北京華能大廈的綠色電氣設計

金大算（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）

工程背景

華能大廈位于北京市西城區復興門 8-2#地塊，南起東鐵匠胡同、北至復興門內大街、東起教育西街、西至草坪東路，面正對民族文化宮；新建后的華能大廈為華能集團公司總部辦公大樓，總建筑面積約13萬m2，地上建筑高度約為55m，建成后的華能大廈也是長安街上的重要標志性建筑之一。

設計目標

對華能大廈的規劃設計目標是使其成為設施齊全、功能完善、具有國際先進水準的公司總部辦公大樓，該大廈的設計既要有自己的特色，又具時代特征。此外，應考慮該大廈與北京歷史文化相融合、與長安街已建的建筑相匹配，并成為具有鮮明的企業文化內涵的現代建筑，創造出宜人的空間尺度，提供綠色、智能、環保、節能、舒適、交通便捷的辦公空間。

華能大廈建筑設計在滿足各使用要求及經濟合理的前提下，充分體現綠色建筑的要求，優質的室內環境品質；以高效節能的綠色建筑為目標，制定切實可行的設計方案，使項目的能源消耗、環境品質、生態環保等方面均達到國際LEED所規定的可量化的指標和標準，建成后已獲得LEED認證，并獲得LEED金獎。

華能大廈電氣設計在滿足現有的國家節能措施外，在照明功率密度選定、智能燈光控制、可再生能源利用、電能檢測管理等四個方面的設計均達到LEED所規定的標準及要求，以下介紹這四個方面的具體實施方案。

1 環境照明

1.1 功率密度的確定

主要場所的功率密度值參照LEED標準實施，當LEED標準超出國家標準時，按國家標準執行。主要場所的功率密度值（單位W/m2）見表1。

表1 主要場所的功率密度值（W/m2）

1.2 主要燈具的選型

（1）熒光燈采用T8-1×45W高光通量直管熒光燈，配高頻寬配光熒光燈具，采用高頻電子鎮流器，功率因數約在0.98，燈具效率不小于82%，顯示指數不小于84，使用于辦公區、會議室、報告廳等場所。

（2）筒燈采用2×18W 或1×18W 節能燈，配高效電子鎮流器，功率因數不小于0.9，燈具效率不小于75%，顯示指數不小于80，使用于辦公區、會議室、報告廳、休息區、走道等場所。

（3）局部層高較高的機房采用金鹵燈，配節能型電感鎮流器，燈具自帶電容補償，功率因數大于0.9，帶透光罩型燈具，燈具效率不低于60%，使用在中庭照明及建筑照明。

（4）疏散指示燈光源及外墻面照明光源中，較大部分利用LED燈。

（5）辦公區熒光燈的安裝以垂直外窗方向排列，回路控制則按照平行于窗戶方向以列為單位開啟。

2 燈光控制

2.1 控制系統

（1）對普通辦公區的熒光燈照明回路實現開關量控制，對各場所嵌入式筒燈及領導辦公室的熒光燈實現DALI控制；系統為總線式、模塊化、全分布式控制系統；管理人員可以通過大廈智能照明控制主機對大廈內各區域的照明進行集中監控；整棟大樓內超過90%的燈光均在系統的自動控制范圍內，以滿足LEED標準的規定要求。

（2）智能照明控制系統由主機、控制面板、觸摸屏、移動感應器及亮度傳感器等設備組成，所有的設備均可在總線上發送控制指令，實現對總線上的照明設備進行控制；在配電箱內設置回路控制模塊及DALI網關進行控制，達到相應的回路開關控制及調光控制的目的；系統簡圖如圖1所示。

2.2 燈光控制

圖1 智能照明控制系統簡圖

（1）辦公區的燈光控制是通過亮度傳感器對外界自然光射入的亮度強弱來進行自動控制的，系統可根據設定的照度值確定發送開關或調光命令；當外界的光線強度超過設定值時，系統能自動控制燈光照明回路，并按平行于窗的順序將照明燈一列一列地關閉，從而實現節能的目的。

