建筑物智能化系统设备的配电方案浅谈

任志强, 李光曦, 韩钰婷

(1.筑博设计股份有限公司, 重庆 400020;2.中信建筑设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430014;3.中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

在传统的民用建筑设计中智能化系统的设计由电气设计人员完成,但随着建筑智能化系统复杂程度的提升,对建筑智能化系统的设计有了更加专业化和精细化的需求。为了适应这种变化,智能化系统的设计已经由电气设计人员兼顾转为专项设计。专业设计团队在提升智能化系统设计专业性的同时也带来一些问题,如电气设计预留容量偏差造成返工或浪费,智能化设备配电系统无法做到整体安全、可靠、合理。前者的原因在于电气设计人员对智能化系统的用电需求缺乏了解,主体设计单位设计时预留不准确,而后期又未及时与智能化设计配合调整;后者的原因在于建筑智能化设计团队对于配电系统可靠性和成本的平衡把控存在偏差,使其完成的末端配电系统出现不可靠、不合理问题,导致整体配电系统无法达到预期效果[1]。

本文阐述了民用建筑中常见的建筑智能化系统:计算机网络、公共安全、建筑设备管理、广播、会议等系统的负荷等级、设备构成、用电需求及其特点,提出智能化系统设备配电设计的常见问题和注意事项。

1 智能化系统设备的负荷等级

智能化设备配电系统设计的前提是正确划定用电负荷等级。本文将结合国家标准及规范来分析各类智能化系统的用电负荷等级。

1.1 计算机网络系统用电负荷等级

万物互联的快速发展,使得智能建筑中除火灾自动报警系统外的其他智能化系统的信息传输网络正在快速向着IT网络转变,而从网络安全、保密及管理方便等方面考虑,计算机网络系统正在从单一的网络系统分化为内网、外网、设备网、安防网等多个网络系统。可以说计算机网络系统是除火灾自动报警系统外的信息设施核心,其是否正常运行往往决定该区域是否能够正常运营。

GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[2](以下简称《民标》)第3.2.5条规定:重要电信机房的交流电源,其负荷级别应不低于该建筑中最高等级的用电负荷;《民标》附录A中,除了部分医院将计算机网络系统用电列为一级负荷外,其他提及计算机系统用电的都将计算机用电列为该建筑中最高等级用电负荷。这表明电信机房的负荷等级应根据其重要程度来确定,重要的电信机房如计算机中心应是该建筑中最高等级负荷,而非重要的电信机房如电信间的负荷等级可能不同。

民用建筑中的计算机网络系统用电可分为通信接入机房、数据中心(本文仅对附建在民用建筑内部的C级数据中心进行讨论)、电信间用电。其中重要程度最高的是数据中心,其IT负荷用电等级应为该建筑物中的最高等级用电负荷;数据中心机房空调是IT设备可靠运行的必要设备,因此其负荷等级应与IT负荷等级相同。通信接入机房重要程度也较高,考虑到其用电占比不大,建议其用电负荷等级也按照建筑物最高等级用电负荷。电信间用电负荷等级应根据其服务场所的重要程度及对网络需求程度来分别确定,如三级医院的挂号收费区域,如果网络系统停运,直接影响医院的正常运营,所以该区域的电信间用电负荷宜按照一级负荷中特别重要负荷;而普通办公区域的电信间用电负荷可为二级负荷。

1.2 公共安全系统用电负荷等级

安防系统在国内民用建筑中具有广泛的应用,并具有很重要的作用。《民标》附录A中明确珍贵展品展室、特级体育建筑、金融建筑重要的安防系统用电等级为一级负荷中特别重要负荷。GB 50348—2018《安全防范工程技术标准》[3](简称《安标》)第6.12.3.2条规定,高风险单位和部位宜按《民标》规定的一级中特别重要负荷进行主电源配置。由此可知,安防设备用电负荷等级与其在系统中地位及系统设备所在部位的风险等级相关。设计中,一般建议安防系统主电源负荷等级宜不低于建筑物消防用电负荷等级。安防系统中心机房在系统中处于核心地位,其用电等级可按该建筑的最高用电负荷等级;而机房外的设备用电负荷等级则需根据其所在部位的风险等级来确定。

1.3 建筑设备管理、公共广播及会议系统等其他系统用电负荷等级

《民标》附录A中除了体育建筑对建筑设备管理系统用电有要求外,其余未明确。考虑到建筑运维对智能化系统的依赖程度,以及这些智能化系统用电量在建筑物整体用电量中占比不大,建议系统主电源负荷等级宜不低于建筑物消防用电负荷等级。

