某科技馆电气系统设计

李 翠

[奥雅纳工程咨询(上海)有限公司,上海 200032]

0 引 言

本项目位于杭州市,是一座科技馆功能的公共建筑项目。建筑方案别具一格,屋盖系统采用张弦结构,形成张弛有度的扇面造型,混凝土墙面与桁架屋面材质的变化形成了强烈的视觉冲击,科技馆建筑采用清水混凝土材质,清雅厚重。

项目总用地面积为17 425.00 m2,总建筑面积为14 870.36 m2,包括主馆和副馆,其中主馆建筑面积约为12 779.15 m2,功能为科技馆,副馆建筑面积约为1 909.41 m2,功能为阅览区。主馆为5层的展览空间及后勤办公区,其中,3～5层为挑空的开放展厅,副馆为第二层的开放式阅览区。主馆采用框架结构,副馆采用框剪结构,主馆及副馆上部为整体钢结构屋盖。

1 供配电系统设计

1.1 负荷等级及供电电源

本工程属于大中型博物馆[1],为多层公共建筑[2],其中,消防负荷用电、电信机房用电、科技馆运营管理用计算机系统用电、安保系统等用电按一级负荷要求供电,乘客电梯及自动扶梯用电、空调用电、展厅照明、主要通道及楼梯间照明、阅览厅通道照明、生活水泵、排水泵为二级负荷,其他均为三级负荷[3]。

本项目从上级电业开闭所引入两路10 kV双重电源,两路电源同时工作,当一路电源故障时,另一路电源不应同时受到损坏;当一路电源故障时,另一路电源满足项目内所有一、二级负荷的用电需要。火灾自动报警系统及安防等弱电系统设置UPS电源,备用时间为3 h。

1.2 变配电所的设置

不同功能区域的功率密度取值如表1所示。

表1 不同功能区域的功率密度取值

关于充电桩设备的供电,本工程仅考虑展馆室外地面充电桩的用电,而地下充电桩用电由地下空间设计单位负责设计,电源引自地下空间变电所。

本工程在一层设置电业开闭所,由供电部门设计。用户高低压变电所设置于地下一层,变电所区域净高7 m,采用下进下出方式,变电所下方设置高0.8 m的电缆沟。电缆沟内采取排水措施,通过排水管接至邻近集水井,并采取变配电所区域局部地坪抬高的方式,同时变配电所外邻近处设集水井,以预防洪水、消防水或积水从其他渠道淹渍变配电所[4]。变配电所内设机械进、排风设备,设置2台容量为1 600 kVA的变压器。科技馆主要的负荷容量如表2所示。

表2 科技馆主要的负荷容量

科技馆两台变压器的负载率约为75%。

1.3 高低压变配电系统

10 kV中压主接线采用单母线分段方式,中间不设联络开关。

0.4 kV低压主接线采用单母线分段,设母联开关,采用手动联络方式,设置电气及机械联锁,平时分列运行,当一路10 kV电源故障或10/0.4 kV变压器故障或检修时,由另一台10/0.4 kV变压器承担所有的一、二级负荷。

其中,消防负荷(消防水泵、防排烟系统、火灾自动报警系统、防火卷帘等)、科技馆经营管理用计算机系统用电、弱电系统用电为一级负荷。生活水泵、排水泵、展厅照明、展陈用电、主要通道照明用电、乘客电梯用电、副馆阅览厅照明用电为二级负荷。其他为三级负荷。展陈用电容量主要参考展陈顾问用电提资。

用电负荷采用放射式和树干式相结合的配电形式供电,一级负荷采用双电源供电,并在末端配电箱处切换供电,二级负荷采用双电源供电,三级负荷采用单电源供电。

主馆与副馆分别设置独立的垂直竖井以便管线敷设及管理。主馆在展厅区域和后勤办公区域分别设置强电竖井,配电干线在地下一层引出科技馆变电所,然后引入主馆强电竖井内。主馆的一层、二层为挑空两层的科技展厅,三层、四层、五层为挑空三层的开放展厅,展厅的不同区域高度错落,为呈现出开放展厅通透、明亮的建筑效果,五层展厅大部分区域上方为钢架与玻璃相结合的屋盖,同时,屋盖的钢架、拉索、支撑等均为明露设计,为体现结构的张力之美,并未设置吊顶空间供机电管线穿越,因此在考虑配电管线的路由时,也需充分结合室内建筑及结构专业的设计特点及效果要求。主馆服务一层、二层科技展厅的配电回路经二层高位敷设,服务三层、四层、五层开放展厅的配电回路则考虑结合错落的建筑高度及屋盖造型,部分经四层高位敷设,部分沿屋盖桁架方向敷设。主馆剖面图如图1所示。

图1 主馆剖面图

因副馆投影下方的地下一层属于其他管理方负责的功能区域,且副馆与主馆在地上并不联通,配电干线在地下一层引出科技馆变电所后,无法在地下一层或地上各层引入副馆强电竖井,因此副馆的配电干线采用在室外地面埋地敷设的方式引入副馆[5]。主馆及副馆剖面图如图2所示。

