智能化建筑电气工程的设计与应用研究

陈 浩

（山东港通工程管理咨询有限公司，山东 烟台 264000）

1 工程概况

山东省烟台市某高层居民小区由10 栋32层的楼栋组成，单栋建筑高度为97 m，首层建筑高度为4.0 m，其余楼层高度为3.0 m，总建筑面积约18 000 m2，发电机房、弱电机房、消防控制室等设置在地下一层，地下室面积约19 500 m2，主要用途为停车库。小区人口多，对用电需求量大，总户数为1 700 户。智能化建筑电气工程设计主要分为弱电智能化设计和强电设计，具体设计内容如表1 所示。

表1 智能化建筑电气工程设计内容

按照建筑面积的不同，每户电气负荷容量可以分为3 种，分别为4、6、8 kW；公共电力负荷主要有物业公司用电、小区照明、电梯、车库照明等，公用照明负荷可取12 W/m2，每人给排水用电负荷约为0.028 kW，电梯用电负荷每户为0.3 kW。

2 智能化建筑电气工程的设计

2.1 建筑供配电系统的自动化设计

建筑供配电系统的自动化设计水平直接影响到建筑的能源利用效率和安全性，设计时需要考虑到建筑的用电需求、设备的功率和电气系统的可靠性[1]。通过使用智能电表、电力管理系统和智能配电盘等设备，可以实现对建筑用电的监测、控制和优化，以提高能源利用效率和电力供应质量。建筑供配电的自动化设计应能实现无人值守，运行和调度自动化，因此在设计中应优先选用先进的继电保护和自动控制技术，满足集中监视和控制的要求，微机保护装置具有向计算机监控系统提供保护动作信息的串行接口，并保证变电站微机保护的软硬件设备与监控系统相对独立，提供智能化和信息化的供配电方式。结合小区的住宅家用电器电容、周边环境以及楼栋布局等整体情况，自动化和智能化供电系统采用环网供电，在小区中心电网服务中心设置1 个开关站，沿小区平面逆时针方向均匀布置9 台箱式变电站，各变电站由10 kV 电缆线连接而成，如图1 所示。自动化和智能化配电系统采用两层结构形式的综合自动化结构，上层结构为通信管理层、下层结构为现场保护测控层，如图2 所示。

图1 建筑环网自动化和智能化供电系统

图2 建筑环网自动化和智能化配电系统

2.2 火灾报警与消防联动设计

在智能化建筑电气工程设计中，火灾报警与消防联动是关键的安全考虑因素[2-3]。通过使用火灾报警系统、烟雾探测器、火灾自动报警装置等设备，可以实现火灾的早期发现和自动报警，同时与消防系统的联动，以加强火灾应急处理和疏散指引，火灾详情传输至消防中心后，可以启动消防电气控制装置（气体灭火、防火卷帘、防火烟雾和消防栓水泵等），达到灭火消防的目的，设计的建筑电气工程火灾报警与消防智能联动系统。

在建筑电气工程火灾报警与消防智能联动系统中，布置地下室下方探测器与消防联动点为3 200 个，按照建筑防火区域以及探测器保护面积，每个探测区域的弹出面积效应500 m2，每栋住宅楼的探测器及联动点数为150 个。电气消防远程监控系统采用EF-ACS 控制系统，系统具备存储、数字显示、报警、查询和传输等功能，系统的电源由消防不间断电源供给，ACS 监控模块设置在配电柜内，运用RS485 通讯网进行传讯，EF-ACS 的监控范围和监控对象等如表2 和表3 所示。

