科研实验楼电气设计的特点分析

2016-03-31王建华中科院建筑设计研究院有限公司北京100190

智能建筑电气技术 2016年1期

王建华（中科院建筑设计研究院有限公司，北京100190）

科研实验楼电气设计的特点分析

王建华（中科院建筑设计研究院有限公司，北京100190）

摘要科研实验建筑不同于一般的公共建筑，功能各异、工艺复杂、用电设备多样、对供配电的安全性及可靠性要求较高。建筑内的实验室既具有共同特点，又有各自的特殊性，电气设计需最大程度地满足其使用功能要求。实验室内设备经常因研究对象的改变而变化，随着科学技术的发展更新换代，用电负荷具有增长性和不确定性，配电系统的设计需科学合理且具有前瞻性。

关键词科研实验楼建设流程工艺设计实验用电负荷特点需要系数的选择变压器负荷率备用电源配电系统优化

Characteristic Analysis of Electrical Design for Scientific Experiment Buildings

Wang Jianhua

Abstract Scientific experiment buildings are different from general public buildings，they have the features of functional diversity，complex process，a variety of electrical equipments，higher requirements for the safety and reliability of power supply and distribution.Labs not only have the characteristics of general buildings，but also have certain particularities by themselves，electrical design has to meet the operating requirement to a great extent.Laboratory equipments change with the change of the object of study and the development of the science and technology，the power load have the characteristic of growth and uncertainty，the determination of distribution system should be scientific，rational and forward-looking.

Keywords scientific experiment building，construction process，process design，load characteristic of experimental power，need coefficient choice，transformer load rate，standby power，power distribution system optimization

0　引言

实验建筑作为科研活动的重要场所，在知识创新与科技推广中扮演着重要角色，很多创新思想和科技成果的形成都依托于实验室成果，实验楼的建设是促进科研机构提升自主创新能力和核心竞争力的有力支撑和发展基石。随着我国科学技术、科研事业的快速发展，研究水平不断提高，对实验楼的建设又提出了更新、更高的要求。

笔者参与了几个科研院所的新建、扩建和改建项目，本文在结合实际、总结经验、吸收教训的基础上，阐述了科研建筑电气设计的设计思想，提出了科研实验建筑电气设计的特点和适用方法，并就建设流程、工艺设计、实验用电负荷特点、需要系数的选择、备用电源及配电系统优化等几个方面做深入分析。

1　概况

目前我国科研实验建筑建设所遵循的国家标准主要是《科学实验建筑设计规范》（JGJ 91-1993）。另有个别实验室（如生物类实验室）或个别特殊行业有更加完善、针对性的国家标准，本文讨论范围为除这些特殊行业实验室以外的科研实验建筑。

《科学实验建筑设计规范》对实验建筑的建设进行了规范和要求，提出设计实验室的最低要求，设计人员在设计中除了应符合各种专业规范要求准则外，还应满足各种研究实验室的特殊要求。设计前期，在与使用者充分沟通的前提下，还应充分发挥设计者的创造力和想象力。

科研实验建筑的电气设计既要安全、可靠，又要满足现在、兼顾未来，为建设专业、高效、前瞻的实验室提供有力保障。

2　建设流程

现阶段，我国绝大多数实验楼的建设流程采用传统模式，即“实验楼建筑设计—实验楼建筑施工—实验室工艺设计（或缺少此环节）—实验室工艺施工”，建筑施工完成后，往往急于使用，不进行工艺设计或没有足够的时间进行工艺设计，导致专业实验室建成后不够专业。也有一些实验楼项目，一次建筑设计过程中，由于缺乏工艺专业的设计参数和依据，导致各专业的预留不到位，土建施工完成也就是大规模改造的开始，造成极大浪费。

据了解，国外实验建筑的建设流程较多采用“实验室工艺设计—实验楼建筑设计—实验楼建筑施工—实验室工艺施工”，国内也有专业人士提出了效仿国外的模式，遵循“工艺设计先行，设计由内而外，建设由外而内”的实验建筑设计理念。但就现阶段国情来说，全部实行还有很多阻力，发展也需要一定时间。国内的建筑类院校鲜有开设实验室工艺设计专业，现阶段的一些实验室工艺设计公司也是在传统模式下逐渐摸索发展。国内有一些项目采用了此方法，效果不错，但有待推广。

