北京华能大厦的绿色电气设计

金大算（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

工程背景

华能大厦位于北京市西城区复兴门 8-2#地块，南起东铁匠胡同、北至复兴门内大街、东起教育西街、西至草坪东路，面正对民族文化宫；新建后的华能大厦为华能集团公司总部办公大楼，总建筑面积约13万m2，地上建筑高度约为55m，建成后的华能大厦也是长安街上的重要标志性建筑之一。

设计目标

对华能大厦的规划设计目标是使其成为设施齐全、功能完善、具有国际先进水准的公司总部办公大楼，该大厦的设计既要有自己的特色，又具时代特征。此外，应考虑该大厦与北京历史文化相融合、与长安街已建的建筑相匹配，并成为具有鲜明的企业文化内涵的现代建筑，创造出宜人的空间尺度，提供绿色、智能、环保、节能、舒适、交通便捷的办公空间。

华能大厦建筑设计在满足各使用要求及经济合理的前提下，充分体现绿色建筑的要求，优质的室内环境品质；以高效节能的绿色建筑为目标，制定切实可行的设计方案，使项目的能源消耗、环境品质、生态环保等方面均达到国际LEED所规定的可量化的指标和标准，建成后已获得LEED认证，并获得LEED金奖。

华能大厦电气设计在满足现有的国家节能措施外，在照明功率密度选定、智能灯光控制、可再生能源利用、电能检测管理等四个方面的设计均达到LEED所规定的标准及要求，以下介绍这四个方面的具体实施方案。

1 环境照明

1.1 功率密度的确定

主要场所的功率密度值参照LEED标准实施，当LEED标准超出国家标准时，按国家标准执行。主要场所的功率密度值（单位W/m2）见表1。

表1 主要场所的功率密度值（W/m2）

1.2 主要灯具的选型

（1）荧光灯采用T8-1×45W高光通量直管荧光灯，配高频宽配光荧光灯具，采用高频电子镇流器，功率因数约在0.98，灯具效率不小于82%，显示指数不小于84，使用于办公区、会议室、报告厅等场所。

（2）筒灯采用2×18W 或1×18W 节能灯，配高效电子镇流器，功率因数不小于0.9，灯具效率不小于75%，显示指数不小于80，使用于办公区、会议室、报告厅、休息区、走道等场所。

（3）局部层高较高的机房采用金卤灯，配节能型电感镇流器，灯具自带电容补偿，功率因数大于0.9，带透光罩型灯具，灯具效率不低于60%，使用在中庭照明及建筑照明。

（4）疏散指示灯光源及外墙面照明光源中，较大部分利用LED灯。

（5）办公区荧光灯的安装以垂直外窗方向排列，回路控制则按照平行于窗户方向以列为单位开启。

2 灯光控制

2.1 控制系统

（1）对普通办公区的荧光灯照明回路实现开关量控制，对各场所嵌入式筒灯及领导办公室的荧光灯实现DALI控制；系统为总线式、模块化、全分布式控制系统；管理人员可以通过大厦智能照明控制主机对大厦内各区域的照明进行集中监控；整栋大楼内超过90%的灯光均在系统的自动控制范围内，以满足LEED标准的规定要求。

（2）智能照明控制系统由主机、控制面板、触摸屏、移动感应器及亮度传感器等设备组成，所有的设备均可在总线上发送控制指令，实现对总线上的照明设备进行控制；在配电箱内设置回路控制模块及DALI网关进行控制，达到相应的回路开关控制及调光控制的目的；系统简图如图1所示。

2.2 灯光控制

图1 智能照明控制系统简图

（1）办公区的灯光控制是通过亮度传感器对外界自然光射入的亮度强弱来进行自动控制的，系统可根据设定的照度值确定发送开关或调光命令；当外界的光线强度超过设定值时，系统能自动控制灯光照明回路，并按平行于窗的顺序将照明灯一列一列地关闭，从而实现节能的目的。

