一、研究背景与意义

建筑电气系统涵盖供配电、动力、照明、暖通空调等多个子系统，其能耗占建筑总能耗的较大比例。随着城市化进程加快和建筑功能日益复杂，建筑电气系统的能耗问题愈发突出。开展建筑电气系统能效优化与节能技术研究，有助于降低建筑能耗成本、减少碳排放、提升建筑的环境适应性和用户体验，对于推动绿色建筑的发展、实现可持续发展目标具有重要意义。

二、国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外在建筑电气系统能效优化与节能技术上起步早、研究深。供配电系统节能上，发达国家广泛采用高效变压器、合理设计线路等，减少线路损耗、提高功率因数；动力系统节能方面，高效电动机和先进电机控制技术广泛应用，依负荷特性选电动机、改进控制方式，降低能耗；照明系统节能上，自然光利用和智能照明控制系统成熟，通过增大门窗引入自然光，结合传感器按需控制；暖通空调控制系统优化上，BA系统应用普遍，借助中央计算机实现子系统集中监控和智能控制，高效利用能源。

2.2 国内研究现状

国内对建筑电气系统能效优化与节能技术的研究不断深入。供配电系统节能上，重视变配电所位置设计、供电电压选择及变压器和电缆导线选型，以降线路损耗；动力系统节能方面，推广高效电动机和变频调速技术，但应用范围和水平与国外有差距；照明系统节能上，LED照明渐普及，智能照明控制系统应用不广；暖通空调控制系统优化方面，BA系统用于大型公共建筑，集成度和智能化待提升。此外，新能源与储能技术在建筑电气系统的应用研究正逐步开展，尚处发展阶段。

三、研究内容与方法

3.1 研究内容

3.1.1 供配电系统节能研究

1. 变配电所位置设计：根据用电负荷的容量及分布，将变配电所设计在靠近负荷中心的位置，以缩短供电半径，降低线路损耗。当供电容量超过500kW计算容量，供电距离超过250m时，考虑增设变电所。

2. 供配电系统简化：同一用户，高压配电级数不宜多于两级，变压器二次侧至用电设备的低压配电级数不宜超过三级，减少变电级数过多产生的电能损耗。两路电源进线供电的系统，宜采用两路电源同时运行的方式。

3. 供电电压选择：城镇的高压配电电压优先采用10kV，特殊情况下可采用6kV，低压配电电压应采用220V/380V。当用电设备功率在250kW及以上或需用变压器在160kVA及以上者，宜采用10kV供电。

4. 电缆导线截面选择：在满足允许载流量、运行电压损失等各种技术指标前提下，按经济电流密度合理选择导线截面，综合考虑降低电能损耗、减少投资和节约有色金属等方面。

5. 变压器选型与运行：选用S11型及以上非晶合金等节能环保、低损耗和低噪声的变压器，注重提高设备运行的负荷率，使变压器处在经济运行状态。根据负荷变化情况，综合考虑投资和年运行费用，选取容量与电力负荷相匹配的变压器。

6. 谐波治理：选用Dyn11变压器，设置滤波或隔离滤波装置，合理选择中性线截面等措施抑制谐波，提高电能质量。

3.1.2 动力系统节能措施研究

1. 电动机选型：根据电动机的负荷大小合理选择电动机的型号，事先对电动机的负荷需求进行评估。

2. 电动机效率提升：尽可能使用高效率的电动机，减少电动机的空载消耗和负载消耗。

3. 电动机控制方式改进：对电动机的控制方式加以改进，提高其运行效率，同时注意电动机的质量，保证电能消耗计算的准确性。

3.1.3 照明系统节能措施研究

1. 自然光利用：增加靠近室外部分的门窗尺寸等，保证建筑物在白天利用自然光可获得稳定的照明条件，节约照明能耗，利于提高室内的温度，进一步降低建筑的能耗。

2. 照明灯具与开关选用：根据建筑的各个部分照明的需求，合理选用照明灯具，采用各种节能开关。

3. 太阳能技术应用：尝试性地使用太阳能技术及相关产品，节约资源、保护生态环境。

3.1.4 暖通空调控制系统优化设计研究

1. BA系统简介：BA系统通过中央计算机系统的网络，将分布在各监控现场的区域智能分站连接起来，集中完成分散的操作和综合监控。系统中各子系统或设备应采用相同的通信接口，使用公开的通信协议，使系统具备集成和互操作能力。

2. 节能控制优化设计：将节约能耗和提高控制水平放在首位，对系统的结构和参数进行最佳匹配，使整体效能最佳。考虑机电设备启停策略、温度和风量自动调节等策略。

3.1.5 智能建筑电气系统能效优化研究

1. 系统认知与挑战：现代智能建筑的电气系统包含多个子系统，能效提升的核心在于通过先进的控制逻辑和精准的数据支撑，减少不必要的能耗、降低峰谷差、提高设备运行效率。面临的挑战包括初期投资回报周期、不同系统间的接口协调、传感网络的覆盖与数据质量、运维人员的技能迭代等。

