摘 要：在依据建筑电气设计节能原则的基础上，本文从提高建筑供配电系统功率因数、抑制建筑电力谐波、避峰用电和照明节能四大方面出发，对建筑电气节能进行了深入的探讨。从提高建筑供配电系统功率因数意义出发，给出了提高功率因数的两大措施：一、减少用电设备无功消耗；二、用电容器进行无功补偿。对于谐波抑制，提出主动治理和被动治理两个途径。对于避峰用电，从建筑负荷的昼夜均摊、BEMS（建筑能源管理系统）、冰蓄冷技术三个方面给以详尽的分析。还从提高照明节能设计精确性、高效照明节能光源、照明节能灯具、照明节能控制技术四大途径出发，对照明节能进行了深入的探讨。为建筑用电系统的电力节能提供了可行的技术。
关键词：电气节能 谐波抑制 无功补偿 避峰用电 照明节能
引 言
电能是建筑使用的主要能源，现代建筑不仅对建筑电气系统的可靠性要求很高，而且对电能质量的要求也大大提高。此外，如何做到最大限度地节电以及充分利用可再生能源，使建筑成为节能环保地绿色建筑也是当今建筑电气系统应该完成的重要任务。为此，正确地了解建筑电气系统对于日后建筑系统的正常运转和节省建设投资与运行费用是非常重要的。传统建筑电气设计存在不利于节能、管理效率低、建筑安全系数较低、使用不方便等不足之处[1-2]。建筑电气系统一般由用电设备、供配电线路、控制和保护装置三大基本部分组成，三大部分有多种组合，可以构成多种建筑电气系统，若详尽对其进行分类是很复杂、很困难的。但是从电能的供入、分配、输送和消耗来看，可分为供配电系统和用电系统两大类。若依据用电设备的特点和系统中所传递能量的类型，可分为照明系统、动力系统、减灾系统和信息系统[3-6]。
我国照明耗电量已占总用电量的10％左右，其中主要以低效照明为主，照明终端节能的节能具有很大的潜力，同时照明用电大都属于高峰用电，照明用电节能还可以缓解高峰用电压力[7-10]。通过科学的照明设计, 采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材, 以及调光控制和控光器件), 改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量, 从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。目前，照明用电占全国用电量的12%左右。采用高效节能灯替代普通白炽灯可节电60～80%，节电潜力大。
1.建筑用电系统节能的原则
建筑电气节能设计应把握“满足功能、经济合理、技术先进”的原则。不能以牺牲建筑功能、降低使用需求为代价，也不能为节能而盲目增加投资。
1.1满足建筑物的功能。这主要包括：满足舒适性空调所需要的温度及通风量；满足建筑物不同场所、部位对照明照度、色温、显色指数的不同要求，如展厅、多功能厅等的工艺照明及电力用电等；满足特殊工艺要求, 如体育场馆、医疗建筑、酒店、餐饮娱乐场所等一些必需的电气设施用电。
1.2考虑实际经济效益。节能应考虑国情, 涉及实际经济效益，不能因为追求节能而过高地消耗投资，增加运行费用，而是应该通过比较分析，合理进行投资，使增加的节能方面的投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。同时在选用节能设备时，要了解其原理、性能及效果。从技术经济上给以全面的比较，并结合实际建筑情况，再最终选定节能设备，达到真正节能目的。
1.3最大限度的减小无所谓的消耗。设计时首先找出哪些方面的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的, 再考虑采取什么措施节能。如电能传输线路上的有功损耗、变压器的功率损耗, 都是无用的能量损耗；又如怎样进行无功补偿，提高系统的功率因数，减小电能的损耗；怎样减小建筑负载的谐波，降低功率损耗，避免电能的浪费。
1.4所谓的照明节能，就是在保证不降低作业视觉要求，不降低照明质量的前提下，力求减少照明系统中的光能损失，最有效地利用电能。一般来讲建筑照明节能要遵循以下三个原则：
（a） 满足建筑物照明功能的要求。
