智能化建筑電氣工程的設計與應用研究

陳 浩

（山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000）

1 工程概況

山東省煙臺市某高層居民小區由10 棟32層的樓棟組成，單棟建筑高度為97 m，首層建筑高度為4.0 m，其余樓層高度為3.0 m，總建筑面積約18 000 m2，發電機房、弱電機房、消防控制室等設置在地下一層，地下室面積約19 500 m2，主要用途為停車庫。小區人口多，對用電需求量大，總戶數為1 700 戶。智能化建筑電氣工程設計主要分為弱電智能化設計和強電設計，具體設計內容如表1 所示。

表1 智能化建筑電氣工程設計內容

按照建筑面積的不同，每戶電氣負荷容量可以分為3 種，分別為4、6、8 kW；公共電力負荷主要有物業公司用電、小區照明、電梯、車庫照明等，公用照明負荷可取12 W/m2，每人給排水用電負荷約為0.028 kW，電梯用電負荷每戶為0.3 kW。

2 智能化建筑電氣工程的設計

2.1 建筑供配電系統的自動化設計

建筑供配電系統的自動化設計水平直接影響到建筑的能源利用效率和安全性，設計時需要考慮到建筑的用電需求、設備的功率和電氣系統的可靠性[1]。通過使用智能電表、電力管理系統和智能配電盤等設備，可以實現對建筑用電的監測、控制和優化，以提高能源利用效率和電力供應質量。建筑供配電的自動化設計應能實現無人值守，運行和調度自動化，因此在設計中應優先選用先進的繼電保護和自動控制技術，滿足集中監視和控制的要求，微機保護裝置具有向計算機監控系統提供保護動作信息的串行接口，并保證變電站微機保護的軟硬件設備與監控系統相對獨立，提供智能化和信息化的供配電方式。結合小區的住宅家用電器電容、周邊環境以及樓棟布局等整體情況，自動化和智能化供電系統采用環網供電，在小區中心電網服務中心設置1 個開關站，沿小區平面逆時針方向均勻布置9 臺箱式變電站，各變電站由10 kV 電纜線連接而成，如圖1 所示。自動化和智能化配電系統采用兩層結構形式的綜合自動化結構，上層結構為通信管理層、下層結構為現場保護測控層，如圖2 所示。

圖1 建筑環網自動化和智能化供電系統

圖2 建筑環網自動化和智能化配電系統

2.2 火災報警與消防聯動設計

在智能化建筑電氣工程設計中，火災報警與消防聯動是關鍵的安全考慮因素[2-3]。通過使用火災報警系統、煙霧探測器、火災自動報警裝置等設備，可以實現火災的早期發現和自動報警，同時與消防系統的聯動，以加強火災應急處理和疏散指引，火災詳情傳輸至消防中心后，可以啟動消防電氣控制裝置（氣體滅火、防火卷簾、防火煙霧和消防栓水泵等），達到滅火消防的目的，設計的建筑電氣工程火災報警與消防智能聯動系統。

在建筑電氣工程火災報警與消防智能聯動系統中，布置地下室下方探測器與消防聯動點為3 200 個，按照建筑防火區域以及探測器保護面積，每個探測區域的彈出面積效應500 m2，每棟住宅樓的探測器及聯動點數為150 個。電氣消防遠程監控系統采用EF-ACS 控制系統，系統具備存儲、數字顯示、報警、查詢和傳輸等功能，系統的電源由消防不間斷電源供給，ACS 監控模塊設置在配電柜內，運用RS485 通訊網進行傳訊，EF-ACS 的監控范圍和監控對象等如表2 和表3 所示。

