超大型地下空间应急电源选型研究

某国家级新区滨海新城CBD核心区域地下空间一体化开发项目，占地总面积约21公顷，地下开发总建筑面积约51万m ² ，汇集地下商业及各类交通枢纽站（配建出租车站、公交枢纽、地铁站厅、机场登机及行李托运服务站、机场快线、地下市政快速路、大型公共机动车停车库、非机动车库）于一体。地下1层的夹层为非机动车库；地下1层建筑面积约19万m ² ，配建商业步行街、出租车换乘站、公交枢纽站、机场登机及行李托运服务站、配套服务用房及机动车库；地下2层建筑面积约19万m ² ，配建市政快速路环路及大型公共机动车库；地下3层为中型机动车库及地铁轨道交通站厅；地下4层为地铁轨道线路及地铁站台。该地下一体化开发空间范围所对应的地上层空间规划开发功能为：超高层办公及商务酒店、商业裙房、市政交通道路及中央公园。地面1层设10 kV中压开关站4座，每个中压开关站分别采用双重电源供电，电源分别引自不同的110 kV区域变电站，共引入8路10 kV市政电源；根据文献［1］的规定，0.4 kV低压供电半径不宜超过150 m，地下1层为该地下空间服务的各类低压变电所共设置28座，其中公共空间共设置低压变电所7座。经过消防专家专项论证，该地下空间须按地下1层和地下2层同时各有一个着火点进行消防配套设计，经过计算，火灾时须保障的消防负荷计算有功功率为3 305 kW，非消防一级负荷计算有功功率为2 961 kW。

该超大型地下空间项目建成后成为CBD核心区的交通枢纽节点，将引入巨大的人流，属于人员非常密集场所。该类型的地下建筑空间，在正常电源断电的情形下，如果发生火灾，相关消防设施若没有可靠的应急电源保障，则极容易造成人员群死群伤及重特大财产损失的消防安全事故。因此，应急电源的配置及其可靠性显得极为重要。下面就针对此类型地下建筑空间的应急电源种类选择、应急供配电方案设计及其他相关关键技术的应用做一些分析和探讨。

应急电源的种类包括：① 独立于正常电源的专用市电供电线路；② 蓄电池组（包括EPS、UPS）；③ 自备柴油发电机组（包括0.4 kV、10 kV等电压等级）。

对于超大型地下空间，火灾时需要保障的消防负荷容量很大（本案例为3 305 kW），选择何种应急电源，既能满足消防安全要求，又能满足项目经济技术指标的要求，须从项目全局及全设计专业的合理性，对技术指标及经济指标进行比较分析。

对于超大型地下空间，如果采用独立于正常电源的专用市电供电线路作为应急电源，从经济性角度上来说，独立于正常电源的专用线路距离长，需要的投资非常大，不够经济；从技术可靠性来说，在正常电源的市电双重电源都断电的情形下，独立于正常电源的专用市电外线电源也未必能得到可靠保障，故不宜全部依靠外部电源来保障一级负荷，同时，根据文献DB35 / T 1036 - 2019 《10 kV及以下电力用户业扩工程技术规范》要求：“一级负荷的供电应由双重电源（公共电网）供电，每个电源应能承受100 % 的负荷，当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏。并应增设用户自备电源，并采取措施确保一级负荷供电。”因此，本工程不宜仅采用外部电源 ① 作为应急电源。

对于电源 ②，由于蓄电池组的供电时间及供电容量均受限，需要大量的蓄电池组才能满足大容量消防负荷供电容量和供电时间的需求。蓄电池组众多，造价高、荷载大、占地面积大、运营维护工作量大，另外，蓄电池组的容量会随着使用时间增长而发生衰减，因此需要不断更新蓄电池，运维费用也很大。从技术可靠性来说，串并联的大容量蓄电池充电过程还容易发生热失控造成火灾，不可靠；同时，大容量电动机的启动冲击电流会大大缩短蓄电池的使用寿命。因此，蓄电池组不宜用作大容量消防负荷的应急电源，一般在小容量的应急照明、弱电系统中作为应急电源使用。

对于电源 ③，自备柴油发电机组的供电容量大、供电时间长；独立于外部电源，供电可靠性高；在需要保障的应急负荷容量较大的情形下，自备柴油发电机机组的一次投资比电源 ① 及 ② 要小，运维工作量小，运维费用低。通过以上分析，最终选择电源 ③ 自备柴油发电机组作为超大型地下空间的应急电源。

