主题乐园电气规划与设计要点*

2022-09-19尤文捷

现代建筑电气 2022年4期

尤文捷

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引言

随着迪士尼、环球影城、乐高等主题乐园进入我国,主题乐园设计日益本土化,越来越多的新建乐园项目不再完全依靠外资设计力量,本地设计院也开始尝试总包式设计。电气专业作为乐园设计项目中最为复杂的机电专业,如何合理的规划、统筹各细分专业的配合,更好地与业主和施工单位衔接越显重要。本文从乐园强弱电系统规划、专项电气设计两方面阐述相关项目经验,可为电气设计人员提供参考。

1 主题乐园电气系统分类

主题乐园文旅类项目可以粗略地将电气专业设计内容拆分为两部分:传统电气设计,包含供配电、防雷接地、后场照明、综合布线、安防、楼宇自控等;专业电气设计,包含乘骑动力控制、演艺动力及照明、音视频系统等。主题乐园电气专业分类如图1所示。

2 主题乐园电气规划设计

2.1 园区高低压系统规划

2.1.1 园区负荷估算

主题乐园负荷种类多,项目占地面积大,拥有较多的室外设备,用电容量受大型游乐设备影响较大,目前尚无准确的估算方式。国内主题乐园装机容量统计如表1所示。南昌某主题乐园建设时间较早,乐园布局较为分散,有大量的绿化景观用地,因此其单位占地面积桩基容量较低。此外,主题乐园(陆乐园)单位建筑面积装机容量普遍在220～300 VA/m2,单位占地面积装机容量在60～70 VA/m2。

表1 国内主题乐园装机容量统计

根据乐园总体指标初步估算总装机容量后,需要再根据乐园各建筑业态进行详细估算,经过分析比较,可以参考文献[1],乐园各业态建筑容量估算如表2所示。

表2 乐园各业态建筑容量估算

2.1.2 园区高低压系统选择

目前,国内大型主题乐园的10 kV高压系统一般有两种形式:环网供电和放射式供电。国内外资乐园普遍偏向于环网供电的方式,如迪士尼、环球、乐高等;而国内品牌的乐园项目较偏向于放射式供电方式,如万达(融创)、恒大等。两者供电方式均有各自优缺点,高压系统的选型与乐园的布局设计息息相关。因为大多主题乐园内建筑多为多层建筑,变电所需设置在首层;加之主题乐园变电所进出线较多,其高低压人孔井将占用较多的室外场地空间。

以环网为供电方式的乐园,建筑布局相对紧凑,考虑到高低压进出管线及建筑美观等要求,乐园负荷中心位置不具备设置变电所的条件,变电所大多需分布于外环后勤道路附近。受限于低压供电半径的限制,加上乐园用电负荷分散的特点,单个变电所可服务的区域较小,多数变电所仅需设置1台变压器。深圳某主题乐园变电所供电范围示意图(环网供电方式)如图2所示。某环网供电主题乐园10 kV系统图如图3所示。

图2 深圳某主题乐园变电所供电范围

图3 某环网供电主题乐园10 kV系统图

以放射式为供电方式的乐园,建筑布局相对较为宽松,变电所可以较为集中设置于供电负荷中心位置,变电所也多采用2台甚至3台变压器的形式,变电所覆盖面积更大。由于部分变电所会设置在游客前场区域,变电所高低压进出线人孔井会对变电所周边前场区域造成一定影响,此外与变电所一同设置的柴油发电机的烟囱也需要做主题包装的考虑。济南某主题乐园变电所供电范围示意图如图4所示。某放射式供电主题乐园10 kV系统图如图5所示。

图4 济南某主题乐园变电所供电范围示意图

图5 某放射式供电主题乐园10 kV系统图

从可靠性上看,双回路放射式供电在两路高压满足要求时可以提供一级负荷;在线路出现故障时,10 kV切换时间较短。而双侧环网供电方式,在不设应急电源的情况下只可满足二级负荷要求,正常运行时需在线路负荷分界处断开;在故障时需手动切换,排除故障时需要中断供电。

从经济性上看,乐园供配电系统造价主要由土建、线缆和设备几部分组成。两种系统在设备方面的造价相差不大;由于环网式10 kV系统需要建造更多的变电所,在土建方面造价要高一些;在线路方面,环网式10 kV系统更分散的特点使其在高、低压线缆上均比放射式系统更经济。在铜缆费用占比日益提升的今天,环网式10 kV系统的经济性日益明显。

环网及放射式系统对比如表3所示。

表3 环网及放射式系统对比

2.2 弱电系统规划

2.2.1 园区网络规划

在园区网络系统上,比较主流的做法是设置两套物理网络,业务数据网和安防物业网。业务数据网一般用于游客无线网,业务办公网等;安防物业网用于视频监控等安防系统,园区BA系统,智能化系统等。各子网络采用VLAN划分。