（b） 考虑实际经济效益，不能单纯追求节能而过高的消耗投资，而应该使增加的投资费用能够在短期内通过节约运行费用来回收。
（c）最大限度的减小无所谓的消耗。同时在选用节能设备时，要了解其原理、性能及效果。从技术经济上给以全面的比较，并结合实际建筑情况，再最终选定节能设备，达到真正节能目的。
2.提高建筑供配电系统的功率因数
为了满足建筑物功能的需求，传输有功功率是必须的，但输电线路会有有功和无功损耗，以及建筑物的某些用电设备，如电动机、变压器、灯具的镇流器以及很多家用电器等都具有电感性，会产生滞后的无功电流，并从系统中经过高低压线路传输到用电设备末端，无形中又增加了线路的功率损耗。为了减小电能的损耗必须提高功率因数，目前一般是采用电容性无功补偿装置产生超前无功电流抵消用电设备的滞后无功电流，从而达到提高功率因数同时又减少整体无功电流，进而达到节能目的。
2.1提高功率因数的途径
2.1.1 减少用电设备无功消耗
a.对于交流电机调速，采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。在设计中，根据变频的种类和具体的电机设备，来选用适合的变频调速装置，如普通晶闸管、GTR、GTO、IGBT等电力电子器件组成的静止变频器。
b. 正确设计和选用变流装置, 对直流设备的供电和励磁, 应采用硅整流或晶闸管整流装置, 取代变流机组、汞弧整流器等直流电源设备。
c. 与普通电机相比，高效电动机的效率要高3％-6％，平均功率因数高7％-9％，总损耗减少20％-30％，故具有很好的节能效果。条件允许时, 采用功率因数较高的电动机，如Y、YZ、YZR等系列高效率电动机，来节省电能，也可以用等容量同步电动机代替异步电动机, 在经济合算的前提下也可采用异步电机同步化运行。
d. 荧光灯选用高次谐波系数低于15%的电子镇流器；气体放电灯的电感镇流器, 单灯安装电容器就地补偿等, 都可使自然功率因数提高到0.85～0.95。
2.1.2用电容器进行无功补偿
目前建筑无功补偿方案一般有以下几种方式：
（1）固定补偿方案：固定补偿一般适合大规模的建筑集群，主要综合整个建筑集群的各项年平均参数，根据无功的分布情况选取若干个补偿点，每个点投入若干单位的电容量，使得全年节能效益与经济投入之比达到最佳。这种方法的优点是能综合考虑整个建筑集群的运行特点，既取得了最佳经济效益又兼顾了全局无功补偿的平衡；缺点是补偿容量不能跟随建筑物的实时运行状况，其最佳值是年平均意义上的，当某个建筑物负荷发生变化时，这种方法就无能为力了。
（2）手动补偿方案：手动补偿通过若干电容器组的组合，达到改变补偿容量的作用，适用于时间上呈一定规律变化的建筑负荷，缺点是分组过于粗糙，设备体积庞大，需专人守护，并且只针对采样点参数进行计算，不能达到最佳补偿效果。
（3）自动补偿方案：自动补偿是微电子技术在建筑上的应用。控制器根据传感器的数据，计算出当前建筑集群所需的无功补偿量并控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的。进几年，由于电脑技术的应用，功率因数自动补偿系统的发展进入了一个新阶段。虽然各种微电脑功率因数自动控制器硬件、软件设计不同，但其原理基本如图1所示：
检测单元通过电压、电流互感器采得电压和电流信号，并利用运放电路、门电路得到反映相位差的方波信号，传给控制单元。微处理器接收到检测信号，经过逻辑运算得到实时cosφ，分别送到显示和比较单元。在比较单元中与设定值进行比较，确定是否发出投切命令。同时控制单元还具有过压、过流、欠补及振荡报警和保护功能。执行单元接到命令后，通过投切装置完成电容器组的投切。微计算机技术的应用进一步加强了控制单元的功能，集成化程度大大提高了，自诊能力、扩充能力都得到了加强。
3.建筑供配电系统谐波节能技术
