高層民用建筑改造工程電氣設計探究

摘要：隨著社會經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展和國民生活質量的持續(xù)提升，現(xiàn)有建筑已難以滿足公眾日益增長的使用需求，因此對既有建筑進行翻新與擴建的需求日益凸顯。在進行高層民用建筑的改造或新建工程時，必須充分考慮原有建筑的內外部條件限制，并嚴格遵循現(xiàn)行法規(guī)和標準，以確保工程質量和安全。高層民用建筑，對電氣系統(tǒng)的設計與質量提出了極高的要求，直接關系到居住者的日常生活品質。由于高層民用建筑的廣闊空間、多元結構以及復雜的高度層次，電氣系統(tǒng)的規(guī)劃布局必須充分考量其獨特性。以保障電力供應的穩(wěn)定性與整體安全性為首要目標，確保電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運作，從而滿足居住者的日常用電需求。

關鍵詞：高層民用建筑 改造工程 電氣設計

中圖分類號：TU976.1

Exploration of Electrical Design for High-Rise Civil Building Renovation Projects

ZHAO Yuqi

Tianjin Institute of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin， 300199 China

Abstract： With the steady development of social economy and the continuous improvement of the quality of life of the people， the existing buildings have been unable to meet the growing demand of the public， so the demand for renovation and expansion of existing buildings has become increasingly prominent. When renovating or constructing high-rise civil buildings， the internal and external conditions of the original buildings must be fully considered， and the current regulations and standards must be strictly followed to ensure the quality and safety of the project. High-rise civil buildings have extremely high requirements for the design and quality of electrical systems， which directly affect the quality of daily life of residents. Due to the vast space， diverse structure and complex height hierarchy of high-rise civil buildings， the planning and layout of electrical systems must fully consider their uniqueness. The primary goal is to ensure the stability and overall safety of the power supply， and ensure the continuous and stable operation of the power system， so as to meet the daily electricity needs of the occupants.

Key Words： High-rise; Civil buildings; Renovation engineering; Electrical design

隨著城市化進程的加速和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層民用建筑在我國城市建設中扮演著越來越重要的角色。然而隨著時間的推移，許多早期建造的高層建筑已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代社會對功能性、安全性和舒適度的要求。在高層民用建筑的改造過程中，電氣系統(tǒng)的設計和更新是一個核心問題。電氣系統(tǒng)不僅關系到建筑的日常運行，更直接影響到居住者的生活質量和安全。然而，高層建筑的電氣改造工程面臨著諸多挑戰(zhàn)，如原有建筑結構的限制、新舊系統(tǒng)的兼容性、不斷更新的規(guī)范標準等。本文旨在探討高層民用建筑改造工程中電氣設計的關鍵因素和優(yōu)化策略。通過分析內部和外部影響因素，提出基于PDCA循環(huán)的設計方法，并就電氣接地、低壓供配電系統(tǒng)和消防供電等具體方面提出優(yōu)化建議。確保改造后的建筑能夠滿足現(xiàn)代社會的需求，提高建筑的安全性、舒適度和能源效率。

1 工程概況

該民用建筑總計16層，其中地上15層，地下1層，整體高度達到58.5 m。目前，二樓和三樓是本次改建的重點，這兩層占地面積約為2 438 m2。過去，這些區(qū)域主要用作辦公空間，但如今計劃轉型為教育基地。因此，需要對這些區(qū)域進行適應性調整和改造，以滿足教學基地所需的輔助設施等需求。

在該建筑設施中，用電負荷被明確劃分為二級和三級。具體而言，消防系統(tǒng)、電梯運行及供水泵等關鍵設備的用電被歸類為二級用電負荷，而其余用電需求則被劃分為三級負荷。根據(jù)原設計規(guī)劃，建筑的主電源主要依賴于一條10 kV的高壓供電線路，備用電源采用了柴油發(fā)動機發(fā)電設備。

2 高層民用建筑改造工程電氣設計影響因素

2.1 內部因素：既有建筑實際存在的一些現(xiàn)場情況

在進行高層民用建筑改造的電氣工程設計時，需要考慮5個核心內在因素，即建筑格局、建筑功能、設備運行及使用情況、設備用房的設置情況以及建筑基礎設施需求。

2.1.1建筑格局

在建筑規(guī)劃階段，對于逃生路徑、機械房位置及管線布局等關鍵要素進行周密的配置規(guī)劃。根據(jù)現(xiàn)有的建筑法規(guī)，逃生路徑的最大長度不應超過60 m，機械房應根據(jù)建筑高度和面積按照公式進行計算，其中為機械房面積，單位為m2，為建筑高度，單位為m，為建筑寬度，單位為m。

