建筑物智能化系統(tǒng)設(shè)備的配電方案淺談

任志強(qiáng), 李光曦, 韓鈺婷

(1.筑博設(shè)計(jì)股份有限公司, 重慶 400020;2.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 湖北 武漢 430014;3.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

在傳統(tǒng)的民用建筑設(shè)計(jì)中智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由電氣設(shè)計(jì)人員完成,但隨著建筑智能化系統(tǒng)復(fù)雜程度的提升,對(duì)建筑智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更加專業(yè)化和精細(xì)化的需求。為了適應(yīng)這種變化,智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)由電氣設(shè)計(jì)人員兼顧轉(zhuǎn)為專項(xiàng)設(shè)計(jì)。專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在提升智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)性的同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題,如電氣設(shè)計(jì)預(yù)留容量偏差造成返工或浪費(fèi),智能化設(shè)備配電系統(tǒng)無(wú)法做到整體安全、可靠、合理。前者的原因在于電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)智能化系統(tǒng)的用電需求缺乏了解,主體設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留不準(zhǔn)確,而后期又未及時(shí)與智能化設(shè)計(jì)配合調(diào)整;后者的原因在于建筑智能化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)于配電系統(tǒng)可靠性和成本的平衡把控存在偏差,使其完成的末端配電系統(tǒng)出現(xiàn)不可靠、不合理問(wèn)題,導(dǎo)致整體配電系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果[1]。

本文闡述了民用建筑中常見(jiàn)的建筑智能化系統(tǒng):計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、公共安全、建筑設(shè)備管理、廣播、會(huì)議等系統(tǒng)的負(fù)荷等級(jí)、設(shè)備構(gòu)成、用電需求及其特點(diǎn),提出智能化系統(tǒng)設(shè)備配電設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題和注意事項(xiàng)。

1 智能化系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)

智能化設(shè)備配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是正確劃定用電負(fù)荷等級(jí)。本文將結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范來(lái)分析各類智能化系統(tǒng)的用電負(fù)荷等級(jí)。

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用電負(fù)荷等級(jí)

萬(wàn)物互聯(lián)的快速發(fā)展,使得智能建筑中除火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)外的其他智能化系統(tǒng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)正在快速向著IT網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變,而從網(wǎng)絡(luò)安全、保密及管理方便等方面考慮,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在從單一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分化為內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)、安防網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是除火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)外的信息設(shè)施核心,其是否正常運(yùn)行往往決定該區(qū)域是否能夠正常運(yùn)營(yíng)。

GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2](以下簡(jiǎn)稱《民標(biāo)》)第3.2.5條規(guī)定:重要電信機(jī)房的交流電源,其負(fù)荷級(jí)別應(yīng)不低于該建筑中最高等級(jí)的用電負(fù)荷;《民標(biāo)》附錄A中,除了部分醫(yī)院將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用電列為一級(jí)負(fù)荷外,其他提及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電的都將計(jì)算機(jī)用電列為該建筑中最高等級(jí)用電負(fù)荷。這表明電信機(jī)房的負(fù)荷等級(jí)應(yīng)根據(jù)其重要程度來(lái)確定,重要的電信機(jī)房如計(jì)算機(jī)中心應(yīng)是該建筑中最高等級(jí)負(fù)荷,而非重要的電信機(jī)房如電信間的負(fù)荷等級(jí)可能不同。

民用建筑中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用電可分為通信接入機(jī)房、數(shù)據(jù)中心(本文僅對(duì)附建在民用建筑內(nèi)部的C級(jí)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行討論)、電信間用電。其中重要程度最高的是數(shù)據(jù)中心,其IT負(fù)荷用電等級(jí)應(yīng)為該建筑物中的最高等級(jí)用電負(fù)荷;數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)是IT設(shè)備可靠運(yùn)行的必要設(shè)備,因此其負(fù)荷等級(jí)應(yīng)與IT負(fù)荷等級(jí)相同。通信接入機(jī)房重要程度也較高,考慮到其用電占比不大,建議其用電負(fù)荷等級(jí)也按照建筑物最高等級(jí)用電負(fù)荷。電信間用電負(fù)荷等級(jí)應(yīng)根據(jù)其服務(wù)場(chǎng)所的重要程度及對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求程度來(lái)分別確定,如三級(jí)醫(yī)院的掛號(hào)收費(fèi)區(qū)域,如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)停運(yùn),直接影響醫(yī)院的正常運(yùn)營(yíng),所以該區(qū)域的電信間用電負(fù)荷宜按照一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷;而普通辦公區(qū)域的電信間用電負(fù)荷可為二級(jí)負(fù)荷。

