大同铁一中电气设计

靳春光

(大同市建筑设计研究院，山西 大同 037006)

1 项目概况

大同铁一中新校区基地为东西向290 m，南北向340 m的长方形，基地占地面积约9.78 hm2，总建筑面积6.3万m2。新建学校为完全中学，其中初中部为14轨42个教学班，高中部为12轨36个班。

校园功能布局综合考虑教学活动、分期建设、改造扩建等方面因素，把校区分为校前综合教学区、初中教学区、高中教学区、学生生活区、运动区等5个区。

2 供配电系统设计

2.1 供电电源

本校由1座实验综合楼(6F)，3座高中教学楼(5F)，3座初中教学楼(5F)，1座食堂(3F)，2座宿舍楼(6F)，1座风雨操场(2F，预留)，1座运动场看台(1F)，1座换热站等组成，总建筑面积为6.3万m2。按照体量最大的综合实验楼计算，体积为4.7万m3，未超过5万m3，因此室外消防用水量为25 L/s。根据GB 50016-2006建筑设计防火规范第11.1.1条，本建筑消防负荷供电等级为三级，其他负荷也均为三级，由单电源供电即能满足消防规范要求。因此，从市政引来一路10 kV电源，采用YJV22-10 kV高压电缆埋地敷设至校区内10 kV高压配电室，低压电源电压等级380 V/220 V。通信机房、网络机房、有线电视机房、保安监控机房等重要用电负荷的备用电源采用EPS应急电源供电，应急及疏散指示照明设备采用自带蓄电池的灯具。

2.2 负荷计算

整个校区结合绿化、环境、景观、安全等因素综合考虑，在靠近负荷中心的位置设置2座1 000 kVA箱式变电站。1号箱变主要负责初中教学楼、实验综合楼、风雨操场等的用电及2号箱变消防负荷的备用电源，设备容量为1 233 kW;2号箱变主要负责高中教学楼、食堂、宿舍、换热站等的用电及1号箱变消防负荷的备用电源，设备容量为1 238 kW。本工程总设备容量为2 471 kW，计算总容量为1 611.5 kVA，变压器总安装容量为2 000 kVA，变压器平均负载率为80.6%。

计算过程为:

箱变用电设备安装容量Ps=2 471 kW。

需要系数为Kx=0.6。

计算有功负荷 Pj=Kx×Ps=2 471×0.6=1 482.6 kW。

计算无功负荷 Qj=Pj×tgθ=1 482.6 ×0.426=631.6 kvar。

为改善电源质量提高功率因数，在各箱变低压侧设置无功功率自动补偿装置，根据负荷情况对无功功率动态进行补偿，使功率因数保持在0.9以上，本设计按照补偿后平均功率因数为cosθ=0.92。

2.3 供配电系统

低压配电系统采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷和消防负荷(如水泵房、食堂厨房动力、热交换站、太阳能辅助电加热设备等)采用放射式供电;对于一般负荷，采用树干式与放射式相结合的供电方式，引至各建筑单体的首层电气小间或电气竖井内总配电箱。尽管按照GB 50016-2006建筑设计防火规范第11.1.1条规定，本工程采用一路高压供电，但是按照第11.1.5条“消防控制室、消防水泵房、防烟与排烟风机房的消防用电设备及消防电梯等的供电，应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置”的规定，本设计消防设备采用双回路供电，分别从1号，2号箱变引出单独干线回路至各建筑单体总双电源分线箱，再采用双回路引至用电设备，并在末端自动切换。

3 教室配电设计

教学用房的配电按照以下原则:教学用房和非教学用房的照明线路分设不同支路。门厅、走道、楼梯间、卫生间(盥洗室)照明线路设单独支路。教室、实验室照明线路支路，控制范围不宜过大，以一个教室为宜，最多不超过两个。教室内电源插座与照明用电分设不同支路。实验室设置独立配电箱。

