某办公楼改造工程电气设计及总结

张 力

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

既有建筑改造是电气设计中的一项重要内容，不同于新建建筑的电气设计。新建建筑好比是一张白纸，有较大的发挥余地。既有建筑改造电气设计要在既有条件下进行，在深入了解原有建筑构造的基础上，尽量克服既有建筑的先天不足，采用新规范进行设计，在设计中选用新产品，在满足业主需求的前提下，落实节能高效、低碳环保的设计理念，使老旧建筑脱胎换骨焕发新的活力。本文以一个政府办公楼的改造项目为例谈谈既有建筑改造工程的电气设计。

1 工程概况

本工程为政府办公楼，省部级办公建筑，甲乙两个副部级政府机关共用。该建筑已使用二十几年，虽曾经改造过，但已不符合当前的电气设计规范要求，配电系统上存在着安全隐患；设备老旧，也不符合节能要求。因此，根据国管局要求对本楼进行改造装修。

本楼地上11层，地下2层，其中地下二层为厨房、配电室和设备用房，地下一层为车库，首层至三层为餐厅、多功能厅、综合机房用房，五、六层局部为甲单位计算中心，其余楼层为办公用房。由于本楼为甲乙两个单位共用，楼内每层都有分隔墙，每层都有两套机电管井，每个单位均有配电室、弱电机房、消防安防控制室，但变电室为合用，设在室外。消防水池及消防泵房合用设在地下二层，由甲单位管理。本楼总面积为33 300m2，总高度为40m，为一类防火建筑。

2 设计概述

本工程强电设计包括：配电系统，照明、动力系统，防雷接地系统。智能化设计包括：综合布线系统(PDS)、有线电视系统(CATV)、楼宇自控系统(BAS)、安防系统(SAS)、火灾自动报警系统(FAS)。本楼除暗埋在结构内的管线和接地防雷设施外，其他设备原则上均更换。

2.1 变配电系统设计

在熟悉本工程新旧图纸的基础上，设计人员多次现场调研，了解甲方使用要求，提出改造方案。新设计保留了原有变电室及部分强弱电机房，增加了层弱电间，保证内外网设备及管线的安装间距，满足政府机关办公要求。

在配电系统设计中，按照现行规范要求，对本楼消防安防用电、重要机房、事故照明负荷、高层客梯、排污泵等一级负荷，其电源由配电室单独供电，采用双电源末端互投；生活泵等二级负荷采用双电源末端互投；普通照明、空调等三级负荷采用树干或放射式配电方式。针对原有低压配电系统存在消防负荷与其他负荷电源混用、系统保护分级过多以及接线不规范的问题，进行了改造。

在进行变电室设计之前，调查了变电室的运行情况。原有变电所已运行20年之久，供电兼顾办公楼和附近住宅，因此设2 000kVA干式变压器两台。在几年前的改造中，住宅负荷已改为由供电局变压器供电。经了解日常仅运行1台变压器，负载率约为50%，在夏季最大负载率约为90%。由于变压器容量偏大，改为两台1 250kVA变压器。原有变电所高压柜为GG1A型，低压柜为PGL型，电器产品的正常使用寿命通常为15～20年，以上柜型现在基本已淘汰。高低压柜及变压器设备陈旧，有安全隐患。另外变电所无消防联动设备和设备监控系统，不满足消防系统和智能化楼宇的管理要求，需要增加消防联动设备和设备监控系统。因此，更换变电室内全部设备。变压器更换为SCRB10型产品，这种变压器绝缘耐热等级高、散热条件好、空载损耗低，过载能力强；环保可回收、低噪音、防尘、防潮能力更佳，用电更安全。高低压柜采用金属铠装抽屉柜，进出线柜均设智能表，对负荷的集中监控和调控，可实现对主要设备进行能耗监测、统计、分析和管理的功能。请专业厂家对办公楼供配电系统谐波进行测量及谐波治理，在计算中心机房电源柜设置滤波装置，变电室低压柜内设消谐电抗器及分相无功自动补偿装置。另外，原有变电所通风系统不满足使用要求，夏季室内温度过高，也进行了土建改造。根据改造需要，要增加出线电缆，改造和增加电缆引出管。对接地网重新检测并相应整改。图1为层电气小间及变电所改造平面图。

