建筑的电气节能技术研究

摘 要

 在全球能源短缺的背景下，寻求突破资源环境限制之法是当务之急，也是保证社会经济有条不紊、长期稳定发展的必然选择。我国建筑能耗问题迫在眉睫，其中住宅建筑能源消耗情况比较严重，其能耗主要来源为生活用电设备的电力消耗，几乎占据了总能耗的 80%。加大可再生能源利用率，提高电气系统能效是突破能源桎梏的重要手段。我国已建住宅中，将近 90%的能效都不满足节能建筑的标准。住宅建筑在设计过程中往往因过度重视经济效益，从而忽略了建筑节能设计，导致大量小区能耗问题随使用时间增加愈加严重。诸如“大马拉小车”、配电线路设计不合理、照明质量差、“长明灯”、空调能耗居高不下等问题在住宅建筑电气系统中屡见不鲜。

本文首先对建筑电气的节能技术理论进行详细地阐述，对节能型变压器的选择、变频器的有效使用，风机、水泵以及电梯的节能技术特性进行概括。从节能效果和经济效益两方面，与传统电设备的使用技术作出对比，突出新型建筑电气设备的节能优势。另外，对建筑电气照明的节能技术进行详细分析，围绕照明节能灯具、照明合理配光、照明配电系统的优化设计、照明控制方式的有效手段等四个方面的内容作出具体阐述。其次，我国的太阳能资源、水利资源等可再生能源存在非常大的利用空间，但在住宅建筑中的实际应用率并不高。因此本文就太阳能、地热能以及生物质能等清洁能源在不同地区住宅建筑中的适用性及其具体应用方式提出设计思路。

 关键词：建筑电气节能；节能技术；可再生能源

1引 言

随着城镇化建设与社会经济发展的不断提速，能源供需关系日趋紧张，如何破解资源环境的制约成为社会可持续发展的关键性问题。据文献[1]中的统计数据：2018年，全社会总能耗折合成煤耗量约为 471,925 万吨（标准煤），人均 3,388 千克（标准煤），能源消费以 3.5%的速度在增长；全年电力消费总量 711,508.2 亿千瓦时，电力消费以8.5%的速度增长；全年进口总额 140,880 亿元，其中煤和原油等主要能源进口量合计74,399 万吨。由此可见，现代社会经济的发展需要稳定的能源供给作为支撑，解决能源供需问题刻不容缓。我国的能源资源总量虽大，但人均分配量小。2006 年，我国在册 10,345 亿吨，占全球总量 13% [1]；在册的水利年发电量合 7.95 万亿千瓦时，占总量的 12%，世界排名第一。但是由于人口众多，我国各类能源资源的人均占有量都低于世界水平，与全球能源资源人均持有量相比：我国人均煤炭持有量、人均水资源持有量均低于全球同类能源资源人均持有量的 1/2；天然气资源人均持有量、耕地资源人均持有量则分别约为全球同类能源资源人均持有量的 1/15 和 1/3。

此外，我国能源分布不均，而且在能源开发与利用过程中存在开发难度高、运输距离远等难题。我国的煤炭、水利、石油以及天然气等资源主要分布在西北、西南、西部以及部分海域各区域，但是能源需求量最大的却是东南沿海的发达城市。而且以上大多数资源主要贮藏在山谷沟壑等开采条件差的地方，这极大地增加了开发成本以及运输消耗。为缓解我国能源紧张问题，国家开始制定能源发展战略，将“节能减排”作为国家政策在全国范围内推广实施，并 2016 年，正式发布《节约能源法》修订案。在能源需求如此紧张的情况下，我国目前的能源有效利用率与其他发达国家相比却十分低下，在能源的开采、加工、转换和储运以及终端利用的过程中损失和浪费惊人。与此同时，单位面积的环境负荷量也高出全球平均水平的 5 倍以上，按人均计算，中国的 CO 2 排放量已经达到 10 吨，超过了欧盟、日本等发达经济体国家的历史最高水平。以建筑业为例，据国际能源署（IEA）统计数据显示：2018 年，全世界建筑建造和建筑运行相关的能源消耗是总能源消耗量的37%；全球建筑建造产生CO 2 占总量11%，建筑运行产生的 CO 2 占总量的 28%。据清华大学相关统计数据显示，我国建筑行业每年产生的 CO 2 约是全社会全年总释放量的 42%，主要为建筑运行时所排放的 CO 2 。与已经完成城镇化建设期的国家相比，我国在建筑能耗及 CO 2 排放的控制上还有较长的路要走。因此我国必须大力推进能源的消费与供给革命，加快构建清洁、安全、可持续的现代能源体系，抑制不合理的能源消费方式，坚决控制能源消费总量，有效落实节能优先方针，将节能理念贯穿于经济社会发展全过程和各领域。研究文献[2]发现，2018 年，我国的城镇住宅、农村住宅、公共建筑在民用建筑建造总能耗中，对应的能耗百分比分别为 42%、14%和 44% [3] 。随着大量农村人口向城镇转移以及城镇化建设的推进，预计住宅建筑住房面积将以 8~10 亿平方米的年增长量持续攀升。以 2000~2011 年我国住宅面积变化为例，建筑总面积由 44 亿平方米变为 151亿平方米，是原来的三倍左右。

