1 前言

随着节能、低碳、环保的概念深入人心，绿色建筑吸引着越来越多人的目光。绿色建筑追求在建筑的全寿命周期内，最大限度的利用资源，为人们提供健康、舒适的工作和生活环境，减少对自然的影响[1]，已成为现代建筑发展的必然趋势。

在空气稀薄、气压较低的高原地区，人们对绿色建筑的需求更为迫切。除了当地原著民外，大多数平原地区居民在进入高原地区后都会产生不同程度的不适感，轻者头疼胸闷，重者危及生命。在高原地区营造一个对平原地区来访人员亦然健康、舒适且节能、环保的环境，无论是国民生活上，还是国防建设上，都有着巨大的意义。

本文以青藏高原首个绿色建筑——某高原综合楼（后文简称综合楼）为例，针对高原地区绿色建筑的电气设计进行了一些探索和研究。

综合楼位于拉萨，建筑面积约5000m2，集住宿、办公、会议、科研、餐饮、运动、休闲等多种功能于一体，践行绿色理念，试图打造一个宜居生态建筑综合体。其电气设计主要涉及以下几个方面：

（1）光伏发电；

（2）智能遮阳；

（3）节能照明；

（4）空气质量监控；

（5）能源计量与监控。

2 光伏发电

作为可再生能源的代表，光伏发电在建筑中有着独特的优势，应用日趋广泛。拉萨的太阳能资源极为丰富,年平均日照时间为2872小时，年平均辐射强度达到了2195kWh/m2a，是我国太阳辐射强度最大的城市[2]，非常适合发展光伏发电技术。

综合楼主要采用了两种光伏发电技术：光伏建筑一体化（BIPV）技术与光伏热电联产技术。

其中BIPV技术是将光伏组件与建筑材料进行有机集成，同时实现建筑造型与光伏发电的功能[3]。相比于普通的光伏组件，BIPV组件节约了单独安装太阳能板的空间，同时本身作为建筑材料使用，节省了建筑物的整体造价，更兼具美学形式，使建筑外观更有魅力。

综合楼在生态中庭屋顶采用了BIPV技术，均匀的设置了转换效率较高的单晶硅型BIPV组件（约为16%~18%），与原有玻璃组件达到1：2的比例，既不影响中庭绿化的日照以及建筑的造型，同时还能降低屋顶的温升，绿色环保（如图1所示）。

而光伏热电联产技术则是一种将光电、光热结合的新型光伏技术，其组件主要由2部分构成：上层是普通光伏组件，下层为高效导热的微热管。在系统运行时，微热管能将光伏发电产生的多余热量带走，降低光伏组件表面温度，提高发电效率，同时带走的热量将用于产生热水，供生活洗浴用，一举两得，提高太阳能的综合利用效率。

在屋顶就近设置小型并网光伏逆变器，转换成交流后上传至综合楼配电系统中。生态中庭瀑布的水泵根据光伏发电状况自动控制，若当前光伏发电量超过预设值，水泵自动启动，否则停泵。

据测算，光伏发电大概能满足本楼60%-70%左右的供电负荷，年平均节约电费数十万元，远优于平原地区光伏发电效果。

3 智能遮阳

遮阳系统能直接屏蔽部分太阳辐射，阻挡直射光线，防止产生眩光，同时利于建筑的保温隔热，从源头上降低能源消耗[4]。智能遮阳系统通过控制软件自动控制遮阳百叶、遮阳帘等遮阳设施的开启、旋转等，是绿色建筑设计的最佳选择之一。

综合楼南面区域主要为客房，采用了大面积玻璃幕墙设计，在获取丰富日照的同时，也对遮阳提出了更高的要求。拉萨日照时间长、辐射强度高，若采用内部遮阳，除了将部分太阳辐射放射出去外，它和玻璃吸收的热量又将散发到室内空气中，效果不明显[4]。为了追求更佳的遮阳效果，本楼在玻璃幕墙外设置了外部式、可活动智能遮阳百叶，根据当地气象资料和日照监测结果进行自动控制。

