張 力
(北京市建筑設計研究院有限公司, 北京 100045)
既有建筑改造是電氣設計中的一項重要內容,不同于新建建筑的電氣設計。新建建筑好比是一張白紙,有較大的發(fā)揮余地。既有建筑改造電氣設計要在既有條件下進行,在深入了解原有建筑構造的基礎上,盡量克服既有建筑的先天不足,采用新規(guī)范進行設計,在設計中選用新產品,在滿足業(yè)主需求的前提下,落實節(jié)能高效、低碳環(huán)保的設計理念,使老舊建筑脫胎換骨煥發(fā)新的活力。本文以一個政府辦公樓的改造項目為例談談既有建筑改造工程的電氣設計。
本工程為政府辦公樓,省部級辦公建筑,甲乙兩個副部級政府機關共用。該建筑已使用二十幾年,雖曾經改造過,但已不符合當前的電氣設計規(guī)范要求,配電系統上存在著安全隱患;設備老舊,也不符合節(jié)能要求。因此,根據國管局要求對本樓進行改造裝修。
本樓地上11層,地下2層,其中地下二層為廚房、配電室和設備用房,地下一層為車庫,首層至三層為餐廳、多功能廳、綜合機房用房,五、六層局部為甲單位計算中心,其余樓層為辦公用房。由于本樓為甲乙兩個單位共用,樓內每層都有分隔墻,每層都有兩套機電管井,每個單位均有配電室、弱電機房、消防安防控制室,但變電室為合用,設在室外。消防水池及消防泵房合用設在地下二層,由甲單位管理。本樓總面積為33 300m2,總高度為40m,為一類防火建筑。
本工程強電設計包括:配電系統,照明、動力系統,防雷接地系統。智能化設計包括:綜合布線系統(PDS)、有線電視系統(CATV)、樓宇自控系統(BAS)、安防系統(SAS)、火災自動報警系統(FAS)。本樓除暗埋在結構內的管線和接地防雷設施外,其他設備原則上均更換。
在熟悉本工程新舊圖紙的基礎上,設計人員多次現場調研,了解甲方使用要求,提出改造方案。新設計保留了原有變電室及部分強弱電機房,增加了層弱電間,保證內外網設備及管線的安裝間距,滿足政府機關辦公要求。
在配電系統設計中,按照現行規(guī)范要求,對本樓消防安防用電、重要機房、事故照明負荷、高層客梯、排污泵等一級負荷,其電源由配電室單獨供電,采用雙電源末端互投;生活泵等二級負荷采用雙電源末端互投;普通照明、空調等三級負荷采用樹干或放射式配電方式。針對原有低壓配電系統存在消防負荷與其他負荷電源混用、系統保護分級過多以及接線不規(guī)范的問題,進行了改造。
在進行變電室設計之前,調查了變電室的運行情況。原有變電所已運行20年之久,供電兼顧辦公樓和附近住宅,因此設2 000kVA干式變壓器兩臺。在幾年前的改造中,住宅負荷已改為由供電局變壓器供電。經了解日常僅運行1臺變壓器,負載率約為50%,在夏季最大負載率約為90%。由于變壓器容量偏大,改為兩臺1 250kVA變壓器。原有變電所高壓柜為GG1A型,低壓柜為PGL型,電器產品的正常使用壽命通常為15~20年,以上柜型現在基本已淘汰。高低壓柜及變壓器設備陳舊,有安全隱患。另外變電所無消防聯動設備和設備監(jiān)控系統,不滿足消防系統和智能化樓宇的管理要求,需要增加消防聯動設備和設備監(jiān)控系統。因此,更換變電室內全部設備。變壓器更換為SCRB10型產品,這種變壓器絕緣耐熱等級高、散熱條件好、空載損耗低,過載能力強;環(huán)??苫厥?、低噪音、防塵、防潮能力更佳,用電更安全。高低壓柜采用金屬鎧裝抽屜柜,進出線柜均設智能表,對負荷的集中監(jiān)控和調控,可實現對主要設備進行能耗監(jiān)測、統計、分析和管理的功能。請專業(yè)廠家對辦公樓供配電系統諧波進行測量及諧波治理,在計算中心機房電源柜設置濾波裝置,變電室低壓柜內設消諧電抗器及分相無功自動補償裝置。另外,原有變電所通風系統不滿足使用要求,夏季室內溫度過高,也進行了土建改造。根據改造需要,要增加出線電纜,改造和增加電纜引出管。對接地網重新檢測并相應整改。圖1為層電氣小間及變電所改造平面圖。
圖1 層電氣小間及變電所改造平面圖