1.2 公共安全系統(tǒng)用電負(fù)荷等級(jí)

安防系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)民用建筑中具有廣泛的應(yīng)用,并具有很重要的作用?！睹駱?biāo)》附錄A中明確珍貴展品展室、特級(jí)體育建筑、金融建筑重要的安防系統(tǒng)用電等級(jí)為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。GB 50348—2018《安全防范工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3](簡(jiǎn)稱《安標(biāo)》)第6.12.3.2條規(guī)定,高風(fēng)險(xiǎn)單位和部位宜按《民標(biāo)》規(guī)定的一級(jí)中特別重要負(fù)荷進(jìn)行主電源配置。由此可知,安防設(shè)備用電負(fù)荷等級(jí)與其在系統(tǒng)中地位及系統(tǒng)設(shè)備所在部位的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相關(guān)。設(shè)計(jì)中,一般建議安防系統(tǒng)主電源負(fù)荷等級(jí)宜不低于建筑物消防用電負(fù)荷等級(jí)。安防系統(tǒng)中心機(jī)房在系統(tǒng)中處于核心地位,其用電等級(jí)可按該建筑的最高用電負(fù)荷等級(jí);而機(jī)房外的設(shè)備用電負(fù)荷等級(jí)則需根據(jù)其所在部位的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)確定。

1.3 建筑設(shè)備管理、公共廣播及會(huì)議系統(tǒng)等其他系統(tǒng)用電負(fù)荷等級(jí)

《民標(biāo)》附錄A中除了體育建筑對(duì)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)用電有要求外,其余未明確?？紤]到建筑運(yùn)維對(duì)智能化系統(tǒng)的依賴程度,以及這些智能化系統(tǒng)用電量在建筑物整體用電量中占比不大,建議系統(tǒng)主電源負(fù)荷等級(jí)宜不低于建筑物消防用電負(fù)荷等級(jí)。

2 智能化系統(tǒng)設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

智能化設(shè)備用電量的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)是建筑智能化設(shè)備配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而在工程中,無(wú)論是主體設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)估預(yù)留,還是后期與智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)的配合深化,都需要電氣設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑智能化系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成和用電需求有全面了解。下面介紹一些民用建筑中常見(jiàn)智能化系統(tǒng)的設(shè)備和用電需求。

2.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)備負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備負(fù)荷包含機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備和其他負(fù)荷。其中機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備以交換機(jī)、存儲(chǔ)及服務(wù)器用電為主,其他負(fù)荷包括空調(diào)、照明、輔助區(qū)和支持區(qū)用電。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備用電需求如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備用電需求

IT機(jī)柜的用電量和IT設(shè)備布置密度有關(guān),低密度機(jī)柜每臺(tái)用電量不大于2 kW,中密度機(jī)柜每臺(tái)用電量4～6 kW,高密度機(jī)柜每臺(tái)用電量有可能達(dá)到10 kW。雖然大型數(shù)據(jù)中心中的IT機(jī)柜容量有向高密度發(fā)展趨勢(shì),但是民用建筑附建數(shù)據(jù)中心的規(guī)模一般較小,面積控制較為寬松,所以其內(nèi)的IT機(jī)柜建議采用中低密度機(jī)柜,單機(jī)柜用電量按照3～6 kW計(jì)算[4-5]。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的IT機(jī)柜需求宜由業(yè)主提出,特別是金融建筑應(yīng)由業(yè)主提出,有了IT機(jī)柜數(shù)量后機(jī)房面積可以按照《民標(biāo)》第23.3條的方式計(jì)算。當(dāng)業(yè)主無(wú)法提出IT機(jī)柜需求時(shí),設(shè)計(jì)可參照同類型建筑預(yù)估數(shù)據(jù)中心機(jī)房規(guī)模和面積;常見(jiàn)的非金融類民用建筑,如醫(yī)療建筑、旅游飯店、商業(yè)建筑、體育場(chǎng)館等,由于智慧醫(yī)療發(fā)展迅速,以醫(yī)療建筑的數(shù)據(jù)中心面積需求相對(duì)較大。三級(jí)甲等醫(yī)院數(shù)據(jù)中心面積如表2所示。

