住宅建筑的电气节能技术分析

马曙光

0 引言

现代城市的大规模扩张使得生产和工业发展的能源需求激增，大量的人口集聚也促使能源供求关系失去平衡，导致能源短缺现象频繁出现。大量的能源消耗，导致煤炭、石油、天然气等不可再生资源日渐贫乏，供给关系发生了不同程度的变化，制约了社会和经济的可持续发展。尽管我国是一个能源大国，在各种能源的储备上具有一定的优势，但是人均能源占比较小，并且大量的电力、煤气等能源消耗促进国家层面出台节能减排政策和“碳中和、碳达峰”战略。在建筑行业，能源的利用率较低，在建造和使用的过程中都存在着能源损失和浪费现象。特别是在电气电力使用方面，由于长期以来相对落后的建筑节能技术，导致我国的住宅建筑大量使用高耗能电力电气设备，供配电系统、照明系统、通风空调系统等消耗的电力占居民总用电量的80%以上，因此研究分析住宅建筑中的电气节能技术可以有效缓解目前建筑电力能耗比重过大的问题，从而营造了舒适、健康、绿色的建筑环境，达到了降低二氧化碳排放和构建绿色可持续建筑的目的。

1 工程概况

内蒙古呼和浩特市某安置房小区一期位于城区东北角区域核心商圈范围，附近已有配套公用设施，交通便利。项目包含4 栋住宅楼，均为混凝土框剪结构，楼栋地上建设15 层，地下建设1 层地下车库，小区现有住户130 户，每户建筑面积约98m，根据设计规范，每个楼栋内的电力设计负荷为15kW，使用三相线路进行公共电，小区共配备了5 台总配电箱，住宅性质修正系数为2.5，生活水平修正系数为0.85，环境气候系数为1.10。正常照明采用LED 光源灯具，比如卧室和餐厅，照度标准达到150lx 以上，采用吸顶安装；对于活动频繁的区域比如客厅，照度标准达到300lx 左右，采用灯带安装。小区住户空调一般选用国产变频节能空调，在夏季炎热季节，室内温度控制在26℃左右。在通风空调使用过程中采用日常维护的措施，保持开空调的正常功能，同时建筑外墙敷设了保温隔热措施，减少夏季冷气和冬季暖气的消散，降低空气设备的负荷。

2 住宅建筑的电气节能技术分析

2.1 住宅建筑供配电系统节能技术分析

为了更好地对供配电系统进行能耗降低，提高能源利用效益，降低不必要的电力浪费，有必要对供配电线路的能源损耗进行研究。在目前的供配电线路能源损耗计算中，以等值电阻法为代表的理论计算应用较为广泛，其具体的计算公式如方程（1）～方程（5）所示。

式中，∆是建筑电气使用过程中，供电线路系统消耗的功率能耗； P、 Q分别是供电线路的有功功率损耗、无功功率损耗；、 R分别是供电线路的电流和电阻；U为额度电压；是供配电线路的结构系数；m 为总的供配电线路数目。

将方程式（1）以等效电阻率 R进行换算，如方程式（2）所示。

可得线路等效电阻率 R

式中，S为供配电系统的总额定功率；S 为总视在功率；S为第i 条供配电系统的视在功率；K 为负荷系数。

以同样的计算方法，可以得到变压器等效电阻率 R，如方程（5）所示。

式中，∆P为变压器的短路功率损耗，m为变压器的总数目。在住宅建筑中，变压器在供配电系统中具有十分重要的作用，但是受到控制方式的影响，变压器往往没有采取有效的节能措施，导致其电力能源消耗占到供配电系统总能耗的45%以上，在材质的选择上，普通的住宅建筑一般选择S9 型变压器，而在一些老旧小区中使用的是更为落后的S7 型变压器。对小区的变压器在秋季和冬季的变压器负荷率进行统计分析，结果如图1 所示。

图1 住宅建筑秋冬季节变压器负荷率随时间的变化曲线

从图1 中可以明显看出，小区冬季的变压器负荷率明显大于秋季的变压器负荷率，且在18:00～24:00 时间段内，春季和秋季的变压器负荷率均呈现明显峰值。

通过仿真分析软件对小区的变压器的节能效果进行优化，将三相负荷效果设置为3 个等级，分别30kW、60kW 和90kW，以研究电流随着时间的变化情况，计算结果如图2 所示。从图中可以看出，初始阶段，三相电流的幅值变化存在明显差异，按三相负荷功率从大到小的顺序依次减小，具有电流不平衡现象。SADT 在时间约2.185s 处自动换相，换相后三相电流幅值开始趋于一致，有效地改善了配电网中的三相不平衡电流。