2 智能化系统设备负荷计算

智能化设备用电量的准确统计是建筑智能化设备配电系统设计的基础。而在工程中,无论是主体设计时的预估预留,还是后期与智能化专项设计的配合深化,都需要电气设计人员对建筑智能化系统设备的构成和用电需求有全面了解。下面介绍一些民用建筑中常见智能化系统的设备和用电需求。

2.1 数据中心设备负荷

数据中心用电设备负荷包含机柜内IT设备和其他负荷。其中机柜内IT设备以交换机、存储及服务器用电为主,其他负荷包括空调、照明、辅助区和支持区用电。数据中心IT设备用电需求如表1所示。

表1 数据中心IT设备用电需求

IT机柜的用电量和IT设备布置密度有关,低密度机柜每台用电量不大于2 kW,中密度机柜每台用电量4～6 kW,高密度机柜每台用电量有可能达到10 kW。虽然大型数据中心中的IT机柜容量有向高密度发展趋势,但是民用建筑附建数据中心的规模一般较小,面积控制较为宽松,所以其内的IT机柜建议采用中低密度机柜,单机柜用电量按照3～6 kW计算[4-5]。

数据中心机房的IT机柜需求宜由业主提出,特别是金融建筑应由业主提出,有了IT机柜数量后机房面积可以按照《民标》第23.3条的方式计算。当业主无法提出IT机柜需求时,设计可参照同类型建筑预估数据中心机房规模和面积;常见的非金融类民用建筑,如医疗建筑、旅游饭店、商业建筑、体育场馆等,由于智慧医疗发展迅速,以医疗建筑的数据中心面积需求相对较大。三级甲等医院数据中心面积如表2所示。

表2 三级甲等医院数据中心面积

数据中心其他负荷用电以空调负荷为主,负荷大小和制冷系统效率相关。在土建设计阶段可以按照0.8倍IT设备用电量估算其他用电,其中空调负荷用电占比约70%,后期再根据专项设计用电提资调整。

2.2 电信间设备负荷

民用建筑中电信间常和智能化竖井共用,其内含各类智能化系统末端设备;其中用电量较大的是交换机,没有POE供电的接入或汇聚交,换机每台用电量不到500 W,采用POE供电的交换机用电量可能达到1 000 W以上;门禁、BAS等其他设备的单台用电量不到100 W。

2.3 视频安防设备负荷

视频安防系统目前以数字设备为主,其系统传输、计算及存储设备用电量可参照计算机网络系统设备。视频安防末端设备中,不带云台的数字摄像机功耗在几瓦到十几瓦之间,带云台摄像机功耗可能达到几十瓦(包含加热、除雾等);供电电源为DC 12 V、DC 36 V、AC 24 V。

2.4 音视频设备负荷

本文仅讨论会议室、多功能厅的音视频设备的用电需求,对于消防广播及背景音乐等系统设备不做赘述。

小型会议室音箱每100 m2功率为600 W,其语音扩声系统功放功率为音箱功率的2～3倍。报告厅、多功能厅等大型场馆的功放应由音视频专业设计提出;配电时需要注意虽然功放总功率可能达到几十千瓦,但是单个功放功率不应大于4 kW,供电电源为AC 220 V。

小型显示屏用电量从几十瓦到几百瓦不等,大型LED屏用电量可以按照500～1 000 W/m2估算,最终容量应由厂家提出。在进行LED大屏幕配电设计时,需要注意区分厂家提出的用电量为全亮容量还是正常使用容量;这是因为,全亮容量仅在设备调试时使用,但其数值可能为正常使用容量的2倍;若采用轮换调试方式,则计算容量按照正常使用容量即可;供电电源为AC 220 V。

3 智能化系统设备的配电形式

3.1 计算机网络系统设备的配电

计算机网络系统设备一般为交直流兼用,虽然直流配电系统具有更好的供电持续性、可靠性、传输效率及电能质量,但是由于我国民用建筑内的机电设备基本采用交流电源,因此目前实际都是采用交流配电系统[6-7]。

当前通用做法为通过设置短时UPS电源来满足计算机系统设备对断电时间的要求;因此,当建筑物的用电负荷级别为一级及以上负荷时,其常规供电电源为“两路市电+UPS电源”或者“市电+柴油发电机+UPS电源”。

3.2 数据中心IT设备的配电

在工程设计中,数据中心一般由智能化专项设计深化,如果电气设计未参与,其IT设备末端配电较易出现问题。某三级医院数据中心配电箱系统图如图1所示。

图1 某三级医院数据中心配电箱系统图

该配电系统图存在以下问题。

(1) 空调负荷和IT设备负荷未分开。两种负荷混合将对IT设备负荷供电质量和可靠性产生不利影响。

(2) IT机柜采用不带分路保护的PDU配电,存在安全隐患和可靠性问题。配电保护断路器过载保护电流为32 A,PDU插头插座不带保护,插座额定负载为10 A或者16 A,此时插头回路存在过载无保护的安全隐患,且总负荷过载或任何插座回路故障都会导致配电断路器分闸,事故影响面大。

