简述节能在配电系统设计中的运用——金融街F3办公楼配电系统设计

时间：2024-08-31

马霄鹏 (中国建筑设计研究院，北京 100044)

为了有效贯彻国家提出的节约能源、保护环境、减少温室气体排放， “节能、绿色、环保”等概念已经作为衡量现代建筑设计好坏的一个重要标尺。如何将节能理念与传统变配电系统有机结合，作为电气设计人员，在工程设计中应该更加注重系统方案的合理性，选用节能型材料，努力提高电气系统的工作效率，有效降低能耗，从而进一步实现节能减排的目标。下面以金融街F3办公大楼电气设计为例加以阐述。

1 工程概述

金融街F3写字楼位于北京市金融街商务繁华区，属于高档办公楼。建筑高度65m，总建筑面积9.8万m2，地上由A、B两座塔楼组成。地上共16层为办公用房，其中1!4层裙房为商业零售出租空间；地下共4层为车库、餐厅、管理用房和设备机房。建筑类别一类，耐火等级一级，空调型式为变风量系统。办公区按内、外区划分，空调机夏季供冷、冬季供热，新风机组按四管制设置。结构类型为钢筋混凝土结构。

本工程项目由中国建筑设计研究院设计，并获2011年度全国优秀工程勘察设计行业奖——建筑工程设计二等奖。

2 变配电系统设计

变配电系统是任何一个建筑电气设计的核心，根据《公共建筑节能设计标准》中的规定：变配电系统设计要在安全、可靠的前提下，应将节能作为主要技术经济指标进行多方案比较、优化设计方案，并改进机电设备运行方式，提高变配电系统节能运行的实效性。因此在设计之初确定合理的变配电系统设计方案是整个系统设计的重要环节。如何确定相对合理的变配电系统，要根据建筑的使用性质、所面对的用户群、建筑特点以及市政条件和建设方的经济预算等多方面因素进行综合考量。既要保证系统的安全、可靠、经济、合理，又要兼顾建成后的维护成本和操作便捷，同时还要在预算允许的条件下，尽量选择高效优质的节能产品。

一般变配电系统设计由用电负荷分级及计算、供电电源确定、变电所的设置及变压器选择等几方面要素组成。要确保变配电系统的节能运行，这几个设计环节缺一不可。

3 用电负荷分级及计算

3.1 负荷分级

在进行负荷计算前,首先要对用电设备进行负荷分级，用电设备的负荷分级直接影响变压器的容量选择。负荷分级越高，意味着对电源的可靠性要求越高，备用电源的容量越大，从而带来变压器容量增加、电缆数量增加、投资增大，变压器平时的使用率低且维护量增加等一系列问题。不合理的负荷分级势必会造成不必要的能源浪费，因此不可盲目提高建筑用电设备的负荷等级。根据国家规范的规定，办公建筑的负荷分级为：重要办公建筑和建筑高度超过50m的高层办公建筑的重要设备及部位按一级负荷供电；建筑高度不超过50m的高层办公建筑和部、省级行政办公建筑的重要设备和部位按二级负荷供电；除一、二级负荷以外的用电设备及部位均按三级负荷供电。

结合本工程的特点，地处金融街繁华地段，属于一类建筑，使用性质为高档办公建筑。面对的未来用户均为大型国有及国外公司或企业，因此在负荷分级的确定上我们将消防系统、保安监控系统、电信机房电源、主要通道应急照明、楼梯间照明以及办公区域的重要设备、客梯、污水泵、变频生活泵列为一级负荷；主要办公室照明、热力站等列为二级负荷，其他负荷按三级负荷设计。

根据不同的负荷分级，在电力配电系统中的配电回路也要区分对待。其中一级负荷中的消防设备采用两路电源末端互投，并且第三电源由应急柴油发电机提供。一级负荷中的应急照明负荷采用两路电源互投，第三电源由集中应急电池提供；二级负荷中的较集中负荷或大容量设备采用两路电源末端互投，对负荷较小且分散的用电设备采用专用单回路供电，当变压器故障或该负荷所在变压器的进线电源停电时，可由另一台变压器负担；三级负荷对供电没有特殊要求，当变压器故障或该变压器进线电源停电时，将三级负荷切除，从而保证一、二级负荷的供电可靠性。

3.2 负荷计算

确定负荷分级后，要进行负荷计算，以便正确合理地选择电气设备，从而确定变压器容量、当地供电部门规定的补偿电容器容量以及确定用户的进线开关、电表量程、进线电缆截面等，总之电气负荷计算是电气系统设计的根本依据。