我国建筑节能技术相对落后，大量现有住宅建筑一直处于高能耗运行状态，而住宅中 80%的能源消耗都是电力消耗。我国每年超过年总发电量 10%的电能几乎都是用于建筑电气设备用电，电能消耗的同时也伴随着大量的 CO 2 产生，加剧环境恶化。统计显示，2011 年，我国城镇住宅全年耗电量消耗为 3,566 亿千瓦时。住宅建筑中主要的电气消耗来自空调、照明、用于炊事的电力消耗、用于生活热水的电力消耗以及夏热冬冷地区部分冬季采暖消耗等，其中空调系统能耗占比 40%左右，照明约为 20%。因此，建筑电气节能可以从以上两个系统入手，并有条不紊地向其他电气系统进行展开，全面而系统地评价各个系统环节的节能指标，作出相应的节能优化措施。随着建筑的电气自动化程度越高，电气能耗仍将持续增加，所以深入研究建筑节能，尤其是做好住宅建筑电气节能研究的工作显得极为重要，这也是优化我国现有能源结构，实现社会经济健康发展的重要技术手段。

可再生能源技术与建筑电气系统的有效结合将会成为缓解住宅建筑能源问题的重要技术方向。如果能用可再生能源替代或部分替代住宅建筑中的一些常用能源，将在一定程度上能够减少电力能源以及煤炭能源的消耗，同时有效地降低 CO 2 排放量进而减少空气环境污染，这对营造安全舒适的建筑环境、构建人与自然和谐的环境友好型社会起到积极促进作用，具备深入研究和推广应用的价值。

2建筑电气节能技术的分析

2.1 变压器的节能技术分析

2.1.1 变压器的主要技术参数

变压器在理想工作条件下的技术数据分为性能参数和额定参数两种[4]。其中额定容量、一次侧额定电压、二次侧额定电压、额定电流属于额定参数，空载损耗、空载电流、短路损耗以及短路电压属于性能参数。

一、空载电流

当变压器二次绕组开路，一次绕组两端施加额定电压时，一次绕组中会产生空载电流I0。

式中 I0—空载电流，单位 A；

Ioa—空载电流有功分量，单位 A；

I0r—空载电流无功分量，单位 A；

空载电流的无功分量 I0r 的波形是含有奇次谐波的非正弦波形，各次谐波的大小如表 2.1 所示。

在实际工程中 I0 通常以额定电流的百分数表示。

式中 I0—空载电流，单位 A；

I1N—变压器一次绕组额定电流，单位 A；

变压器的容量越大，空载电流的百分比越小。目前，在 S9 以上的新型变压器中，因采用了卷铁心结构以及新的叠片工艺，空载电流都降到了 2％以下，1000KVA 以上的变压器都降到了 1％以下。变压器在实际运行过程中，通常忽略空载电流所产生的影响。

二、空载损耗

当变压器一次绕组施加额定频率的额定电压时，二次绕组开路没有功率输出，从一次绕组输入的有功功率全部转化为电阻损耗，称作空载损耗 P0[5]。空载电流的有功分量 I0a 是相当于空载损耗的分量，忽略一次绕组的空载损耗又称为铁损耗。空载损耗 P0 的计算如公式。

式中 P0—空载损耗（W）；

K0—附加损耗系数取 1.5～1.3；

p1—对应于铁心磁通密度的单位损耗（W/kg）；

G1—铁心重量（kg）；

三、短路电压

变压器二次绕组短路，一次绕组流过额定电流，此时一次绕组两端施加的电压称为额定电压 UZ。通常 UZ 以额定的百分数表示，如公式 2.4 所示。

阻抗电压百分比由电阻、电抗电压百分比 Ux、Ur 组成。一般条件下，大容量变压器 Ux/Ur 为 10～15。中小容量变压器 Ux/Ur 为 1～5。通常，阻抗电压的百分比 Uz（％）为短路阻抗的百分比，变压器的成本和性能、系统稳定和供电质量与短路阻抗的大小密切相关。标准系列电力变压器的短路阻抗值如表 2.2 所示。

2.1.2 变压器的损耗

一、有功功率损耗

有功功率损耗包括两部分，一是空载损耗，它是主磁通量在变压器的铁心中消耗的有功功率，其大小受电压和频率的影响，当变压器在一定电压和频率的条件下工作时，它的数值为常数。二是负载损耗，它是负荷电流在变压器一、二次绕组中消耗的有功功率，与电流的平方成正比。有功功率损耗的计算公式如 2.5所示。

式中 Sjs—变压器计算负荷（kVA）；

Sr—变压器额定容量（kVA）；

△P0—变压器空载有功损耗（kW）；

△Pk—变压器满载（短路）有功损耗（kW）；

二、无功功率损耗

无功功率由两部分组成，一是变压器空载运行时，励磁电流消耗的无功功率，二是负荷电流在一、二次绕组的电抗上消耗的无功功率[6]。无功功率损耗的计算公式如 2.6 所示。

式中 △Q0—空载无功损耗；

I0％—空载电流所占百分比；

△Qk—短路无功损耗；

uk％—阻抗电压百分比；

2.1.3 节能型变压器的选择

合理选择节能型变压器能够有效地减少电能的损耗，变压器的确定应该从运行效率、电能损耗程度、节约运行费用等几个方面进行综合考虑。

一、按变压器效率最高时负荷率βm 选型

根据建筑物的功能和复杂程度确定计算负荷，然后得出变压器的总装机容量[7]。

式中 SN—变压器总装机容量；

Pjs—建筑物有功计算负荷；

cosφ—补偿后功率因数，≥0.9；

β—变压器负荷率；

当负荷率βm 值符合公式 2.10 时，变压器的运行效率最高，节能效果最佳。

式中 β—变压器负荷率；

βm—变压器效率最高时负荷率；

R—变压器损耗比；

以国产 SGL 型电力变压器为例，负荷损耗与负荷率之间的数值对应关系。

由表 2.3 可知，Pjs 一般为 30min 平均最大负荷的统计值，由于负载端用电时间的不确定性，民用建筑绝大部分时间的实际负荷小于建筑物的计算负荷。对于消防要求较高的建筑场所，宜采用干式低损耗节能型变压器。高损耗变压器和节能型变压器性能比较。

