科研實驗樓電氣設計的特點分析

王建華（中科院建筑設計研究院有限公司，北京100190）

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科研實驗樓電氣設計的特點分析

王建華（中科院建筑設計研究院有限公司，北京100190）

摘要科研實驗建筑不同于一般的公共建筑，功能各異、工藝復雜、用電設備多樣、對供配電的安全性及可靠性要求較高。建筑內的實驗室既具有共同特點，又有各自的特殊性，電氣設計需最大程度地滿足其使用功能要求。實驗室內設備經常因研究對象的改變而變化，隨著科學技術的發展更新換代，用電負荷具有增長性和不確定性，配電系統的設計需科學合理且具有前瞻性。

關鍵詞科研實驗樓 建設流程 工藝設計 實驗用電負荷特點 需要系數的選擇 變壓器負荷率 備用電源 配電系統優化

Characteristic Analysis of Electrical Design for Scientific Experiment Buildings

Wang Jianhua

Abstract Scientific experiment buildings are different from general public buildings，they have the features of functional diversity，complex process，a variety of electrical equipments，higher requirements for the safety and reliability of power supply and distribution.Labs not only have the characteristics of general buildings，but also have certain particularities by themselves，electrical design has to meet the operating requirement to a great extent.Laboratory equipments change with the change of the object of study and the development of the science and technology，the power load have the characteristic of growth and uncertainty，the determination of distribution system should be scientific，rational and forward-looking.

Keywords scientific experiment building，construction process，process design，load characteristic of experimental power，need coefficient choice，transformer load rate，standby power，power distribution system optimization

0　引言

實驗建筑作為科研活動的重要場所，在知識創新與科技推廣中扮演著重要角色，很多創新思想和科技成果的形成都依托于實驗室成果，實驗樓的建設是促進科研機構提升自主創新能力和核心競爭力的有力支撐和發展基石。隨著我國科學技術、科研事業的快速發展，研究水平不斷提高，對實驗樓的建設又提出了更新、更高的要求。

筆者參與了幾個科研院所的新建、擴建和改建項目，本文在結合實際、總結經驗、吸收教訓的基礎上，闡述了科研建筑電氣設計的設計思想，提出了科研實驗建筑電氣設計的特點和適用方法，并就建設流程、工藝設計、實驗用電負荷特點、需要系數的選擇、備用電源及配電系統優化等幾個方面做深入分析。

1　概況

目前我國科研實驗建筑建設所遵循的國家標準主要是《科學實驗建筑設計規范》（JGJ 91-1993）。另有個別實驗室（如生物類實驗室）或個別特殊行業有更加完善、針對性的國家標準，本文討論范圍為除這些特殊行業實驗室以外的科研實驗建筑。

《科學實驗建筑設計規范》對實驗建筑的建設進行了規范和要求，提出設計實驗室的最低要求，設計人員在設計中除了應符合各種專業規范要求準則外，還應滿足各種研究實驗室的特殊要求。設計前期，在與使用者充分溝通的前提下，還應充分發揮設計者的創造力和想象力。

科研實驗建筑的電氣設計既要安全、可靠，又要滿足現在、兼顧未來，為建設專業、高效、前瞻的實驗室提供有力保障。

2　建設流程

現階段，我國絕大多數實驗樓的建設流程采用傳統模式，即“實驗樓建筑設計—實驗樓建筑施工—實驗室工藝設計（或缺少此環節）—實驗室工藝施工”，建筑施工完成后，往往急于使用，不進行工藝設計或沒有足夠的時間進行工藝設計，導致專業實驗室建成后不夠專業。也有一些實驗樓項目，一次建筑設計過程中，由于缺乏工藝專業的設計參數和依據，導致各專業的預留不到位，土建施工完成也就是大規模改造的開始，造成極大浪費。

據了解，國外實驗建筑的建設流程較多采用“實驗室工藝設計—實驗樓建筑設計—實驗樓建筑施工—實驗室工藝施工”，國內也有專業人士提出了效仿國外的模式，遵循“工藝設計先行，設計由內而外，建設由外而內”的實驗建筑設計理念。但就現階段國情來說，全部實行還有很多阻力，發展也需要一定時間。國內的建筑類院校鮮有開設實驗室工藝設計專業，現階段的一些實驗室工藝設計公司也是在傳統模式下逐漸摸索發展。國內有一些項目采用了此方法，效果不錯，但有待推廣。