2.1.2建筑功能

在改造建筑區(qū)域的過程中，建筑用途的實質性轉變是關鍵因素。例如：如果建筑由商業(yè)用途轉變?yōu)榫幼∮猛?，電力需求可能會?00 W/m2減少到50 W/m2，變壓器容量需求也相應調整。這可以通過公式計算，其中 為總功率需求，單位為W，為面積，單位為m2，為單位面積功率需求，單位為W/m2。

2.1.3設備運行與使用情況

考慮設備的運行效率及其在建筑中的布置。以電梯為例，其能效標準可根據(jù)公式評估，其中為能效，單位為W，為載重量，單位為kg，為樓層數(shù)，為運行時間，單位為s。

2.1.4設備用房的設置情況

重點關注是否合理規(guī)劃了實用性房間，包括發(fā)電機房、電力轉換及分配室等關鍵設施。例如，發(fā)電機房應有足夠空間容納備用發(fā)電機，其最小面積可按計算，其中為發(fā)電機房總面積，單位為m2），為發(fā)電機數(shù)量，為單個發(fā)電機的長度，單位為m，為單個發(fā)電機的寬度，單位為m。

2.1.5建筑基礎設施需求

傳統(tǒng)高層民用建筑在設計功能上已難以滿足人們在電力使用和基礎建設等方面的實際需求。如燃氣需求量其中為總燃氣需求，單位為m3/h，是戶數(shù)，為單戶燃氣消耗，單位為m3/h[1]。

2.2 外部因素：外部設計環(huán)境與投資建設方的需求

在進行高層民用建筑改造的電氣工程設計時，考慮規(guī)范標準、建筑需求、建筑投資以及建筑周期因素至關重要。

2.2.1規(guī)范標準的變化

隨著國家發(fā)展的不斷深化，電氣工程領域的標準規(guī)則也在持續(xù)演進。配電房必須滿足最小面積要求，即m2，其中代表建筑層數(shù)。此公式確保了電氣設備的安全和維護空間，減少因空間不足造成的安全風險。

2.2.2建筑需求的變化

人們對高品質生活的需求日益增強，影響到暖氣、能量供給等電氣設計方面。例如，現(xiàn)代高層住宅的電力需求比20年前增長了約50%，從60 W/m2增至90 W/m2。這一變化要求電氣系統(tǒng)設計采用更高標準的負載計算方法，按公式計算，其中為總功率需求，為總使用面積，為單位面積功率需求。

2.2.3建筑投資

在高層民用建筑改造過程中，需要全面評價設計提案的成本，確保經(jīng)濟上的可行性。例如：初步預算可以通過計算預估的總成本，利用公式，其中為材料成本，為勞動力成本，為設計費用。

2.2.4建筑周期

每個高層民用建筑改造工作都需遵循預設的建設周期，并劃分為多個階段進行。例如：建筑周期可以按照工程進度公式來預測，其中為第N階段所需時間。

3 基于PDCA循環(huán)開展高層民用建筑改造工程電氣設計

3.1 計劃階段

在最初的規(guī)劃中，改建后的場地面積、預期客流量、展出物品的特性和所需承擔的功能等多方面因素，原辦公空間難以滿足作為展覽館的各項要求[2]。某高層民用建筑辦公樓基本情況如表1所示。

3.2 執(zhí)行階段

現(xiàn)有變壓器的額定容量理論上能夠滿足增加的用電需求以及配電設備的正常運行，然而該變壓器的使用年限較長，其設備老化現(xiàn)象明顯，效率損耗較為嚴重，已逼近安全使用的年限閾值[3]。該建筑物原設計二級負載能力為108 kW，目前實際運行設備裝機容量為100 kW。

3.3 檢查溝通協(xié)調階段

在當前的環(huán)節(jié)，按計劃分階段進行更新工作，目前正處于第一階段。針對之前提出的3個計劃，進行如下分析。

3.3.1方案一

該計劃在執(zhí)行后的運營與維護流程將相對簡化，同時其成本效益和可靠性也較為優(yōu)越。但從工程技術的視角出發(fā)，該建筑物的主要電力消耗達到108 kW。若按照計劃從市政電網(wǎng)中引入一條10 kV的供電線路，其成本效益并不理想，且在實際操作中存在一定的難度。

3.3.2方案二

根據(jù)本計劃，該建筑的空調系統(tǒng)需要進行翻新，并計劃拆除鍋爐設施以及新建柴油機發(fā)電空間，滿足本次改造的需求。然而在完成成本預算后，現(xiàn)階段的更新改造將僅限于教學基地的空調系統(tǒng)，該建筑系統(tǒng)更新計劃將推遲至第二階段工程。地下室內的空間無法滿足通風與排煙的需求，同時地表紅線區(qū)域內也不具備建立柴油發(fā)電設施的條件，因此本次改造將重點關注和保障重要電力負荷的連續(xù)性和可靠供電。