图2 主馆及副馆剖面图

1.4 太阳能光伏发电系统

本工程在电气设计中采取了诸多绿色技术措施,以达到绿色建筑三星级标识,在“碳达峰”“碳中和”目标的时代背景下,降低科技馆能耗,降低建筑运营碳排放。

其中,在可再生能源的选用上,通过与建筑一体化设计、同步实施的方式,设置1套太阳能光伏发电系统,装机容量为136 kW,采用并网型系统形式。

方案设计阶段,根据本项目建筑的使用功能、建筑结构形式、建筑幕墙设计特点,对采用光伏采光屋面进行了充分论证。结合项目屋面采用钢架与玻璃相结合的幕墙设计特点,因地制宜地采用薄膜型光伏电池,同时与建筑幕墙玻璃材料复合,利用屋面玻璃幕墙作为光伏发电系统。

通过对不同光伏玻璃的技术及经济比选,确定采用通透性及经济性较好的碲化镉光伏玻璃,根据屋面不同区域对透光率的要求,分别采用透光率为20%及40%的光伏玻璃,兼顾满足承载、保温、隔热、防水及防护要求,并可更好地和建筑外观保持协调统一。碲化镉光伏发电玻璃发电功率计算如表3所示。

表3 碲化镉光伏发电玻璃发电功率计算

光伏玻璃与屋面其他玻璃未设置明显的分界线,采用均匀、渐变的方式分散设置于屋面。碲化镉光伏玻璃屋面效果图如图3所示。

光伏发电玻璃经光伏汇流箱就近汇流后接入逆变器,汇流箱及逆变器设置于五层强电间内,选用3台逆变器。集中并网,并网点设置于变电所经并网柜并入低压配电母排,供本项目负荷使用。

设置光伏发电监测系统,对环境信息和光伏系统电参数进行监测,如环境温度传感器、光伏组件温度传感器、直流侧和交流侧的电压、电流、发电量等数据。监测系统同时以通信接口形式接入科技馆楼宇自控系统。

光伏系统的直流线路及通信线路采用金属线槽在屋面网架内敷设。线槽路由与屋盖结构的桁架统一,主桥架沿次桁架方向(纵向)吊装,分支桥架沿主桁架方向(横向)吊装于主桁架铝框内,并在铝板上每隔10 m设置1个可开启检修口。在线槽涂漆颜色选用上也与桁架一致,以较好地契合屋盖效果。光伏玻璃正负极组串连接的分支线埋入胶缝内,就近接入主桁架的光伏分支线槽。

本项目室外屋面强度允许工人行走,“扇骨”处布置屋面行走蜘蛛人绳索点位,供后续蜘蛛人安全作业及屋面光伏清洗工作。室内挑空展区屋面下方的设备安装、布线、灯具检修等则通过设置提升高度为20 m的登高车,提升后进行操作维修。

2 防雷接地系统设计特点

经过防雷计算,本建筑属第二类防雷建筑物。按照第二类防雷建筑设防[6]。

2.1 接闪器设计

钢结构屋盖为由人字钢柱和11榀平面主桁架组成的扇面空间结构,主桁架模仿折扇展开的规律,11根主桁架中有6榀桁架(每间隔1根)在中部交汇区贯通,其余5榀中部交汇区截断。6榀贯通桁架两两交叉,形成三组桁架上下错层搭接。主馆区域桁架与人字柱45°斜交,副馆区域桁架与人字柱平行设置。结合以上结构体系特点,设计上利用屋盖的金属桁架作为接闪器,根据结构设计,金属桁架采用3 m高工字钢。将所有金属桁架进行可靠连接,形成持久的电气贯通。桁架下方不设置易燃物品,铝板的厚度不应小于0.65 mm,桁架无绝缘被覆层。桁架组成的网格不大于10 m×10 m或12 m×8 m。

2.2 引下线设计

利用科技馆结构人字柱及结构柱主筋做防雷引下线。根据结构专业设计,人字柱采用圆钢管材质,人字柱与屋面桁架间应有持久的电气贯通。人字柱截面不应小于100 mm2,相关需求向结构专业进行提资。人字柱距地面2.7 m以下的导体采用耐1.2/50 μs冲击电压100 kV的绝缘层隔离,或用至少3 mm厚的交联聚乙烯层隔离用护栏、警告牌,以降低接触防雷引下线的可能性。

3 结 语

科技馆建筑须根据展陈设计进行供配电系统的设计,同时本项目结合玻璃屋顶的幕墙形式,选用适配的光伏发电玻璃,并设置太阳能光伏发电系统,通过可再生能源的利用有效实现了绿色和节能设计。本项目充分利用了屋面结构桁架作为接闪器,引下线部分利用结构钢柱,可与建筑专业的外观效果要求较好统一。