筆者參與設計了一些科研建筑項目，在總結經驗、吸取教訓的過程中認識到前期工藝設計的重要性。這項工作是不可缺少的基礎工作，采取由設計方、建設方的基建管理人員和科研人員共同完成的方式。僅依靠建設方提工藝要求，會走向兩個極端，一種是每個實驗組參與提要求，每個實驗室要求都不同，實驗室的科研人員熟悉實驗室設備的使用和功能，但是對建筑設計、實驗室設計和工藝設計方面則了解甚少或不夠專業，每個研究者又有特別的實驗設計需求；另一種是只有基建人員參與，基于管理更加方便的需求，更愿意以不變應萬變。

實驗室設計中的一項原則是滿足研究需要，這需要設計者從中協調，與科研人員多次溝通，在消化吸收的基礎上，將使用者的語言轉化為設計專業語言。

3　實驗用電負荷特點

3.1用電負荷的獨特性

科研實驗建筑不同于一般的公共建筑，各學科的實驗樓都有其各自的特點，各類型實驗室都具有一定的特殊性。

3.2用電負荷的不確定性

科學研究會隨著研究對象的改變、科學技術的發展而變化，在對試驗方案進行修改和完善時，不同時間和不同方案所使用的設備完全不固定，用電的容量也隨之變動，這就表現為用電負荷的不確定性。

3.3用電負荷的增長性

在剛剛投入運行階段，實驗規模還不大，用電設備投入還不多，隨著時間的推移，跟上科學研究的發展步伐，對實驗設備的投入會不斷增加，用電負荷也會越來越大，具有增長的特性。

3.4用電負荷的復雜性

科學研究儀器設備對電氣專業的要求比較復雜，不僅考慮用電量，還要考慮電壓等級、電源要求、供電方式、電能質量要求、電磁兼容、弱電要求等。當然，并不是每個實驗設備都要精確滿足這些要求，由于項目和研究類型不同，新建院所和擴建院所都會各有側重點。表1是某個地球化學研究所實驗樓的工藝需求表樣例。

4　需要系數的選擇

電氣設計中，變壓器裝機指標是關鍵指標之一，不僅反映變壓器安裝容量是否合理，也是衡量建筑電氣設計是否達到節能要求的重要指標。在方案階段，民用建筑一般按照單位面積指標法來估算選擇變壓器容量。在一些相關資料和《全國民用建筑工程設計技術措施》手冊的電氣部分，給出了大多數民用建筑用電負荷指標的取值范圍，但均未提及科研實驗建筑。科研實驗樓建筑中變壓器的配置應充分考慮科研實驗的負荷特點，適合采用需要系數法做負荷計算，對于有較多數量的斷續工作的大型儀器設備采用二項式法做負荷計算。

表1　礦床實驗室工藝資料（電氣方面）

實驗樓的負荷由照明、插座、空調、常用風機、水泵、電梯、實驗室設備用電和實驗室通風設備用電組成，前6項用電負荷的需要系數與一般辦公樓區別不大，插座負荷稍有不同，主要難度在于實驗設備用電和實驗室通風設備的需要系數選擇完全沒有依據可查，而需要系數對變壓器容量的選擇起著決定性作用。

要做出較為合理的負荷計算，應對工藝要求的實驗設備用電進行認真分析，調查、研究與工程相似的實例很重要。首先調查原有設施或同類型院所的供配電系統情況和設備使用情況，包括建筑面積、實驗區面積、變壓器安裝容量、用電高峰負荷率、用電計量數據等，了解實驗室的工作性質，確定實驗設備的使用頻率，實驗室工作人員數量、工作時間，了解實驗室發展計劃及發展空間，注重收集用電量較大的實驗設備的運行數據，分析同時使用率及錯峰運行的可能性。經綜合考慮和比較分析，得出實驗設備用電相對合理的需要系數。

筆者采集了幾個已建和在建實驗樓的設計數據，查找了部分項目的實際運行數據，調查舊有設備的使用率情況，得到的主要電氣參數為實驗設備用電的需要系數（同時使用率）和變壓器的負荷率，發現設計數據和實際運行數據的差異很大。某位電氣領域專家通過調研采集國內多個地區的40多個超高層建筑的設計數據和運行數據后分析得出，在（80～138）VA/m2范圍內的變壓器容量指標符合超高層建筑電氣的實際要求。對科研建筑來說，更應該根據各自的特點做具體分析。