二、按变压器节能负荷率βj 选型

在不同的时间段，民用建筑的实际运行负荷在不断变化。因此，在计算变压器的电能损耗时，应结合最大负荷利用时间和负荷损耗时间来近似计算，如公式2.11 所示。

式中 β—计算负荷率；

Tb—变压器年投运行时间；

τ—年最大负荷损耗时间；

用户端电力负荷年消耗有功电能计算公式如 2.12 所示。

式中 W—用户电力负荷年消耗有功电能；

β—计算负荷率；

SN—变压器额定容量；

cosφ—补偿后的平均功率因数，≥0.9；

Tm—年最大负荷利用时间；

式中 △W％—变压器年有功电能损耗率；

△Wb—变压器年有功电能损耗；

W—用户电力负荷年消耗有功电能；

对变压器年有功电能损耗率与计算负荷率的比求导，可得出变压器年负荷节能率最小值。

式中 βj—变压器节能负荷率；

βm—变压器效率最高时负荷率；

Tb—变压器年投运行时间；

τ—年最大负荷损耗时间；

当变压器节能负荷率取值βj 时，计算容量年有功电能损耗率最小，βj 值的大小受 τ值的影响。因此，根据节能负荷率选择变压器容量是最佳选择。

2.2 变频器的节能技术分析

2.2.1 变频器的工作原理

变频器通过改变电源的工作频率来实现对交流异步电动机的各种控制作用[8]。常见的变频技术分为直接变频技术和间接变频技术两种，由于输出频率较低，直接变频技术逐渐被淘汰。目前，比较常用的变频工作方式为 AC-DC-AC。其工作原理如图 2.1 所示。

2.2.2 变频器的连接方式

在建筑电气设计中，笼型电动机与绕线转子的启动方式应该按照机械工作的实际需要进行速度匹配。多采用变频器串联的一带一方式，如图 2.2 所示。

当变频器采用一带多的连接方式时，一般只在普通场所的负荷中投入使用。在特别重要场所的负荷中使用时，多为一用一备的连接方式。图 2.3 为一个变频器带动多个电动机的控制方式。

2.2.3 变频器的节能控制方式

一、变频调速节能

电动机通过变频器不断调整自身的运行速度，增加其在最大负荷状态下运行时的驱动压力，使电动机在恒压状态下以低速运行，从而实现节约电能的目的。其转速与功率的变化关系。

式中 N1/N2—电动机转速；

P1—转速为 N1 时的电机功率；

P2—转速为 N2 时的电机功率；

由公式 2.15 可知，降低电动机的运转速度，能够得到立方级的节能效果。

二、变频自带软起动功能

当电机全压启动时，需要从电网吸收 7 倍的额定电流来满足电机启动力矩的需要。采用软起动的控制方式后，能够增强电网工作环境的稳定性，减少用电设备因变频转速而产生的电能损耗，提高了用电设备的节能效率和使用寿命。

2.3 风机、水泵的节能技术分析

2.3.1 水泵的设备负荷

风机和水泵是产生动力能耗的主要传输设备，在节能方面具有很大的提升潜

力[8]。水泵的功率由三部分组成，它们分别是动力机的匹配功率、水泵轴所做的有效功率、泵内损失功率。它与风机的负载特性如公式 2.16 所示。

式中 Pe—水泵的实际有效功率；

Q—水量、风量；

H—扬程，水泵进、出口断面的单位能量差；

ρ—被抽液体的密度；

g—重力加速度；

由上述公式可以看出，水泵做功的大小与单位体积的水量和风量成正比。因此，通过变频器改变电动机的转动速度，能够增加或者降低风机和水泵的工作流量，使它们在额定状态下运行时保持一定的节能效率。

2.3.2 动力机配套功率

动力机配套功率是指水泵原动机输出功率和和与其相对应的配套功率[9]。动力机的配套功率应根据水泵的轴功率和水泵运行时所带的负荷来确定，如公式2.17 所示。

式中 Pg—动力机配套输出功率；

K—动力机输出功率备用系数；

P—水泵的原动机输出功率；

考虑水泵陈旧时的功率增加或意外的附加功率损失等因素，风机功率备用系数可参考表 2.5 中的取值。合理选择动力机功率的备用系数，能够有效地增加水泵做功的有功功率，降低机械阻力对水泵轴功率的影响。

2.3.3 水泵的传递效率

水泵的传递效率是指液体所做的有效功占实际输入功率的百分比，液体经过水泵后，会因水流压力和机械作用力而损失一部分使用功率。水泵轴功率受传递效率的影响，如公式 2.18 所示。

式中 η—水泵的传递效率；

Pe—水泵的有功功率；

P—水泵的输入功率；

在实际工程中，通过合理操作减少水泵动力损失、水流压力损失、质量泄漏损失，能够将水泵的传递效率控制在 60％～80％的有效范围之内。在这方面可以通过正确设计水泵部件的几何精度，从而克服液体流量带来的机械损失。

2.4 电梯的节能技术分析

2.4.1 改进机械传动和电力拖动系统

改进电力拖动系统，提升电梯的机械传动效率，是实现电梯节能的重要环节[10]。电梯在高速运行过程中，电动机的额定转速相对较高，输出转矩则相对较低。在停稳过程中，需要用到减速机构减小转速、提高转矩，间接地驱动曳引轮，而不是直接对曳引轮进行驱动控制。目前，高层民用建筑多采用运行效率低的蜗杆式传动电梯。所以为了实现电梯的有效节能，可采取提高电动机传动效率的节能技术。与传统的蜗轮蜗杆异步曳引机相比，永磁同步无齿轮驱动技术具有噪声小、节能效率高、制造成本低的优势。这项技术将电动机与曳引轮组合应用，实现了电梯驱动技术的改革，有效地减少了 35％以上的电路损耗，具有重量轻、振动轻、体积小等优点。在电力拖动系统方面，用变频调压调速拖动系统替代交流双速拖动系统后，也能有效地减少 20％以上的电能损失。