(3) IT机柜采用带分路保护和远程监视的PDU配电,存在可靠性及经济性问题。具有分路保护和远程监视的PDU价格高;从配电系统级数来看,PDU分路保护的配电系统比从上一级配电箱直接进行分路保护增加了一级配电,系统可靠性下降;因此,相对于在配电箱内进行分路保护的配电系统,此类PDU配电的可靠性和经济性较差。

(4) 无法满足特殊设备配电要求。当核心交换机的用电量超过6 kW时,单相32 A无法满足其用电要求,而数据中心一般备有2台核心交换机,且交换机设有备用电源回路接口,此时2台核心交换机的配电应为4个40 A回路。

从以上分析可以看出,数据中心的末端配电系统需要深化电气设计或者与智能化专项设计完善配合,这样才能使UPS电源到IT设备的末端配电系统实现安全、可靠、合理。

3.3 数据中心空调设备的配电

为了减少空调设备启停及故障对IT设备配电系统的影响,空调负荷应独立配电。因空调设备短时停运不影响IT设备运行,所以空调设备无需配置UPS电源。

3.4 通信进线间设备的配电

通信进线间一般由运营商深化,设计时预留房间和总电源。从竞争有利于提升服务质量角度出发,建议预留2～3间进线间,方便业主同期引入多家运营商。新建项目将是5G甚至是6G的应用,房间面积和用电量需求都较4G增加,建议按照每间面积25 m2、功率35 kW进行预留。

3.5 电信间设备的配电

兼做智能化竖井的电信间内除计算机网络系统设备外,还包括安防、音视频等设备,其中计算机系统和安防系统设备的负荷等级有可能达到一级负荷中的特别重要负荷,配电系统设计时需要特别注意。电信间用电的常见配电方式为:与数据中心共用UPS电源,采用分区树干式向各电信间配电,配电方式相同、配电可靠性无区分;随着计算机系统重要性的提升,电信间的配电系统可以优化提升,对电信间重要程度进行区分,针对不同重要程度的电信间采用不同配电方式,在工程中实现造价和可靠性的最优平衡。

下面以某三级甲等医院电气设计为例进行说明。某医院智能化系统配电干线图如图2所示。图2(a)为未与电气设计配合前的配电方案,信息中心机房外配电皆采用单回路树干式,且UPS电源集中设置在信息中心机房,配电系统可靠性较低,不满足挂号收费、手术中心等区域电信间用电为一级负荷中特别重要负荷的配电要求。图2(b)在电气设计与智能化设计协商后的配电方案。该配电系统根据电信间负荷等级不同采用不同的配电方式,其中特别重要区域如挂号收费、手术中心的电信间设备用电采用两回路配电、末端切换、就地设置UPS电源,其他区域采用放射式配电,住院楼区域配电进行了分区,提升供电可靠性;在成本增加不大的情况下,供电系统的可靠性有较大提升[8]。

图2 某医院智能化系统配电干线图

3.6 公共安全系统用电设备的配电

安防系统目前以数字设备为主,系统传输、计算及存储设备负荷配电系统参照数据中心做法。视频安防末端设备(如数字摄像机)一般从电信间或弱电竖井配电,配电设计在关注其配电可靠性的同时,需要注意视频安防末端设备的供电电压及供电方式。若摄像机采用POE供电,则需要在交换机选型时明确交换机的POE供电容量要求。

3.7 音视频设备用电设备的配电

大型报告厅和多功能厅应设置智能化设备专用配电箱,普通会议室的智能化设备可直接由会议室配电箱供电,当会议室较多且集中的情况下可考虑分组集中设置智能化设备专用配电箱。

大型报告厅和多功能厅的音频末端配电系统也需要电气设计关注。当音视频专项设计时,音频末端配电系统设计应由电气设计完成或配合深化;音频末端系统设计应明确设备的容量、重要程度,对负荷进行分类、分组,重要负荷和较大负荷单独回路配电,小的非重要负荷成组配电。某项目报告厅智能化设备配电箱系统图如图3所示。

图3 某项目报告厅智能化设备配电箱系统图

4 结 语

随着建筑智能化系统的提升,建筑智能化系统的配电要求也随之提升。建筑电气设计需要在建设的全过程中和建筑智能化专项设计密切配合,不断调整完善从变电所到设备末端的配电系统,才能最终实现智能化设备配电系统的整体安全、可靠、合理。