某文化藝術中心項目電氣設計

彭 欣

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

文化藝術中心項目作為一個城市中用于展示及宣傳文化藝術作品的建筑集群,通常以劇院或音樂廳為主體,配套設置博物館、科教館、圖書館等,以滿足市民對文化藝術的追求。其功能也從原有單一功能變為多功能的建筑集合,配電系統與單一性質建筑相比更為復雜。本文結合某文化藝術中心項目,闡述了此類建筑電氣設計及需要注意的方面。

1 項目概況

某項目位于安徽省天長市市政府南側,總建筑面積為74 120 m2,其中地上建筑面積55 500 m2,地下建筑面積18 620 m2;建筑層數為地下1層,劇院地上4層,其余部分地上3層;建筑高度為23.9 m,大劇院舞臺臺塔部分高度34.0 m,幕墻最高高度42.5 m。項目分為3個單體,并以功能劃分:1#單體包括博物館、美術館和非遺館、名人館;2#單體包括一個1 200座大劇院、340座小劇場的文化館和文化交流創意展示中心,其中文化創意展示交流中心功能還是以放映為主;3#單體包括科技館和少兒圖書館。

某文化藝術中心效果圖如圖1所示。

圖1 某文化藝術中心效果圖

2 變配電系統

2.1 負荷等級

根據JGJ 57—2016《劇場建筑設計規范》[1]中第1.0.5條及JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》[2]中第3.2.2條,該項目用電設備負荷等級如下:① 火災自動報警系統用電、消防設備(變電所用電、消防泵、噴淋泵及穩壓泵、消防電梯、消防排煙風機、正壓風機、消防補風機、消防應急照明、防火卷簾、消防控制中心用電等)、網絡通信機房、安防系統用電、弱電間用電按一級負荷供電;② 主要通道及樓梯間照明用電、客梯用電,排污泵、生活水泵用電、觀眾廳照明、鍋爐房電力和照明用電、影響一級負荷運行的空調用電、地下車庫照明等、展覽用電、恒溫恒濕的藏品庫房的空調用電、圖書館用電、舞臺照明、貴賓室、演員化妝室、舞臺機械設備、電聲設備、電視轉播用電等按二級負荷供電;③ 其余負荷按三級負荷考慮。

2.2 供電電源

由市政附近電網引兩路10 kV電源至-1F 10 kV用戶站。其中兩路10 kV電源采用一主一備的供電方式,主線路為專線,能承擔整個項目的全部負荷,另一路為環網非專線,僅能負擔該項目一、二級負荷。10 kV配電系統供電示意圖如圖2所示。

圖2 10 kV配電系統供電示意圖

2.3 變壓器設置

項目界面劃分較為清晰,因此變電所及變壓器也按子項和負荷情況分為3組。1#變電所處于負荷中心,專為劇場及其地下相關的舞臺機械供電,2#變電所負責博物館、美術館、非遺館、少兒圖書館、科技館和-1F停車庫的相關電力。3#變電所為冷凍機房專用變壓器,僅為冷凍水泵、冷卻塔、冷水機組及其配套設備供電。1#變電所變壓器容量為2×1 600 kVA,2#變電所變壓器容量為2×1 600 kVA,3#變電所變壓器容量為2×1 250 kVA,共計8 900 kVA。

需要注意的是,JGJ 57—2016《劇場建筑設計規范》第3.2.5條中要求:劇場建筑內的設備用房不應對觀眾廳、舞臺及其周圍環境產生噪聲、振動干擾。而劇場觀眾廳和舞臺大多處于劇場的中心位置,其臺倉、跑場道、樂池和靜壓倉又利用地下室空間,因此劇場變電所只能選擇盡量靠近負荷中心,但需要避開舞臺、觀眾廳的正下方,并且不能與臺倉及跑場道貼鄰。劇場變電所的設置如圖3所示。

圖3 劇場變電所的設置

JGJ 66—2015《博物館建筑設計規范》[3]也對博物館變電所做出了相關規定,對于可能危及藏品安全的用房及設施,應遠離藏品保存場所布置。

2.4 備用電源的設置

該工程為大型公共建筑人員特別密集場所,為保證火災時人員疏散及消防安全,在-1F配置1臺常用功率為1 200 kW的自起動柴油發電機,作為消防負荷和保障負荷的備用電源。由于消防風機負荷較大,3個單體的消防風機負荷各不相同,在計算地上消防風機電量時取3個單體中最大值為標準值。

3 劇場舞臺照明及舞臺設備配電

3.1 舞臺照明配電

在劇場用電負荷中,舞臺照明、舞臺機械、舞臺音響功放設備可占整個劇場二級負荷的70%以上。其中舞臺照明負荷950 kW,臺下機械電力負荷320 kW,臺上機械電力負荷315 kW,小劇場臺上機械電力負荷60 kW,大劇院功放電力60 kW,小劇場聲光控電力100 kW。