（2）会议区的灯光控制采取多场景设置方式，按预定的各场景模式实施灯光控制，以保证灯光照明效果以及达到预期的节能效果。具体设定要求如下：

● 会前准备模式：演讲台直接照明开启并调至20%的状态，天花间接照明开启并调至50%的状态，洗墙灯具开启并调至30%的状态，所有装饰性灯具关闭。

● 少人会议模式：演讲台直接照明开启并调至80%的状态，天花间接照明开启并调至80%的状态，洗墙灯具开启并调至60%的状态，装饰性灯具开启并调至50%的状态。

● 多人会议模式：演讲台直接照明开启并调至100%的状态，天花间接照明开启并调至100%的状态，洗墙灯具开启并调至100%的状态，装饰性灯具开启并调至100%的状态。

● 演讲模式：演讲台直接照明开启并调至90%的状态，天花间接照明开启并调至10%的状态，洗墙灯具开启并调至15%的状态，装饰性灯具开启并调至5%的状态。

● 会议休息模式：演讲台直接照明开启并调至20%的状态，天花间接照明开启并调至30%的状态，洗墙灯具开启并调至15%的状态，装饰性灯具开启并调至 100%的状态。

● 清扫模式：演讲台直接照明关闭及天花间接照明开启并调至50%的状态，洗墙灯具开启并调至50%的状态，装饰性灯具关闭。

（3）公共走道、地下车道、卫生间、建筑立面、室外总体绿化照明等均采用回路开关控制方式，统一进行时间管理，在各时段按回路开启相关的灯光照明；对于走廊、电梯厅及卫生间的灯光采用移动感应器进行自动控制，做到人来灯亮、人走灯灭。延时时间可通过程序预先设定，移动感应器和照度感应器使用时间段可由系统时钟进行控制。

2.3 配线要求

（1）控制总线的线缆采用符合EIB标准的2×2×0.8mm的控制线缆进行连接。

（2）筒灯部分的DALI控制线缆采用符合DALI标准的2×1.0mm的控制线缆进行连接。

（3）1～ 10V控制线缆采用符合弱电控制标准的2×1.0mm带屏蔽的控制线缆进行连接。

3 可再生能源利用——太阳能光伏系统

华能大厦的可再生能源利用主要体现在太阳能的综合利用方面，包括“太阳能光-热”及“太阳能光-电”两部份，其中太阳能光伏发电的总量约50kW，占总供电系统的0.33%；以下简要描述华能大厦的光伏系统设计。

3.1 光伏系统主要类型

（1）独立型光伏系统

独立系统通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、负载等设备组成。太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端用电设备。

（2）并网型光伏系统

并网系统通常由太阳能电池组件、连接器、并网逆变器、负载（或电网）等设备组成；如采取的是直接上网形式时，系统的负载就是电网。

3.2 光伏系统方案优化

（1）直流带蓄电池方式：所有设备都连接在直流母排上，日间太阳能光伏发电直接充电到蓄电池组内，夜间可将蓄电池组内的直流电再直送至负载；如50kW使用24V直流供电，系统的工作电流在2000A以上，会造成线路投资多、压降大、不节能等不利因素。

（2）交流带蓄电池方式：所有设备都连接在交流母排上，日间太阳能光伏发电直接充电到蓄电池组内，夜间通过双向逆变器又可以将蓄电池内的直流电逆变为交流电，送至动力资源房供照明使用。如蓄电池也无法满足负载用电负荷，则由市电补充供给，但终因蓄电池存在二次污染问题且投资增加，与绿色建筑理想不符，最终放弃的方案。

（3）交流直接并网方式：所有设备都连接在交流母排上，日间太阳能发电量直接供给地下车库的照明用电，发电多少用多少。在太阳能发电量无法满足负载用电时，则由市电补充供给，尽管不能体现光伏系统亮点，但确实可以节省投资、增加效益，更节能、更环保。

（4）华能大厦光伏系统通过逐步优化后，最终选定为并网发电系统，其负载为地下车库照明。当光伏发电量能满足负荷需求时，由光伏电源供电；不足时，不足部分由市电补充。

3.3 实施策略

（1）大厦位于北京市（N39.56º、E116.17º），在华能大厦屋顶安装太阳能光伏并网发电系统；太阳能方阵采用正向朝南安装, 组件安装倾角为30º，以使整个光伏发电系统能够在最佳方位，最佳倾角产生最大的发电量。