2.4.2 更新电梯轿厢照明系统

一、采用高效节能的照明灯具

传统的电梯轿厢照明通常使用 6～8 个为一组的 25W 白炽灯或日光灯进行照明控制，采用 LED 新型节能灯具进行替代后，能够实现 90％左右的照明用电量节能。在灯具性能方面，LED 节能灯具的使用寿命为常规灯具的 30～50 倍，热量仅为常规灯具的 4％左右，而且能够营造良好的照明环境。另外，在建筑物条件允许的情况下，可适当采用观光电梯，这样也能大量减少照明用电量的消耗。

二、采用绿色节能技术

将风能、太阳能、地热能等绿色节能技术作为降低电梯照明能耗的辅助手段能够得到良好的经济效益回报。在高层民用建筑的房顶安装太阳能光伏发电方阵，当白天光照充足时，将太阳能转换成化学能储存在储能装置中，在夜间为电梯提供照明，从而减少电能的消耗。

2.4.3 采用电能回馈器实现节能

合理利用电动机在发电制动状态下输出的电能，能够在一定程度上减少电能的损耗，如果再加上电能回馈装置，节能效果就更加明显[11]。各类电梯的耗电量如表 2.6 所示。

电梯的工作形式根据电动机的驱动速度分为三种不同的运行状态，在电梯系统中安装电能回馈装置，能够将变频器转化的直流电能通过交流电网输送给附近供电不足的用电设备正常使用，避免电力拖动系统长时间处于超负荷运行状态，减少系统在单位时间内产生的电力热能损耗，进一步提升电梯的节能效果。

2.5 建筑电气照明的节能技术分析

2.5.1 照明灯具的节能设计选择

（1）照明灯具的分类及特性

目前市场上使用的各类照明灯具产品根据光照强度、配光曲线分布、光通输

出比分为下面五种类型。直接型灯具：此类灯具的光通量利用率最高，能够将 90％以上的光通量直接投照下方，其光强分布曲线和光束扩散程度因灯具构造属性的不同而差异化明显，适用于举架高、低投入的照明场所。半直接型灯具：通过改变灯具上下半球射出的光通量，减少周围照射空间形成的阴影面积，避免形成照射盲区，能够营造良好的照明氛围。与直接型灯具相比，光线更加柔和，能够满足工作面的照度要求，增加了顶棚空间的亮度，对室内空间表面的反射系数要求高，适用于对照明质量要求较高的场所。全漫射型灯具：灯具向上与向下射出的光通量占总光通量的百分比非常接近，由于受到照射均匀性的限制，这类灯具产品多采用封闭式透光灯罩，但是也降低了光通量的利用效率。半间接型灯具：灯具向下方空间射出的光通量占总光通量的比值不足 40％，由于光通量分配不均的限制，下方光通量在顶棚上方形成的照明亮度宜造成明显炫光。所以，这类灯具产品一般只作为建筑装饰照明使用。间接型灯具：灯具 90％以上的光通量射向顶棚空间，只有不足 10％的光通量射向下方空间[12]。通过合理的灯具排列布置，能够形成低炫光、高亮度、光线柔和、无因阴影的高质量照明环境。缺点是，在这五种类型的照明灯具中光通量利用效率最低。

（2）选择高能效照明光源

照明系统要想提高节能效率，就必须综合考虑电光源的使用性能和用途[13]。从照明节约用电方面考虑，一般选择性价比优良、使用寿命长的光源。因此，节能型光源应该从光效和使用寿命两方面进行选择。下面将几种常用的电光源的综合使用性能从低到高依次排列如表 2.7 所示。

从表 2.7 可以看出，电光源的综合能效受光效和使用寿命的影响，普通白炽灯和卤钨灯的综合能效处于较低水平，从能耗和经济效益两方面考虑，建筑物室内应该尽量避免使用这类灯具。与三基色荧光灯相比，LED 灯具的光效略低，但是使用寿命长、综合能效高，在长时间的使用过程中可以减少其更换频率，总体来讲，性价比要优于荧光灯。另外，用 LED 代替其它灯具不仅有显著的节能效果，还能减少汞和二氧化碳的排放，避免对环境造成污染，更加绿色环保[14]。

（3）选择高效率节能灯具

在保证照明质量的前提下，选择高效率的节能灯具，对降低照明能耗和提高照明利用系数能够起到事半功倍的效果[15]。选择高能效灯具，既要满足建筑物照明环境的要求，又要保持一定的光通量维持率。

一、选择光通量维持率高的灯具

灯具在工作一段时间后受灯具质量和环境污染的影响，灯具输出的光通量会逐渐下降，此时灯具的光通量与原有的光通量之比就叫做灯具的光通量维持率。比值越高，说明灯具的光通量损失越小，灯具的使用质量越高。

二、采用高效节能的灯用电器附件

电子镇流器是在照明灯具启动的一瞬间，给照明灯具两端施加高电压的电子设备。镇流器主要分为电感镇流器与电子镇流器两类，由于镇流器的使用质量对电能质量、照明舒适度、照明节能都有较大的影响。所以在选择节能型镇流器时应掌握下列原则：

