某科技館電氣系統(tǒng)設計

李 翠

[奧雅納工程咨詢(上海)有限公司,上海 200032]

0 引 言

本項目位于杭州市,是一座科技館功能的公共建筑項目。建筑方案別具一格,屋蓋系統(tǒng)采用張弦結構,形成張弛有度的扇面造型,混凝土墻面與桁架屋面材質的變化形成了強烈的視覺沖擊,科技館建筑采用清水混凝土材質,清雅厚重。

項目總用地面積為17 425.00 m2,總建筑面積為14 870.36 m2,包括主館和副館,其中主館建筑面積約為12 779.15 m2,功能為科技館,副館建筑面積約為1 909.41 m2,功能為閱覽區(qū)。主館為5層的展覽空間及后勤辦公區(qū),其中,3～5層為挑空的開放展廳,副館為第二層的開放式閱覽區(qū)。主館采用框架結構,副館采用框剪結構,主館及副館上部為整體鋼結構屋蓋。

1 供配電系統(tǒng)設計

1.1 負荷等級及供電電源

本工程屬于大中型博物館[1],為多層公共建筑[2],其中,消防負荷用電、電信機房用電、科技館運營管理用計算機系統(tǒng)用電、安保系統(tǒng)等用電按一級負荷要求供電,乘客電梯及自動扶梯用電、空調用電、展廳照明、主要通道及樓梯間照明、閱覽廳通道照明、生活水泵、排水泵為二級負荷,其他均為三級負荷[3]。

本項目從上級電業(yè)開閉所引入兩路10 kV雙重電源,兩路電源同時工作,當一路電源故障時,另一路電源不應同時受到損壞;當一路電源故障時,另一路電源滿足項目內所有一、二級負荷的用電需要?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)及安防等弱電系統(tǒng)設置UPS電源,備用時間為3 h。

1.2 變配電所的設置

不同功能區(qū)域的功率密度取值如表1所示。

表1 不同功能區(qū)域的功率密度取值

關于充電樁設備的供電,本工程僅考慮展館室外地面充電樁的用電,而地下充電樁用電由地下空間設計單位負責設計,電源引自地下空間變電所。

本工程在一層設置電業(yè)開閉所,由供電部門設計。用戶高低壓變電所設置于地下一層,變電所區(qū)域凈高7 m,采用下進下出方式,變電所下方設置高0.8 m的電纜溝。電纜溝內采取排水措施,通過排水管接至鄰近集水井,并采取變配電所區(qū)域局部地坪抬高的方式,同時變配電所外鄰近處設集水井,以預防洪水、消防水或積水從其他渠道淹漬變配電所[4]。變配電所內設機械進、排風設備,設置2臺容量為1 600 kVA的變壓器?？萍拣^主要的負荷容量如表2所示。

表2 科技館主要的負荷容量

科技館兩臺變壓器的負載率約為75%。

1.3 高低壓變配電系統(tǒng)

10 kV中壓主接線采用單母線分段方式,中間不設聯(lián)絡開關。

0.4 kV低壓主接線采用單母線分段,設母聯(lián)開關,采用手動聯(lián)絡方式,設置電氣及機械聯(lián)鎖,平時分列運行,當一路10 kV電源故障或10/0.4 kV變壓器故障或檢修時,由另一臺10/0.4 kV變壓器承擔所有的一、二級負荷。

其中,消防負荷(消防水泵、防排煙系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、防火卷簾等)、科技館經營管理用計算機系統(tǒng)用電、弱電系統(tǒng)用電為一級負荷。生活水泵、排水泵、展廳照明、展陳用電、主要通道照明用電、乘客電梯用電、副館閱覽廳照明用電為二級負荷。其他為三級負荷。展陳用電容量主要參考展陳顧問用電提資。

用電負荷采用放射式和樹干式相結合的配電形式供電,一級負荷采用雙電源供電,并在末端配電箱處切換供電,二級負荷采用雙電源供電,三級負荷采用單電源供電。

主館與副館分別設置獨立的垂直豎井以便管線敷設及管理。主館在展廳區(qū)域和后勤辦公區(qū)域分別設置強電豎井,配電干線在地下一層引出科技館變電所,然后引入主館強電豎井內。主館的一層、二層為挑空兩層的科技展廳,三層、四層、五層為挑空三層的開放展廳,展廳的不同區(qū)域高度錯落,為呈現(xiàn)出開放展廳通透、明亮的建筑效果,五層展廳大部分區(qū)域上方為鋼架與玻璃相結合的屋蓋,同時,屋蓋的鋼架、拉索、支撐等均為明露設計,為體現(xiàn)結構的張力之美,并未設置吊頂空間供機電管線穿越,因此在考慮配電管線的路由時,也需充分結合室內建筑及結構專業(yè)的設計特點及效果要求。主館服務一層、二層科技展廳的配電回路經二層高位敷設,服務三層、四層、五層開放展廳的配電回路則考慮結合錯落的建筑高度及屋蓋造型,部分經四層高位敷設,部分沿屋蓋桁架方向敷設。主館剖面圖如圖1所示。

圖1 主館剖面圖

因副館投影下方的地下一層屬于其他管理方負責的功能區(qū)域,且副館與主館在地上并不聯(lián)通,配電干線在地下一層引出科技館變電所后,無法在地下一層或地上各層引入副館強電豎井,因此副館的配電干線采用在室外地面埋地敷設的方式引入副館[5]。主館及副館剖面圖如圖2所示。

