某文化艺术中心项目电气设计

彭 欣

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

文化艺术中心项目作为一个城市中用于展示及宣传文化艺术作品的建筑集群,通常以剧院或音乐厅为主体,配套设置博物馆、科教馆、图书馆等,以满足市民对文化艺术的追求。其功能也从原有单一功能变为多功能的建筑集合,配电系统与单一性质建筑相比更为复杂。本文结合某文化艺术中心项目,阐述了此类建筑电气设计及需要注意的方面。

1 项目概况

某项目位于安徽省天长市市政府南侧,总建筑面积为74 120 m2,其中地上建筑面积55 500 m2,地下建筑面积18 620 m2;建筑层数为地下1层,剧院地上4层,其余部分地上3层;建筑高度为23.9 m,大剧院舞台台塔部分高度34.0 m,幕墙最高高度42.5 m。项目分为3个单体,并以功能划分:1#单体包括博物馆、美术馆和非遗馆、名人馆;2#单体包括一个1 200座大剧院、340座小剧场的文化馆和文化交流创意展示中心,其中文化创意展示交流中心功能还是以放映为主;3#单体包括科技馆和少儿图书馆。

某文化艺术中心效果图如图1所示。

图1 某文化艺术中心效果图

2 变配电系统

2.1 负荷等级

根据JGJ 57—2016《剧场建筑设计规范》[1]中第1.0.5条及JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》[2]中第3.2.2条,该项目用电设备负荷等级如下:① 火灾自动报警系统用电、消防设备(变电所用电、消防泵、喷淋泵及稳压泵、消防电梯、消防排烟风机、正压风机、消防补风机、消防应急照明、防火卷帘、消防控制中心用电等)、网络通信机房、安防系统用电、弱电间用电按一级负荷供电;② 主要通道及楼梯间照明用电、客梯用电,排污泵、生活水泵用电、观众厅照明、锅炉房电力和照明用电、影响一级负荷运行的空调用电、地下车库照明等、展览用电、恒温恒湿的藏品库房的空调用电、图书馆用电、舞台照明、贵宾室、演员化妆室、舞台机械设备、电声设备、电视转播用电等按二级负荷供电;③ 其余负荷按三级负荷考虑。

2.2 供电电源

由市政附近电网引两路10 kV电源至-1F 10 kV用户站。其中两路10 kV电源采用一主一备的供电方式,主线路为专线,能承担整个项目的全部负荷,另一路为环网非专线,仅能负担该项目一、二级负荷。10 kV配电系统供电示意图如图2所示。

图2 10 kV配电系统供电示意图

2.3 变压器设置

项目界面划分较为清晰,因此变电所及变压器也按子项和负荷情况分为3组。1#变电所处于负荷中心,专为剧场及其地下相关的舞台机械供电,2#变电所负责博物馆、美术馆、非遗馆、少儿图书馆、科技馆和-1F停车库的相关电力。3#变电所为冷冻机房专用变压器,仅为冷冻水泵、冷却塔、冷水机组及其配套设备供电。1#变电所变压器容量为2×1 600 kVA,2#变电所变压器容量为2×1 600 kVA,3#变电所变压器容量为2×1 250 kVA,共计8 900 kVA。

需要注意的是,JGJ 57—2016《剧场建筑设计规范》第3.2.5条中要求:剧场建筑内的设备用房不应对观众厅、舞台及其周围环境产生噪声、振动干扰。而剧场观众厅和舞台大多处于剧场的中心位置,其台仓、跑场道、乐池和静压仓又利用地下室空间,因此剧场变电所只能选择尽量靠近负荷中心,但需要避开舞台、观众厅的正下方,并且不能与台仓及跑场道贴邻。剧场变电所的设置如图3所示。

图3 剧场变电所的设置

JGJ 66—2015《博物馆建筑设计规范》[3]也对博物馆变电所做出了相关规定,对于可能危及藏品安全的用房及设施,应远离藏品保存场所布置。

2.4 备用电源的设置

该工程为大型公共建筑人员特别密集场所,为保证火灾时人员疏散及消防安全,在-1F配置1台常用功率为1 200 kW的自起动柴油发电机,作为消防负荷和保障负荷的备用电源。由于消防风机负荷较大,3个单体的消防风机负荷各不相同,在计算地上消防风机电量时取3个单体中最大值为标准值。

3 剧场舞台照明及舞台设备配电

3.1 舞台照明配电

在剧场用电负荷中,舞台照明、舞台机械、舞台音响功放设备可占整个剧场二级负荷的70%以上。其中舞台照明负荷950 kW,台下机械电力负荷320 kW,台上机械电力负荷315 kW,小剧场台上机械电力负荷60 kW,大剧院功放电力60 kW,小剧场声光控电力100 kW。

