高层民用建筑改造工程电气设计探究

摘要：随着社会经济的稳步发展和国民生活质量的持续提升，现有建筑已难以满足公众日益增长的使用需求，因此对既有建筑进行翻新与扩建的需求日益凸显。在进行高层民用建筑的改造或新建工程时，必须充分考虑原有建筑的内外部条件限制，并严格遵循现行法规和标准，以确保工程质量和安全。高层民用建筑，对电气系统的设计与质量提出了极高的要求，直接关系到居住者的日常生活品质。由于高层民用建筑的广阔空间、多元结构以及复杂的高度层次，电气系统的规划布局必须充分考量其独特性。以保障电力供应的稳定性与整体安全性为首要目标，确保电力系统的持续稳定运作，从而满足居住者的日常用电需求。

关键词：高层民用建筑 改造工程 电气设计

中图分类号：TU976.1

Exploration of Electrical Design for High-Rise Civil Building Renovation Projects

ZHAO Yuqi

Tianjin Institute of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin， 300199 China

Abstract： With the steady development of social economy and the continuous improvement of the quality of life of the people， the existing buildings have been unable to meet the growing demand of the public， so the demand for renovation and expansion of existing buildings has become increasingly prominent. When renovating or constructing high-rise civil buildings， the internal and external conditions of the original buildings must be fully considered， and the current regulations and standards must be strictly followed to ensure the quality and safety of the project. High-rise civil buildings have extremely high requirements for the design and quality of electrical systems， which directly affect the quality of daily life of residents. Due to the vast space， diverse structure and complex height hierarchy of high-rise civil buildings， the planning and layout of electrical systems must fully consider their uniqueness. The primary goal is to ensure the stability and overall safety of the power supply， and ensure the continuous and stable operation of the power system， so as to meet the daily electricity needs of the occupants.

Key Words： High-rise; Civil buildings; Renovation engineering; Electrical design

随着城市化进程的加速和社会经济的快速发展，高层民用建筑在我国城市建设中扮演着越来越重要的角色。然而随着时间的推移，许多早期建造的高层建筑已经难以满足现代社会对功能性、安全性和舒适度的要求。在高层民用建筑的改造过程中，电气系统的设计和更新是一个核心问题。电气系统不仅关系到建筑的日常运行，更直接影响到居住者的生活质量和安全。然而，高层建筑的电气改造工程面临着诸多挑战，如原有建筑结构的限制、新旧系统的兼容性、不断更新的规范标准等。本文旨在探讨高层民用建筑改造工程中电气设计的关键因素和优化策略。通过分析内部和外部影响因素，提出基于PDCA循环的设计方法，并就电气接地、低压供配电系统和消防供电等具体方面提出优化建议。确保改造后的建筑能够满足现代社会的需求，提高建筑的安全性、舒适度和能源效率。

1 工程概况

该民用建筑总计16层，其中地上15层，地下1层，整体高度达到58.5 m。目前，二楼和三楼是本次改建的重点，这两层占地面积约为2 438 m2。过去，这些区域主要用作办公空间，但如今计划转型为教育基地。因此，需要对这些区域进行适应性调整和改造，以满足教学基地所需的辅助设施等需求。

在该建筑设施中，用电负荷被明确划分为二级和三级。具体而言，消防系统、电梯运行及供水泵等关键设备的用电被归类为二级用电负荷，而其余用电需求则被划分为三级负荷。根据原设计规划，建筑的主电源主要依赖于一条10 kV的高压供电线路，备用电源采用了柴油发动机发电设备。

2 高层民用建筑改造工程电气设计影响因素

2.1 内部因素：既有建筑实际存在的一些现场情况

在进行高层民用建筑改造的电气工程设计时，需要考虑5个核心内在因素，即建筑格局、建筑功能、设备运行及使用情况、设备用房的设置情况以及建筑基础设施需求。

2.1.1建筑格局

在建筑规划阶段，对于逃生路径、机械房位置及管线布局等关键要素进行周密的配置规划。根据现有的建筑法规，逃生路径的最大长度不应超过60 m，机械房应根据建筑高度和面积按照公式进行计算，其中为机械房面积，单位为m2，为建筑高度，单位为m，为建筑宽度，单位为m。

