绿色广州塔的电气设计

李倩娱/陈蓝志（广州市设计院， 广州市 510620）

引言

随着当前人类生存环境的日益恶化，低能耗建筑是追求人类社会可持续发展和营造良好人居环境的必然选择。我国正处于经济快速发展阶段，作为大量消耗能源和资源的建筑业，必须发展低能耗建筑，改变当前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承担起可持续发展的社会责任和义务。

低能耗建筑是指少消耗煤、电、燃气等商品能耗的建筑，且能充分利用可再生能源如太阳能、风能、室内设备、空调、照明等产生的热量、排出的热（冷）空气和废水的回收的热量。

广州塔在保证健康、舒适的室内、外环境，节约能源和资源，减少对自然环境影响的条件下，对可再生资源利用、建筑围护结构节能技术、空调系统节能技术、照明系统节能技术等多个方面进行研究和应用。

1 工程概况

广州塔位于广州新城市中轴线与珠江景观轴的交汇处，塔身高度为450 m，天线桅杆高度150 m，总高度为600 m，其中塔身分为A、B、C、D、E五个功能段，是一座以观光旅游为主，并具有广播电视发射、科学教育、文化娱乐和城市窗口功能的大型地标式建筑，是世界最高的电视塔。

广州塔在设计、施工中始终坚持可持续发展原则，注重建筑节能，采用新技术、新设备、新材料，重视环境保护，实现节能、节水、节材的绿色建筑理念。结合建筑物本身的特点，采用了以下节能技术和节能材料：

1）综合采用适宜夏热冬暖地区的围护结构节能技术，实现室内热舒适的同时达到节能效果。

2）采用综合的空调系统节能技术。3）双轿厢电梯节能模式。

4）太阳能光伏技术和风力发电。

5）自然采光和智慧照明控制技术。6）屋面雨水收集、绿化滴灌技术。

7）采用资源消耗和环境影响小的钢结构为主的结构体系，并采用了大量可循环材料，可再循环材料比重达到18%。

8）运用先进的智能化楼宇管理系统。

下面将对该塔的太阳能光伏发电、风力发电、建筑设备监控系统和智能照明控制系统进行介绍，并结合整个广州塔所采用的节能技术和材料进行效益分析。

2 可再生能源

广州塔在标高438.4m～ 448.8m的E段阻尼器层幕墙位置安装了半透明非晶硅光伏电池组件，同时还在标高168.0m处安装了两台风力发电机，满足建筑设计安全、美观要求的同时达到生产可再生能源的目的。

2.1 太阳能发电

本项目采用了非晶硅薄膜电池模块，非晶硅薄膜电池模块弱光响应特性好，对阳光入射角度要求范围最宽，散射光接受率高，这一特性使其在薄云遮日或在风沙天气可以正常工作。非晶硅薄膜电池颜色柔和、板面尺寸大，做成半透明的电池组件，其本色与茶色玻璃的颜色一样，类似于传统幕墙用的镀膜玻璃，直接用作标高438.4m～448.8m的E段阻尼器层幕墙，从而实现光伏发电和建筑房屋一体化。见图1。

光伏幕墙安装面积为1100m2，系统总安装功率为18060W，在标准条件（标准光强、最佳照射角度等）下，每天可发电22.93kWh。本设计为并网发电系统，无论晴天或阴天，系统中光伏方阵所发电力可随时给电网或负载供电。因此，系统没有配备蓄电池作为储能装置，在降低系统造价的同时，也可免除维护和定期更换蓄电池的麻烦。

通过逆变器和监控系统，记录当前发电功率、当日最高功率、当日发电量、总发电量、总运行时间等一系列数据，同时把这些数据通过安装于E段观光大厅的显示屏显示出来。这些数据包括：当前的温度湿度、当日发电量、总发电量、二氧化碳减排量等，可使游客对绿色广州塔有更直观的了解。

2.2 风力发电

广州塔风力发电项目由两台垂直轴风力发电机，1台输入机柜和1台输出机柜组成。输入机柜、输出机柜和并网设备安装在168m层的控制机房内，两台风力发电机安装在控制机房的楼顶，与光伏发电一样，实现了风力发电机和建筑物一体化。见图2。

垂直轴风力发电机，叶片受风旋转时利用升力与阻力的向量和在叶片运动方向上的投影产生机械能，同时叶片可在全方位接受来风，无需偏航装置，可多次截风充分利用风能。每台风力发电机装机容量约为3 ～5kW，年发电量约为4.1kWh。

3 设备管理系统

除了可再生能源的利用外，广州塔在设计的时候还设置了建筑设备控制和智能照明控制系统等，管理人员可以在日常使用中通过合理的控制进一步减少能源消耗而达到节能的目的。

3.1 建筑设备控制系统（BA系统）

3.1.1 系统介绍

本工程设BA系统，暖通空调自控系统为BAS的独立子系统。其中冷水机组、水泵、冷却塔、空气处理机、新风处理机、热回收型新风处理机、排风机、各种电动阀门等设备均接入自控系统。暖通空调系统的自控系统，可在中央空调控制室实现对上述设备进行参数检测、参数与动力设备状态显示、自动调节与控制、工况自动转换、设备联锁与自动保护以及中央监控和管理等。优化了运行管理工作，提高运行效率，见图3。

3.1.2 各类设备的控制

1）水冷离心式冷水机组系统

（1）设群控系统，群控系统根据监测到的空调实际负荷、平衡管设的流量传感器和水流方向开关探测到的流量变化及流向，合理选择冷水机组和一次冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和电动水阀的运行台数、并实现顺序开启（关闭）及故障自检。

