馬霄鵬 (中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044)

為了有效貫徹國家提出的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、減少溫室氣體排放， “節(jié)能、綠色、環(huán)?！钡雀拍钜呀?jīng)作為衡量現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)重要標(biāo)尺。如何將節(jié)能理念與傳統(tǒng)變配電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，作為電氣設(shè)計(jì)人員，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該更加注重系統(tǒng)方案的合理性，選用節(jié)能型材料，努力提高電氣系統(tǒng)的工作效率，有效降低能耗，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。下面以金融街F3辦公大樓電氣設(shè)計(jì)為例加以闡述。

1 工程概述

金融街F3寫字樓位于北京市金融街商務(wù)繁華區(qū)，屬于高檔辦公樓。建筑高度65m，總建筑面積9.8萬m2，地上由A、B兩座塔樓組成。地上共16層為辦公用房，其中1!4層裙房為商業(yè)零售出租空間；地下共4層為車庫、餐廳、管理用房和設(shè)備機(jī)房。建筑類別一類，耐火等級(jí)一級(jí)，空調(diào)型式為變風(fēng)量系統(tǒng)。辦公區(qū)按內(nèi)、外區(qū)劃分，空調(diào)機(jī)夏季供冷、冬季供熱，新風(fēng)機(jī)組按四管制設(shè)置。結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

本工程項(xiàng)目由中國建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，并獲2011年度全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)獎(jiǎng)——建筑工程設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)。

2 變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變配電系統(tǒng)是任何一個(gè)建筑電氣設(shè)計(jì)的核心，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定：變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在安全、可靠的前提下，應(yīng)將節(jié)能作為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行多方案比較、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并改進(jìn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行方式，提高變配電系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的實(shí)效性。因此在設(shè)計(jì)之初確定合理的變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。如何確定相對(duì)合理的變配電系統(tǒng)，要根據(jù)建筑的使用性質(zhì)、所面對(duì)的用戶群、建筑特點(diǎn)以及市政條件和建設(shè)方的經(jīng)濟(jì)預(yù)算等多方面因素進(jìn)行綜合考量。既要保證系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理，又要兼顧建成后的維護(hù)成本和操作便捷，同時(shí)還要在預(yù)算允許的條件下，盡量選擇高效優(yōu)質(zhì)的節(jié)能產(chǎn)品。

一般變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)由用電負(fù)荷分級(jí)及計(jì)算、供電電源確定、變電所的設(shè)置及變壓器選擇等幾方面要素組成。要確保變配電系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行，這幾個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)缺一不可。

3 用電負(fù)荷分級(jí)及計(jì)算

3.1 負(fù)荷分級(jí)

在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算前,首先要對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷分級(jí)，用電設(shè)備的負(fù)荷分級(jí)直接影響變壓器的容量選擇。負(fù)荷分級(jí)越高，意味著對(duì)電源的可靠性要求越高，備用電源的容量越大，從而帶來變壓器容量增加、電纜數(shù)量增加、投資增大，變壓器平時(shí)的使用率低且維護(hù)量增加等一系列問題。不合理的負(fù)荷分級(jí)勢(shì)必會(huì)造成不必要的能源浪費(fèi)，因此不可盲目提高建筑用電設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)。根據(jù)國家規(guī)范的規(guī)定，辦公建筑的負(fù)荷分級(jí)為：重要辦公建筑和建筑高度超過50m的高層辦公建筑的重要設(shè)備及部位按一級(jí)負(fù)荷供電；建筑高度不超過50m的高層辦公建筑和部、省級(jí)行政辦公建筑的重要設(shè)備和部位按二級(jí)負(fù)荷供電；除一、二級(jí)負(fù)荷以外的用電設(shè)備及部位均按三級(jí)負(fù)荷供電。