2.1.2建筑功能

在改造建筑区域的过程中，建筑用途的实质性转变是关键因素。例如：如果建筑由商业用途转变为居住用途，电力需求可能会从100 W/m2减少到50 W/m2，变压器容量需求也相应调整。这可以通过公式计算，其中 为总功率需求，单位为W，为面积，单位为m2，为单位面积功率需求，单位为W/m2。

2.1.3设备运行与使用情况

考虑设备的运行效率及其在建筑中的布置。以电梯为例，其能效标准可根据公式评估，其中为能效，单位为W，为载重量，单位为kg，为楼层数，为运行时间，单位为s。

2.1.4设备用房的设置情况

重点关注是否合理规划了实用性房间，包括发电机房、电力转换及分配室等关键设施。例如，发电机房应有足够空间容纳备用发电机，其最小面积可按计算，其中为发电机房总面积，单位为m2），为发电机数量，为单个发电机的长度，单位为m，为单个发电机的宽度，单位为m。

2.1.5建筑基础设施需求

传统高层民用建筑在设计功能上已难以满足人们在电力使用和基础建设等方面的实际需求。如燃气需求量其中为总燃气需求，单位为m3/h，是户数，为单户燃气消耗，单位为m3/h[1]。

2.2 外部因素：外部设计环境与投资建设方的需求

在进行高层民用建筑改造的电气工程设计时，考虑规范标准、建筑需求、建筑投资以及建筑周期因素至关重要。

2.2.1规范标准的变化

随着国家发展的不断深化，电气工程领域的标准规则也在持续演进。配电房必须满足最小面积要求，即m2，其中代表建筑层数。此公式确保了电气设备的安全和维护空间，减少因空间不足造成的安全风险。

2.2.2建筑需求的变化

人们对高品质生活的需求日益增强，影响到暖气、能量供给等电气设计方面。例如，现代高层住宅的电力需求比20年前增长了约50%，从60 W/m2增至90 W/m2。这一变化要求电气系统设计采用更高标准的负载计算方法，按公式计算，其中为总功率需求，为总使用面积，为单位面积功率需求。

2.2.3建筑投资

在高层民用建筑改造过程中，需要全面评价设计提案的成本，确保经济上的可行性。例如：初步预算可以通过计算预估的总成本，利用公式，其中为材料成本，为劳动力成本，为设计费用。

2.2.4建筑周期

每个高层民用建筑改造工作都需遵循预设的建设周期，并划分为多个阶段进行。例如：建筑周期可以按照工程进度公式来预测，其中为第N阶段所需时间。

3 基于PDCA循环开展高层民用建筑改造工程电气设计

3.1 计划阶段

在最初的规划中，改建后的场地面积、预期客流量、展出物品的特性和所需承担的功能等多方面因素，原办公空间难以满足作为展览馆的各项要求[2]。某高层民用建筑办公楼基本情况如表1所示。

3.2 执行阶段

现有变压器的额定容量理论上能够满足增加的用电需求以及配电设备的正常运行，然而该变压器的使用年限较长，其设备老化现象明显，效率损耗较为严重，已逼近安全使用的年限阈值[3]。该建筑物原设计二级负载能力为108 kW，目前实际运行设备装机容量为100 kW。

3.3 检查沟通协调阶段

在当前的环节，按计划分阶段进行更新工作，目前正处于第一阶段。针对之前提出的3个计划，进行如下分析。

3.3.1方案一

该计划在执行后的运营与维护流程将相对简化，同时其成本效益和可靠性也较为优越。但从工程技术的视角出发，该建筑物的主要电力消耗达到108 kW。若按照计划从市政电网中引入一条10 kV的供电线路，其成本效益并不理想，且在实际操作中存在一定的难度。

3.3.2方案二

根据本计划，该建筑的空调系统需要进行翻新，并计划拆除锅炉设施以及新建柴油机发电空间，满足本次改造的需求。然而在完成成本预算后，现阶段的更新改造将仅限于教学基地的空调系统，该建筑系统更新计划将推迟至第二阶段工程。地下室内的空间无法满足通风与排烟的需求，同时地表红线区域内也不具备建立柴油发电设施的条件，因此本次改造将重点关注和保障重要电力负荷的连续性和可靠供电。