（2）會議區的燈光控制采取多場景設置方式，按預定的各場景模式實施燈光控制，以保證燈光照明效果以及達到預期的節能效果。具體設定要求如下：

● 會前準備模式：演講臺直接照明開啟并調至20%的狀態，天花間接照明開啟并調至50%的狀態，洗墻燈具開啟并調至30%的狀態，所有裝飾性燈具關閉。

● 少人會議模式：演講臺直接照明開啟并調至80%的狀態，天花間接照明開啟并調至80%的狀態，洗墻燈具開啟并調至60%的狀態，裝飾性燈具開啟并調至50%的狀態。

● 多人會議模式：演講臺直接照明開啟并調至100%的狀態，天花間接照明開啟并調至100%的狀態，洗墻燈具開啟并調至100%的狀態，裝飾性燈具開啟并調至100%的狀態。

● 演講模式：演講臺直接照明開啟并調至90%的狀態，天花間接照明開啟并調至10%的狀態，洗墻燈具開啟并調至15%的狀態，裝飾性燈具開啟并調至5%的狀態。

● 會議休息模式：演講臺直接照明開啟并調至20%的狀態，天花間接照明開啟并調至30%的狀態，洗墻燈具開啟并調至15%的狀態，裝飾性燈具開啟并調至 100%的狀態。

● 清掃模式：演講臺直接照明關閉及天花間接照明開啟并調至50%的狀態，洗墻燈具開啟并調至50%的狀態，裝飾性燈具關閉。

（3）公共走道、地下車道、衛生間、建筑立面、室外總體綠化照明等均采用回路開關控制方式，統一進行時間管理，在各時段按回路開啟相關的燈光照明；對于走廊、電梯廳及衛生間的燈光采用移動感應器進行自動控制，做到人來燈亮、人走燈滅。延時時間可通過程序預先設定，移動感應器和照度感應器使用時間段可由系統時鐘進行控制。

2.3 配線要求

（1）控制總線的線纜采用符合EIB標準的2×2×0.8mm的控制線纜進行連接。

（2）筒燈部分的DALI控制線纜采用符合DALI標準的2×1.0mm的控制線纜進行連接。

（3）1～ 10V控制線纜采用符合弱電控制標準的2×1.0mm帶屏蔽的控制線纜進行連接。

3 可再生能源利用——太陽能光伏系統

華能大廈的可再生能源利用主要體現在太陽能的綜合利用方面，包括“太陽能光-熱”及“太陽能光-電”兩部份，其中太陽能光伏發電的總量約50kW，占總供電系統的0.33%；以下簡要描述華能大廈的光伏系統設計。

3.1 光伏系統主要類型

（1）獨立型光伏系統

獨立系統通常由太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器、負載等設備組成。太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端用電設備。

（2）并網型光伏系統

并網系統通常由太陽能電池組件、連接器、并網逆變器、負載（或電網）等設備組成；如采取的是直接上網形式時，系統的負載就是電網。

3.2 光伏系統方案優化

（1）直流帶蓄電池方式：所有設備都連接在直流母排上，日間太陽能光伏發電直接充電到蓄電池組內，夜間可將蓄電池組內的直流電再直送至負載；如50kW使用24V直流供電，系統的工作電流在2000A以上，會造成線路投資多、壓降大、不節能等不利因素。

（2）交流帶蓄電池方式：所有設備都連接在交流母排上，日間太陽能光伏發電直接充電到蓄電池組內，夜間通過雙向逆變器又可以將蓄電池內的直流電逆變為交流電，送至動力資源房供照明使用。如蓄電池也無法滿足負載用電負荷，則由市電補充供給，但終因蓄電池存在二次污染問題且投資增加，與綠色建筑理想不符，最終放棄的方案。

（3）交流直接并網方式：所有設備都連接在交流母排上，日間太陽能發電量直接供給地下車庫的照明用電，發電多少用多少。在太陽能發電量無法滿足負載用電時，則由市電補充供給，盡管不能體現光伏系統亮點，但確實可以節省投資、增加效益，更節能、更環保。

（4）華能大廈光伏系統通過逐步優化后，最終選定為并網發電系統，其負載為地下車庫照明。當光伏發電量能滿足負荷需求時，由光伏電源供電；不足時，不足部分由市電補充。

3.3 實施策略

（1）大廈位于北京市（N39.56o、E116.17o），在華能大廈屋頂安裝太陽能光伏并網發電系統；太陽能方陣采用正向朝南安裝, 組件安裝傾角為30o，以使整個光伏發電系統能夠在最佳方位，最佳傾角產生最大的發電量。

