建築電氣節能減排措施及光伏新能源運用

充分利用自然接地體做建築物的防雷與接地系統，需要係數法負荷計算的參差分佈系統的引用，綠色照明和智能照明控制系統的應用都是實現建築物節能、減排、低碳、環保、綠色的有效措施，值得設計師學習和推廣，而太陽能光伏建築一體化也將成為人類居住建築的又一發展趨勢。那麼，下面是由小編為大家分享有關於能源減排相關知識，歡迎大家閲讀瀏覽。

　　1 前言

“世界可持續發展工商理事會”發佈報告稱，目前全世界建築物能源消耗佔全社會能源消耗總量的40%，是工業能耗的1.5倍。要實現“全球氣候目標”，建築物能耗是最為關鍵的因素，這份名為《行業轉型：建築物能源效率》的報告認為：至2050年，使建築物的能源使用量減少60%是實現“全球氣候目標”的關鍵。通過大規模運用節能技術，到2050年建築物可節約的能源總量相當於全球運輸業目前所使用的能源總量。報告以巴西、中國、歐洲、印度、日本和美國為研究對象，指出這六個地區的GDP佔全球總量的約50%，消耗了全球近三分之二的主要能源。將既有建築改造成高能效建築，報告中的六個地區一年共需4000億美元。

節能和減排，兩項約束性指標已成為衡量經濟社會發展的重要條件。以下的幾種優化設計，在不增加設計、施工人員工作量的同時，有效的節省材料，減少工程量並提高了工程項目的安全可靠性，例如利用高層建築自身鋼筋網做防雷接地裝置、需要係數法的負荷計算調整以及高效光源、節能燈具及附件的推廣運用等。這僅僅是建築電氣一個專業進行節能減排改造的很小一部分，所以建築物節能減排、降耗低碳改造的潛力是很大的。

　　2 建築電氣節能減排優化設計點滴

(1)利用建築物結構鋼筋網建立更安全的防雷接地系統

1)高層建築佔地面積不大，一般為鋼筋混凝土框架結構或鋼結構，將屋面、各層結構板、牆體、柱、樑板和基礎的鋼筋網通過焊接或綁紮，形成眾多閉合的電氣通路(即法拉第籠)，可確保人身安全，避免接地故障引起的電器設備損壞和火災。即使建築物頂部遭雷擊，其內、外連通結構的垂直導體電位也很小，不會超過允許的接觸電壓範圍。

2)高層建築內電氣系統繁多，如配電、動力、照明、電子信息系統等，採用聯合接地可使接地系統涉及到建築物各個角落，系統更統一，不僅省去了多個接地系統不易管理、維護的麻煩，還可以滿足接地系統低電阻值的要求。

聯合接地系統的優點歸納起來有以下幾點：

①充分利用自然接地體，如水暖管、中低壓鎧裝電纜的鎧裝和基礎鋼筋等。人在建築物中，其站立處距基礎鋼筋L≤5m，則可與建築物構成“等電位面”，此時R(接地電阻)≤0.5Ω，至建築物外電壓衰減曲線為“漏斗型”，衰減緩慢，所以不必再在室外設置均壓環和獨立人工接地體，節省了大量的金屬材料和施工工程量，並且基礎鋼筋是與建築物同壽命的。

②封閉的基礎鋼筋網是環形自然接地體，散流面積大，各個部分均可承擔接地作用，提高了接地可靠性，其電阻值較其它接地方式更小，並且各處阻值基本相同。

③與配電系統結合，可快速切斷電源、消除間接電擊和接觸電壓，便於泄放接地故障電流。

高層建築聯合接地的優勢更為突出，表現在以下幾個方面：

①接地電阻值更小，由於高層建築基礎和地面樑板鋼筋甚多並連接成為電氣通路，即便在土壤電阻率較高的地區，也可保證接地電阻R≤1Ω，經過大量工程驗證，一般高層建築的聯合接地電阻值均達不到0.3Ω.