在照明系統中,根據《建筑照明設計標準》(GB 50034-2013)要求,在滿足照度標準的前提下降低功率密度值,辦公室內光源顯色指數不低于80,采用節(jié)能光源(T5熒光燈及LED燈)及高效燈具,要求燈具電子鎮(zhèn)流器諧波量≤12%;電感鎮(zhèn)流器加電容補償,cosφ>0.9。照明控制方面,室外照明、公共照明可根據BAS系統設定程序自動開關,各辦公室和機房照明采用手動控制,樓梯間照明采用自熄開關控制。
本工程建筑設備管理系統(BAS),采用直接數字控制技術,對全樓的供水、排水、冷水、熱水系統及設備、公共區(qū)域照明、空調設備及供電系統和設備進行監(jiān)視及節(jié)能控制。
在首層安防控制室設設備監(jiān)控系統主機,大樓內各監(jiān)控點設現場DDC控制模塊。各控制器均能獨立工作,具備通訊接口,主機對各DDC控制器進行監(jiān)測管理。系統具有靈活、開放的接口及通訊協議,便于系統集成的實施。BA系統具備設備的手/自動狀態(tài)監(jiān)視,啟??刂疲\行狀態(tài)顯示,故障報警,溫濕度監(jiān)測、控制及實現相關的各種邏輯控制關系等功能。設備管理系統控制、監(jiān)測范圍包括:
1)對空調系統設備、通風設備、公共區(qū)照明、立面照明進行監(jiān)視、控制、測量、記錄。
2)對配電室低壓開關柜內開關的運行狀態(tài)進行監(jiān)視。
3)對公共場所的送、排風機、生活水泵、排污泵、各水箱和水池的液位、電梯運行狀態(tài)等進行監(jiān)視。
智能表及智能照明控制器在配電盤柜內的安裝系統圖如圖2所示。
圖2 智能表及智能照明控制器在配電盤柜內的安裝系統圖
既有建筑改造電氣設計有以下幾個階段。
改造工程設計的第一步就是熟悉既有建筑,了解既有建筑的新舊圖紙和現狀。雖然既有建筑的原有建筑布局大多要改變,但是有些部分可能還是要保留的,如出入口、樓梯、豎井、車庫、部分設備用房等。原有的強弱電進出管、預留孔洞、強弱電干線路由、防雷接地設施等有可能還能利用,或不得不繼續(xù)使用。由于既有建筑在使用中可能被改造過多次,現有圖紙和現狀可能大相徑庭,這就需要設計人員多次進行現場勘查,特別是要熟悉建筑結構情況及建筑標高及做法,在此基礎上確定機電用房和干線路由。
確定改造目標需要滿足業(yè)主使用需要,滿足各類常規(guī)建筑及電氣規(guī)范,滿足節(jié)能和綠建規(guī)范。
3.2.1 既有建筑改造電氣設計內容
既有建筑的原有電氣設計大多已不滿足現行規(guī)范的要求,需要對照現行規(guī)范逐條整改。通常需要解決的問題有:
1)安全問題:如照明電源線無PE線,接地型式未采用TN-S系統,配電系統的保護級數過多等;
2)消防問題:如消防負荷與普通負荷電源混用,消防負荷電源線未采用耐火線,應急照明未按防火分區(qū)分路,火災自動報警系統不符合新《建筑設計防火規(guī)范》要求等;
3)照明問題:照明功率密度值不滿足《建筑照明設計標準》要求;
4)節(jié)能問題:原設計選用的電氣設備不符合現行規(guī)范的節(jié)能要求和產品安全要求等。
3.2.2 既有建筑改造電氣設計應執(zhí)行的節(jié)能和綠建規(guī)范
近年來,國家頒布了多部規(guī)范極大推動了全社會的節(jié)能減排,相關規(guī)范主要有《建筑照明設計標準》(GB 50034-2013)、《公共建筑節(jié)能改造技術規(guī)范》(JGJ 176-2009)、《公共建筑節(jié)能檢測標準》(JGJ 177-2009)、《民用建筑綠色設計規(guī)范》(JGJ/T 229-2010)、《綠色辦公建筑評價標準》(GB/T 50908-2013)、《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)、《城市照明節(jié)能評價標準》(JGJ/T 307-2013)、《建筑節(jié)能工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50411-2007)、《全國民用建筑工程設計技術設施節(jié)能專篇》等。
3.2.3 既有建筑改造節(jié)能診斷及綜合評估
