王建華

(中科院建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100190)

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某金融中心綠色建筑電氣節(jié)能技術(shù)研究

王建華

(中科院建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100190)

通過介紹龍湖金融中心項目，探討了實現(xiàn)綠色建筑的相關(guān)電氣節(jié)能技術(shù)，著重分析了配電系統(tǒng)優(yōu)化以及導光管采光、高效光源、智能控制、能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)在綠色建筑中的應用。

節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化導光管采光能耗監(jiān)測能耗分析

0　引言

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的進程中，能源需求愈加強勁，能源消耗與環(huán)境保護之間的矛盾也日益突出。目前建筑能耗在總體能源消費中的比例仍在持續(xù)上升，且仍主要消耗不可再生資源。所以，節(jié)能不僅是簡單減少能源的用量，更重要的是提高能源利用率，這是建筑節(jié)能的意義所在。

1　政策環(huán)境

為了發(fā)展綠色建筑，推動建筑節(jié)能，加快節(jié)能減排共性和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，推進可再生能源的應用，國家推出一系列的綠色建筑行動方案，相關(guān)法律法規(guī)有：《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》建設(shè)部令[2005]第143號、《國務院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》國發(fā)[2006]28號、《關(guān)于加強國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實施意見》建科[2007]245號、《民用建筑節(jié)能條例》國務院令[2008]第530號、《國務院辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)展改革委住房城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色建筑行動方案的通知》國辦發(fā)[2013]1號；相關(guān)規(guī)范和標準有：GB 17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》、JGJ 176-2009《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》、JGJ/T 177-2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》、JGJ/T 229-2010《民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50668-2011《節(jié)能建筑評價標準》、GB/T 50378-2014《綠色建筑評價標準》、GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》、GB/T 50033-2013《建筑采光設(shè)計標準》、JGJ/T 374-2015《導光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》。此外，各省市也相應制定頒布了不低于國家標準的地方標準，如本項目所在地河南省的DBJ 41/075-2006《河南省公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》、DBJ 41/T109-2015《河南省綠色建筑評價標準》等。這一系列的標準將對全社會推行綠色建筑與建筑節(jié)能起引導作用。

2　項目概況

鄭東新區(qū)龍湖金融中心所處的CBD副中心以金融辦公、商業(yè)、旅游觀光為核心，是具有水景特色的新型區(qū)域。龍湖中心周邊是多層商業(yè)建筑，內(nèi)環(huán)由限高60m的高層建筑圍合而成，外環(huán)由限高120m的超高層建筑圍合而成。規(guī)劃圖如圖1所示。

每個地塊的建筑單體設(shè)計，既要滿足金融辦公性質(zhì)的功能要求，又要體現(xiàn)與時俱進的時代感；既要有自己獨特的風格，又要能融入整體區(qū)域的布局，保持CBD副中心建筑的整體協(xié)調(diào)性。

圖1　龍湖金融中心規(guī)劃圖

筆者參與了其中兩個地塊的設(shè)計，均為限高60m的金融辦公建筑，是該區(qū)域的重要組成部分。60m高層建筑群采用先進的綠色建筑設(shè)計理念，目標是打造節(jié)能、環(huán)保二星標準的綠色建筑，是鄭東新區(qū)城市規(guī)劃和建設(shè)的點睛之筆。通過采用先進的節(jié)能技術(shù)，以節(jié)能減排、提高能源利用效率為重點，構(gòu)建與新區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)的能源體系。各個地塊由地下的市政管廊連接，區(qū)域供冷、供熱、電力、給水、通信等管道通過市政管廊送至各個地塊。幾個地塊組成一個組團，各組團相對獨立，又相互銜接。

3　建筑電氣節(jié)能設(shè)計

在充分滿足建筑物功能需求的前提下，為創(chuàng)造建筑物內(nèi)良好的人工環(huán)境提供必要的能源，為建筑設(shè)備運行提供必需的動力，同時盡量提高能源利用率、減少能源的消耗才是建筑節(jié)能的意義所在。節(jié)能是節(jié)省無謂損耗的能源，而不是為了節(jié)能去降低建筑物的標準要求或簡化功能需求。

