基于安全和节能的建筑电气设计要点探讨

王庆键

（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

随着科学技术不断发展、人们生活水平提升，用电量也不断增加。各类新型设备的使用给用电安全提出了巨大挑战，同时也使电能损耗量剧增。据我国建设部、建材局统计，建筑工程能耗量占据社会总能耗量的27%以上，为了能够实现社会经济可持续发展，倡导绿色建筑，减少建筑物电能浪费量势在必行。从某种程度上来看，电力系统的安全性与节能性存在矛盾，如何做好安全性、节能性的权衡也是需要重点考虑的问题。

1 建筑电气设计普遍存在的问题

建筑工程电气系统涉及范围广、涉及内容多、发展速度快，使得电气设计难度越来越大。虽然我国建筑行业提出了一系列建筑电气设计国家规范、行业标准，但很多规范、标准存在规定不一致等问题，再加上部分设计人员对电气设计标准规范条文理解不到位，导致很多建筑工程都存在电气系统混杂、错乱等问题，对电气系统正常运行带来了很大的安全隐患。

节能减排是我国近些年大力倡导的理念，这就要求电气系统设计在能够满足用户实际使用需求的基础上，最大程度上减少电能损耗。但电气系统节能设计发展还不够成熟，加之新技术、新产品、新材料、新工艺、新能源不断涌现，很多设计人员对电气节能设计理解不深入，导致大量电能浪费，如很多建筑物变压器负载持续率常年不足50%运行、办公楼公共区域长明灯、供水系统水泵全功率运行等。

2 建筑电气系统设计原则

2.1 功能性

建筑电气系统会直接影响建筑工程的使用功能，所以在设计中要确保电气系统可以满足建筑工程整体需求，并需要满足特殊场所用电，如公共建筑食堂燃气间防爆要求等。同时，还要保证建筑工程的舒适性，包括建筑温度控制、照明控制等，进一步细分，如照明系统中除了要保证照度外，还需要保证照度均匀度、眩光控制、光源色温、光源显色指数等指标。

2.2 安全性

电气系统由于内部结构复杂、涉及面较广，确保整个系统安全是需要重点考虑的问题。例如电气短路问题，需要在设计中保证电气系统绝缘、短路分断等满足要求，短路时保护开关可以有效动作，避免危害进一步扩大。同时，还有更重要的消防问题，消防配电直接关乎火灾时消防水泵、防排烟风机等消防设备的可靠运行等。

2.3 节能性

节能并不是一味地减少电气系统电能损耗，而是减少无谓的电能浪费，也就是尽可能节省无法发挥建筑功能的电气消耗，并采用节能措施。无谓电能损耗主要有输配电线路功率损耗、变压器空载损耗、电力用户用电设备无功损耗等，这些因素都要重点考虑如何降低电能损耗，从而实现节能目标。

3 建筑电气安全性设计

在电气安全性设计方面，文章主要就供电可靠性、接地故障、电涌防护、建筑消防控制等方面展开探讨。

3.1 供电可靠性

供电可靠性会直接影响建筑使用功能，保证电力供应正常运行是基础与核心。对于一级负荷，通常需设有2个或2个以上的独立电源，供电方案根据负荷性质、当地电网设置情况等确定。一般情况下2个独立电源可一用一备，亦可同时工作。若有一级负荷中特别重要负荷时，根据负荷性质，有时还要设置快速自启动柴油发电机组，停电时的电力恢复时间在15s之内，正常情况下电源断电时作为保障负荷的备用电源，消防状态时作为消防负荷的应急电源等。对于二级负荷则要求采用双回路电源供电[1]。针对消防负荷必须采取双电源末端切换供电，以满足供电可靠性。

3.2 接地故障

建筑火灾大部分都是电气系统故障引起的事故，究其根本是因为电气设备故障或线路故障。电气故障主要包括带电导体间的短路、带电导体对地短路。接地故障作为短路形式的一种，其短路电流、故障严重性、保护措施等方面与普通相间短路存在较大的差异。如果带电导体出现短路等情况，由于电流量激增，此时断路器自动切断故障回路，从而避免发生电气火灾。接地故障电流相对较小，特别是电弧接地故障问题，断路器可能无法动作，此类问题不仅会造成人身电击，还会出现火灾问题。因此电弧性接地故障所引发的火灾概率更高。

在电气架构设计当中，要在进线端或者分支处设置RCD，在设定RCD保护时，根据标准最佳保护动作电流通常为I≤300mA，动作时间延迟为0.25s，误差控制在±20%。这样设计可以在电源箱供电范围内如果某个线路出现了接地故障，此时RCD可以在0.2～0.3s切断电源，避免电气火灾发生。

3.3 电涌保护

为了提高建筑的防雷性能，要采用建筑外部防雷系统，主要是由接地装置、接闪带、引下线等构成。通过分析可知，雷电电涌可以通过外部线路进入到建筑内部造成电气事故，并且雷电的电流量非常大，有非常强的瞬变电磁场感应，导致建筑内敏感电气设备损坏。特别是在电气自动化背景下，建筑内所使用的敏感类电子设备数量不断增多，并且这些设备工作电压普遍较低，所以受到电涌袭击的概率更大。一旦有设备受到损坏，可能会导致整个系统运行中断。