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，地處金融街繁華地段，屬于一類建筑，使用性質(zhì)為高檔辦公建筑。面對(duì)的未來用戶均為大型國有及國外公司或企業(yè)，因此在負(fù)荷分級(jí)的確定上我們將消防系統(tǒng)、保安監(jiān)控系統(tǒng)、電信機(jī)房電源、主要通道應(yīng)急照明、樓梯間照明以及辦公區(qū)域的重要設(shè)備、客梯、污水泵、變頻生活泵列為一級(jí)負(fù)荷；主要辦公室照明、熱力站等列為二級(jí)負(fù)荷，其他負(fù)荷按三級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。

根據(jù)不同的負(fù)荷分級(jí)，在電力配電系統(tǒng)中的配電回路也要區(qū)分對(duì)待。其中一級(jí)負(fù)荷中的消防設(shè)備采用兩路電源末端互投，并且第三電源由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)提供。一級(jí)負(fù)荷中的應(yīng)急照明負(fù)荷采用兩路電源互投，第三電源由集中應(yīng)急電池提供；二級(jí)負(fù)荷中的較集中負(fù)荷或大容量設(shè)備采用兩路電源末端互投，對(duì)負(fù)荷較小且分散的用電設(shè)備采用專用單回路供電，當(dāng)變壓器故障或該負(fù)荷所在變壓器的進(jìn)線電源停電時(shí)，可由另一臺(tái)變壓器負(fù)擔(dān)；三級(jí)負(fù)荷對(duì)供電沒有特殊要求，當(dāng)變壓器故障或該變壓器進(jìn)線電源停電時(shí)，將三級(jí)負(fù)荷切除，從而保證一、二級(jí)負(fù)荷的供電可靠性。

3.2 負(fù)荷計(jì)算

確定負(fù)荷分級(jí)后，要進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，以便正確合理地選擇電氣設(shè)備，從而確定變壓器容量、當(dāng)?shù)毓╇姴块T規(guī)定的補(bǔ)償電容器容量以及確定用戶的進(jìn)線開關(guān)、電表量程、進(jìn)線電纜截面等，總之電氣負(fù)荷計(jì)算是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)。

負(fù)荷計(jì)算的方法一般分為需要系數(shù)法、負(fù)荷密度法、單位指標(biāo)法和二項(xiàng)系數(shù)法。需要系數(shù)法是最常用的計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于各種工程的施工圖和初步設(shè)計(jì)階段；需要系數(shù)法包括用電設(shè)備組的用電負(fù)荷計(jì)算和配電干線或變電所低壓側(cè)的負(fù)荷計(jì)算。通常需要系數(shù)（Kx）是需要系數(shù)法中的關(guān)鍵參數(shù),需要結(jié)合用戶特點(diǎn)和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)選擇, 而設(shè)備組的用電設(shè)備容量根據(jù)不同設(shè)備一般由相關(guān)專業(yè)提供或設(shè)計(jì)人的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估。表1為常用電力負(fù)荷需要系數(shù)及自然功率因數(shù)，表2為常用辦公設(shè)備用電容量，在設(shè)備組用電負(fù)荷計(jì)算時(shí)可供參考。

對(duì)于配電干線一般Kx取0.8!0.9，對(duì)配電所或降壓變電所Kx取0.8!1。負(fù)荷密度法和單位指標(biāo)法適用于方案階段，同時(shí)在施工圖階段可采用負(fù)荷密度法和單位指標(biāo)法來進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般辦公樓的用電指標(biāo)取30!70W/m2；二項(xiàng)系數(shù)法適用于設(shè)備臺(tái)數(shù)較少、但容量差別相當(dāng)大的低壓分支線和干線的計(jì)算。本辦公建筑在施工圖設(shè)計(jì)階段的負(fù)荷計(jì)算采用的是需要系數(shù)法，并利用單位指標(biāo)法進(jìn)行評(píng)價(jià)及校核。經(jīng)過計(jì)算，該辦公建筑的總設(shè)備容量為10609kW，其中一級(jí)負(fù)荷1656kW、二級(jí)負(fù)荷2496kW、三級(jí)負(fù)荷7272kW；總計(jì)算容量7491kW，單位面積容量75W/m2，基本符合辦公建筑的用電指標(biāo)。

表1 常用電力負(fù)荷需要系數(shù)及自然功率因數(shù)

