浅谈上海地区中小学电气设计

夏 婷 婷

(上海浦东建筑设计研究院有限公司, 上海 200125)

0 引 言

随着国家以及民众对于教育事业的重视,愈来愈多的教育建筑设计任务接踵而来。中小学建筑作为基础教育的主战场,虽规模不大,建筑形态不复杂,但却存在着特殊性。现从供电形式、室外管线敷设方式和路径、学校照明配电设计等方面来阐述中小学校对于电气设计的要求。

1 项目概况

本项目位于临港重装备产业区,由一所45班制的小学及36班制的初中组成,总占地面积67 861.9 m2,总建筑面积76 197.5 m2,由教学楼、宿舍楼、图书馆、风雨操场等单体建筑组成。

2 供电形式

本项目消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散标志、防烟及排烟设施、消防水泵、电动的防火卷帘、剩余电流火灾报警系统,排污泵、生活水泵、自用变电所、水泵房、消防用房等用电负荷为二级,教学楼通道照明、食堂设备、冷库、主要操作间备餐间照明、弱电系统、电梯、车库照明等用电按二级负荷供电;其他一般照明、空调、动力按三级负荷供电。本项目采用10 kV高压供电,在一层设置1座10 kV变电所,自电业站申请两路10 kV市政电源进线,埋地敷设至10 kV变电所,变电所内配置变压器2×1 600 kVA,合计变压器总配置容量3 200 kVA(两地块分别设置)。

在以往设计中,较多在变电所低压出线侧即将配送至单体建筑的消防及非消防负荷分开供电,该供电方式清晰明确,各线路相对独立,可靠性较高,但中小学地块内单体较多且较为分散,此方式存在管线敷设施工及成本压力大,低压柜出线多,出线柜数量增加等问题,故在此次设计中采取消防与非消防设备合并采用总箱供电及独立供电的综合形式。

以初中2#楼风雨操场、3#宿舍楼及地下车库为例,优化后变电所低压侧减少7个出线回路,低压柜也相应减少两台,管线敷设压力及用户变电所面积使用紧张程度均有较大改善。初中各单体配电干线图如图1所示。为了避免消防与非消防设备合并供电影响消防设备的可靠性,采取以下相应措施:

(1) 所有单体建筑合用总箱供电电缆(除埋地外)均采用矿物绝缘电缆(其耐火温度及持续供电时间不应低于950 ℃及180 min。),以避免发生火灾时因电缆烧毁损坏造成消防设备失电。

(2) 由于2#楼、3#楼消防设备仅为应急照明及个别小风机,消防用电占总箱总容量的比例有限。2#楼消防设备用电量为6 kW,总用电量为247 kW(常用电源)/74 kW(备用电源);3#楼消防设备用电量为23 kW,总用电量为108 kW(常备一致)。总断路器整定电流为消防设备额定电流的数倍。两栋单体均设置了火灾自动报警系统,火灾时能可靠确保非消防设备电源切断,在此前提下即使消防设备过载,其过载电流值也远小于总断路器的动作值,故总箱断路器采用热磁式,消防设备供电回路断路器采用单磁式,确保了发生火灾时消防设备的可靠性及日常用电安全。

(3) 对于消防设备集中,总电量较大的地下车库,仍采用消防与非消防设备分别供电的形式。

3 室外管线敷设路径

中小学建筑项目一般由几个分散的单体组成,地下车库范围无法覆盖所有子项,各系统管线无法在地下室内经由桥架敷设至各单体,均采用室外电缆埋地敷设。随着国家“双减”政策的推行,学校对于室外活动场所的需求越来越高,留给室外管线敷设的空间也越来越有限。

以本项目小学部分为例,学校变电所设于4#楼图书馆内,至1#楼、2#教学楼、3#报告厅、5#风雨操场、6#门卫、7#垃圾房的配电电缆共计22根,而项目局部室外跑道与建筑之间的距离不足1.7 m,此区域内需敷设雨污水管及强弱电管线,仅雨污水管所占水平空间便达到1.5 m,电气管线已无敷设条件,故必须采用其他措施以满足室外综合管线敷设要求,本项目除门卫及垃圾房外各单体之间均有风雨连廊连通,连廊最小宽度约为2.5 m,故经与相关专业协商后,强电室外管线敷设路径改为由变电所经桥架沿风雨连廊敷设至各单体配电间,各系统桥架平铺敷设,桥架均采用室外防腐型,经过优化后,经室外埋地敷设的配电电缆由22根减少为3根(仅门卫、垃圾房及室外雨水设备供电),供电距离分别由95,79,92,208 m调整为98,61,87,114 m(变电所至1#楼、2#楼、3#楼、5#楼),仅电缆材料成本就节省造价的约14%,大大降低了室外管线的敷设工作量及难度,也为日后学校体育运动场所的扩展提供了有利的条件。本地块共有3处弱电机房:(1) 安防兼消防控制室:集中管理本地块的安保、消防报警、广播、BA等弱电系统,位于5#风雨操场。(2) 弱电机房:综合布线、电视电信的线缆进线汇聚中心,位于2#教学楼。(3) 网络控制室:作为综合布线、电视电信的管理服务器存放区,位于1#教学楼。

