智能建筑電氣設(shè)計過程中的問題與對策研究

【摘要】電氣系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，電氣系統(tǒng)設(shè)計是否科學(xué)合理，直接影響用戶的生活質(zhì)量。文章對智能建筑電氣設(shè)計進行研究，從電氣系統(tǒng)的組成和設(shè)計原則入手，指出智能建筑電氣設(shè)計過程中的問題，提出解決對策，并結(jié)合工程案例展開分析。研究表明，智能建筑的電氣系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)計過程中既要滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，又要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，才能避免進入設(shè)計誤區(qū)，提高電氣系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，為智能建筑提供安全穩(wěn)定的電能資源。

【關(guān)鍵詞】智能建筑；電氣系統(tǒng)；電氣設(shè)計

【中圖分類號】TU855 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0119-03

0 引言

智能建筑是一種新型的建筑類型，將現(xiàn)代建筑技術(shù)、信息通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)集為一體，為用戶提供高效、便利、舒適的建筑環(huán)境。根據(jù)中研普華的調(diào)查，2023年國內(nèi)智能建筑行業(yè)市場規(guī)模達到6 538億元，同比增長5.7%[1]。智能建筑是智慧城市的組成部分，隨著社會經(jīng)濟水平不斷提高，智能建筑的數(shù)量也在增多。如何展開電氣系統(tǒng)的設(shè)計，充分發(fā)揮出智能建筑的使用功能，成為相關(guān)單位和從業(yè)人員的關(guān)注要點。

1 電氣系統(tǒng)的組成和設(shè)計原則

1.1 電氣系統(tǒng)的組成

在現(xiàn)代建筑中，電氣系統(tǒng)的組成主要包括以下幾方面。

1）電源：是電氣系統(tǒng)的起始點，為整個建筑提供電能。

2）輸電線路：是連接電源和負載設(shè)備之間的橋梁，負責(zé)電能的傳輸，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、環(huán)境條件和經(jīng)濟因素選擇電纜的規(guī)格型號。

3）配電系統(tǒng)：一般包括低壓配電盤、開關(guān)設(shè)備、保護裝置等，負責(zé)將高壓電能降低到適合用戶使用的低壓電能。

4）負載設(shè)備：即電氣系統(tǒng)的最終用戶，將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量以滿足各種需要，常見的負載設(shè)備有電動機、照明燈具、電熱器等。

5）控制和保護系統(tǒng)：是整個電氣系統(tǒng)的大腦，負責(zé)監(jiān)測電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)整運行參數(shù)或切斷電源，以保護設(shè)備免受損壞。

1.2 電氣系統(tǒng)的設(shè)計原則

1）安全性。電氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)確保人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)運行安全。在設(shè)計中應(yīng)采取必要的保護措施，如接地保護、過流保護、過壓保護等，以防止電氣事故的發(fā)生。以過流保護為例，當(dāng)線路中的電流超過預(yù)定最大值時，保護裝置動作防止大電流對負載設(shè)備造成損害，工作過程見圖1。

2）可靠性。電氣系統(tǒng)應(yīng)能夠在各種惡劣環(huán)境條件下正常運行，在設(shè)計時充分考慮設(shè)備的冗余性、容錯性和可維護性。以弱電系統(tǒng)為例，設(shè)計過程中一方面要符合相關(guān)規(guī)范要求，另一方面要具有較強的抗干擾能力，如抗電磁干擾、抗雷擊干擾等[2]。

3）經(jīng)濟性。電氣系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮經(jīng)濟效益，盡量降低投資成本和運行成本。在設(shè)計中應(yīng)合理選用設(shè)備、優(yōu)化線路布局、提高系統(tǒng)效率等，以實現(xiàn)經(jīng)濟合理的電氣系統(tǒng)。例如采用限額設(shè)計理念，不論是大系統(tǒng)還是小設(shè)備，在滿足安全性、可靠性的前提下，將成本投入控制在限額范圍以內(nèi)。

4）靈活性。電氣系統(tǒng)應(yīng)具有一定的靈活性，一方面在設(shè)計時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可擴展性和可改造性，以便在需要時對系統(tǒng)進行升級和改造，能夠適應(yīng)未來負載變化和設(shè)備更新的需求。另一方面要考慮整個電氣系統(tǒng)的綜合布置，任何部位均不能出現(xiàn)沖突問題，確保整個電氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。

2 智能建筑電氣設(shè)計過程中的問題與解決對策

2.1 配電系統(tǒng)問題與解決對策

1）負荷計算不準(zhǔn)確。負荷計算是配電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的負荷計算能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，優(yōu)化能源配置。然而，實際設(shè)計過程中，因負荷變化不確定、計算方法選擇不當(dāng)，往往導(dǎo)致負荷計算不準(zhǔn)確，進而影響電氣系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量。對此，在負荷計算過程中，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮負荷變化的不確定性，采用合適的計算方法，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實際情況進行修正，提高負荷計算準(zhǔn)確性。