表2 常用辦公設(shè)備用電容量

在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，要想獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，除合理確定負(fù)荷分級(jí)、并根據(jù)不同負(fù)荷分級(jí)選定需要系數(shù)外，在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)還需對(duì)建筑內(nèi)所有用電設(shè)備分析分類，并進(jìn)行以下處理：

(1) 平時(shí)不使用的專用消防設(shè)備(如消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)、正壓風(fēng)機(jī)、防火卷簾門等)容量比平時(shí)使用的用電設(shè)備容量小時(shí)，不計(jì)入總設(shè)備容量內(nèi)；

(2) 備用設(shè)備不計(jì)入總設(shè)備容量內(nèi)；

(3) 設(shè)置了兩套用電設(shè)備來應(yīng)對(duì)冬夏季節(jié)的變化,該兩套設(shè)備不同時(shí)使用, 取容量大的設(shè)備計(jì)入總?cè)萘績?nèi);

(4) 對(duì)于單相用電設(shè)備,應(yīng)將其折算到三相負(fù)荷，即單相最大負(fù)荷的三倍。

4 供電電源確定

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果，由于本建筑含有大量的一、二級(jí)負(fù)荷，因此為保證用電的可靠性，由市政引入兩路10kV高壓電源，且每路電源均能承擔(dān)本工程全部負(fù)荷。兩路高壓電源同時(shí)工作，互為備用。此外，在與建設(shè)方進(jìn)行多次溝通后，考慮到由于出租區(qū)域用戶的不確定性，對(duì)于重要租戶的重要設(shè)備除提供兩路市政電源外，還設(shè)置了一臺(tái)主用功率為1600kW的柴油發(fā)電機(jī)組作為第三路備用電源。該柴油發(fā)電機(jī)組在非火災(zāi)情況下，當(dāng)兩路市電故障時(shí)，向重要的租戶設(shè)備提供電力保障，并在電氣豎井預(yù)留一根備用封閉式插接母線。正常時(shí)該母線電源由變壓器提供（與租戶一般用電不在同一變壓器），緊急情況時(shí)由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組提供。一旦發(fā)生火災(zāi)，停止對(duì)這些負(fù)荷的電力供應(yīng)，以確保消防負(fù)荷的正常使用。

在此需重點(diǎn)提出的是：由于規(guī)范規(guī)定消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷應(yīng)嚴(yán)格分開，因此在配置柴油機(jī)組饋出母線時(shí)，采用了兩根應(yīng)急母線。一根專供重要租戶設(shè)備（火災(zāi)時(shí)可切斷電源），另一根供建筑內(nèi)的消防設(shè)備，以避免在火災(zāi)時(shí)非消防負(fù)荷對(duì)消防負(fù)荷正常使用造成干擾，如圖1所示。

5 變配電所設(shè)置及變壓器選擇

5.1 變配電所設(shè)置

變配電所的選址及設(shè)置數(shù)量直接關(guān)系到變配電系統(tǒng)運(yùn)行的合理性及經(jīng)濟(jì)性，正確選擇變配電所的位置可以有效降低電能損耗，避免設(shè)備及材料的浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。變配電所在選擇位置時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則：

● 接近負(fù)荷中心；

● 進(jìn)出線方便 ；

● 接近電源側(cè) ；

● 設(shè)備運(yùn)輸方便；

● 不應(yīng)設(shè)在有劇烈振動(dòng)或高溫的場所；

● 不宜設(shè)在多塵或有腐蝕性氣體的場所，當(dāng)無法遠(yuǎn)離時(shí)，不應(yīng)設(shè)在污染源盛行風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)；

● 不應(yīng)設(shè)在廁所、浴室或其他經(jīng)常積水場所的正下方，且不宜與上述場所相貼鄰；

● 不應(yīng)設(shè)在有爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的正上方或正下方，且不宜設(shè)在有火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境的正上方或正下方。當(dāng)與有爆炸或火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物毗連時(shí)，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定；