3.1 教室照明设计

根据GB 50034-2004建筑照明设计标准的要求:学校一般教室、实验室、语音教室、计算机教室等课桌面(0.75 m水平面)平均照度不低于300 lx，美术教室平均照度不低于500 lx，教室黑板面平均垂直照度不低于500 lx，显示指数Ra不低于80，统一眩光值UGR不大于19，照度均匀度不低于0.7。照明功率密度值:普通教室、实验室不大于11 W/m2，美术教室不大于18 W/m2。

3.1.1 普通教室一般照明

本工程普通教室轴线尺寸为9 m×8.1 m×3.6 m，楼板采用现浇空心管楼板，除框架梁外，没有次梁，不会对灯具布置产生影响。灯具选用9只2×36 W细管径直管蝙蝠翼配光型荧光灯，配电子镇流器(消耗功率2 W)，其光通量为6 700 lm。为减少眩光区和光幕反射区，灯具纵向布置，灯具长轴平行于学生的主视线，并与黑板垂直。为保证照度均匀度，距高比(L/hr)不大于所选用灯具的最大允许距高比，灯具安装高度距地2.8 m。平面布置见图1。

照度计算采用利用系数法:

灯具安装高度:2.8 m。

课桌面高度:0.75 m。室空间高:hr=2.8 －0.75=2.05 m。

图1 隧道教室配电平面图

房间尺寸:长l=9 m，宽b=8.1m。

室形指数:RI=l×b/hr×(l+b)=(9×8.1)/2.05×(9+8.1)=2.08。

顶棚反射比ρc=70%，墙反射比ρw=50%，地面反射比ρf=10%。

查照明设计手册，得利用系数:U=0.62。灯具数量:N=9。

灯具光通量:Φ=6 700 lm。

工作面面积:A=l×b=9 ×8.1=72.9 m2。

灯具维护系数:K=0.75。

课桌面平均照度:Eav=N×Φ×U×K/A=9×6 700×0.62×0.75/72.9=384 lx。

灯的距高比:A—A 方向:L/hr=2.75/2.05=1.34，小于该灯具最大允许值1.52;B—B 方向:L/hr=2.4/2.05=1.17，小于该灯具最大允许值1.25，照度均匀度不低于0.7，满足要求。

照明功率密度 P=18 ×38/72.9=9.38 W/m2，小于11 W/m2，满足要求。

教室灯具控制方式为:黑板灯单独控制，教室横向第一排灯具单独控制，教室中后部的灯具分三路纵向单独控制。这样设计的目的一方面是考虑节能，另一方面是在看投影幕布时，可以关闭第一排的灯，以利于教室后边的同学看清幕布内容，而不影响正常的视觉要求。

3.1.2 实验室、语音、计算机、多媒体教室一般照明

本工程实验室、语音、计算机、多媒体教室的轴线尺寸均为12 m×8.1 m×3.6 m。灯具均选用12只2×36 W细管径直管蝙蝠翼配光型荧光灯，配电子镇流器，经过验算照度为397 lx。控制方式与普通教室相同。

3.1.3 美术教室照明

本工程美术教室轴线尺寸也是为12 m×8.1 m×3.6 m。一般照明灯具均选用16只2×36 W显色性好的三基色荧光灯管，显示指数Ra不低于90，配电子镇流器，经过验算照度为513 lx。另外在教室天花板均匀预留4组插座，以备今后增加导轨射灯，在四周墙上增加了电源插座，作为局部照明和重点照明的预留。

3.1.4 教室(实验室)黑板照明

黑板照明选用具有非对称光强分布的专用黑板照明灯具。为了避免对学生产生反射眩光，对教师产生直接眩光，黑板灯具的位置布置《照明设计手册》(第二版)有规定，但是该手册第249页图7—4与第256页表7—4有相互矛盾的地方，前后表述不一致。设计人经过验算，认为该手册第249页图7—4对于减少眩光更有利，因此，本设计黑板灯距黑板水平距离0.85 m(考虑黑板的厚度，距安装黑板的墙水平距离应为0.9 m～0.95 m)，距地2.8 m安装。灯具选用3只T8，36 W细管径直管非对称光强分布荧光灯，配电子镇流器(消耗功率2 W)，其光通量为3 350 lm。黑板照明灯具平面布置见图1，剖面图见图2。

