多層教學樓照明及插座電氣設施應用研究

中國人民大學 柳熙宇

1 引言

現階段學校教學樓的照明和插座設計，影響著老師和學生的日常工作與學習，學校開展各項活動更是需要優質的照明和插座系統。普通的照明功能已經無法滿足現代高校的照明需求，目前我國不同地區存在教學仍然存在差異，這種差異不僅體現在教學資源這一方面，教學環境也是影響學校授課情況的重要因素之一,而影響教學環境最為關鍵的一環無疑是教學樓的照明情況[1]。

部分學校建筑因年代久遠，故照明設計與插座的布局存在不合理之處。因此,合理的照明與插座設計方案，不僅可以提升師生的日常學習工作體驗，而且能對學校的管理模式與水平產生積極影響。除照明外，插座的分布、數量是否合理也是衡量一棟教學樓使用體驗的因素之一。插座的分布設計不合理，可能會導致資源的浪費，或者出現不能良好地分配電力資源的情況。本文將以多層教學樓照明與插座設計的解讀入手，嘗試提出更為合理的方案。本次設計的結果符合國家法律法規的要求和行業的相關標準規定，對于教學樓的防雷安全設計提出相應的方案，對于提高教學樓教學環境，提升師生舒適度，促進教學質量的發展，具有積極的意義[2]。

2 工程概述

本工程對象是一棟長為40m，寬為30m的中學教學樓，每層總面積為1200㎡，共有5層，高度為15m，是一般性民用建筑，因此教學樓根據《建筑供配電及要求》被列為國家三類建筑。此教學樓的1層和2層作為教師的辦公室，3、4、5層作為計算機房。總體上呈現為U形框架構架結構。其中1層和2層的布局一致，共有教室辦公室10間，U形連接處設有男女衛生間各2間，共4間，1間開水間，以及兩處樓梯間；3、4、5層布局一致，其中每層共有教室10間，衛生間4間，開水間1間和兩處樓梯間，每層各有電井兩間[3]。

3 照明設計

3.1 照明設計需求

對于此棟教學樓的照明設計。考慮到此棟建筑以教學為使用目的，最終照明的效果區分于一般建筑。此棟教學樓為多用型，1層和2層與3、4、5層的用途有所差異，因此對于燈具的照明要求也需要做出改變。其中最為重要的是教學樓與辦公室的照明，針對辦公室照明設計，最基本的要求有以下幾點[4]：

一是滿足老師辦公需求，保障各個角度的光照亮度的需求。

二是保護老師雙眼，禁止出現眩光，反光，保證舒適度。

三是無論有無自然光的條件下，均能適應環境的變化。

針對教室照明，此棟教學樓每一間教室均配有投影儀以及大屏幕教學設備，老師經常使用此設備進行教學，既減輕了老師的負擔，又能使課堂的進行更加生動、多樣化、靈活化，促進學生的學習興趣。因此，在照明的設計過程中，除去自然光外，要防止投影屏幕以及黑板的反光，影響部分學生的學習。教室間還存在一些黑板報和墻畫區域，互動交流區。這些空間同樣對照明提出很高的要求。因此，對于教室照明設計，最基本的要求是：

一是無自然光的參與下，均能滿足學生對于照明的要求。

二是有自然光的參與下，使照明燈光與自然光相互融合。

三是防止照明情況下，因燈光導致投影屏幕反光。

四是防止出現眩光，保護學生雙眼。

3.2 光源的選擇

要想達到以上教學樓的照明要求，首先要選擇合適的光源。由于此棟教學樓房間通透性極好，教室和辦公室可以在白天利用自然光進行照明。所以本設計的光源應為自然光和人工光源。一方面太陽光是一種獨特的光源，不同于任何人造光源，合理采用日光，可以營造好的氛圍，節約巨大的能源，因此教室照明的首選應該是天然光。另一方面，是關于人工光源燈具的選擇。無論是自然光還是燈具照明，都首先要優先考慮光源的光照照度，依據國際與國內標準《建筑照明設計標準》GB50034-2013，同時響應國家節約資源以及保護環境的號召，此次設計選用的燈具要符合以下要求：