为了避免以上问题，需要采用等电位连接方案，室外电缆需要在进入建筑前做好接地。电源线路上设置电涌防护器SPD。如果雷电电涌、电气内部电压值超过了SPD设定阈值时，就会形成等电位。等电位可以将大量电压、电涌瞬间释放给大地，有效减少了设备各个接口之间的电位差，从而起到保护作用。

3.4 建筑消防控制

建筑电气消防系统的设计核心是火灾自动报警及联动控制系统，整个系统包括火灾探测报警系统、消防联动控制系统、火灾预警系统以及消防电源监控系统，实现了消防系统的自动化体系。火灾报警控制系统线缆除采用阻燃耐火铜芯电线电缆外，消防线路暗敷时所有线路都要穿金属管暗敷在保护层厚度≥30mm的不燃性结构内，这样即使发生火灾，也可以保证线路正常使用，有效传递火灾信号和联动控制。

4 建筑电气节能性设计

4.1 供配电系统

（1）变压器选择。如今新型变压器种类较多，通常10型以上的变压器均具备节能效益。如可以选择SC（B）10变压器（全名为“环氧树脂真空浇注干式变压器”）。该变压器采用硅钢片剪切线、晶粒取向冷轧硅铜片、阶梯步迭铁芯接缝，相比普通的干式变压器，空载损耗可以降低33%、负载损耗可以降低15%，总损耗下降20%。资金较充裕时还可选择非晶合金变压器，其空载损耗一般不到用硅钢片制作的变压器的30%。从变压器日常使用情况分析，其长期工作负载量控制在70%～85%，因此在变压器数量和容量选择当中，要结合负载变化量、运行运费、投资量等，合理分配变压器运行负荷，要求变压器容量与电力负荷相匹配，减少长期负载运行的电能损耗量[2]。同时，变压器运行温度越高，其电能耗费量越大，因此要控制运行环境，保持三相负荷平衡，采取科学的变压器界限方案。季节性负荷较大时可以设置专用变压器。

（2）配电系统功率因数。为了能够减少电气设备无功损耗，提高运行功率因数，必须科学选择电感性用电设备，并采取并联电容器等方式进行无功补偿，以提高功率因数。

（3）线路损耗控制。采用电阻率小的导线，变电所深入负荷中心，避免导线长度过长，适当提高导线截面积。虽然在建设中可能会增加成本，但从长远发展来看具有非常高的经济效益和节能效益。

（4）供电电压。在相同条件下，电压与损耗通常成反比，即电压越低损耗越大。结合电气系统投入量和电力企业规定标准确定供电电压等级，如电气设备容量总和超过250kW或变压器容量超过了160kVA时，宜采用10kV供电。

4.2 电气设备

（1）风机、水泵。根据运行工况设置自动启停；对于风机、泵类负载，当流量在90%～100%范围内变化时，通过风门控制器、阀门控制器控制风门和阀门的开度；采用电动机定子调压、变换极对数、变频等调速方式运行。

（2）电动机。电动机损耗主要是轻载运行、空载运行，很难达到满功率运行，需根据运行状况进行自动调节，因此需安装以变频器、智能控制器、现场传感器为主的节能控制系统，采集各控制点工艺参数及环境参数，实时调节变频器运行状态，最大限度实现节能。

4.3 照明系统

照明系统主要采用节能高效的灯具，无特殊要求场所，尽量选择开敞式直接型灯具，同时还要考虑色温、光效、显色指数、使用寿命、价格等。严格控制照明功率密度值，充分利用天然光，配合天然光采取分区、分组等合理控制方式。建筑内照明主要是采用声感照明和光感（体感）照明，如建筑的走廊和楼梯间，可以同时设置声感照明和光感照明，同时捕捉人的脚步声、咳嗽声，如果用户的行走声音较小，光感器也可以捕捉人经过的动态光，实现自动控制[3]；还可以采用智能照明控制系统，让照明系统更加智能，如传统控制系统在一定时间内无声音、无走动会自动关闭灯具，而智能照明系统采用了更加智能的控制方案，可以运用红外线传感器（人体都会辐射红外线），只要人在灯具就不会熄灭；还可以根据室内外环境光变化自动调节光照亮度，例如傍晚在走廊较暗（并非全黑）的情况下，系统会自动打开30%～50%的光亮度，在保证满足用户使用需求基础上，尽可能减少电能损耗量。

4.4 分布式能源系统

分布式能源系统是一种更高效、环保、可靠的能源转换技术集成系统。根据发电方式，分为小水电站、新能源发电、余热发电、冷热电三联供等类型。分布式能源系统对节能减排具有重要意义，以太阳能光伏发电为例，太阳能资源丰富地区1MWp并网太阳能电站，预计发电量约为95×104kWh，相当于年节标准煤约330t，并且无噪声、无污染、运行可靠[4-5]。

5 结束语

综上所述，为了能够保证建筑电气系统运行安全性和节能性，必须全面考虑电气设计的每个要点。电气设计人员要精心考量，对多个设计方案进行安全性、节能性对比，从技术指标满足度、建筑功能需求度、系统运行安全性、系统总体能耗量等角度出发，这样才能充分发挥建筑电气系统的综合效能。