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摘 要： 下文结合电气节能设计应遵循的原则，重点从照明节能、电动机节能、太阳能光伏发电系统的设计应用等多个方面和角度，论述了建筑电气节能的技术措施及其在工程设计中的合理应用。
关键词： 电气节能 照明节能电动机节能太阳能光伏发电
1 引言
目前，我国正处于城镇化建设的快速发展时期，已建项目的总建筑面积约为400 亿m2，每年还以10 几亿m2 的速度递增。目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的27％左右（根据建设部和国家建材局的统计）。到2020 年，全国将新增建筑面积约200 亿m2，建筑能耗占全社会总能耗的比例将更高。
在欧美一些发达国家，节能型建筑的比例已达到了40％。而在我们这样一个资源相对匮乏、正在发展中的人口大国，能源的消耗正急剧增加，能源危机迫在眉睫，作为能耗大户的建筑能耗已成为危及社会可持续发展的一个重大问题。为此，中央经济工作会议提出建设“资源节约型”社会的目标，要求各地大力推广“节能省地”型建筑。
由此可见，建筑节能已成为时代的呼唤。作为二次能源的电能，如何降低损耗、高效利用，如何将节能技术合理应用到工程项目当中，也就成为建筑电气设计的焦点。
2 电气节能设计应遵循的原则
电气节能设计既不能以牺牲建筑功能、损害使用需求为代价，也不能盲目增加投资、为节能而节能。因此，笔者认为，电气节能设计应遵循以下原则：
1）满足建筑物的功能
这主要包括：满足建筑物不同场所、部位对照明照度、色温、显色指数的不同要求；满足舒适性空调所需要的温度及新风量；满足特殊工艺要求，如体育场馆、医疗建筑、酒店、餐饮娱乐场所一些必需的电气设施用电，展厅、多功能厅等的工艺照明及电力用电等。
2）考虑实际经济效益
节能应考虑国情及实际经济效益，不能因为追求节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而应在该通过比较分析，合理选用节能设备及材料，使在节能方面增加的投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。
3）节省无谓消耗的能量
节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗、电能传输线路上的有功损耗，都是无用的能量损耗；又如量大面广的照明容量，宜采用先进的调光技术、控制技术使其能耗降低。
总之，笔者认为节能设计应把握“满足功能、经济合理、技术先进”的原则。具体说来，可重点从以下多个方面采取节能措施，将节能技术合理应用到实际工程中。
3照明系统的节能
因建筑照明量大而面广，故照明节能的潜力很大。在满足照度、色温、显色指数等相关技术参数要求的前提下，照明节能设计应从下列几方面着手：
3.1 选用高效光源
按工作场所的条件，选用不同种类的高效光源，可降低电能消耗，节约能源。其具体要求如下：一般室内场所照明，优先采用荧光灯或小功率高压钠灯等高效光源，推荐采用T5 细管、U 型管节能荧光灯，以满足《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）对照明功率密度（LPD）的限值要求。不宜采用白炽灯，只有在开合频繁或特殊需要时，方可使用白炽灯，但宜选用双螺旋（双绞丝）白炽灯。高大空间和室外场所的一般照明、道路照明，应采用金属卤化物灯、高压钠灯等高光强气体放电灯。气体放电灯应采用耗能低的镇流器，且荧光灯和气体放电灯，必须安装电容器，补偿无功损耗。
3.2 选用高效灯具
除装饰需要外，应优先选用直射光通比例高、控光性能合理；反射或透射系数高、配光特性稳定的高效灯具：
采用非对称光分布灯具。由于它具有减弱工作区反射眩光的特点，在一定的照度下，能够大大改善视觉条件，因此可获得较高的效能。
选用变质速度较慢的材料制成的灯具，如玻璃灯罩、搪瓷反射罩等，以减少光能衰减率。
室内灯具效率不应低于70％（装有遮光栅格时，不应低于55％）；室外灯具效率不应低于40％（但室外投光灯不应低于55％）。
3.3 选用合理的照明方案
采用光通利用系数较高的布灯方案，优先采用分区一般照明方式。
在有集中空调且照明容量大的场所，采用照明灯具与空调回风口结合的形式。
在需要有高照度或有改善光色要求的场所，采用两种以上光源组成的混光照明。
室内表面采用高反射率的浅色饰面材料，以更加有效地利用光能。
3.4 照明控制和管理
（1）充分利用自然光，根据自然光的照度变化，分组分片控制灯具开停。设计时适当增加照明开关点，即每个开关控制灯的数量不要过多，以便管理和有利节能。
（2）对大面积场所的照明设计，采取分区控制方式，这样可增加照明分支回路控制的灵活性，使不需照明的地方不开灯，有利节电。
（3）有条件时，应尽量采用调光器、定时开关、节电开关等控制电气照明。公共场所照明，可采用集中控制的照明方式，并安装带延时的光电自动控制装置。大面积公共区域，宜设置智能照明控制系统。
（4）室外照明系统，为防止白天亮灯，最好采用光电控制器代替照明开关，或采用智能照明控制系统，以利节电。
（5）在插座面板上设置翘板开关控制，当用电设备不使用时，可方便切断插座电源，消除设备空载损耗、达到节电的目的。
4 電动机的节能
4.1 选用高效率电动机