智能遮阳系统采用无线控制方式，在室外设置了3-4个无线日照传感器，检测当前日照强度与天气情况，将数据传输至楼宇综合控制系统，由工控机软件结合季节、时间、日照和天气情况进行计算后，决定遮阳百叶升降程度、旋转角度，再通过无线传感器发送信号给遮阳百叶电机统一动作。例如在阴天，系统将自动控制百叶收起，通透采光；而在晴天，则按阳光自动跟踪模式执行[5]。同时，各房间均设置遮阳百叶控制面板，人员可以直接通过面板控制百叶动作到自己认为适宜的程度。

若工程经费更为充足，可以考虑采用双层全通透动态玻璃幕墙智能遮阳系统[6]。幕墙内、外两层均为钢化玻璃结构，中间设置遮阳百叶，两层玻璃之间设有排风系统，将吸收的热量排出，极大的保证了遮阳效果。该系统防护等级高，维护方便，更适用于沙尘天气较多的高原地区。

4 节能照明

节能照明是当今照明设计的主旋律，包括采用效率高、寿命长、安全性好的优质光源，以及采用科学、适宜的照明控制技术等。

LED（发光二极管）是优质光源中的佼佼者，也是现阶段发展最为迅速的新型固体光源。相比于 白炽灯、荧光灯等传统光源，LED的发光效率更高、寿命更长、安全性更好，绿色无污染。目前商用LED产品发光效率多为80～100lm/W左右，高于节能型荧光灯，且随着技术进一步发展，未来发光效率可能超过200lm/W，远高于传统光源[7]。并且LED不含汞等有害元素，可回收利用，对环境无污染。但目前LED仍存在一些问题，限制了其进一步推广和使用。例如散热不好，容易导致灯具温度过高，影响发光效率、寿命以及稳定性；以及目前商用白光LED产品显色指数偏低，不适合用于显色指数较高的场所等[8]。

综合考虑各种光源的特点，综合楼在走廊、楼梯间、卫生间、生态中庭等显色指数要求不高的公共区域以及室外夜景照明采用了新型 LED灯具。该LED灯具采用散热器与灯具外壳一体化设计，散热器的主要材料是微热管，比常用的铝合金或铜散热效果要好的多，有效提高了LED的发光效率和寿命。而在办公室、会议室等其他房间则采用可调光式荧光灯，满足高显色性要求。

同时，针对不同区域照明分别采用不同的节能控制技术。其中走廊、楼梯间等公共区域采用单灯智能控制技术，LED灯具自带红外传感器[9]，与照度传感器结合进行单灯控制。仅当当前区域照度低于某个阈值，且检测到有人进入时，灯具才自动点亮，人离时延时自动熄灭。生态中庭景观照明以及夜景照明则采用定时器与照度传感器结合方式进行控制，当检测到照度低于某个阈值，且当前时间在预订时间区间内时，灯具自动点亮，否则自动熄灭。办公室等房间节能照明与智能遮阳相结合，进行恒照度控制，当检测到有人活动时，通过调节灯具输出功率，控制房间内光照度维持在预设值附近，同时为了避免日光炫目，自动控制百叶旋转角度，防止阳光直射，也能避免室内温度过高。会议室等房间则采用了场景照明控制，根据会议模式、阶段，启用不同的照明方案，节能的同时丰富视觉效果。

5 空气质量监控

高原地区绿色建筑的空气质量监控不同于普通绿色建筑，不仅包括了常见的二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氨等不良气体的浓度监控，同时更侧重于针对氧气浓度的监控。

为了提高平原地区来访人员在高原地区工作、生活的舒适度，综合楼对客房、办公室、会议室等主要人员活动场所进行人工供氧。综合考虑拉萨地区的天气状况以及各种制氧技术优劣后，本楼采用了独立设置分子筛系统制氧站的方案，减少制氧机噪声和震动对人员的影响，氧气采用专用管道输送过来后进行弥散式供氧，满足人员需要，减少高原不适症的发生。