（2）大厦屋顶安装太阳能光伏并网发电系统，必须充分考虑整个光伏系统的荷重，抗风能力和系统的发电效率等综合因素。采用先进的专业设计软件，对整个光伏发电系统进行了详细的分析与设计。整个屋面光伏系统共采用238块210Wp的太阳电池组件，总安装容量为50kWp，整个光伏系统分成两个子系统，一个容量为37.8kWp，另一个容量12.2kWp。

（3）系统的组成：主要包括太阳电池组件、并网逆变器、直流接线箱、交流配电柜、若干动力电缆连接线及安装支架。

（4）电缆连接线：考虑到电缆的使用场所等因素，光伏系统的动力电缆连接线采用WDZA-YJY交联聚乙烯绝缘交联聚烯烃护套低烟无卤阻燃电力电缆。

（5）安装支架：整个光伏系统的安装支架采用HILTI-210系列支架.支架采用热镀锌钢材料,抗风能力达到120kmph。

（6）基础施工：在屋顶安装光伏板，为提高整体的安全性，并尽量减少屋面载荷，基础设计为方形水泥墩结构，并与屋面的水泥垫层可靠结合。

（7）屋面线路施工：光伏组件之间的串接导线固定在组件背面及金属支架上，屋面电缆线束用金属桥架方式施工，同时对电缆起到防晒和机械保护作用。

（8）与主配电柜的连接设计：光伏组件阵列的引出线通过桥架引到太阳能电站机房的直流接线箱，并网逆变器的输出电缆引到交流配电柜，从交流配电柜再与原大楼设计的主配电柜进行连接。

（9）线路规格：太阳电池组件间连接线以及每路电池组件到直流接线箱采用4mm2硅橡胶电缆；直流接线箱至并网逆变器直流连接线采用1×4mm2的硅橡胶电缆。

（10）通讯：整个光伏系统的数据采集系统采用RS485通讯电缆进行连接，并上传至电能管理系统。

（11）防雷接地：利用光伏组件板的金属构件作为接闪器，并与屋面的避雷带可靠连接，利用共用接地装置接地，并安装SPD浪涌保护装置。

4 电能监测

4.1 电能管理

设置电能质量管理系统，有效地观测设备的运行状态，系统主机设置在地下室10kV主变电所值班室内，信号上传至BAS系统，系统原理图详见图5。

（1）高压部分

● 高压10kV系统采用微机综合保护装置，配备有标准RS232、RS485和10/100BaseTX的以太网通讯端口，开放式标准规约Modbus RTU。

● 通过微机综合保护装置，可以上传以下信息：断路器合/分闸状态、手车试验/工作状态、储能状态、接地开关状态、远方/近地控制位置、故障报警信号等。

（2）低压部分

● 低压进线、应急进线回路设多功能测控装置，遥测总有功、无功、功率因数、电流、电压、频率、谐波等。

● 低压联络回路设多功能测控装置，遥信断路器分合状态和故障报警信号。

● 低压馈出回路、电容器回路设多功能测控装置，遥测功率、电流、遥信:断路器分合状态和故障报警信号。

（3）变压器温控器、直流屏、UPS以及柴油发电机、太阳能光伏等外接第三方系统设备应预先留MODBUS通讯接口。

（4）系统所采用的多功能测控装置即多功能仪表应安装在开关柜的面板上。

（5）系统监控主机的电源由不间断电源（UPS）提供，系统信号线采用两芯双绞屏蔽电缆。

4.2 电能测量

在层面总箱内设置总测量用多功能电力仪表，能测量到每个部门的用电负荷情况；通过科学地用电统计、汇总、分析所消耗的电量，满足各部门的数据处理、财务结算、节能决策的需求。

5 结束语

本文主要描述华能大厦电气设计是如何满足LEED认证所提出的四个方面要求，但真正的设计目标还是低碳绿色；此外，如采用能耗管理系统来替代电能监测系统会更加合理、有效，能更好地实现对各类能耗数据的采样、分析。笔者希望本文对其他项目的绿色建筑电气设计有一点参考价值，在文中如有不足之处希望读者批评指正。

[1]United States Green Building Council. LEED-V3 认证标准[S].美国绿色建筑委员会，2009.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50378-2006绿色建筑评价标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006.

[3]中国建筑科学研究院. GB50034-2004建筑照明设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004.