超高层建筑电气浅析

一、供配电系统负荷计算

对于供配电系统我们主要从：装机容量、系统形式、备用电源选择等方面进行分析。

1. 装机容量计算

超高层建筑负荷计算相对复杂，需要根据各个业态的建筑面积及功率密度值计算其安装容量。然后根据需用系数及同时系数计算其总的计算容量。然后控制变压器负载率在一定合理的范围内，计算出总的装机容量。装机容量中还应包含我们一些无法确定而预估的容量。而超高层建筑特有的设备安装容量如：直升机平台、擦窗机、泛光照明（户外广告LED屏）、冷冻站机房、数据处理中心等均需引起注意。而对于前期方案阶段我们可以根据已建成的超高层建筑的装机容量进行参考。

典型的超高层进行了容量统计如下表：

从上表数据分析可知，超高层用电负荷装机容量密度值应该在110~130VA/m²。

二、供配电系统系统形式

超高层建筑对于变配电室位置的选择尤为重要，考虑建筑高度及供电半径的要求，150米~200米以下仅在地下设置变配电室，200米以上应在建筑中间避难层设置高区变配电室。对于超高层建筑中间避难层变配电室内变压器的选择必须慎重，变压器的容量直接决定了变压器对电梯的载荷数值，而重载电梯在保证一定梯速的前提下会直接增加整个项目的投资成本。笔者有幸曾在CBD Z14地块（建筑高度238米）的电梯评标中担当专家评委，3.6吨的重载电梯(梯速5m/s)通高运行的价格为400W，而1.8吨的价格仅为200W，可见重载电梯对成本的影响。但变压器的垂直运输和后期的运营维护是供配电系统必须关注的两个重点内容。所以要结合技术及经济条件综合考虑。

附表1是SCB10环氧树脂干式变压器（无外壳）相应变压器容量、尺寸与重量的对照表。

附表2是电梯参数、尺寸与载重量的对照表

附表1

附表2

通过数据分析可知， 避难层变压器容量控制在1000KVA（含）以下电梯的吨位就可以控制在3吨以内。若受其电梯负载限制，在对避难层的变压器容量进行了限制的同时，可在避难层变配电室预留一台备用变压器，以解决后期维护问题。其次超高层避难层高区配电室内所带负荷容量较大，其变压器数量都在4台以上。考虑供电安全性及可靠性，高压系统形式应由开闭站放射10KV高压电缆至每台变压器。因高压开闭站设置在地下建筑层，开闭站内高压柜均采用金属铠装柜，其高压继电保护均设置于开闭站内。所以高区变配电室内高压进线及出线继电保护不需重复设置，对高区变配电室高压柜的选择，容量小于800KVA的变压器，可采用隔离开关加熔断器保护的环网柜。容量大于800KVA的变压器可采用断路器式环网柜。以降低投资造价。

对于低压供电系统形式，超高层建筑一般分业态分区供电。供电系统的形式均按单母线分段+母联+应急段设置。供电干线一般采用双路密集插接母线沿电井敷设，奇数层与偶数层分别由插接母线接引电源。当一路电源发生故障时，另一路干线可以带起全部负荷。低压系统供电形式详见附图1.

附图1

对于联锁保护关系，由于柴油机对应不同分变配电室应急段母线，因此对于联锁及保护都提出了更高的要求。柴油机应在两路市电中任意一路市电后进入热备份状态，此时应急段与市电低压母线段母联开关不投入。待另一路市电失电后母联开关投入。联锁关系采用PLC（可编程逻辑控制器）控制。而在消防等应急情况下要求柴油机能带起全部一级负荷容量，切除所有非消防回路。母联及末端ATSE互投时间要相互配合。ATSE的互投时间要大于母联的互投时间。

三、备用电源选择

根据超高层负荷等级，在保障双路供电的同时，应留有第三路独立电源作为备用电源，而备用电源多采用柴油发电机。首先从电压等级上对柴油机进行选择。其电压的选择决定着整个供配电系统的形式。根据规范建议200米以下建筑应采用低压柴油机，200~400米应进行经济技术比较后确定，400米以上应采用高压柴油发电机组。高压柴油机发电机组容量大，供电距离长，供电线路能量损耗小。低压柴油发电机则相反。但高压柴油机对初期投资要求较高。高低压柴油机对比见下表。

高低压柴油发电机对比表

其次是关于柴油机冷却方式与室外储油灌和快速注油口的选择，柴油机分为风冷式机组和水冷式机组。风冷式机组对建筑面积提出一定的要求，需要设置进排风竖井。而水冷式机组则需要室外空间设置冷却水箱。具体形式应根据建筑布局空间确定。

四、能源利用及管择

超高层写字楼的开发成本和后期维护成本的比值大概在1比3，而后期维护成本最贵的就是能耗，占到30%。超高层建筑在立面高度跨越了气候分区，高度超过100m以上除太阳辐射可以认为基本不变以外，气温和风速等气象参数均发生很大变化。一栋600米高度的超高层顶部将承受的风速达到了100公里/小时。而风能是可再生能源，超高层建筑可加以利用。上海中心大厦顶部就安装了270台“垂直轴涡轮”的风力发电机，总额定功率为135千瓦，每年可以为大厦提供1.19百万度的绿色电力。供屋顶、观光层中的设备使用。除利用风能外，光伏建筑一体化（BIPV）技术可以有效的利用太阳能。光伏建筑一体化的两种形式见下表：

现代超高层建筑多为玻璃幕墙围护结构，本身就是一个垂直的太阳板阵列的巨大场地。英国曼彻斯特城的合作保险大厦外立面就安装了7244块光伏电池板。从光伏电池设计的角度来看，光伏电池主要有三种形式：晶体硅电池、非晶硅的薄膜电池、柔性薄膜电池。非晶硅的薄膜电池及柔性薄膜电池在满足“四性”试验后均可以代替普通玻璃幕墙。和普通幕墙造价相比，每平方米的薄膜太阳能幕墙要贵800-1200元。但从发电收益上看，每平方米光伏幕墙在建筑生命周期内（约25年）发电可以带来1437元的收益，此外，根据绿色节能建筑的补贴标准以及遮阳隔热减排的收益，还可以增加2846元，合计显性收益是4349元。按显性收益计算BIPV的投资回收期是8-12年。

曼彻斯特合作保险大厦

上海中心大厦

能源管理系统与BIM模型结合后，可以使用图形化界面查看建筑能耗信息，超高层建筑的电梯、空调、照明等在一个周期内的能耗数据都能显示出来，通过对建筑的能耗数据统计、分析，确定建筑物能耗对比，确定建筑物的能耗状况和设备能耗效率，从而提供建筑物能源管理优化措施。

基于BIM模型的能源统计系统

五、结语

综上所述，超高层的供电系统的负荷计算、系统形式及备用电源的选择有自身的特点。能源管理的应用更是区别与普通建筑。对于超高层的设计应因地制宜，制定合理的供电方案及能源管理系统。对于超高层建筑弱电系统的分析笔者会后续补充专篇。

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