2. 设计阶段的能效优化要点

(1) 负荷分区与柔性供电：将高耗能区域独立供电、设置分区回路控制与负载切换策略，降低峰值需求，减轻变压器与母线容量压力。

(2) 设备选型与布置前瞻性：高效电动机、变频驱动、软启动等技术应在设计阶段被视为标配选项，照明方面以LED为主、并设定光感与占用感知控制的接口。

(3) 新能源与储能接口预留：若建筑具备光伏等分布式能源，需在设计阶段预留直流交流耦合点、储能接入端口及其控制策略。

(4) 电能质量与保护统筹：设计阶段应考虑无功补偿、谐波治理与电磁兼容性。

(5) 信息化接口与数据层留白：为EMS、BMS与现场设备的数据对接提供标准化接口。

3. 运行阶段的能效提升路径

(1) EMS数据平台建立：建立统一的数据平台，汇聚来自不同子系统的数据，形成“数据诊断决策执行”的闭环，输出可执行的节能策略。

(2) 照明控制优化：从“开关”扩展到“分区、按需、渐变、日光自适应”的综合控制，结合多种因素动态调节照明。

(3) 机电设备优化运行：空调系统通过高效制冷源与变频控制实现精准管理，对水泵、升降设备等负载实施变频驱动和节能调度。

(4) 能源管理与分布式能源协同：光伏、储能与建筑负荷通过优化调度实现自给自足比例提升，参与需求响应，降低电费支出。

(5) 维护与自诊断能力：通过对设备运行数据的异常检测与预测性维护，减少因设备老化或故障导致的能耗飙升。

3.1.6 关键技术与实现要点研究

1. 电机与驱动系统的能效升级：采用高效电机、匹配合适的变频驱动、实施软启动和限流策略，在负荷特性允许的情况下采用多变频调速、采用更高效的传动机构，对流程工艺进行工艺参数优化。

2. 照明与感知控制：将LED与occupancy、光照传感、日照自适应控制结合，实现合理的色温选择。

3. 功率因数无功治理：通过无功补偿装置提升功率因数，治理谐波时要综合考虑整流电源、变流设备等因素。

4. 能源管理系统与数据治理：EMS作为能效管理的核心，要实现数据的准确采集、分析和应用。

3.2 研究方法

1. 文献研究法：查阅国内外相关文献资料，了解建筑电气系统能效优化与节能技术的研究现状和发展趋势，为课题研究提供理论支持。

2. 实地调研法：对一些具有代表性的建筑进行实地调研，了解其电气系统的运行情况和节能措施的应用效果，收集实际数据和案例。

3. 模拟分析法：利用计算机模拟软件，对建筑电气系统的能效进行模拟分析，评估不同节能措施的效果，为优化设计提供依据。

4. 实验研究法：搭建实验平台，对一些关键的节能技术和设备进行实验研究，验证其性能和节能效果。

四、研究计划与安排

4.1 第一阶段（第1 - 2个月）

1. 完成课题的选题和开题报告撰写。

2. 查阅国内外相关文献资料，了解研究现状和发展趋势。

4.2 第二阶段（第3 - 6个月）

1. 开展实地调研，收集实际建筑电气系统的运行数据和案例。

2. 对供配电系统、动力系统、照明系统、暖通空调控制系统等进行详细的节能分析和研究，确定节能措施和技术方案。

4.3 第三阶段（第7 - 11个月）

1. 利用计算机模拟软件对建筑电气系统的能效进行模拟分析，评估不同节能措施的效果。

2. 搭建实验平台，对关键的节能技术和设备进行实验研究。

4.4 第四阶段（第12 - 13个月）

1. 对研究结果进行总结和分析，撰写课题研究报告。

2. 组织专家对课题研究报告进行评审和修改。

五、预期成果与创新点

5.1 预期成果

1. 完成《建筑电气系统能效优化与节能技术研究》课题研究报告。

2. 提出一套适用于建筑电气系统的能效优化与节能技术方案，包括供配电系统、动力系统、照明系统、暖通空调控制系统等方面的具体措施。

3. 通过实验研究和模拟分析，验证所提出的节能技术方案的有效性和可行性。

5.2 创新点

1. 将智能建筑的理念与建筑电气系统能效优化相结合，提出基于智能化控制的节能技术方案，提高能源管理的精细化水平。

2. 综合考虑建筑电气系统各个子系统的能效优化，形成一个闭环的能效管理体系，实现整体能效的提升。

3. 在新能源与储能技术的应用方面，提出适合建筑电气系统的接入和控制策略，促进可再生能源在建筑中的利用。

六、研究条件与保障

6.1 研究条件

1. 实验室条件：学校或研究机构拥有相关的电气实验室，配备有供配电系统模拟装置、电动机实验平台、照明系统测试设备、暖通空调控制系统实验平台等，为课题研究提供了必要的实验条件。

2. 数据资源：可以通过实地调研、与建筑管理部门合作等方式，获取实际建筑电气系统的运行数据，为研究提供数据支持。

6.2 研究保障

1. 经费保障：课题研究将申请相关的科研经费，用于实验设备购置、数据采集、调研差旅等方面的支出，确保研究工作的正常开展。

2. 时间保障：合理安排研究计划，确保课题研究在规定的时间内完成。研究人员将投入足够的时间和精力，保证研究质量。

3. 制度保障：建立健全的研究管理制度，加强对研究过程的监督和管理，确保研究工作按照计划有序进行。

七、结论

在能源紧张与“双碳”目标的大背景下，对建筑电气系统能效优化与节能技术展开研究意义重大。当前，建筑电气系统存在能源利用效率不高、部分设备能耗大、节能技术应用不充分等问题，导致能源浪费严重，增加了建筑运行成本与环境压力。

通过本研究，旨在系统分析建筑电气系统各环节的能耗特点，探索先进的能效优化策略与节能技术，如智能控制技术、高效节能设备应用等。预期成果能够为建筑电气系统的节能改造提供科学依据和可行方案，提高能源利用效率，降低建筑能耗，助力建筑行业实现绿色可持续发展，对缓解能源危机和保护环境具有积极推动作用。