綠色廣州塔的電氣設計

李倩娛/陳藍志（廣州市設計院， 廣州市 510620）

引言

隨著當前人類生存環境的日益惡化，低能耗建筑是追求人類社會可持續發展和營造良好人居環境的必然選擇。我國正處于經濟快速發展階段，作為大量消耗能源和資源的建筑業，必須發展低能耗建筑，改變當前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承擔起可持續發展的社會責任和義務。

低能耗建筑是指少消耗煤、電、燃氣等商品能耗的建筑，且能充分利用可再生能源如太陽能、風能、室內設備、空調、照明等產生的熱量、排出的熱（冷）空氣和廢水的回收的熱量。

廣州塔在保證健康、舒適的室內、外環境，節約能源和資源，減少對自然環境影響的條件下，對可再生資源利用、建筑圍護結構節能技術、空調系統節能技術、照明系統節能技術等多個方面進行研究和應用。

1 工程概況

廣州塔位于廣州新城市中軸線與珠江景觀軸的交匯處，塔身高度為450 m，天線桅桿高度150 m，總高度為600 m，其中塔身分為A、B、C、D、E五個功能段，是一座以觀光旅游為主，并具有廣播電視發射、科學教育、文化娛樂和城市窗口功能的大型地標式建筑，是世界最高的電視塔。

廣州塔在設計、施工中始終堅持可持續發展原則，注重建筑節能，采用新技術、新設備、新材料，重視環境保護，實現節能、節水、節材的綠色建筑理念。結合建筑物本身的特點，采用了以下節能技術和節能材料：

1）綜合采用適宜夏熱冬暖地區的圍護結構節能技術，實現室內熱舒適的同時達到節能效果。

2）采用綜合的空調系統節能技術。3）雙轎廂電梯節能模式。

4）太陽能光伏技術和風力發電。

5）自然采光和智慧照明控制技術。6）屋面雨水收集、綠化滴灌技術。

7）采用資源消耗和環境影響小的鋼結構為主的結構體系，并采用了大量可循環材料，可再循環材料比重達到18%。

8）運用先進的智能化樓宇管理系統。

下面將對該塔的太陽能光伏發電、風力發電、建筑設備監控系統和智能照明控制系統進行介紹，并結合整個廣州塔所采用的節能技術和材料進行效益分析。

2 可再生能源

廣州塔在標高438.4m～ 448.8m的E段阻尼器層幕墻位置安裝了半透明非晶硅光伏電池組件，同時還在標高168.0m處安裝了兩臺風力發電機，滿足建筑設計安全、美觀要求的同時達到生產可再生能源的目的。

2.1 太陽能發電

本項目采用了非晶硅薄膜電池模塊，非晶硅薄膜電池模塊弱光響應特性好，對陽光入射角度要求范圍最寬，散射光接受率高，這一特性使其在薄云遮日或在風沙天氣可以正常工作。非晶硅薄膜電池顏色柔和、板面尺寸大，做成半透明的電池組件，其本色與茶色玻璃的顏色一樣，類似于傳統幕墻用的鍍膜玻璃，直接用作標高438.4m～448.8m的E段阻尼器層幕墻，從而實現光伏發電和建筑房屋一體化。見圖1。

光伏幕墻安裝面積為1100m2，系統總安裝功率為18060W，在標準條件（標準光強、最佳照射角度等）下，每天可發電22.93kWh。本設計為并網發電系統，無論晴天或陰天，系統中光伏方陣所發電力可隨時給電網或負載供電。因此，系統沒有配備蓄電池作為儲能裝置，在降低系統造價的同時，也可免除維護和定期更換蓄電池的麻煩。

通過逆變器和監控系統，記錄當前發電功率、當日最高功率、當日發電量、總發電量、總運行時間等一系列數據，同時把這些數據通過安裝于E段觀光大廳的顯示屏顯示出來。這些數據包括：當前的溫度濕度、當日發電量、總發電量、二氧化碳減排量等，可使游客對綠色廣州塔有更直觀的了解。

