利用率、提高建筑环保性和经济性，而电气设计又是其中的关键，所以需要制定合理可行的电气节能方案，将建筑整体的能耗水平控制在理想区间。对此本文便围绕高层建筑电气节能技术展开论述，从系统设计优化、变压装置节能、电力照明系统、电梯系统以及新型节能技术应用等方向提出了有关建议。

【关键词】建筑工程;高层建筑;电气节能技术

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.086

绪论

目前，全球经济的飞速发展使得能源短缺问题愈发严重，虽然我国是一个发展中国家，但近些年的迅速发展也导致能源消耗和需求越来越高，能源短缺危机尤为突出。作为二次能源的一种，电能已经成为了人类社会发展不可或缺的能源，如何降低电能使用损耗成为了一项值得研究的问题，在高层建筑建设过程中，电气节能设计，以及电气节能技术的应用也是目前热议的话题。对此需要在高层建筑电气节能设计中遵循经济合理性、功能性、能耗节约性等原则，对建筑电气系统各设计环节做好节能、降耗、提效设计。

一、高层建筑电气系统设计方案的节能优化

在当前以节能为主导的环境下，我国各个部门都在倡导环保，因此节能环保也是现阶段国内建筑业的基础。建筑、管理等方面在现有的基础上逐渐得到并开始更加重视节能环保的考虑，但在电气工程建设中仍有不少从业者模仿以往的经验。他们对建筑结构及其在节能建筑技术应用中的作用还不完全了解。他们在节能技术和产品的选择过程中存在盲目性，没有进行全面的调研。这就意味着电气建筑的设计没有对建筑结构进行合理的施工，因此在建筑电气节能方面存在许多漏洞和问题，使电气系统不能达到节能环保的目的。

为保证建筑电气系统整体的节能效果，在设计方案中便需要为后续其他环节的节能设计做好铺垫，对此设计单位需要在电气系统设计方案的节能优化中需要保证电气系统设计方案经优化后能够提高整体设计的经济性和功能性等，做好现场勘查工作，掌握电气系统基本构成（如图1），与业主及施工方进行沟通，结合工程现场实况综合考量设计方案的可行性，分析方案是否达到建筑设计要求的功能性和电气系统负荷标准。此外，高层建筑电气系统的各种新型节能技术可以根据建筑电气设计要求和现状来应用，把控电气节能设计各方面要点，保证经节能技术应用后可以获得更高的经济效益和社会效益[1]。

建筑电气节能可以节约能源资源，但是不能为了达到节能的目的而影响建筑的特性和功能，也不能盲目增加投资，因此，为了节约能源而忽略建筑成本，建筑应按照以下原则设计：

（1）适用性

建筑节能的实施，应以实现建筑的使用功能，满足人们的使用需求，例如保证建筑照明系统亮度和色温，通道应保持畅通，房间要舒适卫生。在电气工程节能设计中，首先要考虑建筑物的功能类型，首先满足建筑使用功能各种特性，根据实际使用需要，实施科学合理的节能设计，使电气系统充分利用能源，满足节能要求。

（2）实用性

节能要根据工程实际情况，充分考虑经济效益，不能因为节能而过度增加消费支出，而是要本着科学降低能耗的实用性原则，在实施节能的过程中，要对增加的节能成本进行科学合理的估算，遵循经济性原则，以最低的投入实现最大产量，达到节能要求，有效控制生产成本。

（3）节能性

节约能源的关键是在保障经济的前提下，减少不必要的能源消耗，合理利用能源，提高能源利用效率。应确定运行中哪些设备的使用与实现建筑功能无关，然后采取有针对性的节能措施，如通过合理有效的节能设计，降低输电线路的能量损耗;优化电力负荷分配，减少能量损耗。

（4）技术性

采用先进的电气节能技术，如电梯驱动，采用发动机与驱动轮相结合的技术，可以减少35%以上的能量损失，从而达到高能效和低运行成本的目的。

（5）安全性

在建筑电气节能中，既要满足节能方面的要求，又要满足建筑的安全要求，例如遵守电气设计中的防火设计，并补充适当的防火措施，应优化供电线路的设计，以确保线路的安全性和稳定性;加强防漏设计，确定合适的防漏参数，选择合适的防漏措施。

