綠色廣州塔的電氣設(shè)計(jì)

李倩娛/陳藍(lán)志（廣州市設(shè)計(jì)院， 廣州市 510620）

引言

隨著當(dāng)前人類生存環(huán)境的日益惡化，低能耗建筑是追求人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和營造良好人居環(huán)境的必然選擇。我國正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，作為大量消耗能源和資源的建筑業(yè)，必須發(fā)展低能耗建筑，改變當(dāng)前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承擔(dān)起可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)。

低能耗建筑是指少消耗煤、電、燃?xì)獾壬唐纺芎牡慕ㄖ?，且能充分利用可再生能源如太陽能、風(fēng)能、室內(nèi)設(shè)備、空調(diào)、照明等產(chǎn)生的熱量、排出的熱（冷）空氣和廢水的回收的熱量。

廣州塔在保證健康、舒適的室內(nèi)、外環(huán)境，節(jié)約能源和資源，減少對(duì)自然環(huán)境影響的條件下，對(duì)可再生資源利用、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行研究和應(yīng)用。

1 工程概況

廣州塔位于廣州新城市中軸線與珠江景觀軸的交匯處，塔身高度為450 m，天線桅桿高度150 m，總高度為600 m，其中塔身分為A、B、C、D、E五個(gè)功能段，是一座以觀光旅游為主，并具有廣播電視發(fā)射、科學(xué)教育、文化娛樂和城市窗口功能的大型地標(biāo)式建筑，是世界最高的電視塔。

廣州塔在設(shè)計(jì)、施工中始終堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展原則，注重建筑節(jié)能，采用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，重視環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材的綠色建筑理念。結(jié)合建筑物本身的特點(diǎn)，采用了以下節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料：

1）綜合采用適宜夏熱冬暖地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熱舒適的同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果。

2）采用綜合的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。3）雙轎廂電梯節(jié)能模式。

4）太陽能光伏技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電。

5）自然采光和智慧照明控制技術(shù)。6）屋面雨水收集、綠化滴灌技術(shù)。

7）采用資源消耗和環(huán)境影響小的鋼結(jié)構(gòu)為主的結(jié)構(gòu)體系，并采用了大量可循環(huán)材料，可再循環(huán)材料比重達(dá)到18%。

8）運(yùn)用先進(jìn)的智能化樓宇管理系統(tǒng)。

下面將對(duì)該塔的太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并結(jié)合整個(gè)廣州塔所采用的節(jié)能技術(shù)和材料進(jìn)行效益分析。

2 可再生能源

廣州塔在標(biāo)高438.4m～ 448.8m的E段阻尼器層幕墻位置安裝了半透明非晶硅光伏電池組件，同時(shí)還在標(biāo)高168.0m處安裝了兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，滿足建筑設(shè)計(jì)安全、美觀要求的同時(shí)達(dá)到生產(chǎn)可再生能源的目的。

2.1 太陽能發(fā)電

本項(xiàng)目采用了非晶硅薄膜電池模塊，非晶硅薄膜電池模塊弱光響應(yīng)特性好，對(duì)陽光入射角度要求范圍最寬，散射光接受率高，這一特性使其在薄云遮日或在風(fēng)沙天氣可以正常工作。非晶硅薄膜電池顏色柔和、板面尺寸大，做成半透明的電池組件，其本色與茶色玻璃的顏色一樣，類似于傳統(tǒng)幕墻用的鍍膜玻璃，直接用作標(biāo)高438.4m～448.8m的E段阻尼器層幕墻，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和建筑房屋一體化。見圖1。

光伏幕墻安裝面積為1100m2，系統(tǒng)總安裝功率為18060W，在標(biāo)準(zhǔn)條件（標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)、最佳照射角度等）下，每天可發(fā)電22.93kWh。本設(shè)計(jì)為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，無論晴天或陰天，系統(tǒng)中光伏方陣所發(fā)電力可隨時(shí)給電網(wǎng)或負(fù)載供電。因此，系統(tǒng)沒有配備蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，在降低系統(tǒng)造價(jià)的同時(shí)，也可免除維護(hù)和定期更換蓄電池的麻煩。

通過逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)，記錄當(dāng)前發(fā)電功率、當(dāng)日最高功率、當(dāng)日發(fā)電量、總發(fā)電量、總運(yùn)行時(shí)間等一系列數(shù)據(jù)，同時(shí)把這些數(shù)據(jù)通過安裝于E段觀光大廳的顯示屏顯示出來。這些數(shù)據(jù)包括：當(dāng)前的溫度濕度、當(dāng)日發(fā)電量、總發(fā)電量、二氧化碳減排量等，可使游客對(duì)綠色廣州塔有更直觀的了解。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

廣州塔風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目由兩臺(tái)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1臺(tái)輸入機(jī)柜和1臺(tái)輸出機(jī)柜組成。輸入機(jī)柜、輸出機(jī)柜和并網(wǎng)設(shè)備安裝在168m層的控制機(jī)房內(nèi)，兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在控制機(jī)房的樓頂，與光伏發(fā)電一樣，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)和建筑物一體化。見圖2。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片受風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)利用升力與阻力的向量和在葉片運(yùn)動(dòng)方向上的投影產(chǎn)生機(jī)械能，同時(shí)葉片可在全方位接受來風(fēng)，無需偏航裝置，可多次截風(fēng)充分利用風(fēng)能。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量約為3 ～5kW，年發(fā)電量約為4.1kWh。