（2）大廈屋頂安裝太陽能光伏并網發電系統，必須充分考慮整個光伏系統的荷重，抗風能力和系統的發電效率等綜合因素。采用先進的專業設計軟件，對整個光伏發電系統進行了詳細的分析與設計。整個屋面光伏系統共采用238塊210Wp的太陽電池組件，總安裝容量為50kWp，整個光伏系統分成兩個子系統，一個容量為37.8kWp，另一個容量12.2kWp。

（3）系統的組成：主要包括太陽電池組件、并網逆變器、直流接線箱、交流配電柜、若干動力電纜連接線及安裝支架。

（4）電纜連接線：考慮到電纜的使用場所等因素，光伏系統的動力電纜連接線采用WDZA-YJY交聯聚乙烯絕緣交聯聚烯烴護套低煙無鹵阻燃電力電纜。

（5）安裝支架：整個光伏系統的安裝支架采用HILTI-210系列支架.支架采用熱鍍鋅鋼材料,抗風能力達到120kmph。

（6）基礎施工：在屋頂安裝光伏板，為提高整體的安全性，并盡量減少屋面載荷，基礎設計為方形水泥墩結構，并與屋面的水泥墊層可靠結合。

（7）屋面線路施工：光伏組件之間的串接導線固定在組件背面及金屬支架上，屋面電纜線束用金屬橋架方式施工，同時對電纜起到防曬和機械保護作用。

（8）與主配電柜的連接設計：光伏組件陣列的引出線通過橋架引到太陽能電站機房的直流接線箱，并網逆變器的輸出電纜引到交流配電柜，從交流配電柜再與原大樓設計的主配電柜進行連接。

（9）線路規格：太陽電池組件間連接線以及每路電池組件到直流接線箱采用4mm2硅橡膠電纜；直流接線箱至并網逆變器直流連接線采用1×4mm2的硅橡膠電纜。

（10）通訊：整個光伏系統的數據采集系統采用RS485通訊電纜進行連接，并上傳至電能管理系統。

（11）防雷接地：利用光伏組件板的金屬構件作為接閃器，并與屋面的避雷帶可靠連接，利用共用接地裝置接地，并安裝SPD浪涌保護裝置。

4 電能監測

4.1 電能管理

設置電能質量管理系統，有效地觀測設備的運行狀態，系統主機設置在地下室10kV主變電所值班室內，信號上傳至BAS系統，系統原理圖詳見圖5。

（1）高壓部分

● 高壓10kV系統采用微機綜合保護裝置，配備有標準RS232、RS485和10/100BaseTX的以太網通訊端口，開放式標準規約Modbus RTU。

● 通過微機綜合保護裝置，可以上傳以下信息：斷路器合/分閘狀態、手車試驗/工作狀態、儲能狀態、接地開關狀態、遠方/近地控制位置、故障報警信號等。

（2）低壓部分

● 低壓進線、應急進線回路設多功能測控裝置，遙測總有功、無功、功率因數、電流、電壓、頻率、諧波等。

● 低壓聯絡回路設多功能測控裝置，遙信斷路器分合狀態和故障報警信號。

● 低壓饋出回路、電容器回路設多功能測控裝置，遙測功率、電流、遙信:斷路器分合狀態和故障報警信號。

（3）變壓器溫控器、直流屏、UPS以及柴油發電機、太陽能光伏等外接第三方系統設備應預先留MODBUS通訊接口。

（4）系統所采用的多功能測控裝置即多功能儀表應安裝在開關柜的面板上。

（5）系統監控主機的電源由不間斷電源（UPS）提供，系統信號線采用兩芯雙絞屏蔽電纜。

4.2 電能測量

在層面總箱內設置總測量用多功能電力儀表，能測量到每個部門的用電負荷情況；通過科學地用電統計、匯總、分析所消耗的電量，滿足各部門的數據處理、財務結算、節能決策的需求。

5 結束語

本文主要描述華能大廈電氣設計是如何滿足LEED認證所提出的四個方面要求，但真正的設計目標還是低碳綠色；此外，如采用能耗管理系統來替代電能監測系統會更加合理、有效，能更好地實現對各類能耗數據的采樣、分析。筆者希望本文對其他項目的綠色建筑電氣設計有一點參考價值，在文中如有不足之處希望讀者批評指正。

[1]United States Green Building Council. LEED-V3 認證標準[S].美國綠色建筑委員會，2009.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T50378-2006綠色建筑評價標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2006.

[3]中國建筑科學研究院. GB50034-2004建筑照明設計標準[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2004.