北京華能大廈的綠色電氣設(shè)計(jì)

金大算（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）

工程背景

華能大廈位于北京市西城區(qū)復(fù)興門 8-2#地塊，南起東鐵匠胡同、北至復(fù)興門內(nèi)大街、東起教育西街、西至草坪東路，面正對(duì)民族文化宮；新建后的華能大廈為華能集團(tuán)公司總部辦公大樓，總建筑面積約13萬m2，地上建筑高度約為55m，建成后的華能大廈也是長安街上的重要標(biāo)志性建筑之一。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)華能大廈的規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)是使其成為設(shè)施齊全、功能完善、具有國際先進(jìn)水準(zhǔn)的公司總部辦公大樓，該大廈的設(shè)計(jì)既要有自己的特色，又具時(shí)代特征。此外，應(yīng)考慮該大廈與北京歷史文化相融合、與長安街已建的建筑相匹配，并成為具有鮮明的企業(yè)文化內(nèi)涵的現(xiàn)代建筑，創(chuàng)造出宜人的空間尺度，提供綠色、智能、環(huán)保、節(jié)能、舒適、交通便捷的辦公空間。

華能大廈建筑設(shè)計(jì)在滿足各使用要求及經(jīng)濟(jì)合理的前提下，充分體現(xiàn)綠色建筑的要求，優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)；以高效節(jié)能的綠色建筑為目標(biāo)，制定切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，使項(xiàng)目的能源消耗、環(huán)境品質(zhì)、生態(tài)環(huán)保等方面均達(dá)到國際LEED所規(guī)定的可量化的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，建成后已獲得LEED認(rèn)證，并獲得LEED金獎(jiǎng)。

華能大廈電氣設(shè)計(jì)在滿足現(xiàn)有的國家節(jié)能措施外，在照明功率密度選定、智能燈光控制、可再生能源利用、電能檢測管理等四個(gè)方面的設(shè)計(jì)均達(dá)到LEED所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)及要求，以下介紹這四個(gè)方面的具體實(shí)施方案。

1 環(huán)境照明

1.1 功率密度的確定

主要場所的功率密度值參照LEED標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，當(dāng)LEED標(biāo)準(zhǔn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。主要場所的功率密度值（單位W/m2）見表1。

表1 主要場所的功率密度值（W/m2）

1.2 主要燈具的選型

（1）熒光燈采用T8-1×45W高光通量直管熒光燈，配高頻寬配光熒光燈具，采用高頻電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)約在0.98，燈具效率不小于82%，顯示指數(shù)不小于84，使用于辦公區(qū)、會(huì)議室、報(bào)告廳等場所。

（2）筒燈采用2×18W 或1×18W 節(jié)能燈，配高效電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)不小于0.9，燈具效率不小于75%，顯示指數(shù)不小于80，使用于辦公區(qū)、會(huì)議室、報(bào)告廳、休息區(qū)、走道等場所。

（3）局部層高較高的機(jī)房采用金鹵燈，配節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，燈具自帶電容補(bǔ)償，功率因數(shù)大于0.9，帶透光罩型燈具，燈具效率不低于60%，使用在中庭照明及建筑照明。

（4）疏散指示燈光源及外墻面照明光源中，較大部分利用LED燈。

（5）辦公區(qū)熒光燈的安裝以垂直外窗方向排列，回路控制則按照平行于窗戶方向以列為單位開啟。

2 燈光控制

2.1 控制系統(tǒng)

（1）對(duì)普通辦公區(qū)的熒光燈照明回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，對(duì)各場所嵌入式筒燈及領(lǐng)導(dǎo)辦公室的熒光燈實(shí)現(xiàn)DALI控制；系統(tǒng)為總線式、模塊化、全分布式控制系統(tǒng)；管理人員可以通過大廈智能照明控制主機(jī)對(duì)大廈內(nèi)各區(qū)域的照明進(jìn)行集中監(jiān)控；整棟大樓內(nèi)超過90%的燈光均在系統(tǒng)的自動(dòng)控制范圍內(nèi)，以滿足LEED標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。

