消防供配電系統設計方案優化

陳新偉（1984—），男，工程師，從事工業與民用建筑高/低壓變配電系統設計及方案優化工作。

摘 要：電氣專業在項目成本中占比較重。通過對民用與工業建筑供配電系統設計，電纜選型，穿管材質等方面設計優化，以達到節約電氣專業項目成本，為房地產開發商控制成本提供了設計優化方向。

關鍵詞：供配電系統; 末端切換; 礦物絕緣電纜; 電氣管材

中圖分類號：TU852

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8417（2024）03-0019-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.03.005

0 引 言

供配電系統設計方案的優化依據是國家及地方設計標準，供配電系統設計方案要簡單，可靠、安全、合理、經濟。

本文從供配電系統、電纜材質以及電氣管材3個方面對消防供配電系統進行優化設計。

1 項目建筑概況

本工程建筑概況：地下3層;地上32層;總建筑面積約10萬m²，建筑高度為136 m;建筑分類為一類高層;建筑層高：首層5.50 m，2～3層4.80 m，標準層4.20 m;機動車停車數量：428輛。

2 設計優化方案

2.1 消防供配電系統設計優化

本工程為一類高層（超高層）建筑及一類地下車庫工程，根據GB 50016—2018《建筑設計防火規范》^［1］第10.1.8條及GB 50067—2014《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》第9.0.2條^［2］，得知本工程塔樓及地下車庫消防負荷為一級負荷，按一、二級負荷供電的消防用電設備的兩個電源或兩個回路應在最末一級配電箱處自動切換。以防火分區三為例，原消防系統設計圖如圖1所示。

上述設計方案中所有消防設備均采用末端切換裝置配電。我國民用建筑防火設計中大量采用雙電源轉換開關作為消防設備供電，認為轉換開關設置在控制箱處才是安全的，單從供電可靠性和安全性來說相對是最安全的，但供配電設計原則是安全、可靠、經濟;三者達到臨界值為最理想狀態;如果犧牲經濟、換來更安全、更可靠，勢必會造成投資成本及資源的浪費。美國民建工程采用4個轉換開關即：消防水泵房、消防控制室、消防電梯機房，其余消防負荷在變電站首段切換供電，與我國目前設置切換裝置數量及位置反差較大，這也是GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》（以下簡稱《民標》）規范編制組修訂規范條文的背景。根據民標第13.7.4條^［3］規定：消防末端切換裝置配電箱應設置在消防水泵房、消防電梯機房、消防控制室和各防火分區的配電小間內;各防火分區內的防排煙風機、消防排水泵、防火卷簾等可分別由配電小間的雙電源切換箱采用放射式供電。

《民標》是2020年8月1日實施，在建筑防火通用規范^［4］2023年6月1日實施之前，GB 50016—2018《建筑防火設計規范》第10.1.8條：明確規定防排煙機房應采用末端切換裝置供電。因該條文為黑體強制性條文，與《民標》有部分條文沖突，但設計院會嚴格執行強制性條文規定：即所有消防設備仍然均采用末端切換裝置配電。

GB 55037—2022《建筑防火通用規范》于2023年6月1日實施并公告：現行工程建設標準中有關規定與本規范不一致的，以本規范的規定為準，同時廢止了建筑防火規范第10.1.8條，從此“末端”切換這個爭議問題徹底解決。防火通用規范第10.1.6條已明確規定：除按照三級負荷供電的消防用電設備外，消防控制室、消防水泵房、消防電梯僅這3類消防用電負荷應在其配電線路的最末一級配電箱內設置自動切換裝置。

其余消防設施如防排煙風機、防火卷簾、電動排煙窗、消防排污泵、應急照明等均可在本防火分區的配電箱內設置總自動切換裝置，這條規定與《民標》第13.7.4條高度吻合。因此依據《民標》及通用規范相應規范條文，優化后消防系統設計圖如圖2所示。

優化前與優化后供配電系統方案對比如下：

① 節約一半耐火電纜及電纜橋架截面積;

② 節約一半配電開關;