负荷计算的方法一般分为需要系数法、负荷密度法、单位指标法和二项系数法。需要系数法是最常用的计算方法，广泛应用于各种工程的施工图和初步设计阶段；需要系数法包括用电设备组的用电负荷计算和配电干线或变电所低压侧的负荷计算。通常需要系数（Kx）是需要系数法中的关键参数,需要结合用户特点和个人的经验科学选择, 而设备组的用电设备容量根据不同设备一般由相关专业提供或设计人的经验预估。表1为常用电力负荷需要系数及自然功率因数，表2为常用办公设备用电容量，在设备组用电负荷计算时可供参考。

对于配电干线一般Kx取0.8!0.9，对配电所或降压变电所Kx取0.8!1。负荷密度法和单位指标法适用于方案阶段，同时在施工图阶段可采用负荷密度法和单位指标法来进行评价。一般办公楼的用电指标取30!70W/m2；二项系数法适用于设备台数较少、但容量差别相当大的低压分支线和干线的计算。本办公建筑在施工图设计阶段的负荷计算采用的是需要系数法，并利用单位指标法进行评价及校核。经过计算，该办公建筑的总设备容量为10609kW，其中一级负荷1656kW、二级负荷2496kW、三级负荷7272kW；总计算容量7491kW，单位面积容量75W/m2，基本符合办公建筑的用电指标。

表1 常用电力负荷需要系数及自然功率因数

表2 常用办公设备用电容量

在这里需要强调的是，要想获得较为准确的计算结果，除合理确定负荷分级、并根据不同负荷分级选定需要系数外，在进行负荷计算时还需对建筑内所有用电设备分析分类，并进行以下处理：

(1) 平时不使用的专用消防设备(如消防水泵、排烟风机、正压风机、防火卷帘门等)容量比平时使用的用电设备容量小时，不计入总设备容量内；

(2) 备用设备不计入总设备容量内；

(3) 设置了两套用电设备来应对冬夏季节的变化,该两套设备不同时使用, 取容量大的设备计入总容量内;

(4) 对于单相用电设备,应将其折算到三相负荷，即单相最大负荷的三倍。

4 供电电源确定

根据负荷计算的结果，由于本建筑含有大量的一、二级负荷，因此为保证用电的可靠性，由市政引入两路10kV高压电源，且每路电源均能承担本工程全部负荷。两路高压电源同时工作，互为备用。此外，在与建设方进行多次沟通后，考虑到由于出租区域用户的不确定性，对于重要租户的重要设备除提供两路市政电源外，还设置了一台主用功率为1600kW的柴油发电机组作为第三路备用电源。该柴油发电机组在非火灾情况下，当两路市电故障时，向重要的租户设备提供电力保障，并在电气竖井预留一根备用封闭式插接母线。正常时该母线电源由变压器提供（与租户一般用电不在同一变压器），紧急情况时由应急柴油发电机组提供。一旦发生火灾，停止对这些负荷的电力供应，以确保消防负荷的正常使用。

在此需重点提出的是：由于规范规定消防负荷与非消防负荷应严格分开，因此在配置柴油机组馈出母线时，采用了两根应急母线。一根专供重要租户设备（火灾时可切断电源），另一根供建筑内的消防设备，以避免在火灾时非消防负荷对消防负荷正常使用造成干扰，如图1所示。

5 变配电所设置及变压器选择

5.1 变配电所设置

变配电所的选址及设置数量直接关系到变配电系统运行的合理性及经济性，正确选择变配电所的位置可以有效降低电能损耗，避免设备及材料的浪费，从而实现节能效果。变配电所在选择位置时应遵循以下基本原则：

● 接近负荷中心；

● 进出线方便；

● 接近电源侧；

● 设备运输方便；

● 不应设在有剧烈振动或高温的场所；

● 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源盛行风向的下风侧；

● 不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方，且不宜与上述场所相贴邻；

● 不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方。当与有爆炸或火灾危险环境的建筑物毗连时，应符合现行国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》的规定；

● 不应设在地势低洼和可能积水的场所。

除上述基本原则外，设计人员还应根据建筑自身特点及建成后的使用、管理情况等因素综合确定变配电所的位置和数量。

本工程因地上为双塔建筑，即分A、B两座塔楼，A座相对面积较小，在与建设方沟通后，得知A座塔楼将整栋出租；B座塔楼面积较大，可整栋出租也可分楼层出租。在物业管理和配电系统上，A座也要求相对独立，便于日后的维护、管理和计量。同时考虑到地下室单层建筑面积较大，如果将所有变压器设在同一个变配电室内，管理上虽然方便，但A座大量用电负荷将采用~380V电源供电势必造成在配电过程的电能损耗，而且增大的电缆截面也会造成材料上的浪费，增加投资。因此，在变配电室的设置上选择了在B座下方设置总变配电室，负责B座办公楼、公共区和地下室的用电负荷；在A座下方设置分变配电室，负责A座办公楼用电负荷的配电方案。