图1 层电气小间及变电所改造平面图

2.2 照明系统设计

在照明系统中，根据《建筑照明设计标准》(GB 50034-2013)要求，在满足照度标准的前提下降低功率密度值，办公室内光源显色指数不低于80，采用节能光源(T5荧光灯及LED灯)及高效灯具，要求灯具电子镇流器谐波量≤12%；电感镇流器加电容补偿，cosφ>0.9。照明控制方面，室外照明、公共照明可根据BAS系统设定程序自动开关，各办公室和机房照明采用手动控制，楼梯间照明采用自熄开关控制。

2.3 BAS设计

本工程建筑设备管理系统(BAS),采用直接数字控制技术，对全楼的供水、排水、冷水、热水系统及设备、公共区域照明、空调设备及供电系统和设备进行监视及节能控制。

在首层安防控制室设设备监控系统主机，大楼内各监控点设现场DDC控制模块。各控制器均能独立工作，具备通讯接口，主机对各DDC控制器进行监测管理。系统具有灵活、开放的接口及通讯协议，便于系统集成的实施。BA系统具备设备的手/自动状态监视，启停控制，运行状态显示，故障报警，温湿度监测、控制及实现相关的各种逻辑控制关系等功能。设备管理系统控制、监测范围包括：

1)对空调系统设备、通风设备、公共区照明、立面照明进行监视、控制、测量、记录。

2)对配电室低压开关柜内开关的运行状态进行监视。

3)对公共场所的送、排风机、生活水泵、排污泵、各水箱和水池的液位、电梯运行状态等进行监视。

智能表及智能照明控制器在配电盘柜内的安装系统图如图2所示。

图2 智能表及智能照明控制器在配电盘柜内的安装系统图

3 设计总结

既有建筑改造电气设计有以下几个阶段。

3.1 既有建筑图纸及现状调研

改造工程设计的第一步就是熟悉既有建筑，了解既有建筑的新旧图纸和现状。虽然既有建筑的原有建筑布局大多要改变，但是有些部分可能还是要保留的，如出入口、楼梯、竖井、车库、部分设备用房等。原有的强弱电进出管、预留孔洞、强弱电干线路由、防雷接地设施等有可能还能利用，或不得不继续使用。由于既有建筑在使用中可能被改造过多次，现有图纸和现状可能大相径庭，这就需要设计人员多次进行现场勘查，特别是要熟悉建筑结构情况及建筑标高及做法，在此基础上确定机电用房和干线路由。

3.2 确定改造目标和改造方案

确定改造目标需要满足业主使用需要，满足各类常规建筑及电气规范，满足节能和绿建规范。

3.2.1 既有建筑改造电气设计内容

既有建筑的原有电气设计大多已不满足现行规范的要求，需要对照现行规范逐条整改。通常需要解决的问题有：

1)安全问题：如照明电源线无PE线，接地型式未采用TN-S系统，配电系统的保护级数过多等；

2)消防问题：如消防负荷与普通负荷电源混用，消防负荷电源线未采用耐火线，应急照明未按防火分区分路，火灾自动报警系统不符合新《建筑设计防火规范》要求等；

3)照明问题：照明功率密度值不满足《建筑照明设计标准》要求；

4)节能问题：原设计选用的电气设备不符合现行规范的节能要求和产品安全要求等。

3.2.2 既有建筑改造电气设计应执行的节能和绿建规范

近年来，国家颁布了多部规范极大推动了全社会的节能减排，相关规范主要有《建筑照明设计标准》(GB 50034-2013)、《公共建筑节能改造技术规范》(JGJ 176-2009)、《公共建筑节能检测标准》(JGJ 177-2009)、《民用建筑绿色设计规范》(JGJ/T 229-2010)、《绿色办公建筑评价标准》(GB/T 50908-2013)、《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014)、《城市照明节能评价标准》(JGJ/T 307-2013)、《建筑节能工程施工质量验收规范》(GB 50411-2007)、《全国民用建筑工程设计技术设施节能专篇》等。