① 谐波含量比小，电磁兼容性符合要求；

② 自身能耗低；

③ 频闪小，噪声低；

在不同类型镇流器面前，可以参考镇流器能效因数正确选择节能型镇流器。如公式 2.19 所示。

式中 BEF—镇流器能效因数；

μ—镇流器流明系数值；

P—线路消耗功率；

从公式 3-1 可以看出，镇流器能效因数越高，节能效果就越明显。

（4）选择反射罩效率高的灯具

灯具向外部空间射出光通量时，如果采用质量优良的反射灯罩，能够增强光源在工作面上的聚光能力，减少灯具向工作面输出的光通量损失，提高了照明质量和效果。采用优质的反射灯罩能够让光束在灯具限定的反射角内进行传输，从而在一定程度上降低光源光通量向工作面传输过程中的损失效率。这样的照明方式主要应用在建筑物户外的夜景照明、建筑物装饰照明以及工业照明等方面。另外，反射灯罩可以通过镀膜处理增强光线的反射能力。因此，在不违反照明设计原则的情况下，可以优先选择反射系数高并且经过涂膜处理的灯具产品。

（5）合理配光实现节能

根据各类不同房间的使用功能，通过照明灯具的合理配光，能够营造出满足人们正常工作的照明环境。通过科学的配光设计，能够明显降低照明设计成本，避免造成严重光污染情况的发生，实现照明节能的目的。利用照度计算原理实现优化配光，一方面运用照度计算公式计算出实际工作场所需要的照明灯具数量，满足照度设计标准。另一方面，在光通量输出一定的条件下，从降低减光效应和提高灯具利用系数两方面入手，以照明计算原理为依据，实现照明场所优化配光的目的。提高工作面的照度是增强配光效果的重要方式之一，可以从以下两个方面着手：

一、低减光效应

合理使用建筑材料，保持良好的卫生条件，对工作面上的照度值有很大影响。房间的卫生条件越差，相应的减光效果就越明显。反之，保持受光面的足够洁净，就能提高整体的照明环境质量。

二、提高灯具的利用系数

照明灯具的利用系数受周围空间环境和灯具输出光通量的间接影响。提高了利用系数，也就是提高了工作面的平均照度。对于宽而低、室空比小的房间，光束大部分被直接投射在工作面上，利用系数高。对于窄而高、室空比高的房间，利用系数低。因此，根据不同室空比的房间选择配光形式不同的照明灯具是非常必要的。

（1）照度均匀度

照度均匀度是规定表面照度变化的量。常规定义：最小照度比平均照度，特定情况：最小照度比最大照度。如果照度均匀度不佳，易造成明暗适应困难和视觉疲劳。所以，维持好工作面上的照度均匀度，能给工作者营造良好的工作氛围。

（2）显色性

国际照明委员会制定了评价光源显色性的方法，即用显色指数 Ra 来表征光源的显色性[16]。它是显色指数 R1～R8 的平均值，也是显色指数的典型值。R9～R15 称为特殊显色指数，R9 是评价红色复现质量的指标，而荧光灯、自然白荧光灯、LED 灯三种类型光源的 R9 值相差很大，由于 LED 光源的 R9 显色指数很低，甚至为负，让一些使用物品看起来比较昏暗。LED 时代必须对 R9 有足够的重视。同时还要关注光谱的构成，才能比较全面地反应光源的颜色原能力。三种灯具的显色指数变化如表 2.8 所示。

（3）色温

色温反映了不同空间场所的照度给工作者带来对所处环境的认知感觉，当色温≤2800K 时，以红、黄两种光色为主，给人以愉快、放松的感觉。当色温在2800K～5000K 之间时，红、绿、蓝三种光色含量各占有一定比例，接近日光，给人舒适、自然、安稳的感觉。当色温在 5000K～7000K 之间时，蓝光所占比例最大，给人以严肃、冷清、刺眼的感觉。色温的选择需根据照度要求、工作环境两方面综合考虑，色温与照度变化关系如图。

（4）炫光限制

统一眩光值是评价室内照明不舒适炫光的量化指标，它能够反映出人眼对视觉范围内照明灯具营造的灯光环境主观反应上的心理量，分为直接炫光和反射炫光两种类型，共七个档次。

炫光由两方面因素引起：① 照明光源自身光照强度高，让人对所处的灯光环境产生强烈的不适应感，这是直接原因。② 在视野范围内，由于亮度分布不当、亮度变化幅度不规律导致的亮度相差过大，在观看物体时，引起感觉上的不适或视力减低，这是间接原因。因此，为了抑制炫光，可采取如下措施：

一、采用适宜的灯具附件，如磨砂玻璃、漫射玻璃或格栅等，降低光源亮度，降低灯具表面亮度；

二、选择适当的灯具安装高度，尽量远离视线方向，在作业区域的正前方 40度以外安装；

三、选择反射系数适中的建筑装修材料；

2.5.3 照明配电系统的优化设计

（1）系统电力电缆的节能分析

强电系统主要分为母线、架空线、电缆、低压绝缘导线四类[17]。其中，低压绝缘导线、母线、电缆在照明系统中应用比较普遍。在实际工程中，均采用综合性价比高于铝导线的铜芯线。具体原因如下：

① 在外部环境温度和导线截面相同的条件下，铜芯线缆的载流量为铝芯线缆的 1.3 倍。与铝芯线缆相比，电流流过铜芯线缆时产生的热量小，在稳定性和安全性方面要优于铝芯线缆。

② 铜芯线缆的柔韧性好、抗疲劳，反复折弯不易断裂，在相同压力下，铝排变形而铜排完好无损。铜芯线缆能够承受较大的机械拉力，机械强度大约是铝芯的 2 倍[18]。

（2）合理布设系统的电源位置

在实际工程中，如果条件允许，一般将变电所、配电箱或配电井设置在距离所有电源终端用户线路损耗最小的位置上，即理论意义上的负荷中心。电流经过系统线缆所产生的线路损耗，受电网输电线路长度和单位长度阻值的影响。如公式 2.20、2.21 所示。