由于弱电智能化系统存在较多室外设备点位(视频监控、室外广播、电子围墙等),须确保室外路由贯通,且弱电线缆可采用共管敷设方式,故弱电外线仍采用室外埋地敷设方式。

4 教室电气设计

4.1 教室配电

结合GB 50099—2011《中小学校设计规范》[1]及JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》[2],进行如下设计:(1) 在每个普通教室及专业教室设置教室配电箱,为教室内的照明及插座回路供电。本项目中的空调采用集中空调形式,为满足分项计量要求,空调内外机电源均引自楼层空调配电箱,不与教室照明箱混用。(2) 在各教室的前后墙上设置1组220 V二、三孔组合电源插座,并在教室顶棚处预留投影仪电源。(3) 除上述要求外,化学、物理实验室内需预留直流电源,物理实验室教学演示桌处设置380 V电源插座;在生物、化学实验室侧墙处设置排风扇,在化学实验室配电箱内预留实验桌排风设施,该设施可结合后续教室另行安装,需要注意的是,其控制开关应设于教室实验桌内。计算机教室根据课桌排布在每个座位旁设置计算机电源插座,每个插座回路数量不超过5个,计算机插座回路采用电磁式漏电保护断路器。(4) 依照上海市《防静电技术规则》,计算机教室按照防静电工程标准中的三级标准,须确保教室内静电电位绝对值不大于1 000 V,当不满足要求时,可采用铺设防静电地板、地板树脂涂料地面等措施;多媒体教室的配电尽量保证三相平衡,在设备选择时应采用高功率因数的产品,进而保证电源电压的电压偏差不超过额定电压的±5%,必要时增配稳压电源。

4.2 教室照明

随着电子产品的广泛使用,学生近视、弱视、屈光不正等视力问题朝着低龄化、普遍化发展,改善教室的照明质量是教室电气设计的重中之重。综合上海市DB31/T 539—2020《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》[3]、GB/T 36876—2018《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求要求》[4]、T/JYBZ 005—2022《中小学教室照明技术规范》[5]以及浦东新区教委等相关国家、地方标准,教室灯具的色温范围为3 300～5 300 K,普通教室照度为300 lx,美术教室及实验室照度为500 lx,功率因素不低于0.95,显色指数不低于80(美术教室为90),统一眩光值不超过16,使用LED灯具(浦东新区教育局统一要求采用LED灯具)时,功率密度指标不应高于1.8 W·m-2。

普通教室照明设计平面图如图2所示。

图2 普通教室照明设计平面图

(1) 教室灯具:采用40 W护眼LED灯盘,光通量为3 600 lm,采用SMG光源,无频闪,无蓝光危害,标准教室布置3行3列共9盏教室灯具,灯具长轴垂直于黑板,以沿侧窗平行的控制原则用1组三联开关对3列灯具进行控制,灯具采用吊杆安装,距地面2.8 m,距课桌约2.1 m。教室内设置6台风扇。为避免灯具出光面高于风扇,风扇叶片旋转时遮挡灯具对座位的照明,设计采用0.6 m带防护网罩的吸顶扇贴吊顶安装。

(2) 黑板灯:采用40 W护眼LED黑板灯,光通量为3 500 lm,采用SMG光源,无频闪,无蓝光危害,标准普通教室长约4 m,一般采用3盏黑板灯,采用非对称光强分布特性的专用灯具。黑板灯配光曲线图如图3所示。

图3 黑板灯配光曲线图

灯具安装位置应不在教师站姿眼位处,避免产生眩光影响,灯具长轴与黑板平行,常规采用吊杆安装,与黑板面平面间距宜为0.7～0.8 m,距黑板上缘垂直距离0.2 m。需要注意的是,黑板灯应分多个回路控制,每个灯具应由单独回路开关控制,以便根据实际光照情况进行调节,在实际设计中经常出现整组黑板灯由1个开关统一控制的问题。