②聯合接地可為建築物內各電氣系統及電子設備提供基準電位，可消除系統接地由阻抗電磁耦合產生的干擾，也可避免電磁場和地電位差(ΔU)對各信息網絡產生干擾。一些系統需要更可靠的基準電位，如信息系統(低電壓、小電流)，那麼在設計中可利用基礎鋼筋焊接成封閉的環形接地體，也可在基礎鋼筋上再敷設一條40×4mm的熱鍍鋅扁鋼作為專用封閉的環形接地體。

③當建築遭受雷擊時，由鋼筋網構成的法拉第籠，不僅能保證建築物內人和電器設備的安全，還能保證各個系統設備的運行安全。

④高層建築的屋面、牆體、柱、樓板、地面和基礎配置的鋼筋甚多，形成總截面很大的電氣通路，故障電流或雷電流都不可能使其熔斷，熱穩定性極強。

3)高層建築聯合接地的設置原則

高層建築物內各系統的接地應按下列原則連接後，再與基礎鋼筋連接。

①保護接地與配電動力的系統接地兩者連接。

②信息系統接地、電氣設備接地、計算機機櫃接地、計算機線路濾波器接地等連接;

③計算機信號接地、醫療設備接地、通信(電子設備)接地等連接;

④防雷裝置接地必須單獨與基礎鋼筋焊接接地;

⑤聯合接地與建築物內等電位聯結時，可導電金屬固件連接要求R≤0.5Ω。

4)完善等電位聯結

高層建築物內除各系統接地外，還應將PE、PEN幹線、總水管、煤氣管(應徵得煤氣公司同意)、暖氣管、空調管道等金屬管道及可導電金屬部件等進行總等電位聯結。

①人會經常接觸的外露可導電部分應進行等電位聯結，如樓梯的金屬扶手、電梯的金屬門框、鋁合金窗框、玻璃幕牆、衞生間所有金屬部件(如金屬掛衣鈎、金屬捲紙盒)、吊頂內各種金屬管道、吊杆、電纜橋架的金屬可導電部分，以及包括過牆處金屬橋架底面斷開部分的跨接等。

②高層建築每個樓層應做等電位面，每層面積較大時，至少每個防火分區應設一個等電位接地端子板，每個端子板與牆或柱內鋼筋至少保證兩處牢固連接，且與樓層地面鋼筋網連成地面等電位面。特殊區域如機房、消防中心等也應設置等電位面。

③保證屋面接閃器接地的可靠連接。

5)防雷與接地小結

利用混凝土內鋼筋網建立的聯合接地及等電位聯結體系，在確保人身和設備安全的同時，也可防止接地故障引發的火災。在一些鹽鹼土質地區，如採用直接敷設的人工接地裝置，過幾年就會鏽蝕損壞，使建築物失去接地保護。因接地體深埋於地下，人們對損壞情況不瞭解，直到出現故障才會意識到，因此更危險。利用基礎內鋼筋網做接地體，使用年限與建築物相同，還節約了大量的鋼材，是低碳經濟的可行之路。

(2)民用需要係數法負荷計算的問題及解決措施

1)需要係數法負荷計算偏大的由來

民用建築施工圖設計階段負荷計算的需要係數法，因計算簡便故而被廣泛採用。負荷計算是否合理，直接影響到變壓器、母線、電纜和中低壓電氣設備的選擇。需要係數法負荷計算涉及概率論、統計學等多門學科，因此在工程項目中調整係數是比較難掌握的。國內現行的需要係數引自國外資料，與我國的實際情況有所偏差。需要係數已在我國沿用了數十年，從未進行過調整和修改，原國家各部委的係數數據也不盡相同，現有的一些係數數據表格也明確標註了“供參考數值偏大”。需要係數分做低限值和上限值，設計中一般都取上限值而忽略了下限值，選中間值的基本沒有，這是負荷計算數據偏大的又一個原因。