式中 I—通过电网输电线路电流（A）；

R—电网输电线路阻值，单位取欧姆（Ω）；

R0—电网输电线路单位长度阻值，单位取欧姆（Ω）；

L—电网输电线路总长度，单位取（km）；

负荷中心不是指几何中心，而是系统输电线路损耗最小的点。电流从供电中心出发到达各电源终端用户，在这一过程中产生的电路损耗为最小值时，说明供电系统的节能效果最好，此时电源所处的位置即为真正的负荷中心。对于城市综合体建筑、超高层建筑、建筑群等，由于建筑规模量大、功能性复杂，往往存在多个负荷中心。对于多负荷中心的变电所，宜设在负荷中心或大功率的用电设备处，缩短供电半径。负荷中心坐标的定位如公式 2.22 所示。

式中（xb，yb，zb）—负荷中心坐标；

（xi，yi，zi）—各用电设备的坐标；

EACi—各用电设备估算的年电能消耗量（kWh）或计算负荷（KW）；

对于存在多负荷中心的情况，应该按照建筑使用功能、业态、大负荷情况、物业管理、避难层、设备层等具体情况合理设置。

（3）平衡分配三相负荷

三相不平衡分为两种情况，一是三相电压的不平衡，它属于电能质量范畴，也就是电网公司销售产品应满足产品质量要求。我国现行标准《电能质量 三相电压不平衡》GB/T 15543-2008 规定，在电力系统的公共连接点处，正常时三相电压不平衡度允许值为 2%，短时的三相电压不平衡不得超过 4%，同时对用户也提出要求，即接入到公共连接点的每个用户，引起该点正常电压的三相电压不平衡一般不超过 1.3%，短时不超过 2.6%。二是民用建筑供电线路末端，单相负荷在三相系统上的不均匀分配。一、三相电压平衡在电气照明系统中，用户终端供电形式为三相四线制的连接方式，当三相负载不平衡运行时，中性线会有电流通过，在相线和中性线中产生线路损耗，计算公式如 2.23 所示。

式中 △P—输电线路损耗；

Icp—输电网路供电电流；

R—输电线路电阻阻值；

当三相电压矢量叠加平衡时，相对于中性点的电压和流过中性线的电流为零。反之，会有电流流过零线。由于在三相四线制中相线截面积大于零线，这时会进

一步增加线路损耗。通常用不平衡度反映对压降不平衡的影响，如公式 2.24 所示。

式中 β—三相电压不平衡度；

Imax—最大相电流；

Icp—三相电流平均值；

β过高或过低直接导致三相电压的数值变化，通常利用这一特性实时监测三相压降，并做出适当调整，确保三相电压的平衡。二、三相负荷平衡在照明设计中，为确保系统安全运行，通常是以最大负荷相的有功功率乘以3 倍作为等效三相负荷的有功功率，以此来确定各导线的截面积。所以三相负荷分配越接近，管线电材使用越经济，能量消耗也最小[18]。我国《民用建筑电气设计规范》明确规定，三相照明线路各负荷应平衡分配，三相电流不平衡度不宜大于 15%，经过电气设计人员的精心设计，这个值甚至可以达到 5%以下。

2.5.4 照明控制方式的节能设计选择

（1）利用天然光实现节能

自然光取之不尽，用之不竭，具有清洁安全的特点，另外经调查研究表明，人们在天然光下工作的视觉功效要比人工照明高 5％～20％，照明设计时若能结

合利用天然光既有利于节能环保，还能营造舒适高效的工作环境[19]。合理应用导光技术能够避免自然光在照明稳定性和照明深度方面的缺点[20]。其在户外场地的应用如图 2.5 所示。

图 2.5 绿地区域安装导光设备

导光系统由采光器、光导管、漫射器三个部分组成，表面经过特殊工艺处理的采光器能够将更多的自然光引入室内照明空间[21]。在恶劣气候条件下，防雨装置能够对整个采光系统起到保护伞的作用。导光设备广泛应用于人行步道、地下车库、地下商场等公共场所，并且取得了良好的照明节能效果。在地下房间场所工作或停留，不利于人们的视力保护、身心健康和劳动效率的提高。将自然光引入地下，不仅仅为了照明节能，更主要的是能有效地改善地下空间照明环境的质量。在进行照明设计时，应根据建筑物所在的地理位置、气候条件、照明要求，合理选择导光设备。

（2）利用智能照明控制系统实现节能

智能照明控制系统包含照度感应控制、场景控制、智能照明电压控制、调光控制、时间控制、传感器控制等多个控制模块，能够实现对光源调光和开关的远程控制，它是集网路技术与现代数字化技术于一体的智能综合控制系统[22]。随着智能通信技术的迅猛发展，智能照明控制系统越来越广泛应用于住宅和各类民用建筑，能最大程度地节约能源和成本，更加高效地实现照明控制和照明系统的管理工作。

3可再生能源技术在住宅建筑中的应用

本章将从新能源开发与能源替换的角度进行住宅建筑的电气节能研究，两者相互促进可以加深住宅建筑的节能优化。据 IEA 调查数据显示，2016 年全球太阳能利用量（折算成发电量）为 375T 瓦时，产生相同电量需要消耗原油 4030 吨 W，排放 CO 2 量 1.3 亿吨。在能源紧张扩大和建筑能耗加剧的大环境下，大力发展可再生能源技术与建筑相结合的新形式是缓和能源短缺和促进经济发展的重要策略，也是实现经济持续稳定发展的重要手段，是绿色社会经济的必然要求。