● 不應(yīng)設(shè)在地勢(shì)低洼和可能積水的場所。

除上述基本原則外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)建筑自身特點(diǎn)及建成后的使用、管理情況等因素綜合確定變配電所的位置和數(shù)量。

本工程因地上為雙塔建筑，即分A、B兩座塔樓，A座相對(duì)面積較小，在與建設(shè)方溝通后，得知A座塔樓將整棟出租；B座塔樓面積較大，可整棟出租也可分樓層出租。在物業(yè)管理和配電系統(tǒng)上，A座也要求相對(duì)獨(dú)立，便于日后的維護(hù)、管理和計(jì)量。同時(shí)考慮到地下室單層建筑面積較大，如果將所有變壓器設(shè)在同一個(gè)變配電室內(nèi)，管理上雖然方便，但A座大量用電負(fù)荷將采用~380V電源供電勢(shì)必造成在配電過程的電能損耗，而且增大的電纜截面也會(huì)造成材料上的浪費(fèi)，增加投資。因此，在變配電室的設(shè)置上選擇了在B座下方設(shè)置總變配電室，負(fù)責(zé)B座辦公樓、公共區(qū)和地下室的用電負(fù)荷；在A座下方設(shè)置分變配電室，負(fù)責(zé)A座辦公樓用電負(fù)荷的配電方案。

A座的分變配電室由B座總變配電室高壓饋出柜提供兩路~10kV高壓電源，兩個(gè)變配電室通過電源監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。這樣既滿足管理上統(tǒng)一、便捷（不會(huì)為增加一個(gè)變配電室而增加一組管理人員），又滿足配電系統(tǒng)和計(jì)量上相對(duì)獨(dú)立，便于改造的要求。同時(shí)由于是~10kV高壓供電，還可以大大降低配電過程中的電能損耗，電纜截面變小，也減少了材料浪費(fèi)。符合變配電所選址的基本原則。

5.2 變壓器的選擇

變壓器的選擇直接關(guān)系到配電系統(tǒng)的合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。合理選擇變壓器的臺(tái)數(shù)和容量可以有效保證變壓器在不同情況下都能在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)工作，提高變壓器的工作效率。因此，選擇變壓器時(shí)應(yīng)依據(jù)負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果，針對(duì)不同負(fù)荷分類及使用情況，并對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的要求及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行比較。同時(shí)為了降低電能損耗，還應(yīng)選用低損耗、節(jié)能的變壓器。

另外，當(dāng)有大量一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷、季節(jié)性負(fù)荷變化較大或集中負(fù)荷較大時(shí)，宜裝設(shè)兩臺(tái)及以上變壓器。當(dāng)裝有兩臺(tái)及以上變壓器的變電所其中任一臺(tái)變壓器斷開時(shí)，其余變壓器的容量應(yīng)滿足一級(jí)負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷的用電，但并不需要因此無限制的放大單臺(tái)變壓器的容量。需要指出的是，變壓器具有一定的過載運(yùn)行能力，因此對(duì)于短時(shí)負(fù)荷供電的變壓器應(yīng)充分利用這一特點(diǎn)。表3為不同變壓器的過負(fù)荷能力及時(shí)效。

依據(jù)變壓器的設(shè)置原則，結(jié)合本工程的特點(diǎn)：空調(diào)冷凍設(shè)備容量較大且相對(duì)集中，屬于季節(jié)性設(shè)備；A座塔樓設(shè)置獨(dú)立配電系統(tǒng)，便于計(jì)量及改造；B座塔樓負(fù)荷可與公共區(qū)域用電負(fù)荷統(tǒng)一配電。在二級(jí)配電處設(shè)置計(jì)量子表等裝置，共設(shè)置6臺(tái)變壓器。其中冷凍設(shè)備單獨(dú)設(shè)置兩臺(tái)變壓器（1#、2#），B座塔樓及公共區(qū)負(fù)荷設(shè)置兩臺(tái)變壓器（3#、4#），此4臺(tái)變壓器均設(shè)置在總變配電室內(nèi)。A座塔樓負(fù)荷另設(shè)置兩臺(tái)變壓器（5#、6#），該兩臺(tái)變壓器設(shè)置在分變配電室內(nèi)。其中3#變壓器低壓母線設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急母線。當(dāng)春、秋季冷凍機(jī)組停用時(shí)，可關(guān)閉1#、2#變壓器，從而降低運(yùn)行成本，并起到節(jié)能減排的效果。此種方案可以滿足系統(tǒng)的可靠性、靈活性及經(jīng)濟(jì)性的要求，同時(shí)又能滿足節(jié)能減排要求。表4為1#!6#變壓器電氣負(fù)荷計(jì)算表。