2)需要係數法負荷計算缺少參差分佈係數(Kcf)

在確定降壓站、配變電所的變壓器、主母線、電纜幹線及中、低配電設備時，除需要係數(Kx)、同期使用係數(KΣ)之外，還應考慮最大負荷的參差分佈係數(Kcf)。下面就負荷計算中的係數作其本介紹。

需要係數Kx、同期係數KΣ、參差分佈係數Kcf的定義：

需要係數Kx：由於一台配電箱(櫃)，一條配電幹線，一台配電變壓器的低壓側接有許多不同類型、不同工作制的用電設備，因此在負荷計算時，應將各種類型的用電設備乘以小於1的係數。這個係數就稱為用電設備的需要係數。

在實踐中，多台設備基本上不會同時工作，即便是同時工作，也不會同時工作在額定負荷下，因此Kx的值不是一成不變的。

同期係數KΣ反映的是：由同一電源點供(配)電的各個下級配電所或迴路之間用電的參差性和出現最大負荷的不同時性特徵。KΣ分為有功負荷同期係數KΣP和無功負荷同期係數KΣQ，一般KΣP≤KΣQ.

參差分佈係數Kcf是確定配變電所和主母線用電參差最大負荷的分佈係數。Kcf的取值範圍一般為0.8~0.9，一般來説，民用建築的面積及用電負荷越大、用電點分佈越廣、自動化和智能化程度越高、選用節電產品越多，則應取係數的下限值，相反就要選用上限值。

需要係數法負荷計算取值過大，使選擇的各種電氣設備和裝置、主開關、應急電源(如柴油發電機、UPS、EPS等)容量就要相應增大，主母線、電纜截面相應增大，造成有色金屬的浪費，不僅不符合節能減排的國策，還增加了投資。當然，係數的調整要與項目特點、規模和發展規劃相配合，要與項目實際用電情況和發展裕量相得益彰。

3)典型案例

案例1：某銀行中心支行高層金融大廈(集中空調)，在設計階段，經需要係數法負荷計算，選用了6台1000kVA的銅芯環氧樹脂全澆鑄乾式變壓器(附帶風冷和温度控制器)。自97年投入運行以來實際只投入4台變壓器，另2台處於拉閘冷備狀態。近期，該大廈經節能減排改造，包括照明系統(光源、燈具和附件的更換，燈光智能控制)、風機盤管樓控模塊自動控制、電熱水器控制、電梯增設能量回饋裝置等，使得全年節電約56萬度，節約電費近42萬元。根據節能降耗改造後實際數據的採集和計算複核、反饋，驗證了參差分佈係數存在的合理性。

案例2：某建築設計研究院18層業務樓，面積12000m2，1987年竣工時經需要係數法負荷計算，設置了兩台400kVA銅芯全澆鑄乾式變壓器，一台工作一台冷備，之後小區又興建了兩幢高層住宅樓(184户)、4幢多層住宅樓和地下車庫，均由該業務樓配變電室供電，業務大樓改造後增加了空調系統，直至2004年才將兩台400kVA變壓器更換為兩台630kVA變壓器，仍然一工作，一冷備。由此可見，現行的民用建築需要係數法負荷計算結果確實偏大很多，與當今土木工程節能減排降耗不符。希望主管部門組織專人考察和調研，取得科學合理的係數儘早推廣使用，避免造成不必要的.浪費。

(3)LED新型光源的應用

近幾年，不少省市由於氣候原因引起電力匱乏而拉閘限電，很多工廠被迫減產、停產。我國照明用電量佔總用電量的約12%，因而對照明系統的節能改造迫在眉睫，對緩解我國能源供應，保障能源供給安全具有重要的戰略意義。以11W高效節能熒光燈取代60W白熾燈為例，亮度提高20%，節電80%，若全國採用12億隻光源，一年可節電約800億度，相當於三峽水電站一年所發的電量。據測算，節約1億度電就相當於節約了4.04萬噸標準煤，可減少CO2排放量10.64萬噸，SO2排放量0.09萬噸。我國實施綠色照明工程以來，高效節能光源和裝置佔有率不斷提高，國內銷量迅猛增漲，獲得“中國節能產品”認證的廠商多達600多家。