2）設(shè)備選擇不當(dāng)。設(shè)備選擇是配電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。設(shè)計過程中，若未充分考慮設(shè)備的性能、質(zhì)量、價格以及適應(yīng)性等因素，可能導(dǎo)致設(shè)備選擇不當(dāng)。對此，應(yīng)綜合分析設(shè)備的使用需求，選擇性價比高、節(jié)能環(huán)保的設(shè)備。以變壓器為例，一般情況下負荷系數(shù)為0.6時，單個變壓器的運行效率最高[3]。若多個變壓器聯(lián)合運行，則要調(diào)整容量和數(shù)量，確保功耗損失最小。另外，為更好地應(yīng)對環(huán)境條件影響，可優(yōu)先選擇非晶合金鐵芯變壓器，不僅節(jié)能效果優(yōu)良，而且能避免絕緣老化現(xiàn)象發(fā)生。

3）可靠性不足?？煽啃允桥潆娤到y(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)之一，可靠性不足會導(dǎo)致頻繁的停電和故障，影響用戶正常用電。在設(shè)計過程中，若未充分考慮設(shè)備的冗余性、系統(tǒng)的容錯性等因素，可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性不足。對此，一方面要求設(shè)計人員采取合理的冗余設(shè)計和容錯策略，另一方面加強電氣系統(tǒng)的檢測和維護管理，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低故障發(fā)生率。

2.2 照明系統(tǒng)問題與解決對策

照明系統(tǒng)能營造出良好的空間氛圍，美化生活環(huán)境，對于減輕人們的身心壓力具有一定價值。智能建筑電氣設(shè)計中，照明系統(tǒng)常見問題有：光源搭配不科學(xué)、燈具選型不合適、設(shè)計照度不達標(biāo)、電能消耗量較大。

對此，首先要合理選擇燈具，根據(jù)空間場景的特點和照明需求進行選擇，以高效節(jié)能的燈具為主，配合不同形態(tài)的反射罩，提高燈具的照度和反光率。其次采用多種照明模式，例如，層高較高、空間狹窄的地方，選擇窄配光照明設(shè)備能提高利用系數(shù)。在不同季節(jié)和時間段，根據(jù)照明需求不同，采用重點照明、局部照明、混合照明、泛光照明等方案。最后要提高照明系統(tǒng)的自動化水平，如選擇智能照明燈具，基于智能傳感器根據(jù)不同場景和環(huán)境條件，完成光照強度的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。智能電壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用，則能提高輸出電壓的穩(wěn)定性，保證照明光線的均勻度。

2.3 管線敷設(shè)問題與解決對策

智能建筑內(nèi)的電氣設(shè)備類型多、數(shù)量大，需要設(shè)置不同型號的線纜，因線路分布復(fù)雜，設(shè)計過程中容易出現(xiàn)問題[4]。例如，導(dǎo)線的截面選擇不合適，線路布設(shè)混亂，線纜局部的絕緣老化等。隨著機電設(shè)備運行時間延長，線纜難以滿足電氣系統(tǒng)的運行要求，且整個線路的電能損耗增大，未能突出節(jié)能理念。

對此，管線敷設(shè)應(yīng)綜合分析以下因素。電氣設(shè)備的定位、主要技術(shù)參數(shù)、負荷容量大小、供電距離遠近等，所有設(shè)備的配電級數(shù)最大為三級。在選擇線纜時，首先滿足供電穩(wěn)定性要求，線纜能承受一定的拉力和壓力，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。其次適當(dāng)增大線纜的截面積，將變壓器設(shè)置在負荷中心附近，低壓配電室接近豎井，以減少電能損耗。最后在高層建筑中布設(shè)線纜時，若距離較遠、無功功率較大，要采用無功補償措施，提高供電穩(wěn)定性。

2.4 安全防護問題與解決對策

安全防護是電氣系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的保障。例如，防雷帶設(shè)計過程中，既要考慮到電氣系統(tǒng)的整體布局，又要方便實施分區(qū)管理。因此，將布線關(guān)鍵放在避免雷擊上，保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。實際設(shè)計工作中，一方面是定位不夠準(zhǔn)確，線路連接不符合標(biāo)準(zhǔn)流程，直接影響安全防護性能；另一方面是沒有考慮到現(xiàn)場環(huán)境和氣候條件的干擾，導(dǎo)致設(shè)備存在較高的腐蝕風(fēng)險，安全防護能力降低。

對此，防雷設(shè)計要從安全性和實時性入手，保證防雷帶的結(jié)構(gòu)滿足安全防護要求，將接閃桿作為關(guān)鍵裝置，與建筑中的金屬結(jié)構(gòu)相連，確保雷電快速導(dǎo)入地下。另外，系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)完善安全設(shè)計，如設(shè)置漏電保護裝置、加強電氣設(shè)備防火措施等，確保電力系統(tǒng)的安全性。以漏電保護器為例，當(dāng)發(fā)生設(shè)備漏電故障、人身觸電事故時，裝置具有過載和短路保護功能，可用來保護線路或電動機的過載和短路，避免工作人員受到傷害[5]。