但氧气含量也并非越高越好。根据固体材料燃烧特性，当氧气浓度升高时，材料的燃点会相应降低，容易引发火灾，尤其是在密闭环境更容易造成人员财产损失[10]。并且，人类长时间在氧气浓度过高的环境中生活，可能发生“氧中毒”。

综合楼空气质量监控中最为重要的部分就是氧气浓度监控，使区域内氧气浓度维持在设定范围内，不至于过低使人产生高原不适反应，又不至于过高增加火灾甚至“氧中毒”的风险。

空气质量监控系统如图2所示，主要由三部分组成：空气质量传感器、逻辑控制器、电动调节阀。其中空气质量传感器为定制型多功能传感器，可以进行氧气浓度、二氧化碳、一氧化碳等多种气体浓度检测。逻辑控制器对检测到的数据与设定值进行对照，通过电动调节阀进行反馈控制，并接入楼宇综合控制系统。当氧气浓度较低时，增大电动调节阀，提高氧气供给量，反之则减少氧气供应。若二氧化碳等其他气体浓度过高时，逻辑控制器将数据上传至工控机，通过楼宇综合控制系统自动启动空调新风系统，及时恢复室内空气环境的健康状态，实现检测与控制一体化功能[11]。

若空气质量超出预设值一段时间后，仍未能恢复到健康状态，表明出现异常状况，系统会及时切断供氧总阀门，进行声光报警，提醒技术人员介入。

空气质量数据同步上传至远程控制中心，供技术人员在线实时监控综合楼运转情况。当发生故障时，也更容易找到故障原因，组织维护和维修工作。

6 能源计量与监控

能源计量与监控是节能工作的基础，可以为管理部门提供准确的能源监测数据，对能源使用情况进行科学分析与研究，为节能措施和政策的制定提供技术依据[12]。同时，独立分项能源计量也是绿色建筑必不可少的一部分[1]。

综合楼的能源计量与监控系统主要分为三个层面：现场数据采集层、数据总线传输层与综合监控层。

现场数据采集层为分布在现场的各种高精度测量仪表，包括电能表、燃气流量表、水流量表、氧气流量表等，其中电表根据用电负荷功能分为照明、厨卫设备、空调设备、制氧设备、水泵、风机、光伏发电等几种类型，分项计量，其他仪表也根据具体情况精细化计量。

数据总线传输层为本楼DDC控制系统，各种测量仪表数据接入DDC模拟量/数字量输入接口，通过DDC通讯总线进行传输。

综合监控层为设置在工控机的能源计量与监控软件系统，对数据进行综合统计和分析，主要包括以下几个方面：

（1）实时数据监控，显示当前光伏发电、光热供暖等能源利用情况以及水、电、燃气、氧气等能源消耗情况，对异常能源消耗进行报警，有效遏制长流水、长氧气等能源浪费现象发生。

（2）历史数据查询，并生成能源利用与消耗趋势图，可以逐年、逐月、逐周进行对比分析。

（3）节能潜力分析，根据本楼实际能源利用与消耗值与理论计算值的差异，结合实际运行状况，分析综合楼的节能潜力。

综合监控层自动将数据上传至上级管理部门能源计量与监控数据库，进行数据备份的同时供远程监控用。上级管理部门可在线进行能源数据的监控、维护和发布工作，及时准确，并降低人力成本。

7 结束语

绿色建筑方兴未艾，我国不少大、中城市进行了尝试和探索，不断有新的绿色建筑投入使用。然而，高原地区绿色建筑设计尚未得到人们的关注，迄今仍缺乏专门系统的研究。结合高原地区气候、环境、经济、技术等特点，设计符合当地情况的绿色建筑，为人们构建生态、宜居环境，具有非常高的研究价值。