光源的發展經歷了熱輻射光源、氣體放電光源、節能氣體放電光源和LED半導體光源四個階段，節能的電光源已成為當今世界照明的主流。LED屬冷光源，產生熱量少，輻射集中在可見光範圍內，產生的電磁輻射微乎其微，由於使用直流5V電源，故不會產生50Hz交流頻閃和蜂鳴。白光LED半導體固體照明光，自20世紀90年代中期問世以來，在建築照明領域迅速發展，是21世紀最具有發展前景的光源，具有低電壓、低能耗、高光效、高可靠性、長壽命、免維護、體積小等優點。LED光源可製成不同形狀的各種建築燈具，因用其製造的燈具多將LED封閉在樹脂中，故堅固耐用、抗振動和撞擊。白光LED光源已成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之後的又一代表性產品，也是照明領域的又一次革命，將成綠色環保、高效節能、低碳照明系統的新生力量，對改善人類生存環境，提高生活質量做出重大貢獻，必將和節能變壓器、節能電動機、永磁式交流接觸器、永磁式真空斷路器、變頻器等高節能產品載入我國建築電氣節能的史冊。

(4)智能照明系統的節能措施

1)建築照明首先應充分利用自然光。大開間的場所，照明燈具應順着窗户平行敷設並且分區控制，並根據現成情況，還應適當增加控制開關。

2)建築物公共場所的照明宜採取集中遙控的管理方式，並配備自動調光裝置。

3)照明系統可採用定時、調光、光電控制和聲光控制開關，以進一步節能，但節能的同時還應在應急狀態下強行點亮。

4)智能照明控制系統

隨着智能建築的興起和普及，也帶動了智能照明技術的發展，得益於計算機技術、網絡技術及現場總線技術的成熟，智能照明控制系統具有數字化分佈式的特點和良好的兼容性，同時它還是一種有效的節能管理方式，控制系統可按時間和環境的要求，對照明燈具進行預設和管理，不僅節約了電能，而且延長了光源壽命。

　　3 太陽能光伏建築一體化是土木工程今後的發展方向

進入21世紀的人類社會正面臨着能源短缺和生態環境嚴重污染的局面。逐步改變能源消費結構，大力發展可再生能源，走可持續發展的道路，已成為世界各國十分關注的重大問題。太陽能是理想的潔淨能源，不僅零碳，還取之不盡用之不竭。隨着能源危機的進一步加劇，新型綠色能源開發和利用再次引起了世界的關注，隨着科學技術發展，太陽能轉化成光能的效率大幅提升，發展光伏發電的大好時機已經到來。

光伏建築一體化是應用太陽能發電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建築的圍護結構外表面來提供電力。根據光伏方陣與建築結合方式的不同，光伏建築一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建築的結合，這種方式是將光伏方陣依附於建築物上，建築物作為光伏方陣載體，起支撐作用。另一類是光伏方陣與建築的集成，這種方式是光伏組件以一種建築材料的形式出現，光伏方陣成為建築不可分割的一部分，如光電瓦屋頂、光電幕牆和光電採光頂等。由於光伏方陣與建築的結合不佔用額外的地面空間，並節省電站輸配電網的投資，是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。

大尺度的彩色光伏模塊可替代室外裝飾材料，也可作為建築物玻璃幕牆，從而降低建築物的整體造價。户用光伏發電系統的獨立光發電站，除保證建築物自身用電外，還可實現向配電網供電，以緩解高峯電力需求。安裝在屋頂和牆面上的光伏陣列直接吸收陽光熱量，降低屋頂和牆面温度，也可改善室內環境。