全球登记在册的可利用太阳能资源约为 456G 瓦时，各国太阳能保有量百分比情况如图3.1 所示。我国一半以上地区每年平均日照时间超过 2100 小时，太阳能辐射总量约为 3300~8300MJ/（m 2 ·a） [23] ，具备良好太阳能利用条件。除了太阳能资源，我国地域辽阔，水力资源丰沛使得地表水资源储藏量十分可观，是世界上地热资源最为丰富的国家之一。上世纪中后期，我国就投身于可再生能源技术研发的工作。我国的光伏发电技术、光热利用技术、水利水电工程等新能源技术在大型电站、人造卫星和公共建筑等工程项目中的应用都取得了十分显著的成绩。但是目前可再生能源技术在住宅建筑中的应用并不广泛，与其他行业相比，可再生能源利用率相对较低。于是笔者提出其在住宅建筑中的适用性问题，研究发现，导致利用率不高的主要原因有：可再生能源的利用受地理位置以及地区性限制较大；可再生能源在大型工程中的应用技术相对成熟，所以其系统庞大，不适合在住宅建筑中进行应用；可再生能源应用类型单一，缺乏与住宅建筑相结合的模式探索。

本章将就以上提出的三个问题，围绕可再生能源技术在住宅建筑中的应用，分析不同地区可再生能源应用形式以及适用性，并讨论可在生能源与住宅建筑一体化的应用形式，同时对于可再生能源技术今后在住宅建筑中的应用提出设计思路。

3.1 太阳能光伏发电在住宅建筑中的应用

3.1.1 光伏发电系统概述

太阳能技术可分为光电利用技术和光热利用技术[24]。太阳能光伏发电通过晶体硅太阳能电池板实现太阳能到电能的转换[25]。太阳能光伏发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组成[26]。太阳能控制器用作系统的控制以及蓄电池的保护，避免发生过充、过放的问题，从而可以增长其使用时间；蓄电池类型以铅酸电池为主，用作储存太阳能电池板发出的电能；蓄电池供电规格为 12VDC、24VDC、48VDC，而用户端用电设备电压一般为 220VAC，所以往往需要在太阳能发电系统中增加一个逆变器，用以满足太阳能发电直接向用电设备进行输电。

光伏发电无需燃料、能源清洁节能、系统组成简单且其电压适用范围广，在全球推广度高，例如德国的“千项计划”、日本的“朝日七年计划”、美国的“百万屋计划”、意大利的“全国太阳能屋顶计划”以及欧盟的“百万光伏屋计划”等等。事实证明，各个国家加大力度推动太阳能光伏发电技术在住宅建筑节能中的应用对于降低住宅建筑能耗取得了显著效果。

我国的太阳能资源丰富，太阳能电池技术和电力电子技术发展迅速，为太阳能发电技术在住宅建筑的应用提供了成熟的资源以及技术条件。但是由于太阳能照射能量平均分布密度仅为 100W/m2，且受地域气候、季节环境影响，其年平均年发电时长约为 1300h，比较难准确估计其发电量且产出不稳定，导致太阳能发电技术的广泛应用受限。

3.1.2 光伏发电应用规划

光伏发电在建筑中的应用形式有建筑附加光伏（BAPV）以及建筑集成光伏

(BIPV) [27]。BAPV 是以建筑物作为载体，把光伏系统设置在已建成的建筑物的屋顶或者室外墙面上[28]，光伏系统不承担建筑的功能也不会破坏原建筑物的功能。而 BIPV 是指光伏系统与建筑物紧密结合成一个整体，光伏系统作为建筑物的一部分与建筑物完美融合。

光伏一体化的应用有：①光伏系统与建材融合，用以替代传统建筑材料，一方面有助于充分吸收太阳辐射，另一方面其可以代替建筑的保温隔热层实现遮挡功能；②光伏与墙体相结合，墙面是建筑中能最大程度接受太阳能辐射的结构，且不同方向的墙面满足不同时间太阳辐射角度，通过墙面与光伏系统的合理设计，除了可以收集大量太阳能之外，还可以调节室内温度，降低空调冷负荷；③光伏幕墙，通过将光伏技术融入玻璃幕墙中，在实现建筑遮挡的同时，实现可再生能源的有效利用。目前以上应用形式在大型公共建筑中比较常见，可以借鉴其应用形式，横向推广应用到住宅建筑中。

对于独栋别墅或是自建住宅建筑，可以在屋顶铺设太阳能电池板，代替传统的建筑建材，屋顶具备非常良好的光辐射条件，在日照较强地区，可以满足一般家庭的基本用电。除此之外，还可以将外墙面建筑材料与太阳能薄膜电池结合，这样不仅能增大太阳能辐射面积，还能遮挡一部分的太阳能光照，降低室内温度，减少空调运行能耗。

对于普通高层住宅，住户很难独立通过以上两种方式实现光伏发电。一般建议在南面阳台或是外窗装设太阳能电池板实现太阳能的收集和转换。由于住宅建筑太阳能系统一般要求输出电能直接输送至用电设备，所以逆变器需要安装在距离电池板较近的配电井或是配电间内。光伏系统可以与配电网其他用电装置共地线。除此之外，合理利用太阳能光照进行采光可以减少部分的照明消耗，改善光照环境，比如地下车库、配电间、储藏室等空间可以适当设置导光管。

3.2 太阳能光热技术在住宅建筑中的应用

3.2.1 太阳能光热技术概述

太阳能热利用从热能收集性质上分为：主动式和被动式。两者之间最大的不同之处在于是否借助外部装置做功来实现太阳能热能的收集。太阳能热水器是常见的主动式光热利用。我国的西部、西北部住宅建筑中太阳能热水器的使用率尤其高，其设备安装简单，出水温度基本可以达到生活热水的使用条件，可以进行集中供水也可以单独供水，能源清洁环保，对于日照时长较长的地区来说是一种比较理想的节能电气设备。比如：①平板式；②真空管式；③管道热水系统。