建筑电力系统谐波产生的原因是整流器、UPS电源、电子调速装备、荧光灯系统、计算机、微波炉等电力设备和电器设备的使用。民用建筑尤其现代建筑中存在的大量三次谐波污染，不仅会严重影响电能质量，还将增加功率损耗，造成电能的浪费。谐波治理的措施主要有两种：一是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；二是被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
主动治理主要是从谐波源来着手，从源头上来减小谐波及进行无功补偿提高功率因数，主要途径有：
3.1改善配电系统。选用D，Yn11接线组别的三相配电变压器，为三次谐波电流提供环流通路；尽可能保持三相电压平衡；对谐波源负荷采用专用回路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除谐波。
3.2降低谐波源的谐波含量。在谐波源设备选型上，尽量选用谐波含量少的设备，最大限度地避免谐波的产生。
采用主动治理方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对负载谐波进行有效的滤波和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向。
被动治理措施主要有以下几种：
（1）采用无源滤波器PF（Passive Filter）。PF利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、成本低和维护方便的优点。
（2）采用有源滤波器APF（Active Power Filter）。APF的基本工作原理是将系统中所含有害电流（电压）检出，并产生与其相反的补偿电流（电压），以抵消输电线路中的有害电流（电压）。
4.建筑照明系统节能技术
4.1提高照明设计的精确性
照明节能与照明设计有密切的关系，照明节能的具体实施是通过建筑电气设计与照明装置节能产品的采用两个重要环节来完成的。合理的照明设计方案是实现照明节能的保证，在保证设计照明质量的前提下，优先选用照明用电指标较低的设计方案。照明设计应注意以下三个环节：
（1） 根据视觉工作需要，合理地选取高、中、低档照度水平，在所需的照度前提下，优化照明设计，限定照明节能指标，最优控制单位面积照明功率密度值。
（2）正确选用与建筑场所使用要求及特点相适应的光源、灯具，合理布灯，保证必要的照明质量(亮度分布、眩光限制、显色均匀度、造型等) 。
（3） 采用分区控制灯光或自动控光、调光等控制方式，并充分利用天然采光。
4.2照明节能光源的选择
选择光源时,在满足显色、启动时间等要求下,应优先选用高光效光源节能灯。按不同的工作场所条件,采用不同种类的高效光源,可降低电能消耗、节约能源。
(1) 太阳能照明
太阳能照明设备主要由照明灯具、光源和控制系统组成。灯具类型主要有太阳能草坪灯、庭院灯、景观灯和高杆灯等。这些灯具以太阳光为能源,白天充电,晚上使用,无需进行复杂昂贵的管线铺设,而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用L ED 或直流节能灯,使用寿命较长,又为冷光源,对植物生长无害,是一种环保型的绿色能源。
(2) 发光二极管(L ED)
它是由电能转换成光的半导体器件，是彩色照明中能效最高的一种节能光源，并以其长寿命(达10 万h) 、良好显色性(Ra 达75～85) 、无频闪、激励响应时间短(ns 级) 、耐震动、耐气候、使用安全等诸多优点进入绿色照明领域。还具有丰富多样的颜色光、方便选色和变色的优势,可广泛应用在宾馆酒店、超市百货商场、建筑工程、商业空间、机场、地铁、医院等场所。
(3) 金属卤化物灯(HID)
具有节能、发光效率高、光色好等特点。对灯具悬挂高度较低的场所,如商场、超市,可选用小功率金属卤化物灯；而对灯具悬挂高度较高的场所,如体育场馆、广场、高大厂房,可选用大功率金属卤化物灯。
(4) 节能荧光灯