3.2.3 既有建筑改造节能诊断及综合评估

节能环保是既有建筑改造的重要目标。根据《公共建筑节能改造技术规范》(JGJ 176-2009)3.1.1条规定，公共建筑节能改造前应对建筑物外围护结构热工性能、采暖通风空调及生活热水供应系统、供配电与照明系统、监测与控制系统进行节能诊断。针对电气系统的节能诊断，应包括对配电系统容量及结构，用电分项纪录，电气设备状况，电能质量测量等情况的调研，在此基础上确定节能改造方案。全面的节能诊断需要有大量的数据支持，需要收集既有建筑的能源消费账单，变压器的运行纪录，相关设备的使用年限、技术参数，这些资料都需要物业部门提供。功率因数、谐波、三相不平衡度、电压降等电能质量参数还需要采用专用工具现场采集。通常设计单位的设计周期短，如果没有相关部门的支持很难进行全面的节能诊断，最好由业主聘请具备相应资质的公共建筑节能检测机构进行节能诊断及综合评估。否则，设计单位应尽量收集资料，做出节能诊断为改造方案提供设计依据。在完成节能改造后，应对被改造的系统和设备进行检测和评估。

3.2.4 确定改造方案

首先，要协同建筑、结构、设备各专业把电气机房及强弱电干线路由确定下来。原则上既有建筑的电气机房宜继续使用，但是由于既有建筑的站房可能存在位置及条件不满足现行规范或改造后的使用需求的情况，需要重新选址或改扩建，这就需要综合考虑土建层高、标高、疏散运输通道、结构承重、加固、站房对周围环境的电磁干扰以及周围环境对站房有无电磁干扰等问题。既有建筑的线路敷设宜使用原有路由进行敷设，特别是原有进出建筑的预留套管应尽量利用，新增穿墙套管应尽量做好防水。

其次，合理确定各子系统改造方案。不满足现行国家规范的系统应彻底改造，如原有系统符合规范要求，设备未到使用年限，运行状况尚可，可以继续使用或留出条件分批分期的改造。应针对业主的需求和现有设备状况制定设计标准，避免高大上的设计造成新的浪费。

另外，既有建筑改造往往改造和装修同时进行。改造设计和装修设计同时进行，在房间的强弱电插座布置时，应按照家具定位图做好样板间的强弱电插座定位，避免使用中的拆改。在照明设计时装修设计师为了装修效果往往使用低效光源和灯具，设计照度大大超出规范要求，这就需要电气设计师坚持原则而不是被动服从，使装修设计方案符合节能要求。在LED灯的使用方面，有的业主要求办公室也要全部采用LED灯具。这显然是不了解LED光源的特性，LED光源由于其光谱不连续，显色性不完整，在室内会影响人的生物钟，存在着生物安全性方面的不确定性，因此在长时间办公、书写的工作场所是不宜采用的。

4 绿色、节能设计

4.1 设计中实现绿色、节能

1)在设计方案中，仔细研究既有建筑结构，合理配置系统，做到适合而不浪费，不能为所谓的“亮点”而过分投资，增加运行费用。这一点说来简单，但实际设计中却往往不到位。有条件的工程应进行节能诊断及综合评估，提高方案的合理性。

2)在方案设计阶段，尽量在用电负荷中心处设置变电室，以减少线路损耗。既有建筑的电气机房如尚可利用宜继续使用，线路敷设宜使用原有路由进行敷设。

3)在选择变压器容量时，新建工程的设计中往往采用负荷密度估算的方法。由于既有建筑改造后的用途确定，甚至装修照明的负荷也是确定的，负荷计算时可以不再采用负荷密度估算的方法，而直接进行负荷统计，再考虑相应需要系数和同时系数，预留一定发展余量后选定变压器容量。