節(jié)能環(huán)保是既有建筑改造的重要目標。根據《公共建筑節(jié)能改造技術規(guī)范》(JGJ 176-2009)3.1.1條規(guī)定,公共建筑節(jié)能改造前應對建筑物外圍護結構熱工性能、采暖通風空調及生活熱水供應系統、供配電與照明系統、監(jiān)測與控制系統進行節(jié)能診斷。針對電氣系統的節(jié)能診斷,應包括對配電系統容量及結構,用電分項紀錄,電氣設備狀況,電能質量測量等情況的調研,在此基礎上確定節(jié)能改造方案。全面的節(jié)能診斷需要有大量的數據支持,需要收集既有建筑的能源消費賬單,變壓器的運行紀錄,相關設備的使用年限、技術參數,這些資料都需要物業(yè)部門提供。功率因數、諧波、三相不平衡度、電壓降等電能質量參數還需要采用專用工具現場采集。通常設計單位的設計周期短,如果沒有相關部門的支持很難進行全面的節(jié)能診斷,最好由業(yè)主聘請具備相應資質的公共建筑節(jié)能檢測機構進行節(jié)能診斷及綜合評估。否則,設計單位應盡量收集資料,做出節(jié)能診斷為改造方案提供設計依據。在完成節(jié)能改造后,應對被改造的系統和設備進行檢測和評估。
3.2.4 確定改造方案
首先,要協同建筑、結構、設備各專業(yè)把電氣機房及強弱電干線路由確定下來。原則上既有建筑的電氣機房宜繼續(xù)使用,但是由于既有建筑的站房可能存在位置及條件不滿足現行規(guī)范或改造后的使用需求的情況,需要重新選址或改擴建,這就需要綜合考慮土建層高、標高、疏散運輸通道、結構承重、加固、站房對周圍環(huán)境的電磁干擾以及周圍環(huán)境對站房有無電磁干擾等問題。既有建筑的線路敷設宜使用原有路由進行敷設,特別是原有進出建筑的預留套管應盡量利用,新增穿墻套管應盡量做好防水。
其次,合理確定各子系統改造方案。不滿足現行國家規(guī)范的系統應徹底改造,如原有系統符合規(guī)范要求,設備未到使用年限,運行狀況尚可,可以繼續(xù)使用或留出條件分批分期的改造。應針對業(yè)主的需求和現有設備狀況制定設計標準,避免高大上的設計造成新的浪費。
另外,既有建筑改造往往改造和裝修同時進行。改造設計和裝修設計同時進行,在房間的強弱電插座布置時,應按照家具定位圖做好樣板間的強弱電插座定位,避免使用中的拆改。在照明設計時裝修設計師為了裝修效果往往使用低效光源和燈具,設計照度大大超出規(guī)范要求,這就需要電氣設計師堅持原則而不是被動服從,使裝修設計方案符合節(jié)能要求。在LED燈的使用方面,有的業(yè)主要求辦公室也要全部采用LED燈具。這顯然是不了解LED光源的特性,LED光源由于其光譜不連續(xù),顯色性不完整,在室內會影響人的生物鐘,存在著生物安全性方面的不確定性,因此在長時間辦公、書寫的工作場所是不宜采用的。
1)在設計方案中,仔細研究既有建筑結構,合理配置系統,做到適合而不浪費,不能為所謂的“亮點”而過分投資,增加運行費用。這一點說來簡單,但實際設計中卻往往不到位。有條件的工程應進行節(jié)能診斷及綜合評估,提高方案的合理性。
2)在方案設計階段,盡量在用電負荷中心處設置變電室,以減少線路損耗。既有建筑的電氣機房如尚可利用宜繼續(xù)使用,線路敷設宜使用原有路由進行敷設。
3)在選擇變壓器容量時,新建工程的設計中往往采用負荷密度估算的方法。由于既有建筑改造后的用途確定,甚至裝修照明的負荷也是確定的,負荷計算時可以不再采用負荷密度估算的方法,而直接進行負荷統計,再考慮相應需要系數和同時系數,預留一定發(fā)展余量后選定變壓器容量。
4)在確定電纜截面時,應根據用電負荷的工作性質和運行工況,不僅依據技術條件還應按經濟電流來選用電纜截面。
5)對功率因數、諧波、三相不平衡度、電壓降等電能質量參數進行計算和測量,在配電系統設計中采用功率補償、消諧裝置、合理分配三相負荷等方法提高電能質量。
6)在照明設計中,引導業(yè)主和裝修設計師采用節(jié)能光源和燈具,保證照明功率密度不超過規(guī)范中的限值。景觀照明設計應采用有效措施限制光污染,建筑立面夜景照明的照明功率密度不超過規(guī)范中的限值。景觀照明燈具可采用太陽能燈具,如有條件,可采用光導照明系統,充分利用自然光減少人工照明。