該辦公建筑的供電系統(tǒng)方案如圖1所示。

6 低壓配電系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)備材料選擇

6.1 低壓配電系統(tǒng)特點(diǎn)

對(duì)于一個(gè)大型工程，低壓配電系統(tǒng)的出線回路可達(dá)數(shù)十條甚至上百條，大量的電纜需從變配電室沿電纜橋架引出至各個(gè)用電點(diǎn)?？紤]到電纜的施工安裝及電纜散熱等問題（電纜不同的敷設(shè)方式會(huì)嚴(yán)重影響電纜的載流量），一般由于配電室引出的電纜橋架規(guī)格大，且需要多層或并排敷設(shè)，因此其占用的敷設(shè)空間是不容忽視的。由于地下室層高有限，為了保證地下空間的使用效果、有效壓縮配電主干回路占用的敷設(shè)空間，應(yīng)盡量減少低壓配電的出線回路。設(shè)計(jì)人員需對(duì)相同性質(zhì)的用電負(fù)荷進(jìn)行整合，避免低壓配電的小回路出線，從而有效降低電纜及電纜橋架的數(shù)量和規(guī)格，避免材料浪費(fèi)，滿足節(jié)能要求。

依據(jù)此設(shè)計(jì)思路，本工程針對(duì)集中且容量較大的用電負(fù)荷如冷凍機(jī)房、地上普通照明負(fù)荷供電回路采用封閉式插接母線供電；對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、地下照明等分散負(fù)荷做二次配電，既有效減少了出線回路的數(shù)量，又可降低配電干線的需要系數(shù)，減小主干線路的電纜截面，避免材料浪費(fèi)。同時(shí)對(duì)公共區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立配電及計(jì)量，便于成本核算。在每層電氣豎井內(nèi)設(shè)置電表柜，采用集中式電能表，避免了傳統(tǒng)電表柜體積大的缺點(diǎn)，有效減小了電氣豎井的面積。另外，集中式電能表帶有通信接口，可將數(shù)據(jù)傳至樓控中心，便于物業(yè)管理。

表3 不同變壓器的過負(fù)荷能力及時(shí)效

表4 1# 6#變壓器電氣負(fù)荷計(jì)算表

圖1 供電系統(tǒng)方案圖

6.2 設(shè)備材料選擇

針對(duì)金融街辦公樓的一般用戶對(duì)象為高端客戶群的特點(diǎn)，在重要設(shè)備的選擇上盡量選用高質(zhì)量的產(chǎn)品，尤其是元器件，做到經(jīng)濟(jì)合理。通過選用SGB10干式變壓器，采用NOMEX(R)絕緣材料，具有超長過載能力；選用高阻燃電纜和氧化鎂電纜，提供載流量和供電可靠性；對(duì)水泵（消防水泵除外）、冷凍機(jī)、空調(diào)機(jī)等設(shè)備采用變頻器控制，提高設(shè)備運(yùn)行效率等措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

7 結(jié)束語

電力配電系統(tǒng)是建筑電氣設(shè)計(jì)的核心，任何一個(gè)建筑的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案都不可能是唯一的和絕對(duì)的。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該針對(duì)不同建筑的特點(diǎn)、使用性質(zhì)及定位，選擇相對(duì)合理、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)方案。在保證供電可靠性的前提下，每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)將“節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境”的理念滲透到設(shè)計(jì)中去。

[1] 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.GB50053-9410kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社,1994.

[2] 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部. GB50052-2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 2009.

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