每個實驗室和儀器室容量的確定，是根據工藝設計的結果，兼顧現在的使用和將來的發展，一般將規劃的設備用電量之和乘一個擴展系數取得，如果沒有設備的規劃，按實驗樓的性質，以每平米用電指標估算得出，多個研究所的實驗室用電量達到500W/m2。使用者最注重的是電量是否夠用，雖然并不是所有實驗室都能達到滿負荷，但只要需要，就應該滿足。每個實驗室和儀器室要求的用電量都相對較大，在做干線和變壓器的負荷計算時，如果僅把這些實驗室電量簡單相加，把握不準其同時使用系數，按辦公樓模式取需要系數，勢必造成設備和電纜的參數過大，不利于節能、節材、節地，也會造成一次投資過大，后期物業運行成本很高。

電氣設計中，既要保證每個實驗室的用電量需求，又不造成上述的缺陷，可采取“末端足量，中間適量，前端縮量”的措施。每個樓層有多個實驗室，在使用時極少達到滿負荷的情況，供給各樓層的實驗設備采用分回路供電，回路干線供電一般采用大電纜放射式到樓層的做法。在多個實驗室共用一條干線供電的情況下，需要系數可以按實驗室的數量和規模適當取0.5～0.6。一棟樓有眾多的實驗設備用電回路，全部實驗設備用電的需要系數可取更低的值，如0.2～0.5。

根據科研實驗樓的工藝設備負荷特點，做變壓器側負荷計算時，可取工作時段如上午9：00～11：00作為負荷計算時間，這段時間是工藝設備用電的高峰期，可取高值的需要系數，不大于0.5。而在上班早高峰時段運行較滿的負荷，比如電梯、地下車庫風機等，在這個計算時間段可以取較低的需要系數，綜合其他的照明插座空調負荷，變壓器側負荷計算時設備用電同時使用系數不大于0.4。綜合幾個項目可知，折算后科研實驗建筑的變壓器單位面積裝機指標相當于辦公建筑指標范圍的高值。

變壓器的容量應滿足全部負載的需要，但不應長期處于過負載或輕載狀態下運行，變壓器的經常性負載應在變壓器額定容量的60%為宜。最新的IEC 60364 - 8 - 1的初步結論表示，當變壓器的負荷率在40%～65%時，變壓器的效率最高，能夠有效減少電能的浪費。故科研實驗建筑的負荷設置，應確保變壓器在大多數時間運行合理，不應片面追求某個點、某個時間內的負荷率是否合理。科研樓在落成初期，研究還未全面展開，用電設備投入較少，變壓器的運行負荷率大都偏低；而隨著時間的推移，試驗的深入，各種設備的逐步增加，用電負荷也不斷增加。尤其對于一些新建院所，如果僅僅考慮初期的合理負荷率，到運行穩定后，其變壓器容量必會緊張。

5　備用電源

新版的《科學實驗建筑設計規范》正在修訂當中，現行可依據的是《科學實驗建筑設計規范》（JGJ 91-93），該規范第9.1.1條規定，科學實驗建筑的用電負荷分級及供電要求，應根據其重要性及中斷供電在政治、經濟、科學實驗工作上所造成的損失或影響程度按《工業與民用供電系統設計規范》的規定執行。《工業與民用供電系統設計規范》（GB 52-83）為原國家標準，已廢止，現執行國家標準《供配電系統設計規范》（GB 50052-2009），該規范第3.0.1條規定，電力負荷應根據對供電可靠性的要求及中斷供電對人身安全、經濟損失方面所造成的影響程度進行分級。《民用建筑電氣設計規范》（JGJ 16-2008）規定，僅將科研院所四級以上生物安全實驗室等對供電連續性要求極高的國家重點實驗室用電定位為一級負荷中特別重要負荷，除上述之外的其他重要實驗室用電為一級負荷，主要通道照明用電為二級負荷。因此除實驗電力負荷外，其他負荷的負荷級別可按照建筑物的高度，遵照一類高層建筑和二類高層建筑的負荷分級。需要深入了解實驗室工藝以后才能確定實驗設備電力負荷的負荷級別。

