住宅建筑电气节能技术研究

浙江新东阳建设集团有限公司 卢 强 吕信超 临沂市技师学院 李长军

在建筑能耗方面，电气能耗的占比较高，对我国建筑领域节能减排工作推进带来了较大的挑战。为了加快建筑节能减排工作的推进，相关单位和设计人员应深入了解住宅建筑的电气能耗现状，并采取系统性措施，推动住宅建筑的电气节能改造工作，以提升住宅建筑的节能降碳水平。

住宅建筑供配电系统是电气系统的重要组成部分，同时也是实现相关住宅功能的关键项目。要实现节能目标，相关单位和设计人员在工作中应当考虑其负荷状况，以降低电能浪费的问题。根据《供配电系统设计规范》规定，电力负荷可以分为一级、二级和三级负荷，当前，多数住宅建筑的主要负荷类型为二级、三级负荷。根据主要用途，系统地分析对应的负荷情况，则可以分为照明负荷和动力负荷两个主要组成部分。

照明负荷是指相关建筑中各类照明所产生的负荷，可根据其具体的位置和功能的差异分为公共区域照明、消防应急照明、指示标志照明等照明类型。其中，公共区域的照明主要是为了满足相关建筑公共区域内的活动而设置的照明系统，消防应急照明则是为了满足消防需求而设置的照明系统[1]。这些照明设备根据其不同的功能和特点，具有相应的功耗和运行状态，需要根据实际需求进行合理配置和控制，以实现节约能源和提高能源利用效率的目标。动力负荷则是指给排水水泵、电梯、取暖、通风系统、空调系统等，这些设备的运行通常需要大量的电力，并且需要根据不同的使用场景和时间段进行不同的控制。

在进行相关节能技术的应用过程中，应当从上述的正常需求入手，尽可能控制对能源的消耗，提高对电能的整体利用效率。实际工作中，可首先从对照明设备的优化入手，通过降低照明负荷的方式达到节能的效果。目前，可供选择的光源类型主要包括普通荧光灯、三基色荧光灯、紧凑型荧光灯和LED 等多种类型，各光源的参数对比见表1。

表1 常用光源的参数对比

通过对比可知，LED 光源具有整体经济性更强、光效更好的特点，在使用过程中能够一定程度地实现节约能源的目的。因此，相关单位在工作中可加强对LED 的推广力度，并将住宅建筑的公共区域照明进行LED 化改造，从而充分降低公共区域的能源消耗水平，提升节能效果。

其次，针对公共动力负荷进行降低的过程中，可积极采取新能源措施来实现。公共动力负荷在负荷类型划分的过程中属于一级负荷，相关单位可采取常规电能和新能源共同使用的方式来达成节能目标。其中，光伏系统是一种有效的新能源措施，可以将其与建筑材料融合，用以代替传统的建筑材料，从而实现对太阳辐射的最大限度的吸收，并为住宅建筑的公共动力负荷提供电能保障。在实现过程中，由于住宅建筑的光伏系统要求产生的电能直接就近供给用电设备，所以在进行建筑设计时，尽量将逆变器安装在距离光伏板和蓄电池相对较近的配电井或者配电间。依托可再生能源，可以在一定程度上对当前住宅建筑的公共动力负荷形成分担，从而有效地降低对电能的消耗。

作为住宅建筑供配电系统的核心部件，变压器的能耗相对较高。通过采用变压器节能技术，降低变压器在运行过程中的能耗水平，对于住宅建筑的节能发挥着重要的作用。变压器的电气部分主要由绕组和铁芯两部分组成，变压器的功率损耗主要包括有功功率和无功功率损耗。有功功率损耗主要包括空载和短路两种状态下的功率损耗。

其中，空载功率主要取决于变压器的铁芯材质，短路功率则与变压器的绕组有关。在空载状态下，变压器绕组不输出电能，主要是铁芯中的涡流和磁化损耗所造成的能量损失。在短路状态下，变压器输出电流大，会导致绕组和铁芯中的能量损失变得更加显著。无功功率损耗主要来自变压器绕组的电阻、电感等阻抗特性，以及负载电流等因素。

这些因素会在电流经过绕组时产生电能的损耗，从而导致变压器的无功功率损耗。为了降低变压器的功率损耗，需要合理选择变压器的铁芯材质和绕组设计，以及进行有效的负载调整和无功补偿。这样可以提高变压器能源利用效率，降低电能损失，进而减少电网负荷和降低能源消耗[2]。

一般来说，变压器的能耗可以达到系统总能耗的40%以上。因此，适当更换和改造变压器，对于降低住宅建筑的能耗具有重要意义。住宅建筑用电量往往在冬季和夏季最为集中，尤其是北方地区冬季负荷增长明显。有些住宅建筑的用电负荷较低，并且在多数时间中不会达到变压器容量的50%。特别是在用电量较低的春秋季节中，这种情况尤为明显。上述情况导致变压器长时间处于低负荷运行状态，并进一步增加有功损耗，从而极大地降低配电网的能效。本文推荐以下变压器节能方案。