（2）智能照明控制系統(tǒng)由主機(jī)、控制面板、觸摸屏、移動(dòng)感應(yīng)器及亮度傳感器等設(shè)備組成，所有的設(shè)備均可在總線上發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線上的照明設(shè)備進(jìn)行控制；在配電箱內(nèi)設(shè)置回路控制模塊及DALI網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制，達(dá)到相應(yīng)的回路開關(guān)控制及調(diào)光控制的目的；系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

2.2 燈光控制

圖1 智能照明控制系統(tǒng)簡圖

（1）辦公區(qū)的燈光控制是通過亮度傳感器對(duì)外界自然光射入的亮度強(qiáng)弱來進(jìn)行自動(dòng)控制的，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的照度值確定發(fā)送開關(guān)或調(diào)光命令；當(dāng)外界的光線強(qiáng)度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)控制燈光照明回路，并按平行于窗的順序?qū)⒄彰鳠粢涣幸涣械仃P(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

（2）會(huì)議區(qū)的燈光控制采取多場景設(shè)置方式，按預(yù)定的各場景模式實(shí)施燈光控制，以保證燈光照明效果以及達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。具體設(shè)定要求如下：

● 會(huì)前準(zhǔn)備模式：演講臺(tái)直接照明開啟并調(diào)至20%的狀態(tài)，天花間接照明開啟并調(diào)至50%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至30%的狀態(tài)，所有裝飾性燈具關(guān)閉。

● 少人會(huì)議模式：演講臺(tái)直接照明開啟并調(diào)至80%的狀態(tài)，天花間接照明開啟并調(diào)至80%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至60%的狀態(tài)，裝飾性燈具開啟并調(diào)至50%的狀態(tài)。

● 多人會(huì)議模式：演講臺(tái)直接照明開啟并調(diào)至100%的狀態(tài)，天花間接照明開啟并調(diào)至100%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至100%的狀態(tài)，裝飾性燈具開啟并調(diào)至100%的狀態(tài)。

● 演講模式：演講臺(tái)直接照明開啟并調(diào)至90%的狀態(tài)，天花間接照明開啟并調(diào)至10%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至15%的狀態(tài)，裝飾性燈具開啟并調(diào)至5%的狀態(tài)。

● 會(huì)議休息模式：演講臺(tái)直接照明開啟并調(diào)至20%的狀態(tài)，天花間接照明開啟并調(diào)至30%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至15%的狀態(tài)，裝飾性燈具開啟并調(diào)至 100%的狀態(tài)。

● 清掃模式：演講臺(tái)直接照明關(guān)閉及天花間接照明開啟并調(diào)至50%的狀態(tài)，洗墻燈具開啟并調(diào)至50%的狀態(tài)，裝飾性燈具關(guān)閉。

（3）公共走道、地下車道、衛(wèi)生間、建筑立面、室外總體綠化照明等均采用回路開關(guān)控制方式，統(tǒng)一進(jìn)行時(shí)間管理，在各時(shí)段按回路開啟相關(guān)的燈光照明；對(duì)于走廊、電梯廳及衛(wèi)生間的燈光采用移動(dòng)感應(yīng)器進(jìn)行自動(dòng)控制，做到人來燈亮、人走燈滅。延時(shí)時(shí)間可通過程序預(yù)先設(shè)定，移動(dòng)感應(yīng)器和照度感應(yīng)器使用時(shí)間段可由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行控制。

2.3 配線要求

（1）控制總線的線纜采用符合EIB標(biāo)準(zhǔn)的2×2×0.8mm的控制線纜進(jìn)行連接。

（2）筒燈部分的DALI控制線纜采用符合DALI標(biāo)準(zhǔn)的2×1.0mm的控制線纜進(jìn)行連接。

（3）1～ 10V控制線纜采用符合弱電控制標(biāo)準(zhǔn)的2×1.0mm帶屏蔽的控制線纜進(jìn)行連接。

3 可再生能源利用——太陽能光伏系統(tǒng)