表2 電氣消防遠程監控系統EF-ACS 的監控范圍

表3 電氣消防遠程監控系統EF-ACS 的監控內容

2.3 建筑智能型防雷接地系統設計

在智能化建筑電氣工程設計中，防雷設計是必不可少的一環。通過使用避雷針、接閃器和大地網等設備，可以有效地防止雷電引發的火災和電氣設備損壞，確保建筑電氣系統的可靠性和安全性。一般的雷電防護裝置主要由雷電接受裝置、引下線和接地裝置3 部分組成。其中，雷電接受裝置負責將雷電引入系統，通常由避雷針、避雷帶等接閃器構成；引下線負責將雷電電流從接閃器引入接地裝置；接地裝置則負責將雷電電流引入大地，使其流散。結合工程實際，為了確保防雷效果，研究設計了建筑智能型防雷接地系統如圖3 所示，建筑智能型防雷接地系統主要由雷電防護系統（LPS）和LEMP 防護系統（LPMS）組成。系統中接閃器采用提前放射式避雷針和避雷帶，采用熱鍍鋅扁鋼作為跨接帶，并設在屋頂女兒墻中，避雷帶連接網格小于20 m×20 m，所有金屬突出物均與避雷帶可靠焊接；引下線利用建筑物自身內部鋼筋擔任，考慮建筑物的高度（90 m），建筑內部密布的鋼筋相互連接形成一個法拉第籠，超過30 m 的樓層每3 層樓均安裝均壓環，建筑中4 根主鋼筋焊接為引下線，引下線間距小于25 m；為消除電位差和電位互通，接地極考慮智能建筑中眾多的電子信息系統，建立一個公用的接地體與建筑法拉第籠完整地相連；內部變壓器的避雷器選用串聯間隙氧化鋅避雷器；建筑智能電子信息系統采用浪涌保護器SPD 三級保護。

圖3 建筑電氣工程智能型防雷接地系統

在建筑電氣工程智能型防雷接地系統中，為了提高系統傳輸的遠程控制能力，設計智能型防雷接地系統的電流傳輸網絡和路由，系統考慮變電所的增設情況，系統負荷率在70%～85%，確定最優潮流控制函數如公式（1）所示。

式中，f(x)為最優潮流控制函數；σ為一個較大的常數；x為最優潮流自變量。

供配電系統在受到雷電襲擊時，根據防雷電接地的雷電流強度，考慮電熱傳輸效應，接地電阻計算方法如公式（2）所示；配電變壓器室小區變配電系統的核心設備，變壓器與避雷器之間的允許最大距離如公式（3）所示[4]。

式中：ρ為土壤的電阻率；S為地網面積；L為接地體總長度；d為接地體的線直徑；h為接地體的深度；Up為變壓器的手沖擊電壓最大值；Ur為避雷器的殘存電壓；α為雷電波陡度；v為雷電波速度；Cr為變壓器入口電容；C0為避雷器到變壓器連線單位長度的電容。

綜合計算后本研究中建筑的接地電阻大于4 Ω，變壓器與避雷器之間的允許最大距離不超過23 m?；谠O計的建筑智能型防雷接地系統，對防雷接地的輸出電流衰減，并與傳統的防雷接地方法進行對比，結果如圖4 所示。

圖4 建筑電氣工程智能型防雷接地系統與傳統防雷接地方法的雷擊電流衰減倍數對比

從圖4 中可以看出，在傳統的防雷接地方法中，雷擊電流衰減倍數范圍為80～82 dB，運用建筑電氣工程智能型防雷接地系統后，雷擊電流衰減倍數得到了大幅度的提高，衰減倍數變化范圍為101～105 dB，提高幅度約26%。

3 結語

以山東省煙臺市某高層居民小區智能化建筑電氣工程設計為例，研究了建筑供配電系統的自動化設計、火災報警與消防智能聯動設計、建筑智能型防雷接地系統設計，得到以下幾個結論：

（1）為保證建筑供配電的自動化設計應能實現無人值守，運行和調度自動化，自動化和智能化供電系統采用環網供電，自動化和智能化配電系統采用兩層結構形式的綜合自動化結構，上層結構為通信管理層、下層結構為現場保護測控層。

（2）建筑電氣工程火災報警與消防智能聯動系統通過使用火災報警系統、煙霧探測器、火災自動報警裝置等設備，采用EF-ACS電氣消防遠程監控系統對異常信息進行監控并傳輸數據至消防聯動控制器，觸發消防設備機關，啟動消防電氣控制裝置（氣體滅火、防火卷簾、防火煙霧和消防栓水泵等），達到滅火消防的目的。

（3）設計的建筑智能型防雷接地系統主要由雷電防護系統（LPS）和LEMP 防護系統（LPMS）組成；相比于傳統的防雷接地方法，運用建筑電氣工程智能型防雷接地系統后，雷擊電流衰減倍數得到了大幅度的提高，衰減倍數變化范圍為101～105 dB，增加幅度約26%。