图2 变压器不同初始负荷在变相前后的电流曲线

2.2 住宅建筑照明系统节能技术分析

无论是公共建筑还是住宅建筑，居民对于建筑空间的照明都具有显著的需求，这不仅是为了营造良好的视觉环境的需要，而且也是创造舒适居住空间，为居民提供一个放松健康的生活环境的需要。照明系统是住宅建筑中能耗的重要组成部分，其比例可以达到建筑总能耗的25%左右，造成建筑照明系统能耗高的主要原因就是我国大部分的小区建筑没有配备节能控制设备，同时在设计阶段，对照度指标的设计不够合理，甚至在城区的住宅建筑中选用了最大日功率为1800w 的照明设备，造成光源的电力消耗过大、光效偏低、照明质量下降。

在住宅建筑的照明系统节能中，为保证照明效果，需要从照明的亮度分布、照度均匀度、光线的显色性和眩光控制水平4 个方面进行分析。在亮度分布上，人在建筑空间中的感受与活动区域的亮度和相邻环境的亮度差异有关，当活动区域的亮度明显大于周边环境时，人的视觉就会更加集中，因此照明系统的节能实现时，可以控制活动区域与非活动区域的亮度差异，避免非活动区域电力能源的消耗；在照度的均匀性上，是指在空间上能够提供照度均匀的亮度，这可以通过调节光源的间距和空间布置达到光线趋于均匀的目的，同时使用宽配光的光源也能改善光源照度的平衡，在电气节能过程中应考虑到照明河北由于使用年限增长导致的光效降低、照度均匀性下降；在光源的显色性方面，光照射在物体上反射不同的颜色，同时光源由于发出的光谱频段不同也会表现出不同颜色，这些颜色不仅影响人的视觉，也会影响人的心理，在相同的照度条件先，不同的颜色光源给使用者的视觉和心理感受不同，比如低色温往往给人以温馨放松的暗示，而高色温则给人以热烈且沉重的感觉；在光源的眩光控制水平方面，由于强光源给使用者视觉神经系统造成的冲击引起的，在不同的环境中应根据使用目的选用不同能耗的照明系统，以降低对居民身体健康的危害。

从表1 中的对比中可以看出，紧凑型荧光灯的光源功效最小，为65lm·W，LED 光源的功效最大，为150lm·W，普通荧光灯和三基色荧光灯的功效基于两者之间，分别为75 lm·W、90 lm·W；在显色指数方面，紧凑型荧光灯的显色指数最大，为90，而LED 光源的显色指数最小，为65，三基色荧光灯和紧凑型荧光灯的显色指数介于两者之间；在使用周期上，LED 光源远远大于其他三种照明设备，大于50 000h，且可控性上也表现优异。因此在住宅建筑的照明系统的配备上，应优先选用LED 光源。

表1 住宅建筑不同类型照明光源的能耗和功效对比

2.3 住宅建筑通风空调系统节能技术分析

为了更好地对住宅建筑的通风空调系统进行节能技术分析，在现有的计算方法中，SIM 法（模拟归纳法）具有边界条件少、输入参数少、计算准确等优点，它通过对大量的实际发生数据进行统计、归纳、验算得到相应的计算结论，计算过程简单，计算的通风空调能耗与实际偏差较小，客厅空调电力消耗E和卧室能源消耗E的具体计算公式分别如方程（6）、方程（7）所示。

式中，S 代表客厅或卧室的面积，ρ 代表空调的使用率，T 代表温度，EER 代表客厅或卧室的空调额度能效比。

图3 为基于SIM 法的卧室空调能耗、客厅空调能耗随着时间的变化曲线，从图中可以看出，小区住宅的空调使用时间较为集中，在0:00～18:00 时间段内，空调的能耗均低于0.05kWh，而在18:00～22:00 时间段为客厅的空调能耗高峰期；在18:00～4:00 时间段为卧室的空调能耗高峰期。在实际空调节能中，可以在空调使用高峰段通过调整方程（5）、方程（6）中的参数达到节能优化的效果。

图3 小区住宅建筑空调能耗随时间的变化曲线

3 结论

以内蒙古呼和浩特市某安置房小区一期工程为研究对象，从供配电系统、照明系统、通风空调系统3 个方面展开电气节能技术分析，得出以下结论：

（1）小区冬季的变压器负荷率明显大于秋季的变压器负荷率，且在18:00～24:00 时间段内，春季和秋季的变压器负荷率均呈现明显峰值。基于等值电阻法对变压器进行优化，有效地改善了配电网中的三相不平衡电流；

（2）在住宅建筑的照明系统的配备上，LED 光源具有较好的光源功效、使用周期和可控制性，应优先选用作为照明节能手段；

（3）基于SIM 法的卧室空调能耗、客厅空调能耗进行计算，并在空调使用高峰时段通过调整方程（5）、方程（6）中的参数达到节能优化的效果。