華能大廈的可再生能源利用主要體現(xiàn)在太陽能的綜合利用方面，包括“太陽能光-熱”及“太陽能光-電”兩部份，其中太陽能光伏發(fā)電的總量約50kW，占總供電系統(tǒng)的0.33%；以下簡要描述華能大廈的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 光伏系統(tǒng)主要類型

（1）獨(dú)立型光伏系統(tǒng)

獨(dú)立系統(tǒng)通常由太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載等設(shè)備組成。太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端用電設(shè)備。

（2）并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)通常由太陽能電池組件、連接器、并網(wǎng)逆變器、負(fù)載（或電網(wǎng)）等設(shè)備組成；如采取的是直接上網(wǎng)形式時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載就是電網(wǎng)。

3.2 光伏系統(tǒng)方案優(yōu)化

（1）直流帶蓄電池方式：所有設(shè)備都連接在直流母排上，日間太陽能光伏發(fā)電直接充電到蓄電池組內(nèi)，夜間可將蓄電池組內(nèi)的直流電再直送至負(fù)載；如50kW使用24V直流供電，系統(tǒng)的工作電流在2000A以上，會(huì)造成線路投資多、壓降大、不節(jié)能等不利因素。

（2）交流帶蓄電池方式：所有設(shè)備都連接在交流母排上，日間太陽能光伏發(fā)電直接充電到蓄電池組內(nèi)，夜間通過雙向逆變器又可以將蓄電池內(nèi)的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡椭羷?dòng)力資源房供照明使用。如蓄電池也無法滿足負(fù)載用電負(fù)荷，則由市電補(bǔ)充供給，但終因蓄電池存在二次污染問題且投資增加，與綠色建筑理想不符，最終放棄的方案。

（3）交流直接并網(wǎng)方式：所有設(shè)備都連接在交流母排上，日間太陽能發(fā)電量直接供給地下車庫的照明用電，發(fā)電多少用多少。在太陽能發(fā)電量無法滿足負(fù)載用電時(shí)，則由市電補(bǔ)充供給，盡管不能體現(xiàn)光伏系統(tǒng)亮點(diǎn)，但確實(shí)可以節(jié)省投資、增加效益，更節(jié)能、更環(huán)保。

（4）華能大廈光伏系統(tǒng)通過逐步優(yōu)化后，最終選定為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其負(fù)載為地下車庫照明。當(dāng)光伏發(fā)電量能滿足負(fù)荷需求時(shí)，由光伏電源供電；不足時(shí)，不足部分由市電補(bǔ)充。

3.3 實(shí)施策略

（1）大廈位于北京市（N39.56o、E116.17o），在華能大廈屋頂安裝太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；太陽能方陣采用正向朝南安裝, 組件安裝傾角為30o，以使整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠在最佳方位，最佳傾角產(chǎn)生最大的發(fā)電量。

（2）大廈屋頂安裝太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，必須充分考慮整個(gè)光伏系統(tǒng)的荷重，抗風(fēng)能力和系統(tǒng)的發(fā)電效率等綜合因素。采用先進(jìn)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。整個(gè)屋面光伏系統(tǒng)共采用238塊210Wp的太陽電池組件，總安裝容量為50kWp，整個(gè)光伏系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)容量為37.8kWp，另一個(gè)容量12.2kWp。

（3）系統(tǒng)的組成：主要包括太陽電池組件、并網(wǎng)逆變器、直流接線箱、交流配電柜、若干動(dòng)力電纜連接線及安裝支架。

（4）電纜連接線：考慮到電纜的使用場所等因素，光伏系統(tǒng)的動(dòng)力電纜連接線采用WDZA-YJY交聯(lián)聚乙烯絕緣交聯(lián)聚烯烴護(hù)套低煙無鹵阻燃電力電纜。

（5）安裝支架：整個(gè)光伏系統(tǒng)的安裝支架采用HILTI-210系列支架.支架采用熱鍍鋅鋼材料,抗風(fēng)能力達(dá)到120kmph。

（6）基礎(chǔ)施工：在屋頂安裝光伏板，為提高整體的安全性，并盡量減少屋面載荷，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為方形水泥墩結(jié)構(gòu)，并與屋面的水泥墊層可靠結(jié)合。