乐园网络拓扑结构方面,目前国内主流做法为星型网络。大型乐园一般会采用双核心或双数据中心的方式实现网络冗余。

某主题乐园网络架构如图6所示。

图6中,该乐园占地面积较大,末端接入交换机数量较多,为节省布线资源,在乐园每个片区均设置区域汇聚光交换机,末端每个接入交换机通过汇聚交换机分别与两个数据中心联通。数据中心相互热备,保证网络系统稳定。对于园区规模较小的乐园来说,可以省去汇聚层,将末端交换机直接与数据中心核心交换机互联。

图6 某主题乐园网络架构

2.2.2 无线覆盖规划

目前乐园普遍会覆盖5G网络,即便如此,乐园无线网络(WIFI)仍然是游客选择上网方式的首选。主题乐园拥有人员分布不均、客流季节性较强等特点,如不合理规划,会出现聚集区域网速低下、非聚集区域信号覆盖不足等问题,严重降低游客体验。因此,需要根据游客数据行为分析、人流统计预估、AP设备参数选型、信号模拟等方面统筹考虑,规划合理的乐园无线覆盖方案。

某项目乐园游客场景数据模型如表4所示。根据游客数据模型和场景区域人数等信息,可以计算出无线网络需要提供的数据带宽。

表4 某项目乐园游客场景数据模型

主题乐园人员集中场所一般为游乐设施排队区和餐饮区域,其中排队区分为室内排队区,室外和半室外排队区。室内排队区内一般会有游乐项目预演和精致布景,也是游客最为集中的场所,而有永久顶棚的半室外排队区作为排队的延生,出现满额排队的情况较少,相比室内排队区游客会少一些。对于可临时搭建的室外排队区,考虑到成本,其游客人数不纳入计算。某乐园项目计算AP时人数统计原则如表5所示,考虑到儿童通常不携带手机等设备,在排队区计算时可以附加一个折算系数。

表5 某乐园项目计算AP时人数统计原则

综合用户吞吐量可得:综合用户吞吐量=用户吞吐量×用户数。在无线AP设备选型时,一般会采用普通型AP和高密度型AP互相结合的方式实现乐园无线覆盖。在计算需要的无线AP设备数量时,需要同时考虑数据吞吐量和在线用户数,相关设备参数需要根据乐园工况进行折算。设备吞吐量建议折算到2.4G/5G 20 MHz的信道宽度。在考虑实际效率后,某乐园项目选择AP设备参数如表6所示。

表6 某乐园项目AP设备计算参数

在计算AP设备接入数时,AP设备数吞吐量=综合用户吞吐量÷设备吞吐量,AP设备数接入数=5G用户数÷设备5G接入数。最终的无线AP设备数=max(AP设备数吞吐量,AP设备数接入数)。通过场景信号模拟,结合乐园人员密集区域AP设备数计算,可以实现乐园无线网合理规划设计。某乐园单体5G频段信号模拟如图7所示。

图7 某乐园单体5G频段信号模拟

3 专业电气设计要点

3.1 主题及演艺照明系统

乐园内前场游客区域的照明均为主题照明,位于特殊演出演艺场景内的为演艺照明。主题乐园内会设置一套灯光控制系统,一般由调光柜或接触器柜及控制部分组成。目前国内多数乐园项目均采用灯光顾问公司提供方案及初步设计,国内本地设计院完成施工图设计的方式。在主题照明设计过程中需要注意灯具电压等级、功率密度、备用照明等。

3.2 灯具安全电压等级

根据GB 8408—2018《大型游乐设施安全规范》6.7.2.13条规定“乘客易接触部位(高度小于2.5 m或距离小于500 mm范围内)的装饰照明电压应采用不大于50 V的安全电压”要求,在乘骑类单体的排队区,预演区,上下客区及游玩区域的灯具需要注意安装高度及供电电压等级。

对于涉水区域的主题和演艺照明,需要严格遵守GB/T 16895.19—2017《低压电气装置第7-702部分:特殊装置或场所的要求游泳池和喷泉》[2]的规定。在界定涉水区域性质时,需要注意702.30.101中“预期让人进入喷泉的水池和积水处,按游泳池0区和1区的规定和要求执行”。因此,在设计实践中,乐园中没有设置围栏或安全距离、游客特别是小孩容易进入的涉水场所,都需要按游泳池的相关规定进行设计。

3.3 灯具功率密度校验

乐园项目是重点照明效果场所,位于前场区域的主题照明经常会遇到功率密度超标的情况。

在校验前场区域照明功率密度时,需要将不同用途的灯具分开计算。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》6.3.16条“设置装饰性灯具场所,可将实际采用的装饰性灯具总功率的50%计入照明功率密度值的计算”。在条文解释中,装饰性灯具解释为“枝形花灯、壁灯、艺术吊顶、暗槽灯等”,可以将前场区域的非直射型灯具定义为装饰性灯具,直射型灯具如射灯、筒灯、面板灯定义为普通灯具,其余用于演艺效果的演艺灯具如RGB舞台灯等则不应纳入照明功率密度计算中。