表2 三級(jí)甲等醫(yī)院數(shù)據(jù)中心面積

數(shù)據(jù)中心其他負(fù)荷用電以空調(diào)負(fù)荷為主,負(fù)荷大小和制冷系統(tǒng)效率相關(guān)。在土建設(shè)計(jì)階段可以按照0.8倍IT設(shè)備用電量估算其他用電,其中空調(diào)負(fù)荷用電占比約70%,后期再根據(jù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)用電提資調(diào)整。

2.2 電信間設(shè)備負(fù)荷

民用建筑中電信間常和智能化豎井共用,其內(nèi)含各類智能化系統(tǒng)末端設(shè)備;其中用電量較大的是交換機(jī),沒(méi)有POE供電的接入或匯聚交,換機(jī)每臺(tái)用電量不到500 W,采用POE供電的交換機(jī)用電量可能達(dá)到1 000 W以上;門禁、BAS等其他設(shè)備的單臺(tái)用電量不到100 W。

2.3 視頻安防設(shè)備負(fù)荷

視頻安防系統(tǒng)目前以數(shù)字設(shè)備為主,其系統(tǒng)傳輸、計(jì)算及存儲(chǔ)設(shè)備用電量可參照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備。視頻安防末端設(shè)備中,不帶云臺(tái)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)功耗在幾瓦到十幾瓦之間,帶云臺(tái)攝像機(jī)功耗可能達(dá)到幾十瓦(包含加熱、除霧等);供電電源為DC 12 V、DC 36 V、AC 24 V。

2.4 音視頻設(shè)備負(fù)荷

本文僅討論會(huì)議室、多功能廳的音視頻設(shè)備的用電需求,對(duì)于消防廣播及背景音樂(lè)等系統(tǒng)設(shè)備不做贅述。

小型會(huì)議室音箱每100 m2功率為600 W,其語(yǔ)音擴(kuò)聲系統(tǒng)功放功率為音箱功率的2～3倍。報(bào)告廳、多功能廳等大型場(chǎng)館的功放應(yīng)由音視頻專業(yè)設(shè)計(jì)提出;配電時(shí)需要注意雖然功放總功率可能達(dá)到幾十千瓦,但是單個(gè)功放功率不應(yīng)大于4 kW,供電電源為AC 220 V。

小型顯示屏用電量從幾十瓦到幾百瓦不等,大型LED屏用電量可以按照500～1 000 W/m2估算,最終容量應(yīng)由廠家提出。在進(jìn)行LED大屏幕配電設(shè)計(jì)時(shí),需要注意區(qū)分廠家提出的用電量為全亮容量還是正常使用容量;這是因?yàn)?全亮容量?jī)H在設(shè)備調(diào)試時(shí)使用,但其數(shù)值可能為正常使用容量的2倍;若采用輪換調(diào)試方式,則計(jì)算容量按照正常使用容量即可;供電電源為AC 220 V。

3 智能化系統(tǒng)設(shè)備的配電形式

3.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的配電

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備一般為交直流兼用,雖然直流配電系統(tǒng)具有更好的供電持續(xù)性、可靠性、傳輸效率及電能質(zhì)量,但是由于我國(guó)民用建筑內(nèi)的機(jī)電設(shè)備基本采用交流電源,因此目前實(shí)際都是采用交流配電系統(tǒng)[6-7]。