（7）屋面線路施工：光伏組件之間的串接導(dǎo)線固定在組件背面及金屬支架上，屋面電纜線束用金屬橋架方式施工，同時(shí)對(duì)電纜起到防曬和機(jī)械保護(hù)作用。

（8）與主配電柜的連接設(shè)計(jì)：光伏組件陣列的引出線通過橋架引到太陽能電站機(jī)房的直流接線箱，并網(wǎng)逆變器的輸出電纜引到交流配電柜，從交流配電柜再與原大樓設(shè)計(jì)的主配電柜進(jìn)行連接。

（9）線路規(guī)格：太陽電池組件間連接線以及每路電池組件到直流接線箱采用4mm2硅橡膠電纜；直流接線箱至并網(wǎng)逆變器直流連接線采用1×4mm2的硅橡膠電纜。

（10）通訊：整個(gè)光伏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用RS485通訊電纜進(jìn)行連接，并上傳至電能管理系統(tǒng)。

（11）防雷接地：利用光伏組件板的金屬構(gòu)件作為接閃器，并與屋面的避雷帶可靠連接，利用共用接地裝置接地，并安裝SPD浪涌保護(hù)裝置。

4 電能監(jiān)測

4.1 電能管理

設(shè)置電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，有效地觀測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置在地下室10kV主變電所值班室內(nèi)，信號(hào)上傳至BAS系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖詳見圖5。

（1）高壓部分

● 高壓10kV系統(tǒng)采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置，配備有標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485和10/100BaseTX的以太網(wǎng)通訊端口，開放式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約Modbus RTU。

● 通過微機(jī)綜合保護(hù)裝置，可以上傳以下信息：斷路器合/分閘狀態(tài)、手車試驗(yàn)/工作狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)、接地開關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)方/近地控制位置、故障報(bào)警信號(hào)等。

（2）低壓部分

● 低壓進(jìn)線、應(yīng)急進(jìn)線回路設(shè)多功能測控裝置，遙測總有功、無功、功率因數(shù)、電流、電壓、頻率、諧波等。

● 低壓聯(lián)絡(luò)回路設(shè)多功能測控裝置，遙信斷路器分合狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)。

● 低壓饋出回路、電容器回路設(shè)多功能測控裝置，遙測功率、電流、遙信:斷路器分合狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)。

（3）變壓器溫控器、直流屏、UPS以及柴油發(fā)電機(jī)、太陽能光伏等外接第三方系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)預(yù)先留MODBUS通訊接口。

（4）系統(tǒng)所采用的多功能測控裝置即多功能儀表應(yīng)安裝在開關(guān)柜的面板上。

（5）系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)的電源由不間斷電源（UPS）提供，系統(tǒng)信號(hào)線采用兩芯雙絞屏蔽電纜。

4.2 電能測量

在層面總箱內(nèi)設(shè)置總測量用多功能電力儀表，能測量到每個(gè)部門的用電負(fù)荷情況；通過科學(xué)地用電統(tǒng)計(jì)、匯總、分析所消耗的電量，滿足各部門的數(shù)據(jù)處理、財(cái)務(wù)結(jié)算、節(jié)能決策的需求。

5 結(jié)束語

本文主要描述華能大廈電氣設(shè)計(jì)是如何滿足LEED認(rèn)證所提出的四個(gè)方面要求，但真正的設(shè)計(jì)目標(biāo)還是低碳綠色；此外，如采用能耗管理系統(tǒng)來替代電能監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)更加合理、有效，能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類能耗數(shù)據(jù)的采樣、分析。筆者希望本文對(duì)其他項(xiàng)目的綠色建筑電氣設(shè)計(jì)有一點(diǎn)參考價(jià)值，在文中如有不足之處希望讀者批評(píng)指正。

[1]United States Green Building Council. LEED-V3 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[S].美國綠色建筑委員會(huì)，2009.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T50378-2006綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2006.

[3]中國建筑科學(xué)研究院. GB50034-2004建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2004.