提高电动机的效率和功率因素，是减少电动机的电能损耗的主要途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高3 ％～6 ％，平均功率因数高7 ％～9％，总损耗减少20％～30％，因而具有较好的节电效果。所以在设计和技术改造中，应选用Y、YZ、YZR 等新系列高效率电动机，以节省电能。
另一方面要看到，高效电机价格比普通电机要高20％～30％，故采用时要考虑资金回收期，即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。一般符合下列条件时可选用高效电机：
（1）负载率在0.6 以上；
（2）每年连续运行时间在3000h 以上；
（3）电机运行时无频繁启、制动( 最好是轻载启动，如风机、水泵类负载) ；
（4）单机容量较大。
4.2 选用交流变频调速装置
推广交流电机调速节电技术，是当前我国节约电能的措施之一。采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。目前，用普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT 等电力电子器件组成的静止变频器对异步电动机进行调速已广泛应用。在设计中，根据变频的种类和需调速的电机设备，选用适合的变频调速装置。
4.3 选用软起动器设备
采用软件起动是另一种比变频器更经济的节能措施。软起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。软起动器也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到转速随负载的变化而变化。
软起动器通常用在电机容量较大、又需要频繁起动的水泵设备中，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超过3 倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但由于它是采用可控硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热条件较好、通风措施完善。
4.4 选用智能化节能控制装置
对中央空调水系统，设置智能化变频调速节能控制装置，可最大限度地提高整个空调水系统的运行效率，收到良好的节能效果。
这种智能化节能控制技术的控制算法，采用了当代先进的“模糊控制技术”或“模糊控制与改进的PID 复合控制技术”以取代传统的PID 控制技术，从而较好克服了传统的PID 控制不适应中央空调系统时变、大滞后、多参量、强耦合的工况特点，能够实现空调水系统安全、高效的运行。同时，在充分满足空调末端制冷（热）量需求的前提下，通常可使水泵的节能率达到60% 80% ；通过对空调水系统的自动寻优控制，可使空调主机的节能率达到5% 30%，为用户实现较显著的节能收益。其节能效果，优于传统分散式变频调速节能控制装置（变频器+ 动力柜），更是工频动力柜不可比拟的。
5 阳能光伏发电系统的设计应用
太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DC-AC 逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统，控制器、逆变器为控制保护系统。太阳能光伏系统分为独立系统、群控系统、并网系统、混合系统、并网混合系统等几种运行方式。在建筑领域的设计应用有:
1）太阳能照明系统：可用于路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等节能灯、LED 灯的照明供电。
2）太阳能水泵：太阳能水泵一般不需要蓄电池，而由太阳能电池板直接带动水泵工作。
3）光伏建筑一体化（BIPV）：如太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，即组成了户用并网光伏系统。这种并网系统因有太阳能、公共电网同时给负载供电，系统随时可向电网中存电或取电，所以供电可靠性得到增强；而且，系统一般不用蓄电池，这既降低了造价，又免去了蓄电池的电能损耗、维护更换；同时，多余的发电可反馈给电网，既充分利用了光伏系统所发的电能，又对电网具有调峰作用。
光伏建筑一体化（BIPV）体现了创新的建筑设计理念和高科技含量，它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地，而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用，因而具有非常广阔的市场前景。
此外，设置机电设备监控管理系统（BAS）、变电所电能监控管理系统（PMS），亦為电气节能设计的内容。BAS 对大楼内的机电设备如空调、采暖、通风、给排水、电梯及扶梯、变配电系统和照明系统设备的运行工况及状态进行实时的监测，进行运算后的调节与优化控制，可有效降低能耗，达到节能目的。PMS由微机综合保护单元、后台总线监控系统、网络仪表等组成，数字显示仪表具备通信接口，可实现合理用电、节能管理。
还可采用冷、热、电三联供系统的节能技术，经过能源的梯级利用，使能源利用效率从常规发电系统的40% 左右可提高到80% 左右，当系统配置合理时，既可节省一次能源，又可使发电成本低于电网电价，综合经济效益显著。