鑑於光伏建築的眾多優點，國際能源署(IEA)已將光伏建築一體化作為光伏推廣應用的主要目標和任務，美國、日本等許多國家制訂了屋頂光伏計劃。近幾年，我國光伏建築一體化系統也取得彌足發展，“九五”期間深圳、北京分別成功建成17kWp、7kWp光伏發電屋頂並實現了併網發電。華能湖南湘祁水電站主廠房100.8kWp太陽能光伏發電系統及京東方8代線廠房3000kWp光伏發電項目等都在緊鑼密鼓的籌備中。20世紀90年代，新疆地區曾在鐵路系統的車站、偏遠的電信基站等採用了光伏發電系統，達阪城市區的路燈也採用了光伏發電與城市電網互補的運行方式，但由於造價過高，在以後的民用建築中很少被採用。光電轉化效率低和成本高是制約光伏建築一體化發展的主要原因，但隨着科學技術的發展，這兩種不利因素基本上已被解決，而現在急需轉變的是大多數人對光伏發電的一些陳舊觀點。

因為關於太陽能發電、光伏建築一體化的書籍和可參考資料很少，很多建築師對光伏建築一體化的概念不清(認為是發電專業和建築電氣專業的事情)，甚至聞所未聞，因而心存芥蒂。目前，國家和行業相關部門還沒有正式出台關於光伏建築一體化的相關設計規範、規程、標準和安裝圖集，這也使設計師沒有設計依據可遵循。所以，光伏建築一體化的推動應從加強對各級政府、企事業單位和建築領域等宣傳力度做起，國家還應對光伏建築給予一定的激勵政策，這對保證國家能源安全和供給也是同等重要的。

太陽能光伏發電設計的基本原則：

(1)可參照執行的電氣設計施工規範有《10kV及以下配電所設計規範》(GB50053-1994)、《低壓配電設計規範》(GB50041-2009)、《民用建築電氣設計規範》(JGJ16-2008)、《建築電氣工程施工質量驗收規範》(GB50303-2002)等。

(2)設計中應注意的相關問題

a.凡帶電部分均應絕緣不允許裸露，室外使用的線纜應為户外型;

b.光伏組件應在方陣附近設有保護開關，具有短路、過流保護和過電壓保護功能;

c.組件安裝時使用的絕緣導體應採用2.5mm2及以上的銅芯導體，並遵守連線和穿線規格;

d.室內外電氣安裝應執行《建築電氣工程施工圖施工質量驗收規範》(GB50303-2002);

e.導線應使用端子排連接，連接端子處應有適當的應力釋放功能;

f.光伏發電系統直流側不接地，交流側必須接地，可使用固定框架作為接地線，並與建築物接地網連結。

(3)居住建築太陽能發電工程的指導思想

目前，居住建築的光伏發電系統均由生產公司生產製造、安裝、調試、驗收和維護。太陽能光伏發電系統的整體設備應包括太陽能光伏陣列、直流匯流箱、逆變器、監控系統、交流配電等。建築、結構、設備、電氣專業設計師應共同確定並解決光伏發電系統設備在屋頂、牆面上安裝的最佳位置，利用空間通風降温，考慮支撐柱與屋面下牆體柱的連接、系統配電和管道敷設具體位置、接地支架設計等問題，還須對安裝屋面裝載物抗風、抗雨雪能力，排水管合理佈置以及屋面防滲水、屋面傾斜度或坡度(獲得最佳的日照和工作效率)等諸多問題綜合統籌。光伏發電系統還應設置SPD、漏電保護等保護，電池板的放置處應儘量避開建築物、構築物陰影。

側牆安裝的光伏電池板框架也應做等電位聯結，防側擊雷危害，配電系統同樣應設置SPD、漏電保護並且接地。屋頂、側牆安裝的光電池框架和其它裝置均應預埋鐵件，不得使用射釘固定。