簡述節(jié)能在配電系統(tǒng)設(shè)計中的運用——金融街F3辦公樓配電系統(tǒng)設(shè)計

馬霄鵬 (中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044)

為了有效貫徹國家提出的節(jié)約能源、保護環(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)計好壞的一個重要標尺。如何將節(jié)能理念與傳統(tǒng)變配電系統(tǒng)有機結(jié)合，作為電氣設(shè)計人員，在工程設(shè)計中應(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，從而進一步實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。下面以金融街F3辦公大樓電氣設(shè)計為例加以闡述。

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)備機房。建筑類別一類，耐火等級一級，空調(diào)型式為變風量系統(tǒng)。辦公區(qū)按內(nèi)、外區(qū)劃分，空調(diào)機夏季供冷、冬季供熱，新風機組按四管制設(shè)置。結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

本工程項目由中國建筑設(shè)計研究院設(shè)計，并獲2011年度全國優(yōu)秀工程勘察設(shè)計行業(yè)獎——建筑工程設(shè)計二等獎。

2 變配電系統(tǒng)設(shè)計

變配電系統(tǒng)是任何一個建筑電氣設(shè)計的核心，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的規(guī)定：變配電系統(tǒng)設(shè)計要在安全、可靠的前提下，應(yīng)將節(jié)能作為主要技術(shù)經(jīng)濟指標進行多方案比較、優(yōu)化設(shè)計方案，并改進機電設(shè)備運行方式，提高變配電系統(tǒng)節(jié)能運行的實效性。因此在設(shè)計之初確定合理的變配電系統(tǒng)設(shè)計方案是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。如何確定相對合理的變配電系統(tǒng)，要根據(jù)建筑的使用性質(zhì)、所面對的用戶群、建筑特點以及市政條件和建設(shè)方的經(jīng)濟預(yù)算等多方面因素進行綜合考量。既要保證系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟、合理，又要兼顧建成后的維護成本和操作便捷，同時還要在預(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)計由用電負荷分級及計算、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)能運行，這幾個設(shè)計環(huán)節(jié)缺一不可。

3 用電負荷分級及計算

3.1 負荷分級

在進行負荷計算前,首先要對用電設(shè)備進行負荷分級，用電設(shè)備的負荷分級直接影響變壓器的容量選擇。負荷分級越高，意味著對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，變壓器平時的使用率低且維護量增加等一系列問題。不合理的負荷分級勢必會造成不必要的能源浪費，因此不可盲目提高建筑用電設(shè)備的負荷等級。根據(jù)國家規(guī)范的規(guī)定，辦公建筑的負荷分級為：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)備及部位按一級負荷供電；建筑高度不超過50m的高層辦公建筑和部、省級行政辦公建筑的重要設(shè)備和部位按二級負荷供電；除一、二級負荷以外的用電設(shè)備及部位均按三級負荷供電。

結(jié)合本工程的特點，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。面對的未來用戶均為大型國有及國外公司或企業(yè)，因此在負荷分級的確定上我們將消防系統(tǒng)、保安監(jiān)控系統(tǒng)、電信機房電源、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負荷；主要辦公室照明、熱力站等列為二級負荷，其他負荷按三級負荷設(shè)計。

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

3.2 負荷計算

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

負荷計算的方法一般分為需要系數(shù)法、負荷密度法、單位指標法和二項系數(shù)法。需要系數(shù)法是最常用的計算方法，廣泛應(yīng)用于各種工程的施工圖和初步設(shè)計階段；需要系數(shù)法包括用電設(shè)備組的用電負荷計算和配電干線或變電所低壓側(cè)的負荷計算。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)合用戶特點和個人的經(jīng)驗科學選擇, 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)計人的經(jīng)驗預(yù)估。表1為常用電力負荷需要系數(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)備組用電負荷計算時可供參考。

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

表1 常用電力負荷需要系數(shù)及自然功率因數(shù)

表2 常用辦公設(shè)備用電容量

在這里需要強調(diào)的是，要想獲得較為準確的計算結(jié)果，除合理確定負荷分級、并根據(jù)不同負荷分級選定需要系數(shù)外，在進行負荷計算時還需對建筑內(nèi)所有用電設(shè)備分析分類，并進行以下處理：

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

(2) 備用設(shè)備不計入總設(shè)備容量內(nèi)；

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

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

4 供電電源確定

根據(jù)負荷計算的結(jié)果，由于本建筑含有大量的一、二級負荷，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本工程全部負荷。兩路高壓電源同時工作，互為備用。此外，在與建設(shè)方進行多次溝通后，考慮到由于出租區(qū)域用戶的不確定性，對于重要租戶的重要設(shè)備除提供兩路市政電源外，還設(shè)置了一臺主用功率為1600kW的柴油發(fā)電機組作為第三路備用電源。該柴油發(fā)電機組在非火災(zāi)情況下，當兩路市電故障時，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），緊急情況時由應(yīng)急柴油發(fā)電機組提供。一旦發(fā)生火災(zāi)，停止對這些負荷的電力供應(yīng)，以確保消防負荷的正常使用。