一是為了防止眩光，需對眩光進行控制，所以在優先選擇平面燈具。

二是辦公室與教室都不適合使用高亮的燈具，否則不利于保護老師與學生的雙眼。

三是燈具的選擇是最好有燈罩，不宜選擇直接照射燈具。且選擇能耗低的燈具。

綜合考慮以上要求，此次設計選用的燈具的是雙條V5雙管熒光燈，其光照高在滿足照明需求的同時又具有節能，使用時長久的特點，在后期維修和電能消耗方面的花費低。照明時，滿足特殊顯色指數，色容差在5SDCM以內，色品坐標偏差值符合相應規定。

3.3 照明質量

燈具確定之后，照明的質量便取決于燈具的數量，擺放的位置等。在日常照明中，光源的照度水平、亮度分布、顯色性、有無眩光干擾以及投光的立體感好壞直接影響師生的體驗。當師生處于辦公室或者教室這個環境中時，眼睛的焦點在不停地移動，并且重新適應新環境，當移動的空間內的光線亮度，或者光線顏色的差異較大時，可能會引發人的視覺疲勞。為防止此種情況的出現，教室的照明亮度應該均衡，減少因視覺的巨大差異而引起的疲勞。同時，也不能使亮度過于均衡，否則會是環境呆板，降低師生的精神狀態。因此，在對房間的照明設計時，出于對照度均勻度的考慮，燈具的安裝位置和數量應該滿足以下要求[5]：

一是教室走廊內和辦公室區域的照明照度，不能低于教室內部和其他工作區的照明照度的三分之一。

二是教室和辦公室的照明照度的均勻程度要符合《建筑照明設計標準》中的規定。綜合考慮以上因素，最終對于此教學樓燈具的數量以及位置設計方案如圖1所示。

圖1 樓層照明示意圖

3.4 眩光控制

在教室具體燈具位置和數量固定后，處于教室的墻面的具體材質，墻面光滑度或者墻體的位置等因素，會導致建筑內光源亮度分布不均勻，或者亮度變化幅度過大，會引起人的不適，這種現象被稱之為眩光，此現象直接影響教學樓最終的照明質量和師生的使用體驗。眩光可能會引發學生或者老師的視力問題，影響學習與工作，長期處于眩光環境下，甚至會影響人的情緒，或者引發心理問題等。

由于眩光的產生大多來自于燈光的變化，控制眩光問題，本次設計主要考慮在安裝時通過控制安裝的位置和方式來減少眩光的出現，具體做法和注意事項如下：

一是控制燈光反射的背景，限制燈具的亮度等。

二是此棟教學樓所有教室屋頂均無障礙，因此無需考慮把燈具嵌入墻體或者黏附在墻面

三是如果燈具的位置已經固定無法改變，那么可以通過改變光線反射背景面位置，使得燈光的反射角偏離室內人的視線。

四是此棟教學樓的層高為3m，屋頂反射比很高，不考慮燈具緊貼屋頂，最好是將其懸掛在半空中，光線經過屋頂的反射，二次照射到下面，間接提高了照明亮度，減少眩光。使學生在更為舒適的條件下學習。

五是辦公室與教室都不適合使用高亮的的燈具，否則不利于保護老師與學生的雙眼。

3.5 導線選擇

考慮用電設備的實用性及經濟性的同時，也滿足了照度要求，之后也要對電能損耗這一角度加以考慮。電荷負荷可以分為一級、二級和三級，不同的用電設備對應不同的電荷符合等級。本次設計對于照明線路電線和電纜材質要區分開，由于不同的建筑其敷設方式也要有所差異，具體如何選擇則應根據以教室的布局情況，照明和其他用電設備的布局情況為主的多個因素確定，如外界作用力、建筑的伸縮、外部環境的熱源、腐蝕性或者污染性物質等，都會對線路的敷設帶來影響。線路的敷設時應尤為注意以上因素，防止帶來不必要的損失。

本工程為0.38kV配電，常用電力電纜100%持續允許載流量。相線截面確定由計算電流確定，設計需滿足現行有關電力電纜與低壓配電的國家標準規定。本設計選取的導線材質為：VLV、VV聚氯乙烯絕緣，聚氯乙烯護套鋁芯，全塑電纜，截面積為35mm2。

4 插座的布局與設計

此棟教學樓供電電源電壓為0.38kV，引自校區內公用變配電室。大部分負荷等級均為三級。在建筑物配電總箱內裝設總電能表。由于本單體距公用變配電室較近，故僅要求在變配電室的電壓低壓側集中設置無功功率自動補償裝置，且電容器組選用投切方式為自動循環，補償后的功率因數不小于0.92。低壓配電系統選用電纜放射式的方式，單臺容量較大或重要負荷選用放射式供電，照明、插座均由不同的支路供電。