目前，建筑內(nèi)使用的耗能設(shè)備大多沒有達到理論上的效率上限，即存在著提高能源利用效率的可能。

建筑電氣作為建筑物的重要組成部分，設(shè)計方案不僅要求安全可靠，還要技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、高效節(jié)能。這要求設(shè)計者在設(shè)計階段就要進行供配電系統(tǒng)的方案比選，注重各環(huán)節(jié)對節(jié)能的影響，應用優(yōu)化方案和前沿節(jié)能技術(shù)。接下來本文將從供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自然光利用、建筑設(shè)備監(jiān)控、能耗監(jiān)測與管理、能耗分析等方面逐一介紹龍湖金融中心項目采用的節(jié)能技術(shù)。

4　供配電系統(tǒng)的節(jié)能

4.1供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)的節(jié)能，主要從減少線路和設(shè)備損耗方面著手。主要體現(xiàn)為合理選定電壓等級；合理選擇變電所位置，盡可能深入負荷中心；合理選用變壓器等電氣設(shè)備；采用合理的功率因數(shù)補償及諧波抑制方式，提高電網(wǎng)質(zhì)量，降低自身損耗；合理搭建配電系統(tǒng)，盡量采用大干線配電方式，減少配電環(huán)節(jié)，負荷分配盡量使運行時的三相負荷平衡；合理規(guī)劃電纜敷設(shè)路徑，合理選擇電線電纜。以上這些措施需要在供配電設(shè)計的全過程中進行靈活體現(xiàn)。

供配電系統(tǒng)的設(shè)計首先要根據(jù)當?shù)毓╇姉l件確定采用的電源電壓等級，這主要由當?shù)毓╇姴块T規(guī)劃決定。此項目采用10kV供電，按照供電部門的規(guī)劃，整個區(qū)域設(shè)置若干個10kV開閉站?？紤]各地塊地理條件和距離以及物業(yè)管理的要求，變電站采用相對獨立、分散布置、集中管理的設(shè)置模式。為了管理方便，分組團設(shè)置主站，高壓配電集中在主站，每個地塊均設(shè)置分變電站，符合變電站深入負荷中心的原則。

4.2機電專業(yè)協(xié)同

變電站深入負荷中心的原則同樣適用于接近大功率用電設(shè)備，主要用于減少低壓大電流的供電距離和線路損耗。龍湖金融中心項目設(shè)計采用的是水、暖、電多專業(yè)方案優(yōu)化協(xié)同設(shè)計模式。機房方案設(shè)計時的提前溝通、多方案備選以及良好的信息傳遞有利于科學規(guī)劃各專業(yè)的機房和主干路由、相互了解專業(yè)特點、整體協(xié)調(diào)矛盾并作協(xié)同調(diào)整，這打破了以往各自為政的單專業(yè)方案的局限性，在方案階段就體現(xiàn)了機電專業(yè)協(xié)同工作的優(yōu)勢，可有效控制各系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)。機電專業(yè)協(xié)同設(shè)計有利于優(yōu)化方案、降低成本、節(jié)能節(jié)材。

4.3變壓器的選擇與能耗計算

高層建筑中均選用干式節(jié)能變壓器?，F(xiàn)行國家標準GB 50052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》定義了節(jié)能型變壓器，其空載損耗標準值和負載損耗標準值均不應高于規(guī)定的能效限定值。下面以1 600kVA變壓器為例摘錄規(guī)范中的一部分(見表1)。

表1　干式變壓器能效等級

變壓器的電能損耗公式ΔWT=ΔPo×t+ΔPkβ2×τ，τ是最大負荷年損耗小時數(shù)，可根據(jù)最大負荷的年利用小時數(shù)Tmax和功率因數(shù)cosφ，從Tmax與τ的關(guān)系曲線圖查得(見圖2)?？梢娮儔浩魇欠窠?jīng)濟運行，與負載率和最大負荷年利用小時數(shù)相關(guān)。也可引入Kt(負載波動損耗系數(shù)，一般取1.05)，則ΔWT=ΔPo×t+Kt×ΔPkβ2×t。

圖2　Tmax與τ 的關(guān)系曲線圖

如果選用達到1級能效的變壓器，暫定負載率為75%，則兩臺1 600kVA非晶合金電力變壓器的年損耗量=(0.76×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=75 100 kW·h。

選用兩臺1 600kVA硅鋼片變壓器，年損耗=(1.765×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=92 800kW·h。