當(dāng)前通用做法為通過(guò)設(shè)置短時(shí)UPS電源來(lái)滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備對(duì)斷電時(shí)間的要求;因此,當(dāng)建筑物的用電負(fù)荷級(jí)別為一級(jí)及以上負(fù)荷時(shí),其常規(guī)供電電源為“兩路市電+UPS電源”或者“市電+柴油發(fā)電機(jī)+UPS電源”。

3.2 數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的配電

在工程設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)中心一般由智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)深化,如果電氣設(shè)計(jì)未參與,其IT設(shè)備末端配電較易出現(xiàn)問(wèn)題。某三級(jí)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心配電箱系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 某三級(jí)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心配電箱系統(tǒng)圖

該配電系統(tǒng)圖存在以下問(wèn)題。

(1) 空調(diào)負(fù)荷和IT設(shè)備負(fù)荷未分開(kāi)。兩種負(fù)荷混合將對(duì)IT設(shè)備負(fù)荷供電質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生不利影響。

(2) IT機(jī)柜采用不帶分路保護(hù)的PDU配電,存在安全隱患和可靠性問(wèn)題。配電保護(hù)斷路器過(guò)載保護(hù)電流為32 A,PDU插頭插座不帶保護(hù),插座額定負(fù)載為10 A或者16 A,此時(shí)插頭回路存在過(guò)載無(wú)保護(hù)的安全隱患,且總負(fù)荷過(guò)載或任何插座回路故障都會(huì)導(dǎo)致配電斷路器分閘,事故影響面大。

(3) IT機(jī)柜采用帶分路保護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)視的PDU配電,存在可靠性及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。具有分路保護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)視的PDU價(jià)格高;從配電系統(tǒng)級(jí)數(shù)來(lái)看,PDU分路保護(hù)的配電系統(tǒng)比從上一級(jí)配電箱直接進(jìn)行分路保護(hù)增加了一級(jí)配電,系統(tǒng)可靠性下降;因此,相對(duì)于在配電箱內(nèi)進(jìn)行分路保護(hù)的配電系統(tǒng),此類PDU配電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差。

(4) 無(wú)法滿足特殊設(shè)備配電要求。當(dāng)核心交換機(jī)的用電量超過(guò)6 kW時(shí),單相32 A無(wú)法滿足其用電要求,而數(shù)據(jù)中心一般備有2臺(tái)核心交換機(jī),且交換機(jī)設(shè)有備用電源回路接口,此時(shí)2臺(tái)核心交換機(jī)的配電應(yīng)為4個(gè)40 A回路。

從以上分析可以看出,數(shù)據(jù)中心的末端配電系統(tǒng)需要深化電氣設(shè)計(jì)或者與智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)完善配合,這樣才能使UPS電源到IT設(shè)備的末端配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、可靠、合理。

3.3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)備的配電

為了減少空調(diào)設(shè)備啟停及故障對(duì)IT設(shè)備配電系統(tǒng)的影響,空調(diào)負(fù)荷應(yīng)獨(dú)立配電。因空調(diào)設(shè)備短時(shí)停運(yùn)不影響IT設(shè)備運(yùn)行,所以空調(diào)設(shè)備無(wú)需配置UPS電源。

3.4 通信進(jìn)線間設(shè)備的配電

通信進(jìn)線間一般由運(yùn)營(yíng)商深化,設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留房間和總電源。從競(jìng)爭(zhēng)有利于提升服務(wù)質(zhì)量角度出發(fā),建議預(yù)留2～3間進(jìn)線間,方便業(yè)主同期引入多家運(yùn)營(yíng)商。新建項(xiàng)目將是5G甚至是6G的應(yīng)用,房間面積和用電量需求都較4G增加,建議按照每間面積25 m2、功率35 kW進(jìn)行預(yù)留。