舞台照明配电采用2根2 500 A三相五线密集型铜母线槽配至晶闸管室内接线箱,其中L123排需与N排等截面,2根N排并联作为中性线,利用母线槽金属外壳作为PE接地保护。

舞台照明灯具数量及种类繁多,随着设计深入,其负荷电量也会有大幅度的增加。该项目初步设计阶段参考国家图集08D800-1《民用建筑电气设计与施工》中剧场建筑设计相关章节,舞台照明电量暂定600 kW,后参考文献[4]表1.3-2中“文化娱乐公共建筑的负荷密度为90 W/m2”和表1.3-4中“剧场、高校、展览馆等的变压器配置容量≥120 VA/m2”进行估算,舞台照明电量为700 kW。而实际由厂家提供的电量为950 kW,建议初步设计阶段按预估电量的1.3倍取值,这样估算值也可满足后期实际需求。

大负荷的舞台照明系统供电采用双路单母线分段,中间加联络,正常工作时两条母线各带50%负荷,当一路故障或停电时,另一路可带全部负荷。因此,在末端晶闸管室内配电箱需要系数Kd取1.0,而在变电所配电端计算时可增加同时系数Kp(取0.5)。

3.2 舞台设备配电

舞台设备主要为舞台机械设备和舞台音响设备。舞台机械设备又分为台上、台下机械两部分。台下机械主要为舞台升降台和乐池升降台,根据需求也有在左、右和后舞台设置车载转台。台上机械主要为台口上方的大幕机,主舞台区域的吊机以及用来悬吊布景、檐幕和边幕的前舞台单点吊机,后舞台上空的电动吊杆和悬吊设备。根据剧场的规模,小型剧场约100 kW,中型剧场400 kW,大型剧场800 kW。

该项目厂家后期提资,小型剧场60 kW,中型剧场300 kW,满足使用要求。

4 博物馆、美术馆及图书馆配电

4.1 博物馆、美术馆配电

博物馆建筑面积为11 920 m2,为大中型博物馆,按JGJ 66—2015《博物馆建筑设计规范》中第10.4.2条,重要设备及部位用电按二级负荷供电。采用树干式与放射式相结合的方式,每层的大空间展厅电力采用放射式配电;准备室、办公室、休息室等功能性房间则采用树干式供电。美术馆作为展览用电,按JGJ 218—2010《展览建筑设计规范》中第7.4.1条第3款,按二级负荷供电。博物馆及美术馆所使用的珍品库房有恒温/恒湿的要求,也按二级负荷供电。

4.2 图书馆配电

图书馆建筑面积为5 490 m2,属中型图书馆,根据JGJ 38—2015《图书馆建筑设计规范》[5]和JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》的负荷等级划分,按二级负荷供电。因为是专为儿童设计的儿童图书馆,阅览室的面积划分较零碎,故采用放射式供电接入每层阅览室双切总箱,再引入每间小型阅览室。一般中小型图书馆的负荷密度为80～100 VA/m2,由于该项目还将承办少年科技展等展览活动,因此按展览建筑120 VA/m2作为初步设计阶段的负荷估算标准。

5 谐波治理

剧场建筑中的舞台照明采用晶闸管调光装置,使用过程中会产生高频率谐波,应在配电箱处就地设置有源滤波装置。舞台机械单体功率较大,工作时产生谐波含量较高,应放射式单独供电,并在配电箱处设置有源滤波装置。舞台扬声器、传声、扩声设备、信号处理器、音源设备等极易受到谐波的干扰,因此在设置声光控制室时,应避免与舞台机械室及晶闸管室贴邻,布线也尽量分开,当两种线路必须平行敷设时,其间距应大于1 m;当垂直交叉时,其间距应大于0.5 m;并应采用屏蔽措施。舞台电声装置的配电回路上宜设置隔离变压器,并在配电箱内设置有源滤波装置。

博物馆及美术馆中的LED灯具为非线性设备,而场馆内使用灯具数量较多,需要使用到大量的开关、整流电源设备,对不同电压响应也是非线性的,从而叠加形成谐波含量很大的非线性交流供电电流,会产生大量谐波,并对与LED灯处于同一供电系统的其他设备造成影响,所以在电源变压器采用Dyn11接线方式,且每台变压器低压侧均设置有源滤波装置。

6 结 语

本文介绍了某文化艺术中心项目电气设计的相关内容和设计思路,可以供电气设计人员参考。