4.1 布局要求

根據《建筑供配電與照明》，三類建筑的插座數量和接入應該滿足以下要求：

一是同一間教室的插座必須由同一個回路進行配電。

二是插座不可以安裝在用于疏散照明的回路中，疏散照明回路為單獨回路。

三是對于一些特殊房間，若其未設有安全隔離變壓器的插座，則不對此房間設計插座。

四是單獨回路可以設有插座，但數量應該小于5個。

4.2 插座的選擇

根據《通用用電設備配電設計規范》GB50055-93，應該根據具體環境和使用條件來確定插座的型式和安裝位置。其要求為：

一是需要連接地線的用電設備插座，必須有接地孔。

二是插頭與插座的電壓登記必須相互對應，不可跨等級混用。

三是若建筑所處的環境惡劣、環境濕度大等，所選用的插座必須是保護式或者密封式。并且安裝的高度必須大于1.8m。

四是安裝普通插座，高度保持在1.8m及其以上，安全性插座通常安裝于1.5m以下。

4.3 教室的插座設計

燈具布置完成后，此棟教學樓教室頂棚都設有吊頂式投影儀，投影儀不與其他建筑共用一個供電路線，而是設置一個獨立的回路供電，從而減少日常維護控制等工作量。教室前段，選擇在黑板下面置兩個插座，高度為距離地面0.75m，用于教師課件的演示和日常工作用途。同時，出于實用性和美觀的考慮，在講臺內部安裝設備供電插座。總體上每間教室只設置1個回路配電，每個回路設置的插座不超過6個即可。

4.4 辦公室的插座設計

辦公室的插座數量與分布原則不同于教室，辦公室是教師處理工作的地方，每間辦公室的教師人數有8人，因此辦公室對于供電需求應超過教室。要求每一個辦公桌上設置單獨的單相二三孔插座，共設置10個插座，一般每5個插座為一個回路來進行供配電。本設計中插座采用2.5mm2穿PC管敷設，支路設有剩余電流保護器。具體安裝數量如表1所示。

表1 插座示意表格

最終樓層的插座分布情況如圖2所示。

圖2 樓層插座布局示意圖

5 教學樓的雷擊防護

大氣層中存在著放電現象。當教學樓建筑高度足夠高時，這種放電現象就會對教學樓產生安全隱患，因此隨著社會的發展，建筑的高度也越來越高，關于建筑是否需要安裝防雷裝置，本次設計將從雷擊的分類及原因等方面入手，并結合此棟建筑提出具體的建議和設計方案。

針對于不同雷擊的特點，目前防護效果最好的預防措施有以下幾種：

一是直擊雷是最常見的雷擊現象，對于直擊雷，通常采用的方法是用避雷針或者金屬作為接閃器，接受直擊雷電并且通過引下線將雷電引導至大地。

二是因為感應雷的破壞方式主要針對于金屬設備和金屬導線，因此通常在高壓端兩側各安裝防雷裝置，在低壓側安裝閥門式防雷裝置，在樓層配電箱安裝電源避雷箱。

三是目前主流的防雷設備主要有接閃桿、接閃線、接閃帶、接閃網、以及防雷針等。考慮此棟教學樓的實際情況，此次設計只討論直擊雷的預防。具體措施如下：

（1）在樓頂安裝閃接器來防直擊雷帶來的危害，考慮到教學樓的高度，使用的閃接器由閃接桿或閃結網混合組成，且閃結網的網格尺寸不宜超過20m×20m。

（2）此棟教學樓為U字形結構，考慮在教學樓的每個拐角和中間部分都設置一個引下線，間距在25m以內，共9根。

（3）由于此棟教學樓為三類建筑，因此選取引下線時電阻應不超過30Ω，而且在地下埋金屬管與引下線相接。若無金屬管相接，則兩引下線間距應不少于2m。

6 結論

本文以多層教學樓照明與插座設計的解讀入手，嘗試提出更為合理的方案。本次設計的結果符合國家法律法規的要求和行業的相關標準規定，對于教學樓的防雷安全設計提出相應的方案，本文主要從多層教學樓的照明系統和插座設計兩個方面來進行探討。在論述照明系統時又對于燈具的選擇、光源的分析、線路的敷設以及眩光控制等進行了分析。插座設計主要包括插座的要求、插座的選擇進行設計，同時對于選擇導線進行了具體分析，希望可以起到一定的借鑒作用。