兩者的差別主要在于空載損耗，這也是新型變壓器通過改變其結(jié)構(gòu)和材料能有效降低空載損耗的原因所在。

確定變壓器類型后，能效等級達到1級或2級的變壓器年損耗也有所不同。以硅鋼片變壓器為例：2級的年損耗量=(1.96×24×365+1.05×0.752×12.58×12×365)×2=99 400 kW·h，1級的年損耗量=(1.765×24×365+1.05×0.752×11.95×12×365)×2=92 800 kW·h。

以1元/度計，兩種年損耗相差的數(shù)量就是每年多交的電費。3級能效變壓器的年損耗量相比2級還要高，在此不再計算。從上述計算可見，1級能效等級的變壓器損耗最低，因此，北京市的節(jié)能評審工作中，建議采用1級能效等級的變壓器；其他地區(qū)的節(jié)能審查，也提出變壓器的能效等級不高于2級。

上述計算中75%的負載率過高，損耗明顯增大。但負載率過低，變壓器自身的損耗所占比例較大(也就是ΔPo×t)，變壓器的效率較低。理論上講，變壓器的負載損耗與空載損耗相等時總損耗最小、效率最高、運行最經(jīng)濟。因此設(shè)計者應進行多方面考慮，合理選擇變壓器及其容量。

5　照明系統(tǒng)的節(jié)能

5.1導光管采光系統(tǒng)的應用

充分利用自然光是照明節(jié)能的重要途徑之一。在設(shè)計中電氣設(shè)計與建筑專業(yè)配合，做到充分合理地利用自然光，使之與室內(nèi)人工照明有機結(jié)合，從而節(jié)約照明用電。本項目通過在地下車庫和市政環(huán)廊區(qū)域采用導光管采光系統(tǒng)，已解決大型地下空間白天無光照的問題。而導光管采光也將越來越多地應用于綠色建筑，通過把陽光導入室內(nèi)，讓封閉的地下空間邂逅陽光，進而使節(jié)能低碳成為一種習慣。JGJ/T 374-2015《導光管采光系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》已于2016年5月1日開始實施。

導光管采光系統(tǒng)是在無需用電的情況下通過室外的采光裝置——集光器采集室外的日光，經(jīng)過導光管高效反射及傳輸后，再由漫射器將自然光均勻散射到室內(nèi)任何角落。

本項目的各廠地塊均采用約10套的DS530型號導光管采光系統(tǒng)，并且在連接各地塊的市政環(huán)廊位置也采用了導光管采光系統(tǒng)。施工圖設(shè)計階段的關(guān)鍵點就是要確認采用此系統(tǒng)，選擇產(chǎn)品(如導光管的管徑類型規(guī)格有250、350、530、650、750、900系列)，其位置和安裝需要與各專業(yè)協(xié)調(diào)確定，如需要電氣專業(yè)確定主要為哪些區(qū)域采光，建筑專業(yè)確認裝設(shè)位置、核對位于地面上景觀地帶還是鋪裝路面上、注意在屋面預留好孔洞以及避開通風管道、噴淋等管線等細節(jié)，以確保安裝順利。導光管安裝示意圖見圖3。

圖3　導光管安裝示意圖

該設(shè)計給地下層和市政管廊帶來了充足的自然光，節(jié)約了地下室照明用電。管廊的上方是市政道路，導光管突出部分正好是中間綠化隔離帶，建成后的效果見圖4。

集光器從外形上分有兩種，一種是球型，適用于有綠化帶的場所；另一種是平板型，適用于廣場路面和樓面要求為平面的場所。此外，針對建筑物的具體結(jié)構(gòu)，還可定制非標準的各種導光管采光系統(tǒng)。施工中的市政管廊采用的導光管見圖5。

圖4　建成后的導光管采光效果

圖5　施工中的市政管廊采用的導光管

5.2 照度標準與高效光源

該項目以國家綠色建筑二星級標準為目標，各場所的照明功率密度值不超過現(xiàn)行國家標準規(guī)定的目標值，評價總分值為8分。可見，合理的目標設(shè)置對節(jié)能具有重要意義。