3.4 备用照明的设计

主题乐园一般都会设计应急照明系统,但是由于乐园建筑分散,建筑面积较小,室外场所较多等情况,对于一些未设置应急照明系统的区域,如半室外排队区、室外步道等,可以考虑将一部分用于直接照明的主题灯具作为备用照明。在调光柜或接触器柜馈线侧设置切换装置(Dimmer Bypass设备),在断电等紧急情况下保证正常照度。备用照明的电源可引自园区柴发,或为其设置EPS/UPS。

3.5 音视频系统

3.5.1 独立广播系统

乐园中的音频系统一般包含消防应急广播系统、背景音乐及广播系统、演艺表演音频系统。由于消防广播有CCCF认证及阻燃材质要求,其扬声器一般不能满足乐园高音质要求,主题乐园一般会独立设置消防应急广播系统。背景音乐与演艺音频在某些一体设计的乐园中为合并的一套系统,而在大多数国内乐园项目中为分开的两套或多套系统。

3.5.2 音频系统网络规划

乐园音视频系统多为半在线式工作模式,即音频数据会暂时存储在各片区音频主机处或网络功放处,在音频网络中对数据延时要求并不高,可使用园区业务网络采用VLAN划分音视频专网。但是在涉及需要实时音频控制场景时,如花车巡游、投影灯光秀等场景时,在协调分散部位音响,受限于网络跳跃延时,可能会导致音/视频不同步等情况,这时需要额外单独组建光纤专网。

3.5.3 音频系统供配电设计

考虑到主题乐园内游乐设备大多为变频电机,且冲击负荷较大,在乐园低压系统中难免存在高次谐波,会对音频设备产生干扰。因此,乐园音频系统一般应设置隔离变压器,用于抑制低压系统中的高次谐波,起到滤波作用。

3.6 游乐及演艺电气系统

游乐设施和演艺设备是主题乐园项目中有别于一般民用建筑项目独有内容。游艺设备按不同类型,可以分为小型设备、过山车类设备和黑暗乘骑项目。而演艺电气一般是指除音视频、主题灯光外的一切效果类、互动类电气系统,一般会包含互动类项目、特效类设备、循环控制或触发类动态模型等[3]。

3.6.1 游乐设备设计界面划分

小型设备如转转杯、旋转木马等,与建筑关系相对独立、清晰。此类单体一般由设备成品或土建控制室和室外排队区组成。电气专业仅需在控制室或机房内预留电源,设备基础内预留埋管和防雷接地接口即可。

过山车类设备及黑暗乘骑项目则相对要复杂一些。一个大型设备的技术说明及图纸可能会有上百页,如何筛选出需要的信息,并与建筑电气系统有机集合,准确绘制出施工单位需要的图纸是关键。此类设备一般会有多方参与设计、施工及安装。

游乐单体电气设计施工流程图如图8所示。简单来说,乐园电气设计需要将除专业设备安装商的施工内容外全部体现在施工图中。在实际项目实施过程中,需要分别对项目中的设备、管、线等区分出工程界面。由于设备商、合同、采购等原因,不同的设备界面不相同,一个大型主题乐园中通常拥有数个此类大型游乐设施,这些设施都需要逐个分析界面。

图8 游乐单体电气设计施工流程图

某黑暗骑乘设备界面图如图9所示。项目中各电气管线及设备的施工界面都拆分为供应、安装、端接及测试三部分,分别以Supply、Install、 Connection的首字母代表。

图9 某黑暗骑乘设备界面图

图9中,乘骑设备大致分为两种模式:业主采购,总包安装,设备商端接及测试;业主采购,设备商安装、端接及测试。前者需要将相关设备管线设计到位,后者可以由设备商深化自行施工。

3.6.2 游乐设备供配电设计

游乐设备供配电系统设计时,需要考虑该设备疏散策略,即该设备是否可以随时随地地自主疏散游客。一些大型载具设备通常不具备自主疏散的能力,或一些设备受制于建筑疏散影响,在发生紧急情况时需要将游客输送至指定位置疏散,或需要将游客送回站台疏散。在这种情况下,游乐设备的电源的供电等级应不低于二级,其电源不应被消防立刻强制切除,也不建议使用延时的方式切除电源,如需切除的,需要火灾报警系统接收到疏散完成的反馈信号后再行切除。同时在这类情况下,除游乐设备主电源外,一些由其他供应商提供,可能会影响疏散的设备,如场景转换电动门等也需要同等考虑。

除发生火情外,还需要考虑发生断电事故的情况,根据设备情况考虑是否需要UPS或柴发作为其备用电源。