薄 宇 星

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海 200002)

0 引 言

科研建筑作為研發(fā)實驗活動的重要場所,其功能各異、工藝復(fù)雜。科研建筑內(nèi)的實驗室既具有共同特點,又有各自的特殊性,電氣設(shè)計應(yīng)最大程度地滿足使用者的需求。實驗室用電負(fù)荷具有增長性和不確定性,隨著科研事業(yè)的不斷發(fā)展,會陸續(xù)添加各類科研實驗設(shè)備,導(dǎo)致用電負(fù)荷不斷增長,供配電系統(tǒng)的設(shè)計需考慮預(yù)留適當(dāng)?shù)陌l(fā)展空間。

實驗室內(nèi)各類實驗設(shè)備運行時,會形成復(fù)雜的電磁環(huán)境,會對敏感的精密實驗儀器產(chǎn)生電磁干擾,導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,嚴(yán)重時可能會損壞實驗設(shè)備。為保證正常使用,在電氣設(shè)計階段還需考慮抑制電磁干擾。本文結(jié)合某工程案例,闡述科研建筑設(shè)計的電氣設(shè)計思路,并就實驗室用電負(fù)荷特點、需要系數(shù)的選擇、備用電源及配電系統(tǒng)等幾個方面做深入分析[1]。

科研建筑內(nèi)的功能分區(qū)通常是根據(jù)科研活動的性質(zhì)劃分為科研實驗區(qū)、研發(fā)區(qū)、展示區(qū)等。其中,科研實驗區(qū)是以實驗臺為主開展科研活動的區(qū)域[2],有些實驗區(qū)有特定的環(huán)境要求,并設(shè)有特殊的、精密的實驗裝置。科研實驗區(qū)普遍具有大型用電設(shè)備較多,用電負(fù)荷大,各類機電設(shè)備管線數(shù)量多、走向復(fù)雜等特點。

目前,我國科研建筑設(shè)計所依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)是JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。在設(shè)計中,除了要符合各種專業(yè)規(guī)范要求外,還應(yīng)滿足各種研究實驗室的特殊使用要求。設(shè)計前期應(yīng)與使用者充分溝通,保證科研建筑的電氣設(shè)計安全、可靠[1],并預(yù)留適當(dāng)?shù)膫溆萌萘俊?/p>

1 項目概況

本項目為一類高層建筑,屬于研發(fā)建筑,地下車庫為I類停車庫。地上建筑面積為57 116.4 m2,地下建筑面積為17 700 m2,總建筑面積為74 816.4 m2。本項目地上建筑由研發(fā)樓和實驗配套樓構(gòu)成。其中,研發(fā)樓置于場地東側(cè),主要用于總部研發(fā)及實驗,其首層及夾層為大堂及會議空間,2～6層為科研展示、科研實驗空間,7～16層為科研辦公空間。實驗配套樓置于場地西側(cè),包含南北兩座樓,分別用于實驗及其配套。其中,南部為實驗樓,主要用于總部實驗室,少部分用于vip參觀及配套體育;北部為配套樓,其中1～2層為食堂功能,3層是實驗區(qū)域,4～9層為宿舍。西側(cè)兩棟高層建筑之間的單層建筑為體育。地下室為全開挖大底盤一層,主要功能為地下停車庫、各樓棟的設(shè)備用房、后勤設(shè)施,同時按照地上建筑面積的10%配置人防設(shè)施。

本項目含有大量電子科技類實驗室,其工藝性質(zhì)各不相同,主要包含影像性能類實驗室、微電子儀器實驗室、芯片測試實驗室等。

2 供配電系統(tǒng)

2.1 負(fù)荷等級

本工程的電氣防火等級為一級,按一級負(fù)荷要求供電。

一級負(fù)荷包括:消防設(shè)備用電(含消防水泵、消防控制室用電、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、電動防火卷簾、防排煙風(fēng)機、防火閥門、電動防火門等)、應(yīng)急及疏散照明、事故風(fēng)機、安防系統(tǒng)、通信機房用電、變電所用電、客梯、排污泵、生活泵、重要實驗室用電等。