本項目在無特殊工藝要求的照明區(qū)域(如地下車庫、公共走廊、公共區(qū)域)均采用LED照明光源。與光效相當?shù)腡5三基色熒光燈管相比，LED的使用壽命長，是T5的5倍多。但如果僅采用光效較高、壽命較短的燈具，則更換光源必然造成生產(chǎn)、運輸和銷售全過程的能源浪費，所以可以用光源的綜合能效來評價燈具。表2是兩種燈具的技術(shù)參數(shù)對比。

表2　兩種燈具的技術(shù)參數(shù)對比(2015年的數(shù)據(jù))

LED光源的發(fā)展非?？臁，F(xiàn)階段的實驗數(shù)據(jù)顯示，LED光源的光效已超過200lm/W。不久的將來，LED光源有望達到或超過300lm/W。不過這只是實驗時的理論值，實際應用中，多數(shù)品牌大功率LED光源的光效僅為80～100lm/W，部分廠家的產(chǎn)品光效能達到160～170lm/W。也就是說，現(xiàn)有這種LED光源的光效,距離理論最高值還有差距,提升空間還很大。

5.3智能照明控制

在新版的《綠色建筑評價標準》節(jié)能評分中，加分項之一就是公共場所、地下空間采用分區(qū)、定時、感應的照明控制措施，評分值為5分。金融中心項目在每地塊均設(shè)置一套智能照明控制系統(tǒng)，采用 I-BUS、EIB 等開放式總線制控制系統(tǒng)，在每地塊的安防中心設(shè)置中心主機，并根據(jù)一鍵式的要求集成到集中監(jiān)控系統(tǒng)。

車庫、公共區(qū)域、樓梯間等公共區(qū)域照明控制應采用智能照明控制系統(tǒng)。通過各種不同的“智能設(shè)置”在中央監(jiān)控界面上進行手動/自動模式切換，實現(xiàn)分回路、分區(qū)域、分時段控制。有人做過測算，業(yè)主用3～5年的時間就可基本收回智能照明控制系統(tǒng)所增加的投資。而且，智能照明控制系統(tǒng)具有改善照明環(huán)境、提高員工工作效率以及減少維修和管理費用等功能。

6　智能化節(jié)能控制

在樓宇的各個部位分散著眾多的機電設(shè)備，借助智能化系統(tǒng)能很好地解決其控制、管理、維護以及能耗等問題。其中，與節(jié)能相關(guān)的智能化系統(tǒng)主要是建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)。

6.1建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是龍湖金融中心智能化系統(tǒng)的重要組成部分，專門設(shè)立的集中樓控中心是整個建筑群機電設(shè)備運行信息的交匯與處理中心，而分中心通過與各地塊的安防中心結(jié)合設(shè)置，能夠?qū)Ω鱾€機電設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)視、控制和管理，提高建筑群管理的效率和綜合服務能力，降低運行成本。本項目的受控機電設(shè)備有空調(diào)設(shè)備、通風設(shè)備、給排水設(shè)備、電梯設(shè)備、智能照明系統(tǒng)。

6.2能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)

國家標準GB 17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》對能源計量提出了明確要求和規(guī)定，規(guī)定了用能單位能源計量器具配備和管理的基本要求。新版《綠色建筑評價標準》節(jié)能與能源利用中，要求冷熱源、輸配系統(tǒng)和照明等各部分能耗應進行獨立分項計量。參照發(fā)達國家的經(jīng)驗，實現(xiàn)建筑節(jié)能管理首先要全面準確地掌握建筑能耗數(shù)據(jù)，能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)正是為此而生。

在一個能耗高且管理難度大的建筑群項目中設(shè)置能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)時，通過對建筑內(nèi)水、電、熱等能源進行分類計量及對電力能耗進行分項計量，實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)和動態(tài)分析功能，并通過遠傳手段實現(xiàn)能源資源運行監(jiān)管功能。該系統(tǒng)可實時反映整個項目的能源消耗狀況、識別有效負荷與無謂能耗、判斷能源運行狀態(tài)和發(fā)展趨勢等，還可通過技術(shù)或行為節(jié)能方式及時發(fā)現(xiàn)和治理能源浪費現(xiàn)象，實現(xiàn)建筑有效節(jié)能。系統(tǒng)不僅能對采集的能耗數(shù)據(jù)進行存儲、處理，還具有通過圖形界面實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、報表導出以及同比、環(huán)比等功能，以實時解決基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)的智能化、可視化、可量化的收集與存儲。