综上所述，电气设计人员应该从适用性、功能性、节能性、安全性等方面进行考虑，以提高电能利用效率，节约能源。

二、变压装置节能技术

高层建筑电气系统中设计变压装置的目的在于降低电气系统的能量损耗，提高建筑电气设备运作效率等。但变压装置在运作过程中本身也会存在损耗问题，存在的损耗水平会受电气系统负载波动指数影响而不断变化。所以在电气节能设计期间，需要重点关注变压装置的节能设计，针对变压器的数量和运行参数、设备选型等进行严格把控，结合高层建筑中的机电装置电能损耗情况，以及投资成本高低、机电装置运行与运维成本等合理选择并配置变压装置。一般情况下多数高层建筑采用的变压装置只会在高层建筑电气系统机电装置中适用，也只有这样才能确保电气系统节能效果更加理想。变压装置的管理也是影响变压节能效果的关键因素，合理的管理举措可以提高电气系统的经济性，在电力用户与变压装置间加装变压装置联络控制系统，如果存在机电设备能耗波动情况，该控制系统则可以实施动态化监控和调度，保证变压器的电能损耗能够处于标准水平。

三、电气照明系统节能技术

在电器照明系统节能设计中，需要综合考虑照明系统的基本使用功能，传统高层建筑照明系统的能耗水平非常高，也是整个建筑最主要的功能系统之一，而照明系统节能技术的应用需要侧重于以下几点：1）合理运用阳光。阳光是最有效且无能耗的光源，太阳光的科学利用能够有效降低电气能源消耗和成本水平，也提高了建筑整体的环保水平，提高建筑经济效益与环保效益。高层建筑的内部照明可以适当调整窗户面积，让阳光能够更多地进入建筑室内，如设计天窗、光栅板等;2）合理配置照明灯具。灯具的选择需要明确建筑的实际需求，阳光能够照射的地方可以选择亮度稍低的灯具，从而配合阳光实现照明。在走廊或大厅等位置需要更亮的灯具，保证照明效果可以达到日常使用需求。在一些既需要较高亮度，又具有光色要求的特殊空间照明设计中，可以根据场地的不同情况选择2种或多种光源构成的混光照明系统，高层建筑电气照明系统中常见的几种混光灯具参数如表1所示;3）优先选择气体放电光源启动照明设备。根据工程实践经验和有关数据能够了解到，若荧光灯采用电感镇流器，其运行功耗通常就是荧光灯额定功率的20%上下，而高强度气体放电灯的镇流器功耗基本在额定功率的15%左右。电子镇流器启动荧光灯的能耗还要更低，功耗也基本能减少到电感镇流器自身能耗的60～70%之间，因此电子式启动照明设备的节能效果更加显著。对此在气体放电光源设计中，可以选择电子镇流器或节能电流整流器来控制照明灯具的能耗水平[2]。

四、电梯系统节能技术

电梯系统也是高层建筑电气节能设计中的关键构成，高层建筑居民对电梯的使用需求十分频繁，这也使得电梯系统的能耗水平不可忽视，尤其是超高层建筑，电梯设备能耗水平还要进一步提高。所以在电梯系统节能技术应用方面，需要重点从以下几个方向考量：1）高层建筑电梯系统可以采用变频调速控制方案，变频调速控制更有利于电梯设备能耗的降低。以往电梯设备的自动化控制程度较差，也没有设计可靠的调速控制系统，这也导致电梯系统能源消耗一直居高不下。而变频调速控制器的应用则可以实现电梯运作速度的动态化控制，降低电梯系统能耗水平;2）结合电梯系统运作状况设计电机驱动容量，在改善电梯运行效率的基础上控制能耗，也能实现节约能耗的目标;3）控制系统及电梯位置的优化，使得电梯的利用率能够达到最大化，尽量避免电梯空载等情况，节约电梯能耗;4）应用能量回馈技术，让电梯正常运作期间的电气消耗更加稳定平衡，降低配电变压器损耗，实现电梯系统节能降耗的效果[3]。