3.3.3方案三

经过对前述2套计划进行详尽的评估、校验以及确认后，更新变配电设施、整修建筑空调系统以及重建柴油发电机房等重要工作，纳入改造工程的第二阶段。在第一阶段的改造工作中，主要聚焦于教育基地供配电系统的稳定与安全，选用了动力型EPS作为备用电源。

3.4 实施阶段

本次改造工程建设与启用过程中，原计划未进行任何根本性的变更或调整，因此，最初的3个实施步骤被证实是切实可行且有效的。

4 高层民用建筑改造工程电气设计优化策略

4.1 电气接地

在高层民用建筑改造施工过程中，接地联接器的设置应与配电网的接地结构协调配合，并需依照电器柜内的预先规划进行妥善安置。对于高电压系统，应采用中性点接地法作为接地技术方案。在安全地线作业时，当连接边缘装置与金属性质构件时，应通过PE线缆来确保高层建筑构建稳固的安全地线连接。

4.2 低压供配电系统设计

该建筑在采用单线母线供电体系的基础上，若计划向某低压交流配电房引入10 kV的城市供电，为确保系统稳定可靠运行，可以配置两台功率相当的变压器。其中一条供电线路遭遇断电故障时，另一条线路能迅速接管，确保不间断供电。在进行电线铺设工作之前，需要对线路的类别和数量进行全面掌握，以确保不会对后续的建设工作产生不良影响。

4.3 消防供电

消防系统系由电子与电气两类设施深度融合而成，其中电子设施以自动火警系统为核心，电气设施则以升降机、灭火泵等关键设备为支柱。在系统设计过程中，必须严格遵循既定规范，以确保系统各项功能得以充分发挥。当前，电源系统的构建主要采取两种策略，即紧急备用电源与主要技术用电源的结合运用，二者能够实现自动切换，从而确保电源供应的连续性与稳定性[4]。

5 结语

总而言之，在进行高层民用建筑改造工程电气设计时，相关工作人员需要严格遵守国家相关的标准，充分考量高层民用建筑实际状况，制订切实可行的规划方案。方案的实施需经过规划、执行、检验以及沟通协调4个阶段，确保每一步都得到有效执行。基于PDCA流程管理，可以确保高层民用建筑改造工程能够按照既定目标顺利推进，实现预期效果。

进行计算，其中为机械房面积，单位为m2，为建筑高度，单位为m，为建筑宽度，单位为m。计算，其中 为总功率需求，单位为W，为面积，单位为m2，为单位面积功率需求，单位为W/m2。评估，其中为能效，单位为W，为载重量，单位为kg，为楼层数，为运行时间，单位为s。计算，其中为发电机房总面积，单位为m2），为发电机数量，为单个发电机的长度，单位为m，为单个发电机的宽度，单位为m。其中为总燃气需求，单位为m3/h，是户数，为单户燃气消耗，单位为m3/h[1]。m2，其中代表建筑层数。此公式确保了电气设备的安全和维护空间，减少因空间不足造成的安全风险。公式计算，其中为总功率需求，为总使用面积，为单位面积功率需求。，其中为材料成本，为劳动力成本，为设计费用。来预测，其中为第N阶段所需时间。参考文献

[1] 濮星海，薛帅，钟岚.接地网技术在建筑电气设计中的应用[J].工业建筑，2023，53（7）：250.

[2]杨林.基于PLC的建筑电气自动化控制技术研究[J].工业建筑，2023，53（4）：237-238.

[3] 彭亮.高层民用建筑改造工程电气设计的应对策略研究[J].建材与装饰，2020（20）：86，89.

[4] 吴学娟，刘冰.高层民用建筑改造工程电气设计的应对策略[J].建筑电气，2020，39（3）：19-22.

[5] WANG L .Electrical Fire Safety Considerations in the Fire Protection System Design of High-rise Buildings[J].International Journal of New Developments in Engineering and Society，2023，7（8）：23-25