根據(jù)用戶的需求以及在相同性質(zhì)工程中的經(jīng)驗，對該項目的能耗監(jiān)測和管理系統(tǒng)的搭建做以下設(shè)計：除了在10kV側(cè)設(shè)置電專業(yè)用計量外，在各變電站所有的低壓配出線回路上設(shè)置智能計量儀表，并在樓層配電箱、層公共用電箱、層空調(diào)配電箱、層熱水器配電箱的所有進線斷路器側(cè)均設(shè)置智能計量儀表，其中，水表、熱表均采用可遠傳智能型儀表，組成能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)。

7　能耗分析

以龍湖金融中心一個C05地塊為例，僅做地下車庫和公共區(qū)域的耗電量估算表(見表3)，計算采用各種節(jié)能措施后的節(jié)能量。

建筑設(shè)備的耗電量計算公式為：

Wp=ΣPj×Tn×Kp

Pj=Pe×Kx

式中，Wp為電能消耗，kW·h；Kp為年平均有功負荷系數(shù)，估算值可取0.7～0.75；Pj為計算有功功率，kW；Tn為年實際工作小時數(shù)，h；Pe為設(shè)備安裝功率，kW；Kx為年平均有功負荷系數(shù)，估算值可取0.7～0.75。

由計算公式可知，在滿足使用要求的條件下，采用導光管采光、高效光源及智能照明控制三種方式，分別從降低照明功率密度、減少運行時間方面減少每年耗電量。

表3　耗電量估算表

為加強固定資產(chǎn)投資項目用能管理，各地發(fā)改委積極開展能評工作。根據(jù)對固定資產(chǎn)投資項目用能的統(tǒng)計和監(jiān)察數(shù)據(jù)，制定能耗限額和能效標準，從源頭杜絕能源浪費。下面以從2014年版(將地下車庫綜合在項目內(nèi))和2016年版(地下車庫單獨統(tǒng)計)的《北京市固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查工作指南》中摘錄的數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計出單位建筑面積能耗指標表(表4)。

表4　單位建筑面積能耗指標表

由表4可知，與2014年相比，2016年各類型項目的能耗指標均有了明顯的降低，可見建筑領(lǐng)域節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。

建筑節(jié)能是綠色建筑的必要條件，建筑電氣作為建筑設(shè)計的重要組成部分，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理以及投資可以承受的節(jié)能措施對提高綠色建筑水平、促進綠色建筑技術(shù)的應用與發(fā)展有著深遠的意義。

8　結(jié)束語

以上是筆者通過在鄭州龍湖金融中心中采用電氣節(jié)能技術(shù)后，對綠色建筑節(jié)能設(shè)計的思考和分析，在這里與大家分享。由于篇幅有限，僅是初步探索，有待深入學習、研究和完善，請同行們批評指正。

[1]GB/T 50378-2014 綠色建筑評價標準[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[2]GB/T 50189-2015 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[3]中國勘察設(shè)計協(xié)會建筑電氣工程設(shè)計分會，中國建筑節(jié)能協(xié)會建筑電氣與智能化節(jié)能專業(yè)委員會.中國建筑電氣與智能化節(jié)能發(fā)展報告(2014)[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4]北京市固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查(含碳排放)工作培訓材料匯編.

[5]李炳華,宋鎮(zhèn)江.建筑電氣節(jié)能技術(shù)及設(shè)計指南[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]邵民杰.綠色環(huán)保和電氣節(jié)能綜合技術(shù)在世博建筑中的應用理念與實踐[J].智能建筑電氣技術(shù),2011,5(3):3-6.

[7]史海疆.優(yōu)化設(shè)計 降低建筑電氣能耗 訪中國航天建筑設(shè)計研究院電氣總工程師王勇[J].電氣應用,2012(14):8-10.

Research on the Electrical Energy Saving Technology of a Financial Center Green Building

Wang Jianhua

Through introducing the Longhu financial centre project,electrical energy saving technology for implementation of the green building is discussed,and the application of the power distribution system optimization light guide lighting,efficient light source,intelligent control,energy consumption monitoring and management system in green building are analyzing.

energy saving,system optimization,light guide lighting,energy consumption monitoring,analysis of energy consumption