4)在确定电缆截面时，应根据用电负荷的工作性质和运行工况，不仅依据技术条件还应按经济电流来选用电缆截面。

5)对功率因数、谐波、三相不平衡度、电压降等电能质量参数进行计算和测量，在配电系统设计中采用功率补偿、消谐装置、合理分配三相负荷等方法提高电能质量。

6)在照明设计中，引导业主和装修设计师采用节能光源和灯具，保证照明功率密度不超过规范中的限值。景观照明设计应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过规范中的限值。景观照明灯具可采用太阳能灯具，如有条件，可采用光导照明系统，充分利用自然光减少人工照明。

7)根据工程投资情况，可以采用智能照明系统、设备管理系统、能源管理系统提高设备管理水平和能源使用效率。智能照明系统是设备管理系统的子系统，采用智能照明系统，可以通过场景控制、定时控制、人体感应控制等方式实现节能。设备管理系统是通过对配电设备、照明设备、空调设备、给排水设备的监控，实现各子系统的节能运行。能源管理系统以设备管理系统为基础，通过遍布配电系统的智能仪表，对建筑的中央空调、照明、办公设备、动力设备等用电量分别计量，采用专业软件对计量数据进行监测、统计和分析，做出节能诊断，提出节能解决方案。设备管理系统及能源管理系统原理如图3所示。

8)发电机房的排烟设施应满足《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16-2008)第6.1.3条要求。

9)在条件允许的情况下，采用太阳能光伏电源系统，促进可再生能源利用。

图3 设备管理系统原理图

图4 能源管理系统原理图

4.2 设计中采用节能、环保产品

1)变压器应选用D,yn11接线组别，满足《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》(GB 20052-2013)，在资金允许的条件下，采用非晶合金铁心型低损耗变压器，可使变压器的空载损耗降低60%～80%。

2)电缆可选用铝合金电缆，降低铜材的使用，减少有害气体排放量。

3)选用电动机应满足《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》(GB 18613-2012)的规定。

4)选用高效照明光源、灯具及其附件。

4.3 采用BIM设计平台

近年来，各设计单位都在大力推动采用BIM平台进行电气设计。BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。采用BIM技术进行既有建筑的改造设计非常必要，由于改造工程中既有建筑的层高、路由等条件通常都不理想，采用BIM技术建立数字模型，可以充分利用空间，优化管线排布，有效地减少管线碰撞，节约人力、物力，缩短设计周期，真正做到绿色设计。

5 结束语

既有建筑改造电气设计与新建工程设计相比，工作量明显加大。工程设计前期要准备的内容很多；特别是设计考察阶段要了解和掌握与设计有关的各方面内容；由于业主对既有建筑的设计要求往往非常具体，有的项目还要配合装修，在图纸设计阶段对施工图的设计深度及设计的完成度要求比新建建筑电气设计高很多；施工期间还要及时解决施工现场出现的各种意想不到的问题。设计中要贯彻绿色、节能的设计理念，在对既有建筑进行节能诊断的基础上，合理确定改造方案，在完成节能改造后，应对被改造的系统和设备进行检测和评估。

以上是作者对既有建筑改造电气工程设计的一些粗浅体会，希望得到广大同行的批评指正。

[1] 中国建筑科学研究院.建筑照明设计标准(GB 50034-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 中国建筑科学研究院.公共建筑节能改造技术规范(JGJ 176-2009)[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3] 中国建筑科学研究院，深圳市建筑科学研究院有限公司.民用建筑绿色设计规范(JGJ/T 229-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 北京市勘查设计与测绘管理办公室，中国建筑科学研究院，清华大学.绿色设计标准(BD11/938-2012)[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 中国建筑标准设计研究院.节能系列图集合订本(06DX008-1，2)[M].北京：中国计划出版社，2007.

[6] 中国建筑标准设计研究院.建筑设备节能控制与管理(09CDX008-3)[M].北京：中国计划出版社，2009.