二次冷冻水泵（含高区二次冷冻泵）根据管道压差和流量控制二次冷冻水泵运行台数及实施变频调速，实现变流量运行。

（2）冷却塔为自带风机变频器的智能型节能冷却塔。

（3）高区二次冷冻水根据水-水板式热交换器二次冷冻水出水温度，控制板式热交换器一次冷冻水流量，实现对高区二次冷冻水温的控制。

2）风冷冷水机组系统

（1）设群控系统，群控系统根据监测到的空调实际负荷，合理选择冷水机组和冷冻水泵的运行台数、并实现顺序开启（关闭）及故障自检。

（2）实现冬夏季工况，分区两管制系统冷热区的自动切换。

（3）水系统为变流量系统，在冷冻水（热水）供回水总管间设压差旁通装置，压差控制器根据供回水总管压差自动调节旁通比例式电动二通阀，以实现保持冷水机组水量不变及负荷侧供回水压力恒定。

3）空气处理机

（1）温度控制由设于回风关管处的温度传感器、水路比例式调节阀（常闭式）、控制器组成，控制器根据回风温度与设定值比较自动调节电动二通阀开度来调节冷冻水流量，从而实现对温度的控制。

（2）需采暖的机组还带冬夏季自动切换。

4）新风处理机（含热回收新风处理机）

由设于送风管处的温度传感器、水路比例式调节阀（常闭式）、控制器组成，控制器根据送风温度与设定值比较自动调节电动二通阀开度来调节冷冻水流量，从而实现对送风温度的控制。

5）大房间的风机盘管

风机盘管的供水量由设于回风管中的温度传感器调配，并按区域分区控制温度和启停。

6）小房间的风机盘管

风机盘管采用温控器控制电动二通阀（常闭）实现对房间温度的控制，并设手动三速调风开关。

3.2 智能照明系统

3.2.1 系统组成

广州塔智能照明控制系统由开关/调光控制模块、智能控制面板、智能探测器（声光、红外、照度）、智能时钟和系统设备组成，采用五类双屏蔽8芯4对双绞线连接。控制模块安装于照明配电箱内；智慧控制台安装于公共入口、楼梯间和前室；声光加红外传感器安装在楼梯间内；照度外传感器安装在接近室外的房间内；网桥安装于弱电间接线箱内。

3.2.2 系统功能

1）时间自动控制

通过系统软件设定集中控制照明灯具，根据业主使用要求在不同时间段设置不同的照明模式，每天根据时间自动切换；同时在特殊的日子，也可以在控制中心再进行设置。例如停车场：平时在中央主机系统控制的作用下，车库照明处于时间自动控制状态。车库照明根据使用情况可分为几种状态：工作时间、非工作时间、深夜。工作时间时、车库照明全开；非工作时间只开车道灯；深夜时间只开部分车道灯，适当降低照度，节省能耗。

2）智慧感应控制

通过软件设定由现场智能控制面板或智能探头控制。如楼梯部分从节能方面考虑希望不要常明，根据需要在合适的时段内，采用智慧探测器（声光、红外、照度）控制灯具的开关。但保安人员巡更时需要照明，所以将现场控制台和智慧探头在深夜时间段内设置成现场控制。例如楼梯间：楼梯间采用定时控制和红外移动控制等方式，在平时启动声光加红外移动控制方式，人来开灯，人离开后延时关闭，节约能源。

3）场景控制

场景是指相关区域灯光回路的明暗或开关组合，工作人员只需要按单个按键就可以通过预先的设定将相关的灯光回路调节至需要的亮度。利用场景的概念设计控制模式，还可以避免误操作。例如大厅（特别是登塔大厅，需要提供更多的照明模式）：人员进出较多的时段，打开大厅全部回路的灯光，方便人员进出；人员进出较少时段，打开部分回路的灯光。同时可以根据业主要求把灯光照明调到不同的亮度，营造出各种各样的场景。此操作既可由现场就地操作，也可由中央监控计算机控制，还可以设置时间控制。如图4。

4 效益分析

4.1 成本分析

广州塔在设计之初就根据自身的特点选择合适的节能技术和节能材料，除上文介绍的太阳能发电装置、风力发电装置、建筑设备控制系统和智能照明控制系统外，综合广州塔的其他节能技术和材料，可计算出建筑物面积增量成本，如表1所示。

表1 绿色建筑增量成本概算

4.2 效益分析

采用绿色节能材料和节能技术，增加了建设成本，但同时由于节能技术和材料的使用，广州塔在使用过程中可节省不少运行费用（所有参数为计算数值）：

1）太阳能光伏系统预计的年发电量12660度，每年可节省运行费用1.3万元。

2）风力发电机年发电量约为41472度, 每年可省运行费用4.1万元。

3）雨水收集系统，每年可节水量约为1.2万t，按自来水价2.95元/t计，每年可节约费用约为3.54万元。

4）可再循环材料利用率达到了18%。

广州塔建筑综合节能率将达到61.6%，与基准建筑相比较，建筑每年节电约为264.5万度，节约运行成本约270万元。节约能源，除了节省运行成本，最重要是通过减少碳的排放，保护我们的环境。以对环境影响较大的火力发电为例，每年可实现减排指标如表2所示：

表2 每年可实现减排指标（t/a）

5 总结

目前中国年人均用电约1100度，仅为世界平均用电的1/3，而且中国用电量正以年均10%的速度增长。如用电量照这样不断的增长，其节电的效益也会逐年增加。我国的建筑节能节电市场有巨大潜力，特别是对于大型综合建筑，从绿色、节能的整体潜在效益来说，它带来的效益是明显的。低能耗建筑是未来建筑设计的发展方向，本工程中对绿色环保措施、建筑节能技术的应用具有推广和借鉴参考的意义。