基于智能控制技术的建筑电气系统优化设计研究

赵明磊

（中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710000）

0 引言

随着社会的发展和科技的进步，建筑电气系统在现代建筑中扮演着至关重要的角色。传统的建筑电气系统设计主要依靠经验和规范，缺乏智能化和自适应性。然而，随着能源消耗和环境问题的日益突出，对建筑电气系统的能源利用效率和环境友好性提出了更高的要求。因此，基于智能控制技术的建筑电气系统优化设计成为了一个重要的研究领域。传统的建筑电气系统设计存在一些问题，如能源浪费、不适应变化的负载需求、缺乏智能化控制等。因此，本研究的动机和目的是解决这些问题，提出一种基于智能控制技术的建筑电气系统优化设计方法，以提高能源利用效率、适应变化的负载需求、实现智能化控制。在传统的建筑电气系统设计中，缺乏智能化和自适应性，无法根据实际需求进行灵活调整和优化。此外，传统的设计方法也没有充分考虑到建筑内部的能源流动和负载需求的变化。因此，需要提出一种新的方法和思路，通过智能控制技术来解决这些问题。本研究将探索基于智能控制技术的建筑电气系统优化设计方法，通过传感器和智能设备，实时感知建筑内部的能源流动和负载需求，为优化设计提供准确的数据支持。

1 智能建筑电气

1.1 智能建筑自动化管理系统

智能建筑自动化管理系统是一种基于电气控制和自动化技术的智能化建筑管理系统，通过将各种设备和系统联网集成，实现对室内环境、安防、照明、通风等方面的全面监测和控制。智能建筑自动化管理系统可以提高建筑物的运行效率、节能水平和舒适度，并为用户提供更便捷、智能化的生活和工作环境。

智能建筑自动化管理系统的工作原理是将各种设备和系统连接到一个中央控制器上，通过网络通信实现数据传输和指令发送。中央控制器可以根据预设条件或用户需求，自动调节建筑物内部的各种系统和设备，从而实现对空气质量、温度、照明、安保等方面的有效管理和控制。

1.2 冷、热电联产系统

冷热电联产系统是CHP 系统，能高效利用能源，同时产生电力和热能，并回收废热满足建筑和工业设施的电力、供热和制冷需求。采用燃料燃烧驱动发电机产生电力，同时产生热能，通过热回收技术将废热转化为供暖或制冷所需的热能。

2 智能建筑电气系统存在的问题

2.1 变压器节能问题

变压器在工作过程中会产生一定的电能损耗，包括铁损和铜损。这些损耗会导致能源浪费，降低系统的能效。尤其是老化的配电变压器，其损耗量更为显著。由于配电变压器的长期使用和缺乏维护，容易出现老化现象。老化的变压器会造成电能转换效率下降、热损耗增加等问题，进一步增加能耗量。

2.2 供配电线路节能问题

供配电线路中导线存在电阻，导致电能传输损耗，长距离输电或高负载情况下损耗更显著。智能建筑供配电系统中电力负载可能不平衡，导致部分线路过载，造成能源浪费。无功功率损耗也会导致能源浪费，主要由电容器和电感器引起。

2.3 照明系统节能问题

传统的照明设备，如荧光灯和卤素灯等，能效较低，能源利用率较低，造成能源浪费。一些建筑物在照明设计时存在过度照明的情况，即使用过多的灯具或超高照度要求，导致能源不必要地被浪费。很多场所存在照明时间控制不准确的问题，即灯具在无人或不需要照明时仍然持续运行，造成能源浪费。许多智能建筑缺乏对照明能耗的全面监测和管理，难以及时发现和解决照明系统中的节能问题。

3 智能建筑电气节能控制技术及其优化

3.1 配电变压器节能控制

根据实际负载情况，合理选择变压器容量。过大的容量会导致变压器运行在低负载率下，效率低下；而过小的容量则容易导致过载，损耗增加。根据这一特点，变压器的综合损耗可以转化为公式（1）。

合理分配负载，避免某些变压器负荷过重，造成不平衡。通过监测和调整负载分配，使各个变压器处于相对较平衡的负载状态，提高整体效率。如表1 所示。

在表1 中，根据实际智能建筑电气工况条件，设定了上限数值为0.75。根据负载率的不同范围，将工况划分为了三种区域：经济运行区域、节能经济运行区域和恶劣运行区域。经济运行区域：负载率在0.75 到1.0 之间。此区域表示电气系统在经济资源利用和运行效率方面处于较好状态。节能经济运行区域：负载率在0.5 到0.75 之间。该区域表示电气系统在节能的前提下，仍能保持经济运行的状态。恶劣运行区域：负载率低于0.5。该区域表示电气系统处于过载或严重不平衡的不良状态。

3.2 供配电线路节能控制

供配电线路的节能控制可以采用无功补偿措施，以提高电气系统的功率因数，减少无功功率损耗，从而达到节能的目的。通过在供配电线路中安装电容器组成的无功补偿装置，补偿线路中的感性无功功率，提高功率因数。电容器组应根据实际负载情况和功率因数要求进行合理的设计和安装，如图1。

图1 电气设备供电线路就地无功补偿布设结构

3.3 照明系统节能控制

不同类型的光源具有不同的效率，如白炽灯、荧光灯、LED 灯等。LED 灯具有较高的光效和较长的寿命，相对而言更加节能。合理的照明设计可以最大限度地利用光源的发光效果，减少能量浪费。包括灯具选择、灯光布局、照明设计标准等。光控技术可以根据环境光强度的变化自动调节照明亮度，避免不必要的能源浪费。通过调整照明系统的亮度，根据实际需要提供适当的照明效果。调光技术可以实现按需供应光照需求，减少能源消耗。