被动式太阳房是典型的被动式热利用形式，如图 3.3 所示。被动式太阳房在华北、西北以及西部等地区比较常见，部分取代了烧锅炉的供暖方式。甘肃、青海等日照强度较高的地区，通过采用太阳房采暖可减少 20~40kg/m 2 的煤炭消耗。

2.2.2 太阳能空调

太阳能光热技术在住宅建筑中的应用除了提供生活热水和供暖之外，太阳能提供的热能还可以被利用于空调制冷，用以取代或部分取代空调运行的电力消耗。空调使用量日益攀升，紧随其后的是空调系统运行能耗量上升，太阳能是一种无限可再生的清洁绿色能源，在空调系统中用太阳能作为电能的补充能源，既环保又节能。

2.2.3 太阳热能应用规划

太阳能热技术在住宅建筑中应用形式较多，但其受地域性限制大，主要集中在西北、华北等日照强度大且有供暖需求的地区。南方地区部分家庭会使用太阳能热水器供给生活热水或是采用太阳能空调作为空气调节装置，但是由于日照不稳定且集热装置安装空间大，因此整体使用量并不高。根据具体使用环境，提出一些太阳能技术在住宅中的设计思路如下：

在华北地区，平均年日照小时可达到 2560h 以上，因此具备太阳热能热利用的基本条件。冬季气候寒冷，供暖期约为 4 个月左右，可以采用集热墙式被动太阳能建筑结构，减少采暖的煤炭消耗，同时改善建筑的保温性能，降低暖通系统的能耗。此外，还可以通过太阳能热水系统与住宅建筑相结合的形式实现生活热水的集中供给，通过热水管道输送至各户，每户安装独立的仪表进行单独计费。不过这种系统的安装需要物业进行协调与沟通，优点是便于集中维护管理。在西北地区，可以充分利用当地良好的太阳日照条件，通过在建筑外墙上安装集热装置实现太阳能热能的利用，比如集热板、特隆布墙等形式。或在楼顶安装太阳能热水器和太阳能空调实现住宅热水系统与空调系统热量循环。热水管道暗敷可以提高保温性能以及保证外观整洁。

综上，将太阳能在住宅建筑中的利用方式进行归纳，见表4.1。

3.3 其他可再生能源技术在住宅建筑中的应用

3.3.1 地源热能应用规划

地表浅层地热资源主要有地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温热能[29]，这些资源温度相对比较稳定。地热能的利用实质上是采用热交换装置将地表浅层蕴藏的太阳能热量转换成所需的能量的过程。其中典型的有地源热泵系统。住宅建筑中将地源热泵与中央空调系统相结合，实现地热与室内环境温度之间能量的转换，可以对建筑内的温度进行一定范围的调节，以实现建筑的采暖和制冷的效果。

3.3.2 生物质能应用规划

生物质能是以有机废料和边际土地种植的能源植物为主要原料产生出的一种新兴能源[30]，几乎零污染。具体包括：农业废弃物、薪柴、人畜粪便、城市生活有机废水以及生活垃圾和农产品加工排放的高浓度有机废水[31]。在农村住宅建筑中，可利用人畜粪便转换成沼气，沼气作为一种清洁燃料，可以替代日常生活中的其他能源消耗。在处理生活有机垃圾的同时实现了煤气以及电力的节能。

3.4 方案设计思路

本章对可再生能源在住宅建筑中的应用方案进行了简单的设计和规划，图 3.4 是本章节方案设计思路。本文首先分析了可再生能源在住宅建筑中的适用性，然后主要讨论了太阳能、地热能和生物质能等新能源技术在住宅建筑的中应用形式，并提出相应的应用方案和设计规划。为了使太阳能技术完美的融入住宅建筑中，在设计过程中要充分考虑太阳能应用形式以及布局方式与建筑的融合，比如，在采用真空管式热水器系统时，要注意其对于屋顶防水层的影响，结合水箱的容量综合考虑建筑的承重结构进行合理设计，以避免存在掉落等安全隐患；平板式太阳能可以与阳台、外墙等建筑结构进行融合，既可以提高太阳能的利用率也满足建筑的保温要求，同时不占用额外的建筑空间。此外，在设计方案实施过程中，在不破坏建筑自身功能的情况下，尽量保证节能性，比如，太阳能热水管道尽可能的使用环保复合型管，其相较于传统管道，保温性能更佳，热膨胀系数更低，且循环可利用；安装时优先选择使用绿色节能溶剂、粘黏剂等，以免致使空气质量下降。

4结 论

首先本文围绕可再生能源在住宅建筑中的利用形式，首先分析可再生能源于建筑节能重要性，然后进步讨论了其在住宅建筑中的适用性以及利用率低下的原因。进而针对可再生能源技术在不同住宅建筑中的应用形式，以及不同地区住宅应用方式的差异展开研究。根据可再生能源与住宅建筑的结合形式，提出了一些可再生能源在住宅建筑中的具体应用方案以及规划。其次，主要从节能型变压器的合理选择、变频器的有效控制方式、风机和水泵的功率匹配、新型电梯节能技术和照明节能技术的应用等五个方面进行理论分析，与传统电气设备的技术参数作出对比，突出新型电气设备的节能优势。

谢 辞

本文在导师的耐心指导下完成，从开始确定论文的选题、研究方向到撰写论文和最终定稿的过程中，老师都给与细心帮助和指导。在前阶段理论学习中，导师在课程选择，课程中需要理解的重点，知识点在论文中的作用给出了意见。导师对学术一丝不苟的态度，扎实的理论基础和开拓的研究思路使我受益匪浅，在此，谨向我的导师康老师致以衷心感谢。 其次，还要感谢在学习期间给予帮助和指导的老师、同学，从每个人身上都能找到自己进步的方向。同时还要感谢家人在学习过程中无私的支持。

感谢其他在本人上学期间给予过帮助的所有老师和同学，衷心地感谢你们！

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