舞臺照明配電采用2根2 500 A三相五線密集型銅母線槽配至晶閘管室內接線箱,其中L123排需與N排等截面,2根N排并聯作為中性線,利用母線槽金屬外殼作為PE接地保護。

舞臺照明燈具數量及種類繁多,隨著設計深入,其負荷電量也會有大幅度的增加。該項目初步設計階段參考國家圖集08D800-1《民用建筑電氣設計與施工》中劇場建筑設計相關章節,舞臺照明電量暫定600 kW,后參考文獻[4]表1.3-2中“文化娛樂公共建筑的負荷密度為90 W/m2”和表1.3-4中“劇場、高校、展覽館等的變壓器配置容量≥120 VA/m2”進行估算,舞臺照明電量為700 kW。而實際由廠家提供的電量為950 kW,建議初步設計階段按預估電量的1.3倍取值,這樣估算值也可滿足后期實際需求。

大負荷的舞臺照明系統供電采用雙路單母線分段,中間加聯絡,正常工作時兩條母線各帶50%負荷,當一路故障或停電時,另一路可帶全部負荷。因此,在末端晶閘管室內配電箱需要系數Kd取1.0,而在變電所配電端計算時可增加同時系數Kp(取0.5)。

3.2 舞臺設備配電

舞臺設備主要為舞臺機械設備和舞臺音響設備。舞臺機械設備又分為臺上、臺下機械兩部分。臺下機械主要為舞臺升降臺和樂池升降臺,根據需求也有在左、右和后舞臺設置車載轉臺。臺上機械主要為臺口上方的大幕機,主舞臺區域的吊機以及用來懸吊布景、檐幕和邊幕的前舞臺單點吊機,后舞臺上空的電動吊桿和懸吊設備。根據劇場的規模,小型劇場約100 kW,中型劇場400 kW,大型劇場800 kW。

該項目廠家后期提資,小型劇場60 kW,中型劇場300 kW,滿足使用要求。

4 博物館、美術館及圖書館配電

4.1 博物館、美術館配電

博物館建筑面積為11 920 m2,為大中型博物館,按JGJ 66—2015《博物館建筑設計規范》中第10.4.2條,重要設備及部位用電按二級負荷供電。采用樹干式與放射式相結合的方式,每層的大空間展廳電力采用放射式配電;準備室、辦公室、休息室等功能性房間則采用樹干式供電。美術館作為展覽用電,按JGJ 218—2010《展覽建筑設計規范》中第7.4.1條第3款,按二級負荷供電。博物館及美術館所使用的珍品庫房有恒溫/恒濕的要求,也按二級負荷供電。

4.2 圖書館配電

圖書館建筑面積為5 490 m2,屬中型圖書館,根據JGJ 38—2015《圖書館建筑設計規范》[5]和JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》的負荷等級劃分,按二級負荷供電。因為是專為兒童設計的兒童圖書館,閱覽室的面積劃分較零碎,故采用放射式供電接入每層閱覽室雙切總箱,再引入每間小型閱覽室。一般中小型圖書館的負荷密度為80～100 VA/m2,由于該項目還將承辦少年科技展等展覽活動,因此按展覽建筑120 VA/m2作為初步設計階段的負荷估算標準。

5 諧波治理

劇場建筑中的舞臺照明采用晶閘管調光裝置,使用過程中會產生高頻率諧波,應在配電箱處就地設置有源濾波裝置。舞臺機械單體功率較大,工作時產生諧波含量較高,應放射式單獨供電,并在配電箱處設置有源濾波裝置。舞臺揚聲器、傳聲、擴聲設備、信號處理器、音源設備等極易受到諧波的干擾,因此在設置聲光控制室時,應避免與舞臺機械室及晶閘管室貼鄰,布線也盡量分開,當兩種線路必須平行敷設時,其間距應大于1 m;當垂直交叉時,其間距應大于0.5 m;并應采用屏蔽措施。舞臺電聲裝置的配電回路上宜設置隔離變壓器,并在配電箱內設置有源濾波裝置。

博物館及美術館中的LED燈具為非線性設備,而場館內使用燈具數量較多,需要使用到大量的開關、整流電源設備,對不同電壓響應也是非線性的,從而疊加形成諧波含量很大的非線性交流供電電流,會產生大量諧波,并對與LED燈處于同一供電系統的其他設備造成影響,所以在電源變壓器采用Dyn11接線方式,且每臺變壓器低壓側均設置有源濾波裝置。

6 結 語

本文介紹了某文化藝術中心項目電氣設計的相關內容和設計思路,可以供電氣設計人員參考。