③ 節約末端切換裝置數量。

2.2 電纜材質優化

設計師在消防電纜選型時，不管是干線還是支線均采用礦物絕緣電纜，這樣會造成電纜成本的提高。原電纜選型設計圖如圖3所示。

GB 50016—2018《建筑防火設計規范》第10.1.10.3條明確規定：消防配電線路與非消防配電線路共管井（溝）時，消防配電線路應采用礦物絕緣類不燃燒性電纜。本條為國家強制性標準。大多數項目為了減少公攤面積，提高得房率，采用消防和非消防合用電氣管井。因此設計師普遍會遵循此條意見，即從變電站低壓柜出線端敷設電纜經過電纜溝、電纜橋架至每棟單體電氣管井，應急照明干線，消防電梯干線、屋頂防排煙系統等均采用礦物絕緣電纜，無可厚非，需滿足國家標準要求。

設計師普遍認為：變電站出線會經過電纜溝，消防負荷和非消防負荷會在變電站電纜溝內合用，如果這樣解釋，符合規范要求即：變電站低壓柜至地下車庫一級消防配電總箱可采用礦物絕緣電纜。變電站低壓柜至一級配電柜進線端距離較遠，且電纜截面積較大，全程采用礦物絕緣電纜成本較高。同時消防負荷和非消防負荷共用母排但會分設不同低壓柜出線，建議在變電站低壓側出線柜分開敷設，即消防負荷上進上出消防橋架敷設，非消防負荷低壓柜下出線電纜溝敷設并非消防電纜橋架敷設至末端，這樣消防負荷均可以采用耐火電纜，同時橋架敷設便于維護檢修（上進上出方式可節約變電站凈高，便于電纜檢修等優勢，但需要滿足項目所在地供電公司要求）。

消防負荷和非消防負荷支線：即一級配電柜后出線電纜本身就分專用橋架敷設，更沒有必要設置礦物絕緣電纜，采用普通耐火電纜即可滿足建筑防火設計規范要求。再次，依據《建筑防火通用規范》第10.1.5條：消防用電設備應能滿足建筑火災持續時間內持續供電要求：即消防設備的供電電纜選型既要滿足火災耐火溫度，又要滿足耐火時間。不同建筑設計的火災持續時間如表1所示。

依據《民標》第13.7.16條要求，部分消防用電設備在火災發生期間內最少持續供電時間如表2所示。

本工程高度為136 m，屬于一類高層（超高層），需要滿足至少180 min的火災持續時間。本工程的消防控制室、消防水泵、消防電梯等需要滿足火災發生期間最少持續時間為180 min。因此消防控制室、消防水泵、消防電梯與非消防負荷不管是否共管井，均應采用滿足耐火溫度950 ℃、耐火時間為180 min的礦物絕緣電纜。

除以上3種消防設備以外的其他消防設備持續供電時間如下：① 防排煙持續時間不小于90 min;② 依據《民標》表13.6.6得知：應急照明持續時間不小于90 min;③ 甲級卷簾門耐火時間為90 min;④ 地庫排水泵持續時間不小于90 min。

消防設備用電可采用普通耐火電纜即可滿足耐火溫度750 ℃、耐火時間為90 min的需求。

本工程塔樓應急照明、屋頂防排煙干線采用礦物絕緣電纜（與非消防負荷共電氣管井），支線可采用專用消防橋架敷設耐火電纜，滿足火災持續時間不小于90 min。

本工程塔樓消防電梯應采用礦物絕緣電纜（既滿足與非消防負荷共電氣管井，又要滿足火災持續時間為180 min）。

本工程消防控制室、消防水泵應采用礦物絕緣電纜（即使沒有與非消防負荷共管井，但仍需要滿足火災持續時間180 min）。

本工程地下車庫消防用電：消防排水泵、防火卷簾、應急照明、擋煙垂壁、防排煙等系統用電的消防干線及消防支線均可采用耐火電纜，即可滿足耐火溫度750 ℃、耐火時間為90 min需求。

綜上優化方向如下：地下車庫消防干線及消防支線由原設計師設計的礦物絕緣電纜調整為耐火電纜（消防水泵、消防控制室除外）。

2.3 管材材質優化

電氣管材在供配電設計中需求量較大，在電氣管材材質及壁厚角度優化尤為重要。原電氣管材設計圖紙如圖4所示。

地下車庫原應急照明配電系統圖均采用SC管，應急照明采用SC管的設計依據如下：① 《民標》第13.6.3條：消防應急照明配電線路應穿熱鍍鋅金屬管敷設在不燃燒體內：② 《民標》第8.3.2條：明敷于潮濕場所應采用壁厚不小于2.0 mm的鋼導管;③ GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》第6.2.3條^［5］：建筑物底層及地面層以下外墻內的線纜采用金屬管布線時，壁厚不應小于2.0 mm;