冷阴极T8 细管径( ≤26mm) 直管节能荧光灯:适合于灯具悬挂高度较低的场所,如学校、办公楼等，商店照明可用细管径代替粗管径、以紧凑型荧光灯(俗称节能灯) 代替白炽灯等。稀土(三基色) 节能荧光灯:它含有稀土类荧光物质,与其他荧光灯相比，不仅亮度增强,光色也大为改善，且显色指数可达80 %以上,使人对颜色感觉清晰、明亮。近来,国外已研制出了一种1cm 厚的平板型不含汞的荧光灯，使用电子控制系统，将工作频率提高到3 ～ 6 万Hz ，可节电30 %， 灯寿命延长50%，还消除了闪烁现象。
(5) 其他新型光源
主要有光纤灯、高频无极灯、场致发光等，目前世界上最先进的CCFL 节能面光源模组也正走向市场。
4.3高效节能灯具的选择
一般应根据视觉条件的需要,综合考虑灯具的照明技术特性及其长期运行的经济性等原则进行灯具的选择。
灯具的种类繁多，与常用的有控照型(或开敞型)和带保护罩的格栅式、透明式、棱镜式、磨砂式等相比，高效节能照明灯具主要性能特点为：
(1)高效节能、节电率37. 5 %～50 %；
(2)提高了照明质量，照度提高1～3倍；
(3)光污染低，紫光和紫外线的反射率只有5 % ，是普通灯具的1/8 ；
(4)使用寿命是普通灯具的2 倍以上；
(5)光衰减少，长期使用反射率仅降低3 %～8 % ，远低于普通灯具。
4.4照明系统的节能控制技术
一般照明方式可根据建筑物在功能和生产工艺流程的要求不同可分为：局部照明，一般照明，混和照明。
为了在不同工作状态下避免不必要的耗电，可以采取不同的节能控制措施：
（1）采用各种类型的节能开关和管理措施。例如：建筑的公共部位，除高层住宅的电梯厅和应急照明外，均采用节能自熄开关；推行电力计算装置，实行用电计量收费，以经济核算的方式来约束照明的不良浪费。故，在照明配电系统设计中，应根据设计对象的性质、功能等因素，按区域划分装设计量表。
（2）采用合适的照明方式，尽量少采用一般照明方式，以及单一的照明方式，易采用分区一般照明方式，宁可多增加分区控制开关，如分层次的、交错的电灯方式，而不是一个开关控制很大范围的照明区，不考虑经济运行。对于照度要求较高场所采用混和照明。
（3）充分利用天然光，减少电能的使用。第一合理开窗，房间的采光系数或采光窗地面积比应符合《建筑采光设计标准》的规定，当天然采光不足时可辅以人工照明，对天然光不足区域进行补充，使从窗户入射的天然光和室内人工照明合理协调。第二利用导光和反光装置，将天然光引入室内。这些装置利用光的反射、折射特性，将天然光引入并传到需要的地方。第三以太阳能作为照明能源，通过光电转换装置把太阳能转换成电能，供建筑照明使用。
（4）在建筑照明上，采用集中遥控、自动智能控制等方式，都是节能的重要途径，目前常用的有以下几种：
① 红外线、超声波控制开关，检测到有人出入时候自动感应实现开闭，在人离开后还延迟一段时间。
② 预先设置合适的工作照度，根据对自然环境的检测，由光控调光装置来随时调整人工照明各区域的灯光照明，无论环境如何变化，系统均保持建筑物室内的照明度维持在预先设定的水平。
③ 时钟控制，可要求照明灯光按预先设定的不同时序来自动控制照明开关。
④ 智能照明控制系统：可实现照明控制的完全自动化和智能化。智能控制系统由智能照明灯具、调光控制及开关模块、照度及动静等智能传感器、计算机通信网络等单元组成。将专用的微处理器置入各类模块,使它们具有数字计算和数字通信能力,采用双绞线电缆进行联网组成局域网络,不需要通过计算机就直接设置输出输入单元间的逻辑程序,并且可在网络中随时添加新的控制单元 ,并可以和其他建筑管理系统(BMS) 、楼宇自控系统(BA) 、保安、消防系统结合起来,其软件的可编程性和硬件的灵活结构大大节省了投资成本；可任意实现单点、双点、多点、区域、群组逻辑控制,定时开关、亮度手/ 自动调节、红外线监控、遥控、场景组合、电话拨打等多种照明控制功能。实现照明的智能化管理,可以展现丰富的灯光效果,同时实现节约能源的目的。系统可对低压卤素灯(电子镇流器) 、荧光灯(电子镇流器) 、石英灯等多种光源调光，满足各种环境对照明的要求。利用群组开关可控制整个区域的灯光以及多种亮灯模式，无须考虑开关容量问题，分时启动，定时开关，利用局域网进行远程监控。
5.建筑用电中的节能管理
5.1用电设备节能管理
