某中学电气节能设计要点

顾 春 雷

(南京长江都市建筑设计股份有限公司, 江苏 南京 210002)

0 引 言

随着国家“双碳”目标和“十四五”高质量发展目标的提出,学校项目的建筑电气应该更加重视节能设计。电气化是建筑行业发展的必然方向。建筑电气从传统建筑配电转向智能配电、直流微电网、光储直柔技术等方向发展,成为推动绿色电气节能措施的有力手段。

1 项目概况

该校位于江苏省南京市,按20轨60班高中进行设计,地上总建筑面积约为9.2万m2,地下建筑面积约为3万m2。校区被市政道路分隔为A、B两个地块,地面设置过街天桥连通,地下一层设置连通道互相连接。A地块建筑分布情况:教学综合楼地上7层,建筑高度37.6 m;教学实验楼地上5层,建筑高度23.7 m;食堂风雨操场地上3层,建筑高度23.8 m。B地块建筑分布情况:国际交流中心地上10层,建筑高度49.1 m;学生宿舍地上9层,建筑高度37.8 m;礼堂地上3层,建筑高度23.2 m。消控室兼视频监控中心设置在教学综合楼一层,高压中心站、用户变均设置在地下一层。整个校区采用分体空调及VRV空调的形式。

2 负荷等级

本工程地下室为Ⅰ类汽车库;教学综合楼为二类高层建筑物;学生宿舍楼、国际交流中心为一类高层建筑物;教学实验楼、风雨操场与食堂、礼堂均为多层建筑物。按照GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[1]附录A及JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》[2]第4.2.2条规定,主要用电负荷分级如表1所示。

表1 主要用电负荷分级

一级用电负荷应由两个电源供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏;每个电源的容量应满足全部一级、二级用电负荷的供电要求。二级用电负荷应由两个引自不同变压器低压侧的回路供电。三级用电负荷采用单电源单回路的供电方式[1]。

正确认识各用电负荷等级分级,采取适配的供电方式,并按经济电流密度选择供电线路截面,这样既能满足用电设备的供电可靠性、合规性,也能有效节省电器元件、线缆成本,是主动式节能的一种有效方式。

3 变配电系统

校区占地面积较大,且被市政道路分为两个地块,需根据供电半径及用电负荷容量设置1座高压中心站、3座用户变。高压中心站规模为2进6出,高压不联络,设置在A地块内靠近B地块的位置。A地块南侧设置一处1#用户变(规模为2×1 600 kVA),为教学综合楼及南侧地下室等负荷供电,变压器负载率为76.5%;北侧设置一处2#用户变(规模为2×1 250 kVA),为教学实验楼、食堂风雨操场及北侧地下室等负荷供电,变压器负载率为82.7%;B地块居中设置一处3#用户变(规模为2×1 250 kVA),为学生宿舍、礼堂、国际交流中心及B地块地下室负荷供电,变压器负载率为81.8%。

从市政电网引来双重20 kV电源,满足一级负荷供电要求。各用户站内的20 kV高压配电系统采用线路变压器组接线,两路电源同时工作,互为备用;0.4 kV侧为单母线分段设母线联络,三锁两钥匙,平时分列运行。经与校方沟通得知,该校常年作为高考考点,对考场区域的照明、广播、电子屏蔽仪、电子时钟等供电可靠性要求较高。在变电所0.4 kV低压母线段预留应急电源接驳口,以供移动式柴油发电车接入。供配电系统接线图如图1所示。

图1 供配电系统接线图

根据学校用电规律特性,宿舍、食堂与教学

楼用电不考虑同时使用,计算得知校区变压器总配置容量为8 200 kVA,装机负荷指标为67.2 VA/m2。此数值比19DX101-1表3.31给出的中小学用电指标高出不少(12～20 W/m2),究其原因在于该表数据为早期制定,未计入空调、厨房用电等负荷,难以满足当今中小学的实际用电需求。

该项目选用SCB14型及以上节能环保型、接线组别为DYn11的干式变压器,符合GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》表2中定义的二级能效等级,满足GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[3]第3.3.1条规定的电力变压器能效等级应高于三级的要求。变压器低压侧设置低压无功补偿装置,补偿后高压供电进线处功率因数不小于0.95。无功补偿装置具过零自动投切功能,并有抑制谐波和抑制涌流功能;分相补偿容量不小于总补偿容量的40%。

表2 主要场所的照明节能指标

低压配电设置一套4S能源设备一体化管理系统,实现建筑的设备监控、电力监控、照明控制、剩余电流检测、用能计量、建筑环境检测、能效管理等建筑监控和管理功能,并支持电梯、安防等系统接入。系统末端采用强弱电一体化控制箱(柜),将建筑设备控制系统通过网络进行相互连接,实现大数据联动控制,全方位提升智慧校园的安全配电品质要求。