3.5 電信間設(shè)備的配電

兼做智能化豎井的電信間內(nèi)除計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備外,還包括安防、音視頻等設(shè)備,其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和安防系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)有可能達(dá)到一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。電信間用電的常見(jiàn)配電方式為:與數(shù)據(jù)中心共用UPS電源,采用分區(qū)樹(shù)干式向各電信間配電,配電方式相同、配電可靠性無(wú)區(qū)分;隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)重要性的提升,電信間的配電系統(tǒng)可以優(yōu)化提升,對(duì)電信間重要程度進(jìn)行區(qū)分,針對(duì)不同重要程度的電信間采用不同配電方式,在工程中實(shí)現(xiàn)造價(jià)和可靠性的最優(yōu)平衡。

下面以某三級(jí)甲等醫(yī)院電氣設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。某醫(yī)院智能化系統(tǒng)配電干線圖如圖2所示。圖2(a)為未與電氣設(shè)計(jì)配合前的配電方案,信息中心機(jī)房外配電皆采用單回路樹(shù)干式,且UPS電源集中設(shè)置在信息中心機(jī)房,配電系統(tǒng)可靠性較低,不滿足掛號(hào)收費(fèi)、手術(shù)中心等區(qū)域電信間用電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的配電要求。圖2(b)在電氣設(shè)計(jì)與智能化設(shè)計(jì)協(xié)商后的配電方案。該配電系統(tǒng)根據(jù)電信間負(fù)荷等級(jí)不同采用不同的配電方式,其中特別重要區(qū)域如掛號(hào)收費(fèi)、手術(shù)中心的電信間設(shè)備用電采用兩回路配電、末端切換、就地設(shè)置UPS電源,其他區(qū)域采用放射式配電,住院樓區(qū)域配電進(jìn)行了分區(qū),提升供電可靠性;在成本增加不大的情況下,供電系統(tǒng)的可靠性有較大提升[8]。

圖2 某醫(yī)院智能化系統(tǒng)配電干線圖

3.6 公共安全系統(tǒng)用電設(shè)備的配電

安防系統(tǒng)目前以數(shù)字設(shè)備為主,系統(tǒng)傳輸、計(jì)算及存儲(chǔ)設(shè)備負(fù)荷配電系統(tǒng)參照數(shù)據(jù)中心做法。視頻安防末端設(shè)備(如數(shù)字?jǐn)z像機(jī))一般從電信間或弱電豎井配電,配電設(shè)計(jì)在關(guān)注其配電可靠性的同時(shí),需要注意視頻安防末端設(shè)備的供電電壓及供電方式。若攝像機(jī)采用POE供電,則需要在交換機(jī)選型時(shí)明確交換機(jī)的POE供電容量要求。

3.7 音視頻設(shè)備用電設(shè)備的配電

大型報(bào)告廳和多功能廳應(yīng)設(shè)置智能化設(shè)備專用配電箱,普通會(huì)議室的智能化設(shè)備可直接由會(huì)議室配電箱供電,當(dāng)會(huì)議室較多且集中的情況下可考慮分組集中設(shè)置智能化設(shè)備專用配電箱。

大型報(bào)告廳和多功能廳的音頻末端配電系統(tǒng)也需要電氣設(shè)計(jì)關(guān)注。當(dāng)音視頻專項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí),音頻末端配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)由電氣設(shè)計(jì)完成或配合深化;音頻末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)明確設(shè)備的容量、重要程度,對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分類、分組,重要負(fù)荷和較大負(fù)荷單獨(dú)回路配電,小的非重要負(fù)荷成組配電。某項(xiàng)目報(bào)告廳智能化設(shè)備配電箱系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 某項(xiàng)目報(bào)告廳智能化設(shè)備配電箱系統(tǒng)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著建筑智能化系統(tǒng)的提升,建筑智能化系統(tǒng)的配電要求也隨之提升。建筑電氣設(shè)計(jì)需要在建設(shè)的全過(guò)程中和建筑智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)密切配合,不斷調(diào)整完善從變電所到設(shè)備末端的配電系統(tǒng),才能最終實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備配電系統(tǒng)的整體安全、可靠、合理。