核心提示：文章以某高原綜合樓為例，對高原地區(qū)綠色建筑的電氣設計方法和特點進行了探討，介紹了光伏發(fā)電、智能遮陽、節(jié)能照明、空氣質量監(jiān)控和能源計量與監(jiān)控等系統(tǒng)的基本原理和應用方式，并結合當?shù)厍闆r闡述了相關系統(tǒng)的設計思路。

1 前言

隨著節(jié)能、低碳、環(huán)保的概念深入人心，綠色建筑吸引著越來越多人的目光。綠色建筑追求在建筑的全壽命周期內，最大限度的利用資源，為人們提供健康、舒適的工作和生活環(huán)境，減少對自然的影響[1]，已成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的必然趨勢。

在空氣稀薄、氣壓較低的高原地區(qū)，人們對綠色建筑的需求更為迫切。除了當?shù)卦裢?，大多?shù)平原地區(qū)居民在進入高原地區(qū)后都會產生不同程度的不適感，輕者頭疼胸悶，重者危及生命。在高原地區(qū)營造一個對平原地區(qū)來訪人員亦然健康、舒適且節(jié)能、環(huán)保的環(huán)境，無論是國民生活上，還是國防建設上，都有著巨大的意義。

本文以青藏高原首個綠色建筑——某高原綜合樓（后文簡稱綜合樓）為例，針對高原地區(qū)綠色建筑的電氣設計進行了一些探索和研究。

綜合樓位于拉薩，建筑面積約5000m2，集住宿、辦公、會議、科研、餐飲、運動、休閑等多種功能于一體，踐行綠色理念，試圖打造一個宜居生態(tài)建筑綜合體。其電氣設計主要涉及以下幾個方面：

（1）光伏發(fā)電；

（2）智能遮陽；

（3）節(jié)能照明；

（4）空氣質量監(jiān)控；

（5）能源計量與監(jiān)控。

2 光伏發(fā)電

作為可再生能源的代表，光伏發(fā)電在建筑中有著獨特的優(yōu)勢，應用日趨廣泛。拉薩的太陽能資源極為豐富,年平均日照時間為2872小時，年平均輻射強度達到了2195kWh/m2a，是我國太陽輻射強度最大的城市[2]，非常適合發(fā)展光伏發(fā)電技術。

綜合樓主要采用了兩種光伏發(fā)電技術：光伏建筑一體化（BIPV）技術與光伏熱電聯(lián)產技術。

其中BIPV技術是將光伏組件與建筑材料進行有機集成，同時實現(xiàn)建筑造型與光伏發(fā)電的功能[3]。相比于普通的光伏組件，BIPV組件節(jié)約了單獨安裝太陽能板的空間，同時本身作為建筑材料使用，節(jié)省了建筑物的整體造價，更兼具美學形式，使建筑外觀更有魅力。

綜合樓在生態(tài)中庭屋頂采用了BIPV技術，均勻的設置了轉換效率較高的單晶硅型BIPV組件（約為16%~18%），與原有玻璃組件達到1：2的比例，既不影響中庭綠化的日照以及建筑的造型，同時還能降低屋頂?shù)臏厣G色環(huán)保（如圖1所示）。

而光伏熱電聯(lián)產技術則是一種將光電、光熱結合的新型光伏技術，其組件主要由2部分構成：上層是普通光伏組件，下層為高效導熱的微熱管。在系統(tǒng)運行時，微熱管能將光伏發(fā)電產生的多余熱量帶走，降低光伏組件表面溫度，提高發(fā)電效率，同時帶走的熱量將用于產生熱水，供生活洗浴用，一舉兩得，提高太陽能的綜合利用效率。

在屋頂就近設置小型并網光伏逆變器，轉換成交流后上傳至綜合樓配電系統(tǒng)中。生態(tài)中庭瀑布的水泵根據(jù)光伏發(fā)電狀況自動控制，若當前光伏發(fā)電量超過預設值，水泵自動啟動，否則停泵。

據(jù)測算，光伏發(fā)電大概能滿足本樓60%-70%左右的供電負荷，年平均節(jié)約電費數(shù)十萬元，遠優(yōu)于平原地區(qū)光伏發(fā)電效果。

3 智能遮陽

遮陽系統(tǒng)能直接屏蔽部分太陽輻射，阻擋直射光線，防止產生眩光，同時利于建筑的保溫隔熱，從源頭上降低能源消耗[4]。智能遮陽系統(tǒng)通過控制軟件自動控制遮陽百葉、遮陽簾等遮陽設施的開啟、旋轉等，是綠色建筑設計的最佳選擇之一。