3 工程項目分析

3.1 工程概況

某建筑工程項目為地下2層、地上21層，建筑總高度97.4 m，總建筑面積5.63萬 m2。該工程建設(shè)方采用綠色建筑和智能建筑的標(biāo)準(zhǔn)進行建造，聘請專業(yè)設(shè)計單位進行工程設(shè)計。

3.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計方案

3.2.1 機房

機房是智能建筑電氣系統(tǒng)的重要組成，其中信息機房設(shè)置在第3層，面積約200 m2；監(jiān)控機房設(shè)置在第1層，面積約45 m2。機房設(shè)計過程中，容錯設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評價常見故障問題對電氣系統(tǒng)運行的影響，如人員操作失誤、供電異常中斷等，最終采用兩套交換機組，其中一套機組滿足當(dāng)前運行管理需求，另一套機組滿足未來擴展需求。另外，設(shè)備布置采用模塊化理念，既能對不同設(shè)備進行準(zhǔn)確分類，又能節(jié)省建筑空間，方便后續(xù)管理工作開展。

3.2.2 供電系統(tǒng)

機房供電采用雙電源配電末端自投方式，電源從兩臺變壓器的低壓側(cè)引出，若其中一個電源故障，能及時切換另一個電源，避免造成停電現(xiàn)象。變壓器選型為SZ11―2000/35，技術(shù)參數(shù)見表1。信息機房、監(jiān)控機房內(nèi)的用電容量分別是360 kW和30 kW，電纜橋架在設(shè)計安裝過程中，不預(yù)留過多余量，以節(jié)省材料、控制成本。

3.2.3 防雷接地

防雷接地設(shè)計中，預(yù)埋進線管是重點環(huán)節(jié)，規(guī)范要求穿管長度≥15 m，才能發(fā)揮出良好的屏蔽作用[6]。另外，選用合適的等電位聯(lián)結(jié)箱，將其布設(shè)在機房內(nèi)，接地系統(tǒng)連接聯(lián)合接地端即可，確保電氣系統(tǒng)共用一個接地裝置。該工程中，以建筑主體的鋼筋為核心，構(gòu)成整個防雷接地系統(tǒng)，在實現(xiàn)防雷功能的同時，還能節(jié)省材料、降低成本。

3.3 智能化專項設(shè)計

3.3.1 樓宇自動控制系統(tǒng)

為滿足智能建筑的建設(shè)需求，在樓宇系統(tǒng)中加入智能化設(shè)備、建立智能化模塊，實現(xiàn)樓宇控制的自動化。該工程中，新風(fēng)、通風(fēng)、制冷和環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，均由該系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。供配電系統(tǒng)中的變電設(shè)備、配電設(shè)備和電梯等，也能接受該系統(tǒng)的調(diào)配，并記錄下運行工況數(shù)據(jù)。另外，在人員密集區(qū)域設(shè)置一氧化碳氣體檢測裝置，與空調(diào)機組聯(lián)動，對實時監(jiān)測結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，從而確定是否啟動空調(diào)機組，以降低空氣中一氧化碳濃度。

3.3.2 能耗計量系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了降低電氣能耗，設(shè)計能耗計量系統(tǒng)，可對建筑內(nèi)不同空間的水、電、燃氣消耗量進行監(jiān)測，分析得到能耗數(shù)據(jù)，幫助用戶和物業(yè)管理部門安排能源的使用情況，達到降低能耗和成本的目標(biāo)。在前端，設(shè)置計量器具采集能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)管理器傳輸至中心計算機，實現(xiàn)一體化控制。

3.3.3 聯(lián)動控制系統(tǒng)

以暖通聯(lián)動為例，暖通系統(tǒng)接收用戶或智能控制平臺發(fā)出的指令，即可調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高運行效率、降低能耗。從設(shè)計角度看，重點是配置穩(wěn)壓機、閥門控制單元、溫濕度傳感器等設(shè)備，梳理不同設(shè)備的邏輯關(guān)系，實時監(jiān)測建筑內(nèi)的溫濕度并發(fā)出控制指令。一旦設(shè)備出現(xiàn)運行故障，系統(tǒng)能自動發(fā)出警報，提示工作人員檢修處理。

4 結(jié)語

綜上，智能建筑的運行離不開科學(xué)完善的電氣系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)設(shè)計要遵循安全性、可靠性、經(jīng)濟性、靈活性原則。然而目前設(shè)計工作中仍存在一些問題，提示設(shè)計人員采取有效解決對策，充分運用智能技術(shù)手段，切實滿足電氣系統(tǒng)的運行需求，推動智能建筑行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻

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[作者簡介]賈煥煥（1982—），女，山東聊城人，本科，工程師，研究方向：建筑電氣。