7)根據工程投資情況,可以采用智能照明系統、設備管理系統、能源管理系統提高設備管理水平和能源使用效率。智能照明系統是設備管理系統的子系統,采用智能照明系統,可以通過場景控制、定時控制、人體感應控制等方式實現節(jié)能。設備管理系統是通過對配電設備、照明設備、空調設備、給排水設備的監(jiān)控,實現各子系統的節(jié)能運行。能源管理系統以設備管理系統為基礎,通過遍布配電系統的智能儀表,對建筑的中央空調、照明、辦公設備、動力設備等用電量分別計量,采用專業(yè)軟件對計量數據進行監(jiān)測、統計和分析,做出節(jié)能診斷,提出節(jié)能解決方案。設備管理系統及能源管理系統原理如圖3所示。
8)發(fā)電機房的排煙設施應滿足《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ 16-2008)第6.1.3條要求。
9)在條件允許的情況下,采用太陽能光伏電源系統,促進可再生能源利用。
圖3 設備管理系統原理圖
圖4 能源管理系統原理圖
1)變壓器應選用D,yn11接線組別,滿足《三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價值》(GB 20052-2013),在資金允許的條件下,采用非晶合金鐵心型低損耗變壓器,可使變壓器的空載損耗降低60%~80%。
2)電纜可選用鋁合金電纜,降低銅材的使用,減少有害氣體排放量。
3)選用電動機應滿足《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》(GB 18613-2012)的規(guī)定。
4)選用高效照明光源、燈具及其附件。
近年來,各設計單位都在大力推動采用BIM平臺進行電氣設計。BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數據化工具,通過參數模型整合各種項目的相關信息,在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞,使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對,為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎,在提高生產效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。采用BIM技術進行既有建筑的改造設計非常必要,由于改造工程中既有建筑的層高、路由等條件通常都不理想,采用BIM技術建立數字模型,可以充分利用空間,優(yōu)化管線排布,有效地減少管線碰撞,節(jié)約人力、物力,縮短設計周期,真正做到綠色設計。
既有建筑改造電氣設計與新建工程設計相比,工作量明顯加大。工程設計前期要準備的內容很多;特別是設計考察階段要了解和掌握與設計有關的各方面內容;由于業(yè)主對既有建筑的設計要求往往非常具體,有的項目還要配合裝修,在圖紙設計階段對施工圖的設計深度及設計的完成度要求比新建建筑電氣設計高很多;施工期間還要及時解決施工現場出現的各種意想不到的問題。設計中要貫徹綠色、節(jié)能的設計理念,在對既有建筑進行節(jié)能診斷的基礎上,合理確定改造方案,在完成節(jié)能改造后,應對被改造的系統和設備進行檢測和評估。
以上是作者對既有建筑改造電氣工程設計的一些粗淺體會,希望得到廣大同行的批評指正。
[1] 中國建筑科學研究院.建筑照明設計標準(GB 50034-2013)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.
[2] 中國建筑科學研究院.公共建筑節(jié)能改造技術規(guī)范(JGJ 176-2009)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.
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