綜合樓南面區(qū)域主要為客房，采用了大面積玻璃幕墻設計，在獲取豐富日照的同時，也對遮陽提出了更高的要求。拉薩日照時間長、輻射強度高，若采用內部遮陽，除了將部分太陽輻射放射出去外，它和玻璃吸收的熱量又將散發(fā)到室內空氣中，效果不明顯[4]。為了追求更佳的遮陽效果，本樓在玻璃幕墻外設置了外部式、可活動智能遮陽百葉，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料和日照監(jiān)測結果進行自動控制。

智能遮陽系統(tǒng)采用無線控制方式，在室外設置了3-4個無線日照傳感器，檢測當前日照強度與天氣情況，將數(shù)據(jù)傳輸至樓宇綜合控制系統(tǒng)，由工控機軟件結合季節(jié)、時間、日照和天氣情況進行計算后，決定遮陽百葉升降程度、旋轉角度，再通過無線傳感器發(fā)送信號給遮陽百葉電機統(tǒng)一動作。例如在陰天，系統(tǒng)將自動控制百葉收起，通透采光；而在晴天，則按陽光自動跟蹤模式執(zhí)行[5]。同時，各房間均設置遮陽百葉控制面板，人員可以直接通過面板控制百葉動作到自己認為適宜的程度。

若工程經費更為充足，可以考慮采用雙層全通透動態(tài)玻璃幕墻智能遮陽系統(tǒng)[6]。幕墻內、外兩層均為鋼化玻璃結構，中間設置遮陽百葉，兩層玻璃之間設有排風系統(tǒng)，將吸收的熱量排出，極大的保證了遮陽效果。該系統(tǒng)防護等級高，維護方便，更適用于沙塵天氣較多的高原地區(qū)。

4 節(jié)能照明

節(jié)能照明是當今照明設計的主旋律，包括采用效率高、壽命長、安全性好的優(yōu)質光源，以及采用科學、適宜的照明控制技術等。

LED（發(fā)光二極管）是優(yōu)質光源中的佼佼者，也是現(xiàn)階段發(fā)展最為迅速的新型固體光源。相比于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，LED的發(fā)光效率更高、壽命更長、安全性更好，綠色無污染。目前商用LED產品發(fā)光效率多為80～100lm/W左右，高于節(jié)能型熒光燈，且隨著技術進一步發(fā)展，未來發(fā)光效率可能超過200lm/W，遠高于傳統(tǒng)光源[7]。并且LED不含汞等有害元素，可回收利用，對環(huán)境無污染。但目前LED仍存在一些問題，限制了其進一步推廣和使用。例如散熱不好，容易導致燈具溫度過高，影響發(fā)光效率、壽命以及穩(wěn)定性；以及目前商用白光LED產品顯色指數(shù)偏低，不適合用于顯色指數(shù)較高的場所等[8]。

綜合考慮各種光源的特點，綜合樓在走廊、樓梯間、衛(wèi)生間、生態(tài)中庭等顯色指數(shù)要求不高的公共區(qū)域以及室外夜景照明采用了新型LED燈具。該LED燈具采用散熱器與燈具外殼一體化設計，散熱器的主要材料是微熱管，比常用的鋁合金或銅散熱效果要好的多，有效提高了LED的發(fā)光效率和壽命。而在辦公室、會議室等其他房間則采用可調光式熒光燈，滿足高顯色性要求。

同時，針對不同區(qū)域照明分別采用不同的節(jié)能控制技術。其中走廊、樓梯間等公共區(qū)域采用單燈智能控制技術，LED燈具自帶紅外傳感器[9]，與照度傳感器結合進行單燈控制。僅當當前區(qū)域照度低于某個閾值，且檢測到有人進入時，燈具才自動點亮，人離時延時自動熄滅。生態(tài)中庭景觀照明以及夜景照明則采用定時器與照度傳感器結合方式進行控制，當檢測到照度低于某個閾值，且當前時間在預訂時間區(qū)間內時，燈具自動點亮，否則自動熄滅。辦公室等房間節(jié)能照明與智能遮陽相結合，進行恒照度控制，當檢測到有人活動時，通過調節(jié)燈具輸出功率，控制房間內光照度維持在預設值附近，同時為了避免日光炫目，自動控制百葉旋轉角度，防止陽光直射，也能避免室內溫度過高。會議室等房間則采用了場景照明控制，根據(jù)會議模式、階段，啟用不同的照明方案，節(jié)能的同時豐富視覺效果。

5 空氣質量監(jiān)控

高原地區(qū)綠色建筑的空氣質量監(jiān)控不同于普通綠色建筑，不僅包括了常見的二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氨等不良氣體的濃度監(jiān)控，同時更側重于針對氧氣濃度的監(jiān)控。

為了提高平原地區(qū)來訪人員在高原地區(qū)工作、生活的舒適度，綜合樓對客房、辦公室、會議室等主要人員活動場所進行人工供氧。綜合考慮拉薩地區(qū)的天氣狀況以及各種制氧技術優(yōu)劣后，本樓采用了獨立設置分子篩系統(tǒng)制氧站的方案，減少制氧機噪聲和震動對人員的影響，氧氣采用專用管道輸送過來后進行彌散式供氧，滿足人員需要，減少高原不適癥的發(fā)生。

