高层建筑电气设计的研究与分析
2017-06-15 10:14:00
祥泰电气
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1 高层建筑设计原则
安全、经济与节能、稳定性是建筑电气设计应追求的目标，但是在保证系统的稳定、安全运行的前提下同时也要兼顾经济性。建筑电气设计不仅要严格依据国家规范以及其它有关政策和法令，还要根据当地的实际情况而制定标准，确保设计质量。建筑电气设计是整个建筑工程设计的一部分，其中用电负荷计算与配电系统合理分配以及消防工程为设计的主要内容。
2 高层建筑电气设计的要点问题
（1）高层建筑由于空调、电梯、照明、暖通、给排水、照明等诸多设备，因此负荷较多，用电量特别大，且供电的可靠性要求很高。
（2）在高层建筑中，照明与动力基本上不共用干线。动力负荷多采用放射式供电，照明负荷则多采用母线槽配电，与动力分开。
（3）空调、照明等主要用电设备布局分散，多数要求采用计算机集中管理。
（4）高层建筑高度高，体量大，人员密集，设备多，建筑本身火灾隐患多，故对消防要求高。
（5）在高层建筑的电气设计中，要把电能消耗指标作为全面技术经济分析的重要组成部分。节电的设计方案，应根据技术先进、安全适用、经济合理、节约能源和保护环境的原则确定。采用合理的配电方式，采用高效率变压器、电动机和照明光源、无功功率补偿装置和设备监控电脑系统等措施，减少电能损耗，节约用电。
（6）在高层建筑中大的用电负荷较分散，为了让变压器能够靠近用电的区域，因此可能需设置多个变配电所，如在地下一层，避难层或屋顶各设一变电所。
3 高层建筑电气设计的主要内容
3.1 负荷分级及供电电源
（1）负荷分级：负荷分级就是根据由于供电中断，给用户造成的经济、政治损失程度，以及对供电可靠性的要求程度进行的分级。我们一般把建筑高度超过100m的高层民用建筑定义为超高层建筑，该种建筑属一类超高层建筑，设计按一级负荷供电。其中消防负荷、应急照明、疏散指示、主楼电梯、地下层排污泵、变频供水泵、计算机等用电按一级负荷供电；一般照明、一般电梯等用电按二级负荷供电；其余为三级负荷。
（2）供电电源：为保证现代高层建筑的供电可靠性，设置两个相对独立的电源是必须的，而电源的具体数量则可以根据负荷的大小以及实际的电网条件来定量。尽管两路电源独立运行，但它们实际上仍然同时供电，彼此相互备用。此外还要安装柴油发电机组以应急备用，确保能够在15s之内正常恢复供电。为保障照明、电脑、电梯、消防等设备的事故用电，我国国内的高层建筑，其供电电压都是用的标准电压为10kV.
（3）负荷计算:电力负荷是供电设计的依据参数。计算准确与否,对合理选择设备,安全可靠与经济运行,均起决定性作用。高层建筑的电力负荷计算,基本上采用负荷密度法和需要系数法。
3.2 高低压配电系统的设计
高低压配电系统:现代高层建筑均是采用两路独立的10kV电源同时供电。一般高压采用单母线分段，自动切换，互为备用。计费方式则采用高供高计。但在低压侧，仍装设计费电度表,采用将照明与动力分开的两部电价法。为减少变压器台数,单台变压器的容量选择一般都大于1000kVA.为限制低压侧的短路电流,正常时变压器解列运行,中间设联络开关。高压系统及低压干线的配电方式基本上都采用放射式系统。楼层配电则为混合式系统，配电设备中的主要部分是干线。现代高层建筑的竖井多采用插接式母线槽，水平干线因走线困难,多采用全塑电缆与竖井母干线联接等等。
3.3 电缆选择
由于高层、超高层建筑发生火灾的因素较多，扑救难度大，因此高层、超高层建筑应立足于自防自救，采取可靠的防火措施，选用可靠的防火电缆，以达到预防火灾、逃生自救的目的。现行GB 50045—95《高层民用建筑设计防火规范》及JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》对高层民用建筑电气防火电缆的选择作了严格规定，对建筑高度超过100m的高层建筑，即所谓超高层建筑，其消防供电干线及支线应采用矿物绝缘电缆；对于高层一类建筑，其消防供电干线及支线宜采用矿物绝缘电缆。其它线路可采用低烟无卤电缆或电线。
3.4 主要设备的选型