(3) 大部分的规范仅对测量公式及限值做要求,而未对测量对象做细化说明,不少设计人员都存在疑惑。GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[6]规定“教育建筑中照明功率密度限制的考核不包括专门为黑板提供照明的专用黑板灯的负荷”。T/JYBZ 005—2022《中小学教室照明技术规范》[5]对于功率密度测量计算指出,“进入教室现场使用电能质量分析仪分别对教室内所有教室灯具(书写板灯除外)的实际功耗进行测量”。由此可知,在计算教室平均功率密度时不应计入黑板灯具。由于黑板灯的服务对象仅仅是黑板,在进行照度计算时不应考虑黑板灯对讲台及教室其他区域的照明加成效果,故在计算教室面积时也不应扣除讲台区域的面积。T/JYBZ 005—2022《中小学教室照明技术规范》[5]将计算教室功率密度时所采用的面积“S”的定义为“根据业主方提供的平面图纸或现场丈量计算出教室实际面积”,这也验证了该看法。经过照度及功率密度计算可得,此次设计中标准型普通教室课桌面平均照度为312 lx,功率密度值为5.1 W·m-2,均能满足要求。同时,教室及黑板照度均可采用dialux照明设计软件进行模拟计算,经验证,照度满足要求。教室照度分布示意图一如图4所示。教室照度分布示意图二如图5所示。

图4 教室照度分布示意图一

图5 教室照度分布示意图二

5 与其他专业之间的配合与协调

本项目为装配整体式框架结构,并要求在一次设计阶段即配合各精装点位落实到位。为减少施工工程中因各专业点位碰撞、管线冲突等原因造成的施工误差及返工问题,此次设计将点位及管线设计的“拍图”阶段前置,即在设计启动阶段先确定好点位布置、避让原则,以最大程度地避免返工及设计变更,为建设方减少成本及施工周期。

主要单体的预制混凝土构件概况如下:二层至平屋面层采用叠合板及叠合梁构件;二层至四层采用预制柱构件。结合实际情况本次设备点位设计做了如下考虑:

(1) 在确定水平点位时,需考虑灯具点位的美观协调,并满足照度及功率密度要求,以达到节能及实际使用需求;结合灯具位置,综合考虑吊顶天花视觉及使用效果设置空调室内机和电风扇点位;最后进行火灾自动报警探测器的点位设计,确保探测器满足至墙壁、梁边的水平距离不小于0.5 m,至灯具等其他遮挡物的水平距离不小于0.5 m,且在满足保护半径的前提下,尽量保证点位布置的经济性、合理性,其余广播、视频监控、无线AP等点位按需布置,避开已有点位即可。

(2) 此次竖向装配式预制构件仅为预制柱,故在竖向点位设计时应尽量避免将设备点位布置于柱面,对于无法规避的情况,应事先确保各竖向安装高度不存在冲突。实际制图时,发现多处应急照明疏散指示、壁装式应急照明灯、火灾声光报警器、手动报警按钮设于同一柱面且为满足安装距离要求无法水平移至就近非预制墙面上,故将以上设备的安装高度分别定为底边离地0.5,2.5,2.4,1.5 m,且设备安装中心位置位于同一竖向中心线上。

(3) 本项目教室、实验室、办公室等区域采用矿棉板/石膏板吊顶形式,走道等公共区域采用裸顶形式。对于非吊顶区域的顶面点位需按一对一设置原则逐个预埋接线盒。吊顶区域内的顶面点位可采用多个点位预留一个预埋接线盒,其余点位采用金属管直接在吊顶内明敷到位的做法。

本次设计强电主干线及教学楼内的强弱电线缆主要采用电缆桥架/线槽沿风雨连廊/开敞走廊集中敷设至各单体配电间及各教室、办公室内的末端点位。以上建筑区域均采用裸顶设计,经与建筑结构专业商讨后,将连廊中的部分主梁上翻,两侧封边梁底标高定为结构梁下30 cm,此段高差作为桥架及线槽的安装预留高度空间,这样既对外管线有一定的保护效果,又避免了因为管线裸露问题影响整体建筑美观度。

6 结 语

中小学教育建筑并非行业传统观念中的难点项目,然而社会各界对该类项目功能及使用效果要求正在逐步提升,设计师在设计工作中仍有不少需重点关注及解决的问题。本文结合了国家、行业规范,当地各要求及项目实际情况进行了总结及思考,从供配电形式、室外管线敷设方式和路径、学校照明配电设计及与其他专业之间的配合与协调等几个方面进行探讨,对类似项目的工程设计、实际现场施工提供一定的参考。