笔者参与设计了一些科研建筑项目，在总结经验、吸取教训的过程中认识到前期工艺设计的重要性。这项工作是不可缺少的基础工作，采取由设计方、建设方的基建管理人员和科研人员共同完成的方式。仅依靠建设方提工艺要求，会走向两个极端，一种是每个实验组参与提要求，每个实验室要求都不同，实验室的科研人员熟悉实验室设备的使用和功能，但是对建筑设计、实验室设计和工艺设计方面则了解甚少或不够专业，每个研究者又有特别的实验设计需求；另一种是只有基建人员参与，基于管理更加方便的需求，更愿意以不变应万变。

实验室设计中的一项原则是满足研究需要，这需要设计者从中协调，与科研人员多次沟通，在消化吸收的基础上，将使用者的语言转化为设计专业语言。

3　实验用电负荷特点

3.1用电负荷的独特性

科研实验建筑不同于一般的公共建筑，各学科的实验楼都有其各自的特点，各类型实验室都具有一定的特殊性。

3.2用电负荷的不确定性

科学研究会随着研究对象的改变、科学技术的发展而变化，在对试验方案进行修改和完善时，不同时间和不同方案所使用的设备完全不固定，用电的容量也随之变动，这就表现为用电负荷的不确定性。

3.3用电负荷的增长性

在刚刚投入运行阶段，实验规模还不大，用电设备投入还不多，随着时间的推移，跟上科学研究的发展步伐，对实验设备的投入会不断增加，用电负荷也会越来越大，具有增长的特性。

3.4用电负荷的复杂性

科学研究仪器设备对电气专业的要求比较复杂，不仅考虑用电量，还要考虑电压等级、电源要求、供电方式、电能质量要求、电磁兼容、弱电要求等。当然，并不是每个实验设备都要精确满足这些要求，由于项目和研究类型不同，新建院所和扩建院所都会各有侧重点。表1是某个地球化学研究所实验楼的工艺需求表样例。

4　需要系数的选择

电气设计中，变压器装机指标是关键指标之一，不仅反映变压器安装容量是否合理，也是衡量建筑电气设计是否达到节能要求的重要指标。在方案阶段，民用建筑一般按照单位面积指标法来估算选择变压器容量。在一些相关资料和《全国民用建筑工程设计技术措施》手册的电气部分，给出了大多数民用建筑用电负荷指标的取值范围，但均未提及科研实验建筑。科研实验楼建筑中变压器的配置应充分考虑科研实验的负荷特点，适合采用需要系数法做负荷计算，对于有较多数量的断续工作的大型仪器设备采用二项式法做负荷计算。

表1　矿床实验室工艺资料（电气方面）

实验楼的负荷由照明、插座、空调、常用风机、水泵、电梯、实验室设备用电和实验室通风设备用电组成，前6项用电负荷的需要系数与一般办公楼区别不大，插座负荷稍有不同，主要难度在于实验设备用电和实验室通风设备的需要系数选择完全没有依据可查，而需要系数对变压器容量的选择起着决定性作用。

要做出较为合理的负荷计算，应对工艺要求的实验设备用电进行认真分析，调查、研究与工程相似的实例很重要。首先调查原有设施或同类型院所的供配电系统情况和设备使用情况，包括建筑面积、实验区面积、变压器安装容量、用电高峰负荷率、用电计量数据等，了解实验室的工作性质，确定实验设备的使用频率，实验室工作人员数量、工作时间，了解实验室发展计划及发展空间，注重收集用电量较大的实验设备的运行数据，分析同时使用率及错峰运行的可能性。经综合考虑和比较分析，得出实验设备用电相对合理的需要系数。