对建筑所有的用电设备进行全面、实时的监测和记录，掌握用电设备的变化情况，并将这些信息反馈给管理中心。由管理决策人员对检测到的负荷情况以及对负荷趋势的预测，对整个系统进行合理的调度，如系统自动改变或提示值班人员改变、配电所的运行方式，切断部分负载的变压器，通过联络线对它们供电，这样既可降低变压器的空载损耗，又可调整电压改善电能质量。简单的建筑用电设备节能管理示意图如图2所示，整个系统主要由远程采集子系统、通讯网络、和节能管理中心三大部分组成。
（1） 远程采集子系统：由符合modbus协议的电气计量表对建筑物的照明设备、空调设备、变频器、电梯、动力设备、变压器、不间断电源等用电设备的一些电压、电流、功率因数、有功功率等28个电参数进行采集，并将信息传输到前端机。
（2）通讯网络：由多功能网络控制器、网关、光纤交换机组成。既可与其它的网络设备通过以太网或者RS-485的方式相连，也可作为一个独立的站点单独使用。
（3）节能管理中心：其中央服务器和系统软件十分重要，它们位于能源管理中心，通过以太网接受各地传来的原始数据，予以整理分析和存储后，给出相应的用电情况和能耗过程分析，绘制成对应的曲线和图表。同时给出能源管理的建议，并将所有数据和表格建立一个动态数据库，经分析及建议定时发给用户，用户也可以使用自己的密码登陆能源管理中心的相关界面查询个人的数据，显示有项目名称、当前时间、电力的详细参数、历史曲线和报表、与设定目标的偏差等。依据用户级别不同显示的信息量也不一样。
5.2以优化能源配置来避峰用电
从1995年起国家供电部门就实行了峰谷电价，在建筑电气设计中推广应用峰谷电表，鼓励用户避峰用电，更要加大力度推广冰蓄冷空调、蓄热式电锅炉等蓄能技术，避开峰谷用电。虽然利用电力系统的低谷电能，实行避峰用电，不是建筑电气设计上的直接节能，但是对国家提倡的节能政策有重大的意义。
对于新一代的建筑要达到以优化能源配置来避峰用电的目的，应从以下几个重要方面着手：
（1）在满足使用要求的前提下，尽可能减小负荷，同时将负荷昼夜均摊，比如：夜间用电负荷低谷时，进行建筑物内的换热、通风等工作，以避免白天高峰用电。
（2）对建筑物的空调通风系统、给排水系统、室内温度、相对湿度、CO2 浓度、照度、窗户开启状态、辐射板控制、照明开关、调光、户外遮阳板、室内百叶控制和风速等进行自动化集中管理。通过先进的建筑技术集成化设计和结构设计，控制运行、监测及管理等各个环节，实现能源高效利用。BEMS（建筑能源管理系统） 系统通过传感器、变送器、控制器等设备，使各功能模块之间组成一个局域网，这样，随时可更新、扩展和维护系统都不会影响建筑物的良好的运行状态, 所有的现场控制器以对等的方式通过BAC net/IP网络相连, 并由高度智能化、专家化的中央管理器统一管理、调度。
（3）冰蓄冷技术实际上是不节能的，其主要特点是调节用电负荷。大家知道，民用公共建筑的空调用电量约占全楼用电量的40％～50％。冰蓄冷空调就是利用用电低谷时段（夜间）制冷机组制冰，将冷量蓄存起来。而在用电高峰时段（白天），化冰取冷，以供空调系统之需要。冰蓄冷“削峰填谷”效果十分明显。同时，由于电价的差异，也降低了运行费用。
6.结论及展望
建筑物的使用寿命为50～100 年，在长期使用过程中，其能量消耗是巨大的，所以建筑节能一直是我们需要深入研究的课题。本文在依据智能建筑电气节能设计原则的基础上，从提高建筑供配电系统功率因数、抑制建筑电力谐波、避峰用电和照明节能几个方面对建筑电气节能进行了深入探讨。关于智能建筑电气设计中的节能措施还有很多，这里就不再一一详细的分析了。电气设计专业人员应高度重视节能设计理念，全面掌握并运用有效的节能措施。
建筑电气节能是绿色建筑技术的一个重大标志，也是建筑界实现可持续发展战略的一个重要环节。不仅能有效地缓和电力供需矛盾，保证国民经济持续、高速、健康的发展，而且经济效益显著，是一种经济的电力开发形式；不仅对保护环境与节约能源具有重要意义，而且还能改善提高人们的工作、学习、生活的质量，前景十分广阔，含义广泛，意义重大而深远。
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