表2 电气消防远程监控系统EF-ACS 的监控范围

表3 电气消防远程监控系统EF-ACS 的监控内容

2.3 建筑智能型防雷接地系统设计

在智能化建筑电气工程设计中，防雷设计是必不可少的一环。通过使用避雷针、接闪器和大地网等设备，可以有效地防止雷电引发的火灾和电气设备损坏，确保建筑电气系统的可靠性和安全性。一般的雷电防护装置主要由雷电接受装置、引下线和接地装置3 部分组成。其中，雷电接受装置负责将雷电引入系统，通常由避雷针、避雷带等接闪器构成；引下线负责将雷电电流从接闪器引入接地装置；接地装置则负责将雷电电流引入大地，使其流散。结合工程实际，为了确保防雷效果，研究设计了建筑智能型防雷接地系统如图3 所示，建筑智能型防雷接地系统主要由雷电防护系统（LPS）和LEMP 防护系统（LPMS）组成。系统中接闪器采用提前放射式避雷针和避雷带，采用热镀锌扁钢作为跨接带，并设在屋顶女儿墙中，避雷带连接网格小于20 m×20 m，所有金属突出物均与避雷带可靠焊接；引下线利用建筑物自身内部钢筋担任，考虑建筑物的高度（90 m），建筑内部密布的钢筋相互连接形成一个法拉第笼，超过30 m 的楼层每3 层楼均安装均压环，建筑中4 根主钢筋焊接为引下线，引下线间距小于25 m；为消除电位差和电位互通，接地极考虑智能建筑中众多的电子信息系统，建立一个公用的接地体与建筑法拉第笼完整地相连；内部变压器的避雷器选用串联间隙氧化锌避雷器；建筑智能电子信息系统采用浪涌保护器SPD 三级保护。

图3 建筑电气工程智能型防雷接地系统

在建筑电气工程智能型防雷接地系统中，为了提高系统传输的远程控制能力，设计智能型防雷接地系统的电流传输网络和路由，系统考虑变电所的增设情况，系统负荷率在70%～85%，确定最优潮流控制函数如公式（1）所示。

式中，f(x)为最优潮流控制函数；σ为一个较大的常数；x为最优潮流自变量。

供配电系统在受到雷电袭击时，根据防雷电接地的雷电流强度，考虑电热传输效应，接地电阻计算方法如公式（2）所示；配电变压器室小区变配电系统的核心设备，变压器与避雷器之间的允许最大距离如公式（3）所示[4]。

式中：ρ为土壤的电阻率；S为地网面积；L为接地体总长度；d为接地体的线直径；h为接地体的深度；Up为变压器的手冲击电压最大值；Ur为避雷器的残存电压；α为雷电波陡度；v为雷电波速度；Cr为变压器入口电容；C0为避雷器到变压器连线单位长度的电容。

综合计算后本研究中建筑的接地电阻大于4 Ω，变压器与避雷器之间的允许最大距离不超过23 m。基于设计的建筑智能型防雷接地系统，对防雷接地的输出电流衰减，并与传统的防雷接地方法进行对比，结果如图4 所示。

图4 建筑电气工程智能型防雷接地系统与传统防雷接地方法的雷击电流衰减倍数对比

从图4 中可以看出，在传统的防雷接地方法中，雷击电流衰减倍数范围为80～82 dB，运用建筑电气工程智能型防雷接地系统后，雷击电流衰减倍数得到了大幅度的提高，衰减倍数变化范围为101～105 dB，提高幅度约26%。

3 结语

以山东省烟台市某高层居民小区智能化建筑电气工程设计为例，研究了建筑供配电系统的自动化设计、火灾报警与消防智能联动设计、建筑智能型防雷接地系统设计，得到以下几个结论：

（1）为保证建筑供配电的自动化设计应能实现无人值守，运行和调度自动化，自动化和智能化供电系统采用环网供电，自动化和智能化配电系统采用两层结构形式的综合自动化结构，上层结构为通信管理层、下层结构为现场保护测控层。

（2）建筑电气工程火灾报警与消防智能联动系统通过使用火灾报警系统、烟雾探测器、火灾自动报警装置等设备，采用EF-ACS电气消防远程监控系统对异常信息进行监控并传输数据至消防联动控制器，触发消防设备机关，启动消防电气控制装置（气体灭火、防火卷帘、防火烟雾和消防栓水泵等），达到灭火消防的目的。

（3）设计的建筑智能型防雷接地系统主要由雷电防护系统（LPS）和LEMP 防护系统（LPMS）组成；相比于传统的防雷接地方法，运用建筑电气工程智能型防雷接地系统后，雷击电流衰减倍数得到了大幅度的提高，衰减倍数变化范围为101～105 dB，增加幅度约26%。