笔者采集了几个已建和在建实验楼的设计数据，查找了部分项目的实际运行数据，调查旧有设备的使用率情况，得到的主要电气参数为实验设备用电的需要系数（同时使用率）和变压器的负荷率，发现设计数据和实际运行数据的差异很大。某位电气领域专家通过调研采集国内多个地区的40多个超高层建筑的设计数据和运行数据后分析得出，在（80～138）VA/m2范围内的变压器容量指标符合超高层建筑电气的实际要求。对科研建筑来说，更应该根据各自的特点做具体分析。

每个实验室和仪器室容量的确定，是根据工艺设计的结果，兼顾现在的使用和将来的发展，一般将规划的设备用电量之和乘一个扩展系数取得，如果没有设备的规划，按实验楼的性质，以每平米用电指标估算得出，多个研究所的实验室用电量达到500W/m2。使用者最注重的是电量是否够用，虽然并不是所有实验室都能达到满负荷，但只要需要，就应该满足。每个实验室和仪器室要求的用电量都相对较大，在做干线和变压器的负荷计算时，如果仅把这些实验室电量简单相加，把握不准其同时使用系数，按办公楼模式取需要系数，势必造成设备和电缆的参数过大，不利于节能、节材、节地，也会造成一次投资过大，后期物业运行成本很高。

电气设计中，既要保证每个实验室的用电量需求，又不造成上述的缺陷，可采取“末端足量，中间适量，前端缩量”的措施。每个楼层有多个实验室，在使用时极少达到满负荷的情况，供给各楼层的实验设备采用分回路供电，回路干线供电一般采用大电缆放射式到楼层的做法。在多个实验室共用一条干线供电的情况下，需要系数可以按实验室的数量和规模适当取0.5～0.6。一栋楼有众多的实验设备用电回路，全部实验设备用电的需要系数可取更低的值，如0.2～0.5。

根据科研实验楼的工艺设备负荷特点，做变压器侧负荷计算时，可取工作时段如上午9：00～11：00作为负荷计算时间，这段时间是工艺设备用电的高峰期，可取高值的需要系数，不大于0.5。而在上班早高峰时段运行较满的负荷，比如电梯、地下车库风机等，在这个计算时间段可以取较低的需要系数，综合其他的照明插座空调负荷，变压器侧负荷计算时设备用电同时使用系数不大于0.4。综合几个项目可知，折算后科研实验建筑的变压器单位面积装机指标相当于办公建筑指标范围的高值。

变压器的容量应满足全部负载的需要，但不应长期处于过负载或轻载状态下运行，变压器的经常性负载应在变压器额定容量的60%为宜。最新的IEC 60364 - 8 - 1的初步结论表示，当变压器的负荷率在40%～65%时，变压器的效率最高，能够有效减少电能的浪费。故科研实验建筑的负荷设置，应确保变压器在大多数时间运行合理，不应片面追求某个点、某个时间内的负荷率是否合理。科研楼在落成初期，研究还未全面展开，用电设备投入较少，变压器的运行负荷率大都偏低；而随着时间的推移，试验的深入，各种设备的逐步增加，用电负荷也不断增加。尤其对于一些新建院所，如果仅仅考虑初期的合理负荷率，到运行稳定后，其变压器容量必会紧张。

5　备用电源

新版的《科学实验建筑设计规范》正在修订当中，现行可依据的是《科学实验建筑设计规范》（JGJ 91-93），该规范第9.1.1条规定，科学实验建筑的用电负荷分级及供电要求，应根据其重要性及中断供电在政治、经济、科学实验工作上所造成的损失或影响程度按《工业与民用供电系统设计规范》的规定执行。《工业与民用供电系统设计规范》（GB 52-83）为原国家标准，已废止，现执行国家标准《供配电系统设计规范》（GB 50052-2009），该规范第3.0.1条规定，电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电对人身安全、经济损失方面所造成的影响程度进行分级。《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16-2008）规定，仅将科研院所四级以上生物安全实验室等对供电连续性要求极高的国家重点实验室用电定位为一级负荷中特别重要负荷，除上述之外的其他重要实验室用电为一级负荷，主要通道照明用电为二级负荷。因此除实验电力负荷外，其他负荷的负荷级别可按照建筑物的高度，遵照一类高层建筑和二类高层建筑的负荷分级。需要深入了解实验室工艺以后才能确定实验设备电力负荷的负荷级别。