一是选择新型节能变压器。为了提高变压器的运行效率、降低损耗、节约能耗，建议在选购变压器时，应重点选择自适应复合型配电变压器[3]。该变压器设备能够在不同状态下通过调容开关来改变其运行模式，实现变压器容量切换与电压调节，不仅能在满足电能需求的同时，避免了额外的能耗，提高供电能力，同时在额定负荷下的空载损耗也得到了降低，提升了其运行经济性。此外，在选择变压器设备时，还应对设备本身的特点进行充分分析，以形成更为科学和合理的设备选择方案。

二是合理配置变压器数量。除了选择合适类型的变压器设备，相关单位在进行设计时还应根据对应建筑住宅的实际情况，对变压器数量进行合理安排。过去，一些住宅小区为了满足能耗需求，采取多台变压器的设置方案，但实际运行中往往达不到设计预期，反而增加能耗，缺乏经济性[4]。因此，在后续改造时，建议相关单位针对现有的需求进行重新评估，减少变压器的设置数量，以帮助实现能耗的进一步降低。

三是合理把握最小负载功率。根据当前电力负荷情况，变压器的负载率为50%时，其负载功耗小。虽然该方法可以将负载功耗控制到最小，但同时也限制了变压器的经济价值的实现。因此，在实际运行中，建议使用智能监测系统实时监测变压器的负载率，根据实际负载情况合理调整变压器数量，从而确保其负载率维持在恰当的水平，实现节约能耗的目的[5]。同时，在实际操作中，可以对变压器相关配套设施进行优化，如开关柜、母线柜等，以提升变压器的经济性。除此之外，还可以采用电能质量控制器等设备，对变压器的电能质量进行监测，以确保电能的有效利用，从而实现节能减排的目标。

住宅建筑中，低压供配电线缆也是进行节能措施应用的重要项目。随着现代住宅建筑的不断发展，电缆抵抗耗损所导致的能源浪费日益凸显。因此，在进行节能改造过程中，需要采取有效的措施来降低供配电线缆的能量损失。从实际情况来看，在现阶段的建筑电气系统之中，低压电缆的电能输送必然会有一部分以热量的形式耗散，这一部分能量即为相关供配电线缆的功率损耗。而功率损耗的影响因素则是电流和导线电阻，其中电流受到相关电缆连接的负载情况的影响，在工程中随着负载的确定，可有效地明确电流值。

而导线电阻则与其自身的材质、截面、输送距离等息息相关，在工程施工中，随着对电缆导体材质、距离、负荷位置等数据的明确，可以掌握到其具体的电阻值。这些数据可以用来准确计算相关导线的功率损耗。例如，在某栋住宅的设计中，使用了3×2.5铜芯低压电缆，总长度约为1000m。采用内部敷设的措施，电阻值约为0.916Ω/km，计算电流为7.5A，预计导线的损耗约为1.54kWh。当然，随着人们生活水平的提高，使用的导线类型也越来越多样化，因此不同导线在使用过程中的损耗值也不尽相同，但不同线缆使用过程中产生的损耗总和，却是不容忽视的内容[6]。

为了减少低压输电线路损耗程度，节能改造可以从以下两个方面采取措施：降低输变电及配电电缆长度及其阻值。一是减少电缆长度。应尽可能让变电所或变电站处于住宅建筑供配电系统的负荷中心，这样供配电线缆到达任何负荷位置的距离都是相对较短的。缩短供电半径，可显著降低供配电线缆投资和线路损耗。实际配置中，供电半径应控制在100～150m 以内以取得最佳降损效果。

二是降低线缆电阻。线缆截面是影响电阻的关键因素，在选择电缆截面时，应根据实际情况进行选择。合理的选择可以避免后续改造，降低线缆成本（见表2）。综上所述，对于住宅建筑的能耗控制，必须系统地掌握电缆整体能耗情况和经济性。每年因线缆造成的能耗损失较大，如果不能进行充分和合理的控制，将极大地提高住宅能耗水平。因此，节能改造措施必须科学、合理，可通过减少线缆长度和降低线缆电阻等措施来实现节能目标。

表2 两种电缆的选择方法及节能效果对比

除了从正常照明、变压器使用和选择、电缆改造入手外，还可以从以下方面进行提高能效和减少能耗方面着手：一是选用高效设备：使用高效的能源设备、节能灯等，可以降低建筑总能耗，此外在安装并正确使用传感器、节流阀等设备的情况下，也能实现预期的节能效果。

二是优化系统设计：通过对各种系统进行优化，比如通过增加温控触点、改善通风、通风增加空气流量以及系统温度、湿度、风速和压力的控制，可以减少浪费和耗能，从而提高能效。

三是采用新技术：如利用太阳能、地热能、风能或地下水能等，在合适的地点安装适当的装置产生清洁的、可再生的能源，以降低传统燃料的使用和污染排放。同时，使用数字化自动化智能化的系统，可以实时监测和管理能源使用状况，降低建筑能耗。

四是教育培训：通过加强对建筑能耗的科普宣传、开展教育培训和推广先进的节能技术，营造全民参与节能社会氛围，进一步推动能源消费方式的转变。

降低建筑能耗是未来建筑发展的必然要求。根据以上分析，可以从多方面入手，采取综合措施，降低建筑能耗，促进经济社会的可持续发展。

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