二級負(fù)荷包括:主要通道及樓梯間照明。

三級負(fù)荷包括:普通電力、照明、汽車充電樁等。

由供電部門提供雙重電源供電,平時兩路電源同時運行,互為備用。當(dāng)一個電源發(fā)生故障時,另一個電源不應(yīng)同時受到損壞。同時供電的雙重電源供配電系統(tǒng)中,其中一個回路中斷供電時,其余線路應(yīng)能滿足全部一級負(fù)荷及二級負(fù)荷的供電需求[3]。

2.2 需要系數(shù)

本項目實驗室繁多,用電負(fù)荷大且各實驗室用電需求各異。實驗室電力負(fù)荷統(tǒng)計表如表1所示。在進行電力負(fù)荷計算時,如果僅將使用方提資的用電量做簡單加法,按照辦公樓模式取需要系數(shù),勢必導(dǎo)致設(shè)備和電纜的參數(shù)過大,后期物業(yè)運行成本很高,造成浪費。

表1 實驗室電力負(fù)荷統(tǒng)計

因此在設(shè)計前期,要做出較為合理的負(fù)荷計算,須對實驗設(shè)備用電進行認(rèn)真分析。對于若中斷供電將造成人身傷害或者造成重大損失的用電負(fù)荷,采用雙重電源供電[3]。本工程調(diào)查現(xiàn)有實驗室的實際運行情況(例如變壓器配置、各時段變壓器負(fù)載率、耗電量等),收集用電量較大的實驗設(shè)備的運行數(shù)據(jù),分析后得到實驗室用電設(shè)備實際使用的需要系數(shù)和變壓器的負(fù)載率。

本項目實驗室用電采用母線或大電纜放射式供電方式,實驗區(qū)每層都有多個實驗室,但實際運行中極少出現(xiàn)滿負(fù)荷運行的情況,因此在多個實驗室共用一條干線供電的情況下,需要系數(shù)可根據(jù)實驗室規(guī)模及實驗設(shè)備用電性質(zhì)適量相應(yīng)取小;全部實驗用電設(shè)備折算至變壓器的需要系數(shù)可取更低的值;末端應(yīng)滿足使用者的用電需求,按照使用方提資的最大用電負(fù)荷供電。

結(jié)合使用方現(xiàn)有幾個實驗室變壓器的運行數(shù)據(jù),本項目實驗室用電需要系數(shù)可取0.3～0.7,折算至變壓器的需要系數(shù)可取0.2～0.4。

2.3 供電電源

變電所設(shè)置須避開對電磁干擾敏感的實驗室。

實驗室用電對供配電的可靠性及其電能質(zhì)量要求較高,且含有較多精密實驗儀器,為避免其他用電負(fù)荷(風(fēng)機、水泵等)對實驗用電造成干擾,同時便于后期運行及管理,研發(fā)實驗室用電與其他電力分設(shè)變壓器供電,低壓變電所變壓器設(shè)置如表2所示。

表2 低壓變電所變壓器設(shè)置

2.4 配電設(shè)計

由于實驗室用電負(fù)荷較大,變電所出線復(fù)雜,設(shè)計時應(yīng)盡量減少管線交叉,在變電所內(nèi)設(shè)置電纜溝,母線上進上出線,電纜下出線。母線按照供電區(qū)域分成上下兩層敷設(shè),研發(fā)塔樓供電的母線敷設(shè)于上層,聯(lián)絡(luò)母線、為實驗樓供電的母線敷設(shè)于下層。變電所剖面圖如圖1所示。