图2 黑板照明剖面图

3.1.5 走道、楼梯间照明及应急照明

教学用房为人员密集场所，学生同时下课，同时涌入走道和楼梯间。如果走道、楼梯间光线黯淡，不利于人员疏散，特别是发生意外事件时，容易造成混乱。因此按照GB 50099-2011中小学设计规范的规定，走道、楼梯间的照度标准为不低于100 lx。

同时，教学用房的走道、楼梯间的应急照明标准值也应按照人员密集场所进行设计。关于应急照明的要求，在GB 50016-2006建筑设计防火规范、JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范中均有规定。因此，综合《建筑设计防火规范》第11.1.3条、第11.3.1 条和《民用建筑电气设计规范》第13.8.6条，学校走道、楼梯间的应急照明照度值不低于5 lx，持续供电时间不低于30 min，并且按照要求在各主要出入口的门框上设安全出口标志灯及在走道上设置疏散指示灯。

3.2 教室插座及电气设备

普通教室:在讲台和教室后墙距地0.5 m处各设一组单相五孔安全型插座，在教室前黑板左侧距地2.8 m处设电视机电源插座1个，在教室前黑板左上方设投影机电动幕布插座1个，在教室天花板中轴线前部约1/3(距黑板水平距离约3 m)偏下处设投影机电源插座1个，在教室后黑板上方设摄像机电源插座1个。

实验室:实验室的插座除了按照普通教室所设置的电源插座外，根据各功能实验室的不同，还应设置各种供实验用的插座。所有实验室都在讲台进门处设配电箱，总电源进线均设置短路保护、过载保护措施;插座回路都按课桌纵向排列分回路，并设置剩余电流动作的断路器。

物理实验室:讲台处教师实验桌上设置380 V/16 A三相电源插座2个、220 V/16 A单相五孔安全型插座2个，24 V直流电源插座1个。在每个实验桌上设置220 V单相五孔安全型插座1个，24 V直流电源插座1个(在讲台处设置交直流整流配电箱)。

化学实验室:讲台处教师实验桌上设置220 V单相五孔安全型插座2个，24 V直流电源插座1个。在每个实验桌上设置220 V单相五孔安全型插座1个，24 V直流电源插座1个(在讲台处设置交直流整流配电箱)。由于化学实验室的实验桌上设置排风设施，所以化学实验室设专用排风道引至屋顶，在屋顶设置离心排风机，排风机控制在讲台教师实验桌上。

生物实验室:讲台处教师实验桌上设置220 V单相五孔安全型插座2个。在每个实验桌上设置220 V单相五孔安全型插座2个，其中1个供局部照明用。

实验准备室:除周围墙上距地0.5 m设置220 V单相五孔安全型插座外，根据需要预留电冰箱、恒温箱等用电插座。

语音、计算机、多媒体教室:讲台处教师操作台下地面设置220 V单相三孔安全型地插座2个。在每个学生工位的地面设置220 V单相三孔安全型地插座1个。这些功能教室还预留设置空调电源插座。

4 弱电系统

本工程弱电系统包括:校园广播系统、综合布线系统、有线电视系统、教学监控及教学观摩系统、安全监控系统、校园一卡通等系统。

4.1 广播系统

在学校综合实验楼设广播室。教学区，生活区，运动区等场所设有分区广播扬声器，并划分为不同支路系统，上下课电铃声由广播扬声器播放。广播系统采用智能扩音管理系统，同时在紧急状态下能够自动切换为特殊状态，如:消防状态等。

4.2 综合布线系统

在学校综合实验楼设中心机房，内设语音、数据(内、外网)主配线架等。

数据通讯系统:数据通讯系统分别设内网和外网。内网为学校的专用局域网，且不与学校外部联通，该网的建设目标是建成一个以学校的教学、科研为中心，覆盖全校办公系统、行政管理系统、教学系统、后勤管理等功能的计算机网络。外网指学校对外的数据接口，这里是指Internet网络。内网和外网采用物理隔离的方式，但要保障内网和外网之间在必要的情况下，能够互换互用互通。