（1）高压开关柜。现代高层建筑的变配电室设在主楼地下层,按规定不宜采用油开关。应根据高层建筑地下室的标准,选用具有“五防”功能的真空开关手车式高压开关柜。
（2）电力变压器。根据防火要求,主楼内是不允许装设大容量的油浸电力变压器的。
（3）低压配电屏。国外低压配电屏的结构,几乎都做成抽屉式,特别是大容量的出线,则做成手车式。
（4）应急备用发电机组。过去大多是采用柴油发电机组做应急备用电源的。近年来，国外高层建筑已开始采用燃汽轮发电机。这种发电机具有体积小、重量轻、反应速度快,故障率低等优点。
（5）变电所位置的确定:现代高层建筑的用电量相当大,在确定变电所位置时,应尽可能使高压深入负荷中心。这对节约电能,提高供电质量都有重要意义。
（6）电气照明设计：主要包括灯具的造型设计、灯具的布置、照明度的计算、光源类型选择等。电气的照明设计实际上与建筑的装饰密切相关，因此二者之间应相互照应、相互配合，应确保艺术意境与使用功能的统一。在现代高层建筑中，普遍采取传感器、定时器或者光敏元件来实现照明的自动控制作用，并通过各种建筑物的自动化系统来实现照明电路与接触器。另外，采取高光效的电光源，也是节能照明的重要手段。
（7）防雷与接地:现代高层建筑的防雷设计,除采用避雷针和避雷带的传统做法外,近几年还出现有消雷器和放射性避雷针。这两种防雷技术虽然在工程上得到不少实际应用,但在理论上一直是有争议的。现代高层建筑都是采用钢筋混凝土剪力墙,与楼板的连接是十分可靠的，其关键是做好金属管线的接地。
3.5 高层火灾自动报警系统设计
（1）随着科技的进步，高层建筑在火灾自动报警灭火机制方面也逐渐统一，目前主要包括5个部分: 消防联动控制、火灾探测器、系统设备、消防控制室和电气火灾监控系统，以保证报警灭火自动化系统。在火灾自动报警这个过程中，由探测器探测火灾信号，并自动转为电信号，电信号进入分区报警器以及消防中心，转为声光报警信号。而整个消防指挥与监控由消防中心完成。
（2）高层建筑的特点是面积大,使用功能复杂,人员密度高,火灾危险性大,因此火灾自动报警的可靠性和稳定性尤为重要。现行GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》对高层建筑火灾自动报警系统的设计做了严格规定。
1）任一台火灾报警控制器所链接的系统设备地址总数不应超过3200点,其中每一总线回路链接设备的总数不宜超过200点,且应留有不少于额定容量10%的余量。
2）任一台消防联动控制器的地址总数不应超过1600点,每一联动总线回路链接的设备总数不宜超过100点,且应留有不少于额定容量10%的余量。
3）系统总线上的每只短路隔离器保护的系统设备点数不应超过32点;总线穿越防火分区时,应在穿越处设置总线短路隔离器。
4）高度超过100m的建筑中,除消防控制室内设置的控制器外,每台控制器直接控制的系统设备不应跨越避难层。
4 高层建筑电气的节能分析
随着我国人口的加剧、工业的不断发展，对能源的消耗也不断增加，正逐渐面临能源危机问题。因此各行业都已提出节能的需求，这也是高层建筑电气设计中的重要特点之一。
（1）满足建筑物的使用功能
高层建筑的电气设计在使用功能方面要满足照明在色温、照度、显色指数这几方面的要求，空调温度和风量也要得到满足，使用舒适度和卫生状况应得到保障;运输通道上下和左右都要畅通无阻；一些特殊技术方面使用的要求要满足，如在娱乐场的用电、展厅的工艺照明以及电力用电等。
（2）经济效益需要充分考虑
节能的同时也要充分考虑到经济因素，建立在过分增加成本和投入基础上的节能是不建议的。节能的焦点应该在电气设计当中体现，能在较短时间内通过节能而得以费用回报。
（3）以减少无谓耗能为主
首先，应明确哪些电量消耗是与建筑物的功能无关，再考虑采取的具体措施。在设计过程中，节能措施应遵循“经济合理、价值实用、技术先进”等原则。由于高层建筑耗电量大，节能空间也相对较大，应在设计过程中充分考虑。因此，在选择电气节能的设备时，应对其性能、原理、效果等多方面因素给予考虑，无论是从技术上还是经济上，都要反复比较，在最后定选节能设备，以实现真正的节能功效。
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