2.2 風力發電

廣州塔風力發電項目由兩臺垂直軸風力發電機，1臺輸入機柜和1臺輸出機柜組成。輸入機柜、輸出機柜和并網設備安裝在168m層的控制機房內，兩臺風力發電機安裝在控制機房的樓頂，與光伏發電一樣，實現了風力發電機和建筑物一體化。見圖2。

垂直軸風力發電機，葉片受風旋轉時利用升力與阻力的向量和在葉片運動方向上的投影產生機械能，同時葉片可在全方位接受來風，無需偏航裝置，可多次截風充分利用風能。每臺風力發電機裝機容量約為3 ～5kW，年發電量約為4.1kWh。

3 設備管理系統

除了可再生能源的利用外，廣州塔在設計的時候還設置了建筑設備控制和智能照明控制系統等，管理人員可以在日常使用中通過合理的控制進一步減少能源消耗而達到節能的目的。

3.1 建筑設備控制系統（BA系統）

3.1.1 系統介紹

本工程設BA系統，暖通空調自控系統為BAS的獨立子系統。其中冷水機組、水泵、冷卻塔、空氣處理機、新風處理機、熱回收型新風處理機、排風機、各種電動閥門等設備均接入自控系統。暖通空調系統的自控系統，可在中央空調控制室實現對上述設備進行參數檢測、參數與動力設備狀態顯示、自動調節與控制、工況自動轉換、設備聯鎖與自動保護以及中央監控和管理等。優化了運行管理工作，提高運行效率，見圖3。

3.1.2 各類設備的控制

1）水冷離心式冷水機組系統

（1）設群控系統，群控系統根據監測到的空調實際負荷、平衡管設的流量傳感器和水流方向開關探測到的流量變化及流向，合理選擇冷水機組和一次冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和電動水閥的運行臺數、并實現順序開啟（關閉）及故障自檢。

二次冷凍水泵（含高區二次冷凍泵）根據管道壓差和流量控制二次冷凍水泵運行臺數及實施變頻調速，實現變流量運行。

（2）冷卻塔為自帶風機變頻器的智能型節能冷卻塔。

（3）高區二次冷凍水根據水-水板式熱交換器二次冷凍水出水溫度，控制板式熱交換器一次冷凍水流量，實現對高區二次冷凍水溫的控制。

2）風冷冷水機組系統

（1）設群控系統，群控系統根據監測到的空調實際負荷，合理選擇冷水機組和冷凍水泵的運行臺數、并實現順序開啟（關閉）及故障自檢。

（2）實現冬夏季工況，分區兩管制系統冷熱區的自動切換。

（3）水系統為變流量系統，在冷凍水（熱水）供回水總管間設壓差旁通裝置，壓差控制器根據供回水總管壓差自動調節旁通比例式電動二通閥，以實現保持冷水機組水量不變及負荷側供回水壓力恒定。

3）空氣處理機

（1）溫度控制由設于回風關管處的溫度傳感器、水路比例式調節閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據回風溫度與設定值比較自動調節電動二通閥開度來調節冷凍水流量，從而實現對溫度的控制。

（2）需采暖的機組還帶冬夏季自動切換。

4）新風處理機（含熱回收新風處理機）

由設于送風管處的溫度傳感器、水路比例式調節閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據送風溫度與設定值比較自動調節電動二通閥開度來調節冷凍水流量，從而實現對送風溫度的控制。

5）大房間的風機盤管

風機盤管的供水量由設于回風管中的溫度傳感器調配，并按區域分區控制溫度和啟停。

6）小房間的風機盤管

風機盤管采用溫控器控制電動二通閥（常閉）實現對房間溫度的控制，并設手動三速調風開關。

3.2 智能照明系統

3.2.1 系統組成

廣州塔智能照明控制系統由開關/調光控制模塊、智能控制面板、智能探測器（聲光、紅外、照度）、智能時鐘和系統設備組成，采用五類雙屏蔽8芯4對雙絞線連接。控制模塊安裝于照明配電箱內；智慧控制臺安裝于公共入口、樓梯間和前室；聲光加紅外傳感器安裝在樓梯間內；照度外傳感器安裝在接近室外的房間內；網橋安裝于弱電間接線箱內。