6结语
综上所述，建筑电气的节能潜力很大，应在设计中精心考虑各种可行的技术措施。同时，在选用节能的新设备时，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，再合理选定节能设备，以真正达到有效节能的目的。
关键词： 电气节能 照明节能电动机节能太阳能光伏发电
1 引言
目前，我国正处于城镇化建设的快速发展时期，已建项目的总建筑面积约为400 亿m2，每年还以10 几亿m2 的速度递增。目前，我国建筑能耗约占全社会总能耗的27％左右（根据建设部和国家建材局的统计）。到2020 年，全国将新增建筑面积约200 亿m2，建筑能耗占全社会总能耗的比例将更高。
在欧美一些发达国家，节能型建筑的比例已达到了40％。而在我们这样一个资源相对匮乏、正在发展中的人口大国，能源的消耗正急剧增加，能源危机迫在眉睫，作为能耗大户的建筑能耗已成为危及社会可持续发展的一个重大问题。为此，中央经济工作会议提出建设“资源节约型”社会的目标，要求各地大力推广“节能省地”型建筑。
由此可见，建筑节能已成为时代的呼唤。作为二次能源的电能，如何降低损耗、高效利用，如何将节能技术合理应用到工程项目当中，也就成为建筑电气设计的焦点。
2 电气节能设计应遵循的原则
电气节能设计既不能以牺牲建筑功能、损害使用需求为代价，也不能盲目增加投资、为节能而节能。因此，笔者认为，电气节能设计应遵循以下原则：
1）满足建筑物的功能
这主要包括：满足建筑物不同场所、部位对照明照度、色温、显色指数的不同要求；满足舒适性空调所需要的温度及新风量；满足特殊工艺要求，如体育场馆、医疗建筑、酒店、餐饮娱乐场所一些必需的电气设施用电，展厅、多功能厅等的工艺照明及电力用电等。
2）考虑实际经济效益
节能应考虑国情及实际经济效益，不能因为追求节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而应在该通过比较分析，合理选用节能设备及材料，使在节能方面增加的投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。
3）节省无谓消耗的能量
节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗、电能传输线路上的有功损耗，都是无用的能量损耗；又如量大面广的照明容量，宜采用先进的调光技术、控制技术使其能耗降低。
总之，笔者认为节能设计应把握“满足功能、经济合理、技术先进”的原则。具体说来，可重点从以下多个方面采取节能措施，将节能技术合理应用到实际工程中。
3照明系统的节能
因建筑照明量大而面广，故照明节能的潜力很大。在满足照度、色温、显色指数等相关技术参数要求的前提下，照明节能设计应从下列几方面着手：
3.1 选用高效光源
按工作场所的条件，选用不同种类的高效光源，可降低电能消耗，节约能源。其具体要求如下：一般室内场所照明，优先采用荧光灯或小功率高压钠灯等高效光源，推荐采用T5 细管、U 型管节能荧光灯，以满足《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）对照明功率密度（LPD）的限值要求。不宜采用白炽灯，只有在开合频繁或特殊需要时，方可使用白炽灯，但宜选用双螺旋（双绞丝）白炽灯。高大空间和室外场所的一般照明、道路照明，应采用金属卤化物灯、高压钠灯等高光强气体放电灯。气体放电灯应采用耗能低的镇流器，且荧光灯和气体放电灯，必须安装电容器，补偿无功损耗。
3.2 选用高效灯具
除装饰需要外，应优先选用直射光通比例高、控光性能合理；反射或透射系数高、配光特性稳定的高效灯具：
采用非对称光分布灯具。由于它具有减弱工作区反射眩光的特点，在一定的照度下，能够大大改善视觉条件，因此可获得较高的效能。
选用变质速度较慢的材料制成的灯具，如玻璃灯罩、搪瓷反射罩等，以减少光能衰减率。
室内灯具效率不应低于70％（装有遮光栅格时，不应低于55％）；室外灯具效率不应低于40％（但室外投光灯不应低于55％）。
3.3 选用合理的照明方案
采用光通利用系数较高的布灯方案，优先采用分区一般照明方式。
在有集中空调且照明容量大的场所，采用照明灯具与空调回风口结合的形式。
在需要有高照度或有改善光色要求的场所，采用两种以上光源组成的混光照明。
室内表面采用高反射率的浅色饰面材料，以更加有效地利用光能。
3.4 照明控制和管理
（1）充分利用自然光，根据自然光的照度变化，分组分片控制灯具开停。设计时适当增加照明开关点，即每个开关控制灯的数量不要过多，以便管理和有利节能。
（2）对大面积场所的照明设计，采取分区控制方式，这样可增加照明分支回路控制的灵活性，使不需照明的地方不开灯，有利节电。
（3）有条件时，应尽量采用调光器、定时开关、节电开关等控制电气照明。公共场所照明，可采用集中控制的照明方式，并安装带延时的光电自动控制装置。大面积公共区域，宜设置智能照明控制系统。
（4）室外照明系统，为防止白天亮灯，最好采用光电控制器代替照明开关，或采用智能照明控制系统，以利节电。
（5）在插座面板上设置翘板开关控制，当用电设备不使用时，可方便切断插座电源，消除设备空载损耗、达到节电的目的。
4 電动机的节能
4.1 选用高效率电动机