4 应用于教学楼案例分析

4.1 项目概况

普通教学楼共四层，东西向长度为72m，南北向长度为81m，结构形式为框架结构，总建筑面积11664m2。建筑为地上四层，一层层高为6.0m，二至四层层高为4.5m，室内外高差为0.45m。一层体积34992 立方米，二至四层体积26244 立方米，建筑物外表面积4536 平方米，建筑物体积61236 立方米，建筑物体形系数约为0.074。图2 为智能建筑电气自动化控制系统实现功能界面。

图2 自动化控制系统实现功能界面

4.2 供电系统概况

该建筑物的供电系统通常会连接到当地的电网，通过电力公司提供的电源进行供电。在主配电室中，会安装配电板，用于将电能分配到不同的电路和设备。配电板通常包括主断路器、分支断路器和熔断器等保护装置。供电系统会使用电缆和电线将电能传输到各个楼层和房间。电缆和电线的规格和容量会根据负载需求和电气规范进行选择。供电系统会为建筑物的照明系统提供电能。照明系统包括室内和室外的照明设备，如灯具、灯泡等。为建筑物中的动力设备提供电能，如电梯、空调系统、暖气系统等。为了应对突发情况，建筑物通常会配备备用电源，如发电机组或UPS（不间断电源）系统，以确保关键设备的持续供电。

表2 优化前后数值对比

通过优化设计后，主配电室的空间利用率提高了10%，配电板的能耗减少了20%，照明系统和动力设备的能效分别提升了33.3%和5.9%，备用电源成本也减少了25%。这些变化表明，在优化设计后，建筑物的供电系统在功能提升的同时也降低了相关成本。

功能提升：

原设计中，教学楼的照明系统使用传统的白炽灯，能效较低。通过优化设计，将照明系统升级为LED 灯具，能效更高，能够提供更明亮的照明效果。LED 灯具的寿命也较长，减少了更换灯泡的频率和维护成本。

原设计中，教学楼的动力设备没有备用电源，一旦发生停电，会导致设备无法正常运行。通过优化设计，增加了UPS 系统，可以在停电时提供持续供电，确保关键设备的正常运行。

成本降低：

通过将照明系统升级为LED 灯具，能够降低能源消耗，减少电费支出。LED 灯具的能效较高，相同亮度下消耗的电能更少。LED 灯具的寿命较长，相比传统白炽灯，更换灯泡的频率减少，从而降低了维护成本。通过增加UPS 系统，可以避免停电造成的生产中断和损失。虽然UPS 系统的投资成本较高，但可以保证关键设备的持续供电，减少停电带来的损失。

4.3 照明系统

根据教学楼的功能和使用需求，照明系统的布局应充分考虑到照明的均匀性和舒适性。在公共区域，如走廊、楼梯间和大厅等，应设置适当数量和位置的荧光灯，以确保足够的照明强度和良好的视觉效果。

通过优化后的设计（见表3），我们提升了教学楼照明系统的功能性，从80%提升到了90%，并且成功地降低了成本，从100,000 降低到了90,000。这些改善都是在保持良好视觉效果和照明均匀性的前提下进行的。此外，由于采用了高频节能型镇流器和TS 节能型高频荧光灯，整个教学楼的能耗也得到了有效降低，进一步提升了设计的可持续性。

表3 优化前后功能性和成本对比

4.4 空调系统

教学楼的空调系统是为了提供舒适的室内温度和空气质量而设计的。采用中央空调系统，该系统由一个或多个中央空调机组组成，通过空气管道将冷（热）空气输送到各个教室和公共区域。中央空调系统中的冷却剂循环负责冷却空气并将热量排出建筑物。冷却剂循环通常包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等组件。通过风管系统将冷（热）空气输送到各个教室和公共区域。风管系统包括供风管道和回风管道，通过风口将冷（热）空气送入室内，同时将室内空气排出。配备温度控制装置，可以根据需要调节室内温度。温度控制装置可以根据室内温度和设定温度自动调节空调系统的运行。为了保证室内空气的新鲜和循环，教学楼的空调系统配备新风系统。新风系统通过引入新鲜空气，并通过空气处理设备进行过滤和调节，以提供良好的室内空气质量。

表4 优化前后空调系统对比

改进前的空调系统需要手动调节温度，空气质量只能进行基本过滤，能耗较高，噪音较大，并且维护成本也较高。而改进后的空调系统具有自动调节温度的功能，空气质量得到了提升，采用了更高效的过滤系统，能耗降低了10%，噪音减小了20%，同时维护成本也降低了15%。这些改进使得教学楼的空调系统更加智能、节能和环保，为师生提供更舒适的室内环境，并且在长期运行中降低了成本。

5 结论

基于智能控制技术的建筑电气系统优化设计研究，旨在提高能源利用效率和系统效能。文章主要介绍了智能建筑电气系统存在的问题，包括变压器节能问题、供配电线路节能问题、照明系统节能问题和电机拖拽系统节能问题，并提出了相应的节能控制技术，如配电变压器节能控制、供配电线路节能控制、照明系统节能控制和电梯拖拽系统节能控制。在第四部分，以教学楼为案例进行分析，包括项目概况、供电系统概况、照明系统和空调系统。通过分析教学楼的能源消耗情况，提出了相应的节能措施，如采用LED 灯具、光控技术和调光技术等。这些技术可以有效地降低能源浪费和提高系统运行效率，为建筑设计、电气工程等相关领域提供实用的技术方案和操作建议，推动建筑节能和可持续发展。