3.3.3方案三

經(jīng)過對前述2套計劃進行詳盡的評估、校驗以及確認后，更新變配電設施、整修建筑空調系統(tǒng)以及重建柴油發(fā)電機房等重要工作，納入改造工程的第二階段。在第一階段的改造工作中，主要聚焦于教育基地供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，選用了動力型EPS作為備用電源。

3.4 實施階段

本次改造工程建設與啟用過程中，原計劃未進行任何根本性的變更或調整，因此，最初的3個實施步驟被證實是切實可行且有效的。

4 高層民用建筑改造工程電氣設計優(yōu)化策略

4.1 電氣接地

在高層民用建筑改造施工過程中，接地聯(lián)接器的設置應與配電網(wǎng)的接地結構協(xié)調配合，并需依照電器柜內的預先規(guī)劃進行妥善安置。對于高電壓系統(tǒng)，應采用中性點接地法作為接地技術方案。在安全地線作業(yè)時，當連接邊緣裝置與金屬性質構件時，應通過PE線纜來確保高層建筑構建穩(wěn)固的安全地線連接。

4.2 低壓供配電系統(tǒng)設計

該建筑在采用單線母線供電體系的基礎上，若計劃向某低壓交流配電房引入10 kV的城市供電，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，可以配置兩臺功率相當?shù)淖儔浩鳌Ｆ渲幸粭l供電線路遭遇斷電故障時，另一條線路能迅速接管，確保不間斷供電。在進行電線鋪設工作之前，需要對線路的類別和數(shù)量進行全面掌握，以確保不會對后續(xù)的建設工作產(chǎn)生不良影響。

4.3 消防供電

消防系統(tǒng)系由電子與電氣兩類設施深度融合而成，其中電子設施以自動火警系統(tǒng)為核心，電氣設施則以升降機、滅火泵等關鍵設備為支柱。在系統(tǒng)設計過程中，必須嚴格遵循既定規(guī)范，以確保系統(tǒng)各項功能得以充分發(fā)揮。當前，電源系統(tǒng)的構建主要采取兩種策略，即緊急備用電源與主要技術用電源的結合運用，二者能夠實現(xiàn)自動切換，從而確保電源供應的連續(xù)性與穩(wěn)定性[4]。

5 結語

總而言之，在進行高層民用建筑改造工程電氣設計時，相關工作人員需要嚴格遵守國家相關的標準，充分考量高層民用建筑實際狀況，制訂切實可行的規(guī)劃方案。方案的實施需經(jīng)過規(guī)劃、執(zhí)行、檢驗以及溝通協(xié)調4個階段，確保每一步都得到有效執(zhí)行?；赑DCA流程管理，可以確保高層民用建筑改造工程能夠按照既定目標順利推進，實現(xiàn)預期效果。

進行計算，其中為機械房面積，單位為m2，為建筑高度，單位為m，為建筑寬度，單位為m。計算，其中 為總功率需求，單位為W，為面積，單位為m2，為單位面積功率需求，單位為W/m2。評估，其中為能效，單位為W，為載重量，單位為kg，為樓層數(shù)，為運行時間，單位為s。計算，其中為發(fā)電機房總面積，單位為m2），為發(fā)電機數(shù)量，為單個發(fā)電機的長度，單位為m，為單個發(fā)電機的寬度，單位為m。其中為總燃氣需求，單位為m3/h，是戶數(shù)，為單戶燃氣消耗，單位為m3/h[1]。m2，其中代表建筑層數(shù)。此公式確保了電氣設備的安全和維護空間，減少因空間不足造成的安全風險。公式計算，其中為總功率需求，為總使用面積，為單位面積功率需求。，其中為材料成本，為勞動力成本，為設計費用。來預測，其中為第N階段所需時間。參考文獻

[1] 濮星海，薛帥，鐘嵐.接地網(wǎng)技術在建筑電氣設計中的應用[J].工業(yè)建筑，2023，53（7）：250.

[2]楊林.基于PLC的建筑電氣自動化控制技術研究[J].工業(yè)建筑，2023，53（4）：237-238.

[3] 彭亮.高層民用建筑改造工程電氣設計的應對策略研究[J].建材與裝飾，2020（20）：86，89.

[4] 吳學娟，劉冰.高層民用建筑改造工程電氣設計的應對策略[J].建筑電氣，2020，39（3）：19-22.

[5] WANG L .Electrical Fire Safety Considerations in the Fire Protection System Design of High-rise Buildings[J].International Journal of New Developments in Engineering and Society，2023，7（8）：23-25