圖1 變電所剖面圖

各實驗室用電設(shè)備種類各異,用電需求也各不相同,對大功率用電設(shè)備(曝光設(shè)備)而言,該類設(shè)備曝光時會造成線路的電壓波動,且對電源內(nèi)阻有嚴(yán)格要求,其供電電纜截面應(yīng)根據(jù)設(shè)備供電距離確定。而對電能質(zhì)量要求很高的精密實驗儀器而言,例如微電子儀器、芯片測試實驗等設(shè)備,該類設(shè)備對電壓波動十分敏感,不穩(wěn)定的電壓可能會造成實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,甚至設(shè)備損壞。設(shè)計時將不同用電需求的實驗設(shè)備嚴(yán)格區(qū)分,從變電所引不同的干線回路分別為精密實驗儀器與大功率用電設(shè)備供電,且為精密實驗儀器供電的回路加裝就地電壓暫降保護裝置。實驗室配電箱系統(tǒng)圖如圖2所示。當(dāng)該措施仍不能滿足設(shè)備對穩(wěn)壓、穩(wěn)頻精度要求時,采用交流不間斷電源系統(tǒng)供電[2]。交流不間斷電源除具有短時緩沖作用外,還能改善電源質(zhì)量,起隔離防護作用并能消除干擾,可凈化電源[4]。

圖2 實驗室配電箱系統(tǒng)圖

實驗室用電量不大的樓層通常采用放射式供電,電纜沿橋架敷設(shè),放射供電至各實驗室。當(dāng)實驗室用電容量較大時,采用該配電方式需敷設(shè)大量的電纜,施工難度大且對建筑凈高有影響。此時可采用母線水平供電方式,在每個實驗室預(yù)留插接口,不但施工方便,而且可緩解凈高壓力,供電方式也更加靈活,可平衡各實驗室用電容量,有利于后期用電設(shè)備的擴展。母線水平供電平面示意圖如圖3所示。母線水平供電系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖3 母線水平供電平面示意圖

圖4 母線水平供電系統(tǒng)示意圖

在同一實驗室內(nèi)設(shè)有兩種及以上不同電壓或頻率的電源供電時,線路應(yīng)分別單獨敷設(shè)。不同類型的電纜沿不同路由敷設(shè),以達到防止電磁干擾的目的。固定在實驗臺或靠近實驗臺的固定電源插座(插座箱)供電的設(shè)備,當(dāng)有電磁騷擾時,電源插座采用電磁型剩余電流保護電器。

由于實驗室對環(huán)境要求復(fù)雜,管線綜合排布應(yīng)盡量減少管線交叉,最大程度地緩解凈高壓力。管線綜合排布示意圖如圖5所示。

圖5 管線綜合排布示意圖

2.5 接 地

科研建筑中的各種接地,由于場地及空間的限制,很難將各種接地系統(tǒng)有效地分開,因此無特殊要求時,共用一組接地裝置,接地電阻值不大于1 Ω,與其他規(guī)范一致。利用大樓基礎(chǔ)樁基、承臺內(nèi)主鋼筋、大底板主鋼筋以及作為輔助接地裝置的熱鍍鋅扁鋼作共用接地體,構(gòu)件之間必須連接成電氣通路。

若實驗設(shè)備因工藝需求需要設(shè)置獨立接地裝置時,應(yīng)注意以下問題:

(1) 獨立設(shè)置的人工接地極接地電阻值需滿足使用要求。

(2) 人工接地極的選址應(yīng)結(jié)合用地紅線內(nèi)的場地條件,綜合考慮場地內(nèi)各專業(yè)管線排布、遠離腐蝕性介質(zhì)等多方因素。

(3) 當(dāng)填充電阻率較低的物質(zhì)或降阻劑時,應(yīng)確保填充材料不會加速接地極的腐蝕,不影響其自身的熱穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合某工程案例,闡述了科研建筑的電氣設(shè)計要點。設(shè)計時應(yīng)與使用方緊密配合,并了解各實驗用電設(shè)備的使用情況、工藝流程,結(jié)合現(xiàn)有實驗室設(shè)備的實際運行情況,最大限度地滿足使用方的不同用電需求,確保供配電系統(tǒng)的科學(xué)合理性。同時考慮到實驗室設(shè)備實際運行時的不確定性及科研技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)膫溆萌萘颗c擴展條件。