在此需重點提出的是：由于規(guī)范規(guī)定消防負荷與非消防負荷應(yīng)嚴格分開，因此在配置柴油機組饋出母線時，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)時非消防負荷對消防負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)運行的合理性及經(jīng)濟性，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，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。變配電所在選擇位置時應(yīng)遵循以下基本原則：

● 接近負荷中心；

● 進出線方便 ；

● 接近電源側(cè) ；

● 設(shè)備運輸方便；

● 不應(yīng)設(shè)在有劇烈振動或高溫的場所；

● 不宜設(shè)在多塵或有腐蝕性氣體的場所，當無法遠離時，不應(yīng)設(shè)在污染源盛行風向的下風側(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)在有爆炸危險環(huán)境的正上方或正下方，且不宜設(shè)在有火災(zāi)危險環(huán)境的正上方或正下方。當與有爆炸或火災(zāi)危險環(huán)境的建筑物毗連時，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定；

● 不應(yīng)設(shè)在地勢低洼和可能積水的場所。

除上述基本原則外，設(shè)計人員還應(yīng)根據(jù)建筑自身特點及建成后的使用、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座也要求相對獨立，便于日后的維護、管理和計量。同時考慮到地下室單層建筑面積較大，如果將所有變壓器設(shè)在同一個變配電室內(nèi)，管理上雖然方便，但A座大量用電負荷將采用~380V電源供電勢必造成在配電過程的電能損耗，而且增大的電纜截面也會造成材料上的浪費，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，負責B座辦公樓、公共區(qū)和地下室的用電負荷；在A座下方設(shè)置分變配電室，負責A座辦公樓用電負荷的配電方案。

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，兩個變配電室通過電源監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。這樣既滿足管理上統(tǒng)一、便捷（不會為增加一個變配電室而增加一組管理人員），又滿足配電系統(tǒng)和計量上相對獨立，便于改造的要求。同時由于是~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。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)濟性。合理選擇變壓器的臺數(shù)和容量可以有效保證變壓器在不同情況下都能在經(jīng)濟運行范圍內(nèi)工作，提高變壓器的工作效率。因此，選擇變壓器時應(yīng)依據(jù)負荷計算的結(jié)果，針對不同負荷分類及使用情況，并對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求及經(jīng)濟運行進行比較。同時為了降低電能損耗，還應(yīng)選用低損耗、節(jié)能的變壓器。

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

依據(jù)變壓器的設(shè)置原則，結(jié)合本工程的特點：空調(diào)冷凍設(shè)備容量較大且相對集中，屬于季節(jié)性設(shè)備；A座塔樓設(shè)置獨立配電系統(tǒng)，便于計量及改造；B座塔樓負荷可與公共區(qū)域用電負荷統(tǒng)一配電。在二級配電處設(shè)置計量子表等裝置，共設(shè)置6臺變壓器。其中冷凍設(shè)備單獨設(shè)置兩臺變壓器（1#、2#），B座塔樓及公共區(qū)負荷設(shè)置兩臺變壓器（3#、4#），此4臺變壓器均設(shè)置在總變配電室內(nèi)。A座塔樓負荷另設(shè)置兩臺變壓器（5#、6#），該兩臺變壓器設(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)電機應(yīng)急母線。當春、秋季冷凍機組停用時，可關(guān)閉1#、2#變壓器，從而降低運行成本，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)濟性的要求，同時又能滿足節(jié)能減排要求。表4為1#!6#變壓器電氣負荷計算表。

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)特點及設(shè)備材料選擇

6.1 低壓配電系統(tǒng)特點

對于一個大型工程，低壓配電系統(tǒng)的出線回路可達數(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用電點?？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)方式會嚴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)計人員需對相同性質(zhì)的用電負荷進行整合，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，滿足節(jié)能要求。

依據(jù)此設(shè)計思路，本工程針對集中且容量較大的用電負荷如冷凍機房、地上普通照明負荷供電回路采用封閉式插接母線供電；對風機、水泵、地下照明等分散負荷做二次配電，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。同時對公共區(qū)域進行獨立配電及計量，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，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 不同變壓器的過負荷能力及時效

表4 1# 6#變壓器電氣負荷計算表

圖1 供電系統(tǒng)方案圖

6.2 設(shè)備材料選擇

針對金融街辦公樓的一般用戶對象為高端客戶群的特點，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；對水泵（消防水泵除外）、冷凍機、空調(diào)機等設(shè)備采用變頻器控制，提高設(shè)備運行效率等措施，實現(xiàn)節(jié)能減排，綠色環(huán)保的設(shè)計目標。

7 結(jié)束語

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

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

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

[3] 浙江省建筑設(shè)計院. JGJ67-2006辦公建筑設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[4] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M] .2版.北京：中國電力出版社，2005.

[5] 中國建筑設(shè)計研究院. 08D800-2民用建筑電氣設(shè)計與施工——供電電源[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.