4 照明节能设计

照明设计力求做到与装修设计完美结合,灯具美观大方,光源采用高效节能灯、T5荧光灯、LED灯等。荧光灯采用电子镇流器,功率因数为0.9以上,光源显色性大于80,色温范围为3 300～5 300 K。灯具选用高效型,一般工作场所的灯具效率不低于75%。各工作场所的照明照度值按国家规范要求选定。主要场所的照明节能指标如表2所示。

本项目中的教室、实验室、电子阅览室选用36 W吊装式LED护眼教育灯盘,光效高达95 lm/W,灯具光生物危害风险组别为 RG0,单灯UGR小于16,频闪波动深度<1%,特殊显色指数R9>60。

报告厅、剧场、风雨操场、地下车库等大空间场所及公共走道均采用智能照明控制系统,可按时间或照度等条件进行照明控制。楼梯间、前室等类似场所安装声控(红外)延时开关就地控制,可根据校方管理需求接入智能照明控制系统;教室、办公室、变电所、强弱电间(井)、设备机房等功能性房间的照明采用开关面板就地控制。房间或场所装设有两列或多列灯具时、按所控灯列与侧窗平行方式分组控制。景观照明采用智能照明控制系统,分节能模式、日常模式、节假日模式进行控制,对不同用途的回路分组,实现多时段、多场景自控。

5 宿舍用电管理

GB 50099—2011《中小学校设计规范》[5]中第10.3.7.3条:“学生宿舍居室用电宜设置电能计量装置”,本项目每间宿舍配电箱内均设置1只预付费式单相电子电能表[5]。该表具有1路电源进线,3～5路可远程单独控制配出回路起停的功能,既可实现电能数据远程集中计量,也可实现对宿舍照明、插座、空调等用电设备的控制和管理,是一种有效的宿舍用电终端管理系统。

本项目中标准宿舍为4人间,结合JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》中第5.2.7条要求,宿舍每居室普通电源插座的数量按2组/床位配置,每组为1个单相二三孔带USB口插座[2]。壁挂空调、洗衣机、洗手盆、智能马桶、电热毛巾架等处均设1个专用电源插座,卫生间淋浴区设有1个浴霸。考虑学校宿舍用电管理需要,空调和风扇电源宜独立回路,与照明、插座等用电负荷分时控制,确保夜间熄灯管理时段能正常使用。综合宿舍用电负荷性质、单回路安装容量、用电管理需求等因素。标准宿舍配电箱系统图如图2所示。

图2 标准宿舍配电箱系统图

6 光伏发电系统

GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中第5.2.1条:“新建建筑应安装太阳能系统”[3]。DB 32/3962—2020《江苏省绿色建筑设计标准》中第3.0.6条:“政府投资公共建筑和大型公共建筑应至少利用一种可再生能源”;第10.1.2条:“政府投资公共建筑和大型公共建筑利用可再生能源仅采用太阳能光伏系统提供电量时,其总功率不应低于建筑物变压器总装机容量的0.2%”[6]。南京属于太阳能资源比较丰富地区,年均计算日照小时数达1 217 h,本项目各栋建筑屋面空间开阔,具备大量安装太阳能的条件。而DB 32/3962—2020《江苏省绿色建筑设计标准》中第9.5.1条提出学校夏季太阳能最丰富时放假,无热水使用需求,不能充分利用太阳能。因此,本项目仅装设屋顶分布式太阳能光伏系统作为可再生能源利用措施,总装机容量为425.4 kWp,年均理论发电量约为43.9万kWh。系统形式为用户侧低压并网交流光伏发电系统,不设储能装置,运营模式为自发自用、余量上网。各栋楼屋顶光伏配置情况如表3所示。

表3 各栋楼屋顶光伏配置情况

教学实验楼和学生宿舍的光伏装机容量较小,并网箱布置在屋面配电间内,并网点接入下一层公共走道照明箱,供所在楼栋的公区走道照明使用;教学综合楼、食堂风雨操场的光伏装机容量较大,并网柜分别布置在1#用户变和2#用户变,并网点直接接入变压器低压侧母线段,为全楼用电设备供电。

7 结 语

在学校建筑电气设计中,应突破传统思维,研究行业发展新动向,应用新技术、新产品。保持与建设方、校方的密切沟通,明悉其具体需求,从技术可行性、成本经济性等各方面把控项目,共同完成学校建筑的电气节能设计。