语音通讯系统:本工程采用虚拟网电话系统，从市政引通讯电缆至中心机房。除走廊、大厅采用201电话外，其余均采用虚拟网电话系统，语音通信容量为100门。

在教室、实验室、办公室、宿舍等部门设置工作区，每个工作区按需要设置2个～4个内网、外网数据点，1个～2个语音点。

4.3 有线电视系统

在学校综合实验楼设电视机房。有线电视系统节目源采用光缆由市政引入，经光电转换后分配至各层有线电视出线口。电视节目包括城市有线电视信号、自办电视节目等。在教室、实验室、办公室、会议室、餐厅、值班室等处设有线电视出线口。

4.4 教学监控及教学观摩系统

这一系统主要是实现教学现场直播，示范课程教学，教学评估及多媒体教学。系统由以下几个部分组成:前端信号采集部分、中间传输部分、中心信号处理、存储、控制部分。具体做法是在教室后墙黑板正上方设置摄像机，用以考试、自习、公开课等辅助(监控)管理;教室天花板中轴线前部约1/3处设置投影仪，用以多媒体教学，设计中要预留投影仪到讲台的管线。教学监控及教学观摩系统的控制机房设置在综合实验楼内，面积为97.2 m2(占一个实验教室房间)，内设彩色监视器、录像机、控制键盘。观摩的人员在控制机房内可清晰地观看各个教室的教学过程。

4.5 安全监控系统

本设计是在各楼主要出入口、通道、大厅、楼梯口、档案室、财务室和校园内部公共活动区域、周界等场所设置保安监控摄像机，将监测区的情况实时传送到监控管理中心，值班人员通过监视器可以随时了解这些重要场所的情况。安全监控系统中心控制室与教学监控及教学观摩系统的机房合用。

4.6 校园一卡通

校园一卡通是以IC卡为信息载体的适用于校园消费和管理的网络系统。一卡通取代了学校管理和校园生活中所使用的各种个人证件和现金支付手段，使用IC卡实现图书馆借书、教师考勤、学籍管理、食堂就餐、上机收费、超市购物等多种功能。与银行联网的校园卡可以实现银行转账、银行代缴费用，把银行卡上的钱自动划拨到IC卡上，真正做到一卡通用。校园卡的使用将极大方便学生、教工的生活，减轻他们携带各种证件的烦恼。

5 防雷与接地设计

经过计算本工程各建筑单体建筑年预计雷击次数为0.07次/年 ～0.1次/年，防雷按二类设防，采取以下防雷保护措施:沿女儿墙采用Ф10镀锌圆钢作为避雷带，用25 mm×4 mm镀锌扁钢在屋面组成不大于10 m×10 m的避雷带网格。利用框架柱子内对角两根Ф16(或4根Ф10)以上主筋通长焊接作为引下线，引下线间距不大于18 m，引下线上端与避雷带焊接，下端与基础接地网焊接。接地网由基础内两根主筋沿建筑物外缘焊接成环形构成。凡凸出屋面的金属通风管等所有金属构件均应与避雷带可靠焊接，不同标高处的避雷带应与防雷引下线可靠焊接连成电气通路，所用金属件均镀锌。

低压配电系统的接地形式采用TN-C-S系统，防雷接地、电源进线重复接地、弱电设备接地均共用建筑物基础作为接地极，接地电阻不大于1 Ω，经实测自然接地体接地电阻值不满足要求时，须另加打人工接地极。在建筑物外墙四角埋深1 m处由接地网钢筋焊出40 mm×4 mm镀锌扁钢，伸出散水外不小于1 m，以备加打人工接地极用。

为用电安全，作总等电位联结，在各建筑物一层总配电箱附近设一总等电位端子箱。凡正常不带电，而当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳应可靠接地。所有灯具均增加一根PE线。

[1] JGJ 16-2008，民用建筑电气设计规范[S].

[2] GB 50016-2006，建筑设计防火规范[S].

[3] GB 50034-2004，建筑照明设计标准[S].

[4] GB 50099-2011，中小学校设计规范[S].

[5] 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册[M].第2版.北京:中国电力出版社，2006.

[6] 宋大潞.新建中学数字化弱电设计的体会[J].山西建筑，2009，37(36):188-189.