3 設(shè)備管理系統(tǒng)

除了可再生能源的利用外，廣州塔在設(shè)計(jì)的時(shí)候還設(shè)置了建筑設(shè)備控制和智能照明控制系統(tǒng)等，管理人員可以在日常使用中通過合理的控制進(jìn)一步減少能源消耗而達(dá)到節(jié)能的目的。

3.1 建筑設(shè)備控制系統(tǒng)（BA系統(tǒng)）

3.1.1 系統(tǒng)介紹

本工程設(shè)BA系統(tǒng)，暖通空調(diào)自控系統(tǒng)為BAS的獨(dú)立子系統(tǒng)。其中冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、空氣處理機(jī)、新風(fēng)處理機(jī)、熱回收型新風(fēng)處理機(jī)、排風(fēng)機(jī)、各種電動(dòng)閥門等設(shè)備均接入自控系統(tǒng)。暖通空調(diào)系統(tǒng)的自控系統(tǒng)，可在中央空調(diào)控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)、參數(shù)與動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制、工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換、設(shè)備聯(lián)鎖與自動(dòng)保護(hù)以及中央監(jiān)控和管理等。優(yōu)化了運(yùn)行管理工作，提高運(yùn)行效率，見圖3。

3.1.2 各類設(shè)備的控制

1）水冷離心式冷水機(jī)組系統(tǒng)

（1）設(shè)群控系統(tǒng)，群控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的空調(diào)實(shí)際負(fù)荷、平衡管設(shè)的流量傳感器和水流方向開關(guān)探測(cè)到的流量變化及流向，合理選擇冷水機(jī)組和一次冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和電動(dòng)水閥的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、并實(shí)現(xiàn)順序開啟（關(guān)閉）及故障自檢。

二次冷凍水泵（含高區(qū)二次冷凍泵）根據(jù)管道壓差和流量控制二次冷凍水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)及實(shí)施變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)變流量運(yùn)行。

（2）冷卻塔為自帶風(fēng)機(jī)變頻器的智能型節(jié)能冷卻塔。

（3）高區(qū)二次冷凍水根據(jù)水-水板式熱交換器二次冷凍水出水溫度，控制板式熱交換器一次冷凍水流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)高區(qū)二次冷凍水溫的控制。

2）風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)

（1）設(shè)群控系統(tǒng)，群控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的空調(diào)實(shí)際負(fù)荷，合理選擇冷水機(jī)組和冷凍水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、并實(shí)現(xiàn)順序開啟（關(guān)閉）及故障自檢。

（2）實(shí)現(xiàn)冬夏季工況，分區(qū)兩管制系統(tǒng)冷熱區(qū)的自動(dòng)切換。

（3）水系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，在冷凍水（熱水）供回水總管間設(shè)壓差旁通裝置，壓差控制器根據(jù)供回水總管壓差自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通比例式電動(dòng)二通閥，以實(shí)現(xiàn)保持冷水機(jī)組水量不變及負(fù)荷側(cè)供回水壓力恒定。

3）空氣處理機(jī)

（1）溫度控制由設(shè)于回風(fēng)關(guān)管處的溫度傳感器、水路比例式調(diào)節(jié)閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據(jù)回風(fēng)溫度與設(shè)定值比較自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥開度來調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

（2）需采暖的機(jī)組還帶冬夏季自動(dòng)切換。

4）新風(fēng)處理機(jī)（含熱回收新風(fēng)處理機(jī)）

由設(shè)于送風(fēng)管處的溫度傳感器、水路比例式調(diào)節(jié)閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值比較自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥開度來調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)溫度的控制。

5）大房間的風(fēng)機(jī)盤管

風(fēng)機(jī)盤管的供水量由設(shè)于回風(fēng)管中的溫度傳感器調(diào)配，并按區(qū)域分區(qū)控制溫度和啟停。

6）小房間的風(fēng)機(jī)盤管

風(fēng)機(jī)盤管采用溫控器控制電動(dòng)二通閥（常閉）實(shí)現(xiàn)對(duì)房間溫度的控制，并設(shè)手動(dòng)三速調(diào)風(fēng)開關(guān)。

3.2 智能照明系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

廣州塔智能照明控制系統(tǒng)由開關(guān)/調(diào)光控制模塊、智能控制面板、智能探測(cè)器（聲光、紅外、照度）、智能時(shí)鐘和系統(tǒng)設(shè)備組成，采用五類雙屏蔽8芯4對(duì)雙絞線連接。控制模塊安裝于照明配電箱內(nèi)；智慧控制臺(tái)安裝于公共入口、樓梯間和前室；聲光加紅外傳感器安裝在樓梯間內(nèi)；照度外傳感器安裝在接近室外的房間內(nèi)；網(wǎng)橋安裝于弱電間接線箱內(nèi)。