对于一些重要的实验电力负荷，突然断电虽不会造成经济上的重大损失，但会导致不必要的人力和时间成本的浪费，可适当提高这部分用电设备的负荷等级，设计人员可根据其允许切换时间、容量情况和电源质量要求选择备用电源。科研类建筑中，多采用UPS不间断电源装置作为备用电源。

UPS不间断电源的主要任务是向关键设备提供高质量、无时间间断的交流电源。对一些重要的仪器设备可作为备用电源，对电压频率、波形失真等方面有较高质量要求的仪器设备均可采用UPS电源。据调查，除特殊要求之外，一些大型仪器在断电的情况下，靠设备内部自带的不间断电源能自动将实验的数据进行临时记录和保存，所以应区别对待，并不是建设方认为重要就一定需要配置UPS。对于数量少、容量小的需求，更适合在建成后自行配置。

前面的工艺需求表1是新建的某地球化学研究所的某栋实验楼的情况。此建筑物内，大多数实验室均有一部分设备有高质量电源的要求，需要UPS不间断电源，而且需要的容量不同，数量多又分散，配置要求也不同。需要在设计阶段考虑UPS电源采取分散设置还是集中设置。如果分散设置，对应至设备配置还是对应至实验室；如果集中设置，是每层集中还是每栋楼集中，需要经过技术、经济方面的比较，得出较优的方案。对于此项目，最终采用的是UPS电源集中配置方式，主要考虑避免UPS电源对实验仪器工作的谐波干扰，选用容量为500kVA，设在变电站附近，再分配到各楼配电室内，从各楼配电室直接放射式供给需要UPS不间断电源的房间，在房间内同样要设置UPS电源配电箱。

6　配电系统优化

6.1配电级数

配电系统的设计还应力求简单可靠，尽量减少配电级数。对低压来说，一、二级负荷配电级数不宜多于三级，三级负荷不宜多于四级。通常配电结构为变电所、楼层配电间和终端配电，但对于实验楼，每间实验室均应设独立配电箱，无形中已经增加了一级配电。对于大型仪器设备，供电电源还应分别设置能切断电源的分路开关。如果变电所不是设在本楼内，势必又会增加楼座配电室，级数增多，可靠性会大大降低，而且各级配电系统保护电器之间也难做好选择性配合。

6.2备用多留

科研实验内容和方法的升级变化周期越来越短，前瞻性则是配电系统提高应变能力的重要体现，“备用多留”是方式之一，虽然在整个投资上会有所增加，但能有效地应对科学研究实验设备的用电发展。在变配电室的设计中，适当预留低压柜位置，通过合理配置配电回路，在同样配电柜数量的情况下，多留备用回路，以应对几年以后增加大型仪器设备的可能。

每间实验室设置独立的配电箱，重要设备和用电量大的设备应单独回路配电，实验室内应配备足够数量的插座，满足工艺需求之外，额外预留20% ～40%的余量。应注意的是不同电压电源的要求，采用多种电源的插座（如单相稳压、三相稳压、直流稳压等不同电压电源），根据电压不同要有明显区分，防止误操作。实验室配电箱也应留一定量的备用回路，且要把相应预埋管留至吊顶内，以方便实验室内部的增容。

6.3平衡负荷

通常从层配电间到各实验室供电采用的方式是放射式配电至实验室，在每间实验室容量大且数量多的情况下，要保障每间实验室用电，需要将众多的大电缆敷设在吊顶内，施工难度大且造价也高。前面提到，多个实验室同时满负荷运行的情况极少，利用大容量实验室不同时满负荷用电的特点，楼层水平配电采用在走廊内插接式母排的方式，每开间预留插接口，既能平衡容量，又方便设备扩展。当然，每个楼层适合用哪种方式，需要在设计中通过技术、经济方面的比较来确定。

科研实验建筑电气设计还有其他方面的特点，配电系统优化的方法不只有上述内容，鉴于篇幅有限，这里不再赘述。