3.2.2 系統功能

1）時間自動控制

通過系統軟件設定集中控制照明燈具，根據業主使用要求在不同時間段設置不同的照明模式，每天根據時間自動切換；同時在特殊的日子，也可以在控制中心再進行設置。例如停車場：平時在中央主機系統控制的作用下，車庫照明處于時間自動控制狀態。車庫照明根據使用情況可分為幾種狀態：工作時間、非工作時間、深夜。工作時間時、車庫照明全開；非工作時間只開車道燈；深夜時間只開部分車道燈，適當降低照度，節省能耗。

2）智慧感應控制

通過軟件設定由現場智能控制面板或智能探頭控制。如樓梯部分從節能方面考慮希望不要常明，根據需要在合適的時段內，采用智慧探測器（聲光、紅外、照度）控制燈具的開關。但保安人員巡更時需要照明，所以將現場控制臺和智慧探頭在深夜時間段內設置成現場控制。例如樓梯間：樓梯間采用定時控制和紅外移動控制等方式，在平時啟動聲光加紅外移動控制方式，人來開燈，人離開后延時關閉，節約能源。

3）場景控制

場景是指相關區域燈光回路的明暗或開關組合，工作人員只需要按單個按鍵就可以通過預先的設定將相關的燈光回路調節至需要的亮度。利用場景的概念設計控制模式，還可以避免誤操作。例如大廳（特別是登塔大廳，需要提供更多的照明模式）：人員進出較多的時段，打開大廳全部回路的燈光，方便人員進出；人員進出較少時段，打開部分回路的燈光。同時可以根據業主要求把燈光照明調到不同的亮度，營造出各種各樣的場景。此操作既可由現場就地操作，也可由中央監控計算機控制，還可以設置時間控制。如圖4。

4 效益分析

4.1 成本分析

廣州塔在設計之初就根據自身的特點選擇合適的節能技術和節能材料，除上文介紹的太陽能發電裝置、風力發電裝置、建筑設備控制系統和智能照明控制系統外，綜合廣州塔的其他節能技術和材料，可計算出建筑物面積增量成本，如表1所示。

表1 綠色建筑增量成本概算

4.2 效益分析

采用綠色節能材料和節能技術，增加了建設成本，但同時由于節能技術和材料的使用，廣州塔在使用過程中可節省不少運行費用（所有參數為計算數值）：

1）太陽能光伏系統預計的年發電量12660度，每年可節省運行費用1.3萬元。

2）風力發電機年發電量約為41472度, 每年可省運行費用4.1萬元。

3）雨水收集系統，每年可節水量約為1.2萬t，按自來水價2.95元/t計，每年可節約費用約為3.54萬元。

4）可再循環材料利用率達到了18%。

廣州塔建筑綜合節能率將達到61.6%，與基準建筑相比較，建筑每年節電約為264.5萬度，節約運行成本約270萬元。節約能源，除了節省運行成本，最重要是通過減少碳的排放，保護我們的環境。以對環境影響較大的火力發電為例，每年可實現減排指標如表2所示：

表2 每年可實現減排指標（t/a）

5 總結

目前中國年人均用電約1100度，僅為世界平均用電的1/3，而且中國用電量正以年均10%的速度增長。如用電量照這樣不斷的增長，其節電的效益也會逐年增加。我國的建筑節能節電市場有巨大潛力，特別是對于大型綜合建筑，從綠色、節能的整體潛在效益來說，它帶來的效益是明顯的。低能耗建筑是未來建筑設計的發展方向，本工程中對綠色環保措施、建筑節能技術的應用具有推廣和借鑒參考的意義。