3.2.2 系統(tǒng)功能

1）時(shí)間自動(dòng)控制

通過系統(tǒng)軟件設(shè)定集中控制照明燈具，根據(jù)業(yè)主使用要求在不同時(shí)間段設(shè)置不同的照明模式，每天根據(jù)時(shí)間自動(dòng)切換；同時(shí)在特殊的日子，也可以在控制中心再進(jìn)行設(shè)置。例如停車場(chǎng)：平時(shí)在中央主機(jī)系統(tǒng)控制的作用下，車庫照明處于時(shí)間自動(dòng)控制狀態(tài)。車庫照明根據(jù)使用情況可分為幾種狀態(tài)：工作時(shí)間、非工作時(shí)間、深夜。工作時(shí)間時(shí)、車庫照明全開；非工作時(shí)間只開車道燈；深夜時(shí)間只開部分車道燈，適當(dāng)降低照度，節(jié)省能耗。

2）智慧感應(yīng)控制

通過軟件設(shè)定由現(xiàn)場(chǎng)智能控制面板或智能探頭控制。如樓梯部分從節(jié)能方面考慮希望不要常明，根據(jù)需要在合適的時(shí)段內(nèi)，采用智慧探測(cè)器（聲光、紅外、照度）控制燈具的開關(guān)。但保安人員巡更時(shí)需要照明，所以將現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)和智慧探頭在深夜時(shí)間段內(nèi)設(shè)置成現(xiàn)場(chǎng)控制。例如樓梯間：樓梯間采用定時(shí)控制和紅外移動(dòng)控制等方式，在平時(shí)啟動(dòng)聲光加紅外移動(dòng)控制方式，人來開燈，人離開后延時(shí)關(guān)閉，節(jié)約能源。

3）場(chǎng)景控制

場(chǎng)景是指相關(guān)區(qū)域燈光回路的明暗或開關(guān)組合，工作人員只需要按單個(gè)按鍵就可以通過預(yù)先的設(shè)定將相關(guān)的燈光回路調(diào)節(jié)至需要的亮度。利用場(chǎng)景的概念設(shè)計(jì)控制模式，還可以避免誤操作。例如大廳（特別是登塔大廳，需要提供更多的照明模式）：人員進(jìn)出較多的時(shí)段，打開大廳全部回路的燈光，方便人員進(jìn)出；人員進(jìn)出較少時(shí)段，打開部分回路的燈光。同時(shí)可以根據(jù)業(yè)主要求把燈光照明調(diào)到不同的亮度，營造出各種各樣的場(chǎng)景。此操作既可由現(xiàn)場(chǎng)就地操作，也可由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制，還可以設(shè)置時(shí)間控制。如圖4。

4 效益分析

4.1 成本分析

廣州塔在設(shè)計(jì)之初就根據(jù)自身的特點(diǎn)選擇合適的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料，除上文介紹的太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置、建筑設(shè)備控制系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)外，綜合廣州塔的其他節(jié)能技術(shù)和材料，可計(jì)算出建筑物面積增量成本，如表1所示。

表1 綠色建筑增量成本概算

4.2 效益分析

采用綠色節(jié)能材料和節(jié)能技術(shù)，增加了建設(shè)成本，但同時(shí)由于節(jié)能技術(shù)和材料的使用，廣州塔在使用過程中可節(jié)省不少運(yùn)行費(fèi)用（所有參數(shù)為計(jì)算數(shù)值）：

1）太陽能光伏系統(tǒng)預(yù)計(jì)的年發(fā)電量12660度，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1.3萬元。

2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電量約為41472度, 每年可省運(yùn)行費(fèi)用4.1萬元。

3）雨水收集系統(tǒng)，每年可節(jié)水量約為1.2萬t，按自來水價(jià)2.95元/t計(jì)，每年可節(jié)約費(fèi)用約為3.54萬元。

4）可再循環(huán)材料利用率達(dá)到了18%。

廣州塔建筑綜合節(jié)能率將達(dá)到61.6%，與基準(zhǔn)建筑相比較，建筑每年節(jié)電約為264.5萬度，節(jié)約運(yùn)行成本約270萬元。節(jié)約能源，除了節(jié)省運(yùn)行成本，最重要是通過減少碳的排放，保護(hù)我們的環(huán)境。以對(duì)環(huán)境影響較大的火力發(fā)電為例，每年可實(shí)現(xiàn)減排指標(biāo)如表2所示：

表2 每年可實(shí)現(xiàn)減排指標(biāo)（t/a）

5 總結(jié)

目前中國年人均用電約1100度，僅為世界平均用電的1/3，而且中國用電量正以年均10%的速度增長。如用電量照這樣不斷的增長，其節(jié)電的效益也會(huì)逐年增加。我國的建筑節(jié)能節(jié)電市場(chǎng)有巨大潛力，特別是對(duì)于大型綜合建筑，從綠色、節(jié)能的整體潛在效益來說，它帶來的效益是明顯的。低能耗建筑是未來建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，本工程中對(duì)綠色環(huán)保措施、建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用具有推廣和借鑒參考的意義。