對于一些重要的實驗電力負荷，突然斷電雖不會造成經濟上的重大損失，但會導致不必要的人力和時間成本的浪費，可適當提高這部分用電設備的負荷等級，設計人員可根據其允許切換時間、容量情況和電源質量要求選擇備用電源。科研類建筑中，多采用UPS不間斷電源裝置作為備用電源。

UPS不間斷電源的主要任務是向關鍵設備提供高質量、無時間間斷的交流電源。對一些重要的儀器設備可作為備用電源，對電壓頻率、波形失真等方面有較高質量要求的儀器設備均可采用UPS電源。據調查，除特殊要求之外，一些大型儀器在斷電的情況下，靠設備內部自帶的不間斷電源能自動將實驗的數據進行臨時記錄和保存，所以應區別對待，并不是建設方認為重要就一定需要配置UPS。對于數量少、容量小的需求，更適合在建成后自行配置。

前面的工藝需求表1是新建的某地球化學研究所的某棟實驗樓的情況。此建筑物內，大多數實驗室均有一部分設備有高質量電源的要求，需要UPS不間斷電源，而且需要的容量不同，數量多又分散，配置要求也不同。需要在設計階段考慮UPS電源采取分散設置還是集中設置。如果分散設置，對應至設備配置還是對應至實驗室；如果集中設置，是每層集中還是每棟樓集中，需要經過技術、經濟方面的比較，得出較優的方案。對于此項目，最終采用的是UPS電源集中配置方式，主要考慮避免UPS電源對實驗儀器工作的諧波干擾，選用容量為500kVA，設在變電站附近，再分配到各樓配電室內，從各樓配電室直接放射式供給需要UPS不間斷電源的房間，在房間內同樣要設置UPS電源配電箱。

6　配電系統優化

6.1配電級數

配電系統的設計還應力求簡單可靠，盡量減少配電級數。對低壓來說，一、二級負荷配電級數不宜多于三級，三級負荷不宜多于四級。通常配電結構為變電所、樓層配電間和終端配電，但對于實驗樓，每間實驗室均應設獨立配電箱，無形中已經增加了一級配電。對于大型儀器設備，供電電源還應分別設置能切斷電源的分路開關。如果變電所不是設在本樓內，勢必又會增加樓座配電室，級數增多，可靠性會大大降低，而且各級配電系統保護電器之間也難做好選擇性配合。

6.2備用多留

科研實驗內容和方法的升級變化周期越來越短，前瞻性則是配電系統提高應變能力的重要體現，“備用多留”是方式之一，雖然在整個投資上會有所增加，但能有效地應對科學研究實驗設備的用電發展。在變配電室的設計中，適當預留低壓柜位置，通過合理配置配電回路，在同樣配電柜數量的情況下，多留備用回路，以應對幾年以后增加大型儀器設備的可能。

每間實驗室設置獨立的配電箱，重要設備和用電量大的設備應單獨回路配電，實驗室內應配備足夠數量的插座，滿足工藝需求之外，額外預留20% ～40%的余量。應注意的是不同電壓電源的要求，采用多種電源的插座（如單相穩壓、三相穩壓、直流穩壓等不同電壓電源），根據電壓不同要有明顯區分，防止誤操作。實驗室配電箱也應留一定量的備用回路，且要把相應預埋管留至吊頂內，以方便實驗室內部的增容。

6.3平衡負荷

通常從層配電間到各實驗室供電采用的方式是放射式配電至實驗室，在每間實驗室容量大且數量多的情況下，要保障每間實驗室用電，需要將眾多的大電纜敷設在吊頂內，施工難度大且造價也高。前面提到，多個實驗室同時滿負荷運行的情況極少，利用大容量實驗室不同時滿負荷用電的特點，樓層水平配電采用在走廊內插接式母排的方式，每開間預留插接口，既能平衡容量，又方便設備擴展。當然，每個樓層適合用哪種方式，需要在設計中通過技術、經濟方面的比較來確定。

科研實驗建筑電氣設計還有其他方面的特點，配電系統優化的方法不只有上述內容，鑒于篇幅有限，這里不再贅述。

7　結束語

以上是筆者在科研實驗建筑的電氣設計工作中的一些思考和體會。由于數據采集有限，對科研實驗建筑的電氣設計特點僅是初步探索，有待深入研究和完善。筆者水平有限，有誤之處請同行們批評、指正、進行研究討論。

參考文獻

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