但氧氣含量也并非越高越好。根據(jù)固體材料燃燒特性，當氧氣濃度升高時，材料的燃點會相應降低，容易引發(fā)火災，尤其是在密閉環(huán)境更容易造成人員財產損失[10]。并且，人類長時間在氧氣濃度過高的環(huán)境中生活，可能發(fā)生“氧中毒”。

綜合樓空氣質量監(jiān)控中最為重要的部分就是氧氣濃度監(jiān)控，使區(qū)域內氧氣濃度維持在設定范圍內，不至于過低使人產生高原不適反應，又不至于過高增加火災甚至“氧中毒”的風險。

空氣質量監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示，主要由三部分組成：空氣質量傳感器、邏輯控制器、電動調節(jié)閥。其中空氣質量傳感器為定制型多功能傳感器，可以進行氧氣濃度、二氧化碳、一氧化碳等多種氣體濃度檢測。邏輯控制器對檢測到的數(shù)據(jù)與設定值進行對照，通過電動調節(jié)閥進行反饋控制，并接入樓宇綜合控制系統(tǒng)。當氧氣濃度較低時，增大電動調節(jié)閥，提高氧氣供給量，反之則減少氧氣供應。若二氧化碳等其他氣體濃度過高時，邏輯控制器將數(shù)據(jù)上傳至工控機，通過樓宇綜合控制系統(tǒng)自動啟動空調新風系統(tǒng)，及時恢復室內空氣環(huán)境的健康狀態(tài)，實現(xiàn)檢測與控制一體化功能[11]。

若空氣質量超出預設值一段時間后，仍未能恢復到健康狀態(tài)，表明出現(xiàn)異常狀況，系統(tǒng)會及時切斷供氧總閥門，進行聲光報警，提醒技術人員介入。

空氣質量數(shù)據(jù)同步上傳至遠程控制中心，供技術人員在線實時監(jiān)控綜合樓運轉情況。當發(fā)生故障時，也更容易找到故障原因，組織維護和維修工作。

6 能源計量與監(jiān)控

能源計量與監(jiān)控是節(jié)能工作的基礎，可以為管理部門提供準確的能源監(jiān)測數(shù)據(jù)，對能源使用情況進行科學分析與研究，為節(jié)能措施和政策的制定提供技術依據(jù)[12]。同時，獨立分項能源計量也是綠色建筑必不可少的一部分[1]。

綜合樓的能源計量與監(jiān)控系統(tǒng)主要分為三個層面：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)總線傳輸層與綜合監(jiān)控層。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層為分布在現(xiàn)場的各種高精度測量儀表，包括電能表、燃氣流量表、水流量表、氧氣流量表等，其中電表根據(jù)用電負荷功能分為照明、廚衛(wèi)設備、空調設備、制氧設備、水泵、風機、光伏發(fā)電等幾種類型，分項計量，其他儀表也根據(jù)具體情況精細化計量。

數(shù)據(jù)總線傳輸層為本樓DDC控制系統(tǒng)，各種測量儀表數(shù)據(jù)接入DDC模擬量/數(shù)字量輸入接口，通過DDC通訊總線進行傳輸。

綜合監(jiān)控層為設置在工控機的能源計量與監(jiān)控軟件系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計和分析，主要包括以下幾個方面：

（1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，顯示當前光伏發(fā)電、光熱供暖等能源利用情況以及水、電、燃氣、氧氣等能源消耗情況，對異常能源消耗進行報警，有效遏制長流水、長氧氣等能源浪費現(xiàn)象發(fā)生。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢，并生成能源利用與消耗趨勢圖，可以逐年、逐月、逐周進行對比分析。

（3）節(jié)能潛力分析，根據(jù)本樓實際能源利用與消耗值與理論計算值的差異，結合實際運行狀況，分析綜合樓的節(jié)能潛力。

綜合監(jiān)控層自動將數(shù)據(jù)上傳至上級管理部門能源計量與監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)備份的同時供遠程監(jiān)控用。上級管理部門可在線進行能源數(shù)據(jù)的監(jiān)控、維護和發(fā)布工作，及時準確，并降低人力成本。

7 結束語

綠色建筑方興未艾，我國不少大、中城市進行了嘗試和探索，不斷有新的綠色建筑投入使用。然而，高原地區(qū)綠色建筑設計尚未得到人們的關注，迄今仍缺乏專門系統(tǒng)的研究。結合高原地區(qū)氣候、環(huán)境、經濟、技術等特點，設計符合當?shù)厍闆r的綠色建筑，為人們構建生態(tài)、宜居環(huán)境，具有非常高的研究價值。