A座的分变配电室由B座总变配电室高压馈出柜提供两路~10kV高压电源，两个变配电室通过电源监控系统进行监控。这样既满足管理上统一、便捷（不会为增加一个变配电室而增加一组管理人员），又满足配电系统和计量上相对独立，便于改造的要求。同时由于是~10kV高压供电，还可以大大降低配电过程中的电能损耗，电缆截面变小，也减少了材料浪费。符合变配电所选址的基本原则。

5.2 变压器的选择

变压器的选择直接关系到配电系统的合理性、可靠性和经济性。合理选择变压器的台数和容量可以有效保证变压器在不同情况下都能在经济运行范围内工作，提高变压器的工作效率。因此，选择变压器时应依据负荷计算的结果，针对不同负荷分类及使用情况，并对供电可靠性和电能质量的要求及经济运行进行比较。同时为了降低电能损耗，还应选用低损耗、节能的变压器。

另外，当有大量一级或二级负荷、季节性负荷变化较大或集中负荷较大时，宜装设两台及以上变压器。当装有两台及以上变压器的变电所其中任一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电，但并不需要因此无限制的放大单台变压器的容量。需要指出的是，变压器具有一定的过载运行能力，因此对于短时负荷供电的变压器应充分利用这一特点。表3为不同变压器的过负荷能力及时效。

依据变压器的设置原则，结合本工程的特点：空调冷冻设备容量较大且相对集中，属于季节性设备；A座塔楼设置独立配电系统，便于计量及改造；B座塔楼负荷可与公共区域用电负荷统一配电。在二级配电处设置计量子表等装置，共设置6台变压器。其中冷冻设备单独设置两台变压器（1#、2#），B座塔楼及公共区负荷设置两台变压器（3#、4#），此4台变压器均设置在总变配电室内。A座塔楼负荷另设置两台变压器（5#、6#），该两台变压器设置在分变配电室内。其中3#变压器低压母线设置柴油发电机应急母线。当春、秋季冷冻机组停用时，可关闭1#、2#变压器，从而降低运行成本，并起到节能减排的效果。此种方案可以满足系统的可靠性、灵活性及经济性的要求，同时又能满足节能减排要求。表4为1#!6#变压器电气负荷计算表。

该办公建筑的供电系统方案如图1所示。

6 低压配电系统特点及设备材料选择

6.1 低压配电系统特点

对于一个大型工程，低压配电系统的出线回路可达数十条甚至上百条，大量的电缆需从变配电室沿电缆桥架引出至各个用电点。考虑到电缆的施工安装及电缆散热等问题（电缆不同的敷设方式会严重影响电缆的载流量），一般由于配电室引出的电缆桥架规格大，且需要多层或并排敷设，因此其占用的敷设空间是不容忽视的。由于地下室层高有限，为了保证地下空间的使用效果、有效压缩配电主干回路占用的敷设空间，应尽量减少低压配电的出线回路。设计人员需对相同性质的用电负荷进行整合，避免低压配电的小回路出线，从而有效降低电缆及电缆桥架的数量和规格，避免材料浪费，满足节能要求。

依据此设计思路，本工程针对集中且容量较大的用电负荷如冷冻机房、地上普通照明负荷供电回路采用封闭式插接母线供电；对风机、水泵、地下照明等分散负荷做二次配电，既有效减少了出线回路的数量，又可降低配电干线的需要系数，减小主干线路的电缆截面，避免材料浪费。同时对公共区域进行独立配电及计量，便于成本核算。在每层电气竖井内设置电表柜，采用集中式电能表，避免了传统电表柜体积大的缺点，有效减小了电气竖井的面积。另外，集中式电能表带有通信接口，可将数据传至楼控中心，便于物业管理。

表3 不同变压器的过负荷能力及时效

表4 1# 6#变压器电气负荷计算表

图1 供电系统方案图

6.2 设备材料选择

针对金融街办公楼的一般用户对象为高端客户群的特点，在重要设备的选择上尽量选用高质量的产品，尤其是元器件，做到经济合理。通过选用SGB10干式变压器，采用NOMEX(R)绝缘材料，具有超长过载能力；选用高阻燃电缆和氧化镁电缆，提供载流量和供电可靠性；对水泵（消防水泵除外）、冷冻机、空调机等设备采用变频器控制，提高设备运行效率等措施，实现节能减排，绿色环保的设计目标。