圖2 主館及副館剖面圖

1.4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

本工程在電氣設計中采取了諸多綠色技術措施,以達到綠色建筑三星級標識,在“碳達峰”“碳中和”目標的時代背景下,降低科技館能耗,降低建筑運營碳排放。

其中,在可再生能源的選用上,通過與建筑一體化設計、同步實施的方式,設置1套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),裝機容量為136 kW,采用并網(wǎng)型系統(tǒng)形式。

方案設計階段,根據(jù)本項目建筑的使用功能、建筑結構形式、建筑幕墻設計特點,對采用光伏采光屋面進行了充分論證。結合項目屋面采用鋼架與玻璃相結合的幕墻設計特點,因地制宜地采用薄膜型光伏電池,同時與建筑幕墻玻璃材料復合,利用屋面玻璃幕墻作為光伏發(fā)電系統(tǒng)。

通過對不同光伏玻璃的技術及經濟比選,確定采用通透性及經濟性較好的碲化鎘光伏玻璃,根據(jù)屋面不同區(qū)域對透光率的要求,分別采用透光率為20%及40%的光伏玻璃,兼顧滿足承載、保溫、隔熱、防水及防護要求,并可更好地和建筑外觀保持協(xié)調統(tǒng)一。碲化鎘光伏發(fā)電玻璃發(fā)電功率計算如表3所示。

表3 碲化鎘光伏發(fā)電玻璃發(fā)電功率計算

光伏玻璃與屋面其他玻璃未設置明顯的分界線,采用均勻、漸變的方式分散設置于屋面。碲化鎘光伏玻璃屋面效果圖如圖3所示。

光伏發(fā)電玻璃經光伏匯流箱就近匯流后接入逆變器,匯流箱及逆變器設置于五層強電間內,選用3臺逆變器。集中并網(wǎng),并網(wǎng)點設置于變電所經并網(wǎng)柜并入低壓配電母排,供本項目負荷使用。

設置光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng),對環(huán)境信息和光伏系統(tǒng)電參數(shù)進行監(jiān)測,如環(huán)境溫度傳感器、光伏組件溫度傳感器、直流側和交流側的電壓、電流、發(fā)電量等數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)同時以通信接口形式接入科技館樓宇自控系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)的直流線路及通信線路采用金屬線槽在屋面網(wǎng)架內敷設。線槽路由與屋蓋結構的桁架統(tǒng)一,主橋架沿次桁架方向(縱向)吊裝,分支橋架沿主桁架方向(橫向)吊裝于主桁架鋁框內,并在鋁板上每隔10 m設置1個可開啟檢修口。在線槽涂漆顏色選用上也與桁架一致,以較好地契合屋蓋效果。光伏玻璃正負極組串連接的分支線埋入膠縫內,就近接入主桁架的光伏分支線槽。

本項目室外屋面強度允許工人行走,“扇骨”處布置屋面行走蜘蛛人繩索點位,供后續(xù)蜘蛛人安全作業(yè)及屋面光伏清洗工作。室內挑空展區(qū)屋面下方的設備安裝、布線、燈具檢修等則通過設置提升高度為20 m的登高車,提升后進行操作維修。

2 防雷接地系統(tǒng)設計特點

經過防雷計算,本建筑屬第二類防雷建筑物。按照第二類防雷建筑設防[6]。

2.1 接閃器設計

鋼結構屋蓋為由人字鋼柱和11榀平面主桁架組成的扇面空間結構,主桁架模仿折扇展開的規(guī)律,11根主桁架中有6榀桁架(每間隔1根)在中部交匯區(qū)貫通,其余5榀中部交匯區(qū)截斷。6榀貫通桁架兩兩交叉,形成三組桁架上下錯層搭接。主館區(qū)域桁架與人字柱45°斜交,副館區(qū)域桁架與人字柱平行設置。結合以上結構體系特點,設計上利用屋蓋的金屬桁架作為接閃器,根據(jù)結構設計,金屬桁架采用3 m高工字鋼。將所有金屬桁架進行可靠連接,形成持久的電氣貫通。桁架下方不設置易燃物品,鋁板的厚度不應小于0.65 mm,桁架無絕緣被覆層。桁架組成的網(wǎng)格不大于10 m×10 m或12 m×8 m。

2.2 引下線設計

利用科技館結構人字柱及結構柱主筋做防雷引下線。根據(jù)結構專業(yè)設計,人字柱采用圓鋼管材質,人字柱與屋面桁架間應有持久的電氣貫通。人字柱截面不應小于100 mm2,相關需求向結構專業(yè)進行提資。人字柱距地面2.7 m以下的導體采用耐1.2/50 μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離,或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離用護欄、警告牌,以降低接觸防雷引下線的可能性。

3 結 語

科技館建筑須根據(jù)展陳設計進行供配電系統(tǒng)的設計,同時本項目結合玻璃屋頂?shù)哪粔π问?選用適配的光伏發(fā)電玻璃,并設置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),通過可再生能源的利用有效實現(xiàn)了綠色和節(jié)能設計。本項目充分利用了屋面結構桁架作為接閃器,引下線部分利用結構鋼柱,可與建筑專業(yè)的外觀效果要求較好統(tǒng)一。