提高电动机的效率和功率因素，是减少电动机的电能损耗的主要途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高3 ％～6 ％，平均功率因数高7 ％～9％，总损耗减少20％～30％，因而具有较好的节电效果。所以在设计和技术改造中，应选用Y、YZ、YZR 等新系列高效率电动机，以节省电能。
另一方面要看到，高效电机价格比普通电机要高20％～30％，故采用时要考虑资金回收期，即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。一般符合下列条件时可选用高效电机：
（1）负载率在0.6 以上；
（2）每年连续运行时间在3000h 以上；
（3）电机运行时无频繁启、制动( 最好是轻载启动，如风机、水泵类负载) ；
（4）单机容量较大。
4.2 选用交流变频调速装置
推广交流电机调速节电技术，是当前我国节约电能的措施之一。采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。目前，用普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT 等电力电子器件组成的静止变频器对异步电动机进行调速已广泛应用。在设计中，根据变频的种类和需调速的电机设备，选用适合的变频调速装置。
4.3 选用软起动器设备
采用软件起动是另一种比变频器更经济的节能措施。软起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。软起动器也可采用测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到转速随负载的变化而变化。
软起动器通常用在电机容量较大、又需要频繁起动的水泵设备中，以及附近用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超过3 倍，可保证电网电压的波动在所要求的范围内。但由于它是采用可控硅调压，正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散热条件较好、通风措施完善。
4.4 选用智能化节能控制装置
对中央空调水系统，设置智能化变频调速节能控制装置，可最大限度地提高整个空调水系统的运行效率，收到良好的节能效果。
这种智能化节能控制技术的控制算法，采用了当代先进的“模糊控制技术”或“模糊控制与改进的PID 复合控制技术”以取代传统的PID 控制技术，从而较好克服了传统的PID 控制不适应中央空调系统时变、大滞后、多参量、强耦合的工况特点，能够实现空调水系统安全、高效的运行。同时，在充分满足空调末端制冷（热）量需求的前提下，通常可使水泵的节能率达到60% 80% ；通过对空调水系统的自动寻优控制，可使空调主机的节能率达到5% 30%，为用户实现较显著的节能收益。其节能效果，优于传统分散式变频调速节能控制装置（变频器+ 动力柜），更是工频动力柜不可比拟的。
5 阳能光伏发电系统的设计应用
太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DC-AC 逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统，控制器、逆变器为控制保护系统。太阳能光伏系统分为独立系统、群控系统、并网系统、混合系统、并网混合系统等几种运行方式。在建筑领域的设计应用有:
1）太阳能照明系统：可用于路灯、草坪灯、庭园灯、楼道灯等节能灯、LED 灯的照明供电。
2）太阳能水泵：太阳能水泵一般不需要蓄电池，而由太阳能电池板直接带动水泵工作。
3）光伏建筑一体化（BIPV）：如太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，即组成了户用并网光伏系统。这种并网系统因有太阳能、公共电网同时给负载供电，系统随时可向电网中存电或取电，所以供电可靠性得到增强；而且，系统一般不用蓄电池，这既降低了造价，又免去了蓄电池的电能损耗、维护更换；同时，多余的发电可反馈给电网，既充分利用了光伏系统所发的电能，又对电网具有调峰作用。
光伏建筑一体化（BIPV）体现了创新的建筑设计理念和高科技含量，它不仅开辟了光伏技术应用于建筑领域的新天地，而且拉动了光伏技术的产业化发展及在城市的大规模应用，因而具有非常广阔的市场前景。
此外，设置机电设备监控管理系统（BAS）、变电所电能监控管理系统（PMS），亦為电气节能设计的内容。BAS 对大楼内的机电设备如空调、采暖、通风、给排水、电梯及扶梯、变配电系统和照明系统设备的运行工况及状态进行实时的监测，进行运算后的调节与优化控制，可有效降低能耗，达到节能目的。PMS由微机综合保护单元、后台总线监控系统、网络仪表等组成，数字显示仪表具备通信接口，可实现合理用电、节能管理。
还可采用冷、热、电三联供系统的节能技术，经过能源的梯级利用，使能源利用效率从常规发电系统的40% 左右可提高到80% 左右，当系统配置合理时，既可节省一次能源，又可使发电成本低于电网电价，综合经济效益显著。
6结语
综上所述，建筑电气的节能潜力很大，应在设计中精心考虑各种可行的技术措施。同时，在选用节能的新设备时，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，再合理选定节能设备，以真正达到有效节能的目的。