五、高层建筑电气系统节能新技术

1.冰蓄冷空调系统节能设计

冰蓄冷系统的应用可以减少峰值冷负荷的能耗水平，在夜晚时，低区能源中心的蓄冰系统可以将冰保存在地下室的蓄冰槽，融冰过程可以为白天建筑室内供冷。这一运作模式可以降低白天峰电时间段中对电能的需求量，同时冰蓄冷系统也可以有效降低系统的运作成本，对电网来说也起到了移峰填谷的作用。通过两个能源中心来为整个高层建筑制冷，冰蓄冷系统针对低区服务，低区能源中心设计水冷离心式电制冷机，夜间谷电制冰，白天融冰配合吸收式制冷机为建筑低区供冷。利用高区冷却塔及82冷冻机房构成高区冷源中心，系统主要为一次泵与二次泵系统，高区冷源系统经过高区冷却塔提供冷却水，流向高区电动离心式制冷机组，之后再利用二次循环泵供给高区不同建筑空间。

2.冷热电联产电气节能技术

冷热电联产电气节能技术（BCHP）是一种能源阶梯综合化利用技术，同时集结了制冷、供热、发电三位一体的能量综合分配系统，相较于传统的独立送点系统来说，能源利用率有着显著提高。据了解，通常情况下大型发电厂能源利用率只有30～55%之间，若将用电及电能输送线路的损率计算进去，那么发电效率可能不足于50%。而BCHP技术的有效应用则可以将能源综合利用率提高至80～90%之间，并且三联产工程能耗用户一般距离不远，不会具有长输电带来的损耗。在高层建筑BCHP三联产系统中，冷暖空调系统负荷变化不定，系统难以避免地会出现低负荷运作等情况，所以在BCHP三联产系统设计中需要通过增加蓄热装置、蒸汽回注技术等方法进行优化。BCHP冷热电三联产系统非常适合单栋建筑或小区的集中联供工程，所以高层建筑电气节能工程中，BCHP技术具有非常高的实用价值，经济效益得到显著提高。

3.太阳能电气节能技术

当前很多高层建筑已经采用了太阳能热水系统，节能效果也得到了有效提高，高层建筑中的光热利用需要太阳能集热器在安装、采光面积、遮挡物等具有一定要求，所以在太阳能电气节能技术应用中需要针对这些因素采取一定的一体化设计方法，使太阳能即热系统和建筑功能结构能够充分融合。结合高层建筑电气系统设计要求，太阳能热水与采暖的光热采集结构可以安装在建筑坡面，结合建筑屋面面积来解决部分热水和供热需求。

4.风力发电节能技术

风能与太阳能都属于绿色能源，目前已经成为了建筑电气节能技术研究中的全新课题。风能的利用不仅有着无需输送的便利性，同时风力所生成的电力能源还可以直接作用于高层建筑，有着节能环保和可再生等优点，或将成为城市节能环保工程的新项目。此外建筑电气节能新技术的运用还可以根据实际情况，利用光风互补供电设计来实现绿色能源的充分利用，太阳能照明和风光互补照明都是节能设计的有效举措[4]。

结论：

城市化建设的不断推进使得高层和超高层建筑成为了城市建设中的一大特色，但高层建筑的建设对设计和施工都有着更加严格的要求，高层建筑具有面积大、功能性复杂等特征，针对电气设备节能来说也有着非常高的要求，对此需要明确高层建筑电气系统设计要點和能耗水平，合理运用电气节能技术，不断探索研究更新的节能技术，为高层建筑节能发展提供充足的动力。

参考文献：

[1]相晓亮. 高层楼宇建筑电气节能技术研究[J]. 产业与科技论坛，2020，19（06）：64-65.

[2]白小平. 高层建筑电气节能技术的分析[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（11）：169-170.

[3]徐剑彬. 高层建筑电气节能技术应用研究[J]. 中国新技术新产品，2016（20）：129-130.

[4]牛凯. 高层建筑电气节能技术研究[J]. 山西建筑，2017，43（22）：196-197.