大多數設計師會根據GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》第6.2.3條進行設計。

由于海拔0 m及以下建筑樓板，結構柱和外墻濕度較大，金屬導管會有不同程度銹蝕。多數設計師由此得出地下車庫全部為潮濕場所。地下車庫平時雙速風機會不定期低速通風，加之汽車發動機散熱等因素，基本地庫屬于干燥場所（雨季地庫灌水自然災害除外：地下車庫配電間，變電站也會受影響）。

潮濕場所不同規范的定義如下：① GB 50575—2010《1 kV及以下配線施工與驗收規范》第4.1.6條^［6］：潮濕場所是指相對濕度大于80%的場所;② GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》第8.5.1條：潮濕場所是指相對濕度大于95%或相對濕度長期超過75%的空氣環境，存在積水或其他液體、泥濘的環境;③ GB 50098—2009《人民防空工程設計防火規范》第8.3.1條^［7］：所謂潮濕場所，是指工程內濕度較大的水泵房、廚房、洗漱間等房間。通過查閱以上規范資料得知GB 50098—2009《人民防空工程設計防火規范》定義潮濕場所最為中肯，也最接近地下車庫使用場所：平時為地下車庫，戰時為防護單元。

GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》中指出：對暗敷于建筑物“最”底層樓板及地面層以下外墻、結構柱內鍍鋅鋼導管壁厚不應小于2.0 mm。條文解釋中這個“最”字已明確具體部位：即如果地下室有兩層，則是指地下二層底板，不包含地下二層頂板。金屬導管壁厚設置區域示意圖如圖5所示。

建筑電氣常用數據^［8］中各種管材壁厚如表3所示。

因JDG管為熱鍍鋅且壁厚均可滿足國家規定的干燥場所不應小于1.5 mm要求。綜合上述分析，本工程優化建議如下：

（1） 海拔0 m以上部分（屋頂除外），建議消防電氣管材無論是明敷設還是暗敷設由原設計的SC管調整為JDG管（如應急照明系統、火災報警系統、消防其他管線等）;非消防電氣管材“暗敷設時”由原設計的SC管調整為中型PC管（依據民標第8.6.2條：采用B2級、壁厚1.8 mm及以上導管），如普通照明、辦公入戶管線、戶內配管。

（2） 海拔0 m以下部分（非最底層底板及外墻側），建議無論是明敷設還是暗敷設由原設計的SC管調整為JDG管（消防）：應急照明、火災報警系統、消防其他管線;非消防電氣管材“暗敷設時”由原設計SC管調整為中型PC管（同上）：如地下車庫普通照明、充電樁管線。

（3） 海拔0 m以下部分（地下二層底板及外墻側），維持原設計，繼續采用SC管或者采用重型PC管。

3 結 語

消防設計在預防火災發生及消防救援方面至關重要，隨著科學技術的發展，建筑防火設施質量大幅度提高，規范編制專家組也隨之不斷修訂規范條文，順應時代發展，使規范條文更合理化，更人性化，更富有經濟價值。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑設計防火規范（2018）：GB 50016—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2018.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范：GB 50067—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

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［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑防火通用規范：GB 55037—2022［S］.北京：中國計劃出版社，2022.

［5］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑電氣與智能化通用規范：GB 55024—2022［S］.北京：中國建筑工業出版社，2022.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.1 kV及以下配線工程施工與驗收規范：GB 50575—2010［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

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［8］ 國家建筑標準設計圖集.建筑電氣常用數據：19DX101-1［S］.北京：中國計劃出版社，2019.

［9］ 中國工程建設標準化協會.套接緊定式鋼導管電線管路施工及驗收規程：T/CECS 120—2021［S］.北京：中國計劃出版社，2021.

收稿日期：20231218

Optimization of Design Scheme for Fire Power

Supply and Distribution System

CHEN Xinwei

（Shanghai Tongmu Construction Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200438， China）

Abstract：Electrical engineering accounts for a significant portion of project costs.By optimizing the design of power supply and distribution systems，cable selection，and conduit materials for civil and industrial buildings，it can save costs for electrical engineering projects and provide design optimization directions for real estate developers to control costs.

Key words： power supply and distribution system; end switch; mineral insulated cable; electrical pipes