> > > >   0.4 kV、10 kV柴油发电机组技术性能比较分析

民用建筑内的柴油发电机组的技术要求包括建筑、结构、电气、给排水、暖通等全专业的技术要求，具体的比较分析详表1所示。

> > > >   0.4 kV、10 kV柴油发电机组经济性能比较分析

民用建筑内柴油发电机组的经济性能指标包括土建造价、空间的等价商业价值、电气设备造价、给排水及暖通等配套设施造价，具体的比较分析详表2所示。

通过表2中24项全专业综合经济条件比较计算，方案二比方案一节约投资约128.1万元，从项目全局的经济角度，应优先采用方案二。

通过表1及表2的技术经济性能比较可知，对于超大型建筑群、超大型地下空间等超大建筑体量项目，采用集中设置10 kV柴油发电机组作为应急电源的技术方案比分散设置0.4 kV柴油发电机组作为应急电源的技术方案，技术更优，造价更经济。

作为应急电源的柴油发电机组的选型除了上述电压等级选型外，其功率的选型也是保证其性能的重要参数。下面就根据新版标准ISO 8528 - 1：2018 《Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets — Part 1：Application，ratings and performance》及GB / T 2820.1 - 2009 / ISO 8528-1：2005《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》的要求，对柴油发电机组的功率选型作一些分析和阐述。

> > > >   应急供电保障范围

确定应急电源的供电容量首先要确定应急供电保障范围及同一时间内的火灾起数，一般情形下，民用建筑同一时间的火灾起数按1起确定。但是由于本案例工程是人员特别密集的超大型地下空间工程，经过相关消防专家的论证，结合地下建筑本身的平面布局和疏散条件以及火灾的风险性，专家认定本案例工程应按照建筑面积最大的两层同一时间各有1起火灾（即地下1层和地下2层同时各有1起火灾）来配套相关消防设施。

应急电源的供电保障范围，国家标准中并未作出明确规定，此处对照DGJ 08 - 2048 - 2016 《民用建筑电气防火设计规程》的第4.1.13条的规定来确定应急电源的供电保障范围：发生火灾时建筑物内所有的应急照明、消防电梯、消防水泵、相邻两个最大的防火分区排烟风机及正压风机。同时还应计入所有的消防监控室的负荷。

结合同一时间的火灾起数和应急电源的保障供电范围，按照文献 GB / T 2820.1 - 2009 / ISO 8528 - 1：2005 《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》中的式（2.6 - 8） ~ 式（2.6 - 11）计算得到本案例工程火灾时需要的柴油发电机组输出有功功率为2 805 kW（功率因数取0.8）。最终整定为2台1 500 kW并联使用。

当计算出柴油发电机组输出有功功率后，据此正确选择柴油发电机组的铭牌功率。这也是保证应急电源可靠性及经济性的重要技术之一。

> > > >   柴油发电机组功率类型及选型

当前，国内柴油发电机组制造商标注的铭牌功率种类不一，如主用功率、备用功率、额定功率、常用功率等等。由于各种产品的不同铭牌功率之间及产品铭牌功率与国标定义的功率之间没有明确的转换关系，这就给建设、设计、施工单位人员带来极大的困扰，稍有不慎，就容易错选设备，从而影响应急电源供电的可靠性。

GB / T 2820.1 - 2009 / ISO 8528 - 1：2005 对应的国家标准，对不同用途的柴油发电机组的功率种类做了相应的定义，具体如下：

a. 持续功率（Continuous Power，COP）：发电机组以恒定负荷持续运行且每年运行时数不受限制的最大功率。当该柴油发电机组需要常年满载持续稳定运行以保障生产生活用电时，柴油发电机组的输出功率应按COP选择，一般应用于电站向电网的恒定负载供电。

b. 基本功率（Prime Power，PRP）：发电机组以可变负荷持续运行且每年运行时数不受限制的最大功率。24 h运行周期内运行的平均输出功率（Ppp）应不超过PRP的70 %。此功率模式下运行的发电机组不允许与市电并网。

c. 限时运行功率（Limited?Time Running Power，LTP）：发电机组每年运行时间可达500 h的最大功率。按100 % 限时运行功率，每年运行的最长时间为500 h。此功率模式下运行的发电机组不具备过载能力，一般用作负荷调峰管理，在用电高峰期间，作为调峰电站的发电机组与市电并网运行，向电网的恒定负载供电。

d. 应急备用功率（Emergency Standby Power，ESP）：在市电中断或在试验条件下，发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200 h的最大功率。24 h运行周期内允许的平均输出功率不应超过70 % ESP。

综合以上几组定义可知，COP功率是柴油发电机组可持续运行的最基础功率，其余的功率是在此基础上的强化功率，通过限制使用时间、平均负载率，降低寿命和可靠性来提高最大功率。ESP功率与PRP功率在24 h内的平均负载率均为70 ％。

需要注意的是，现行国家标准GB / T 2820.1 - 2009 / ISO 8528 - 1：2005等同的国际标准为ISO 8528 - 1：2005，然而后者已经做了修改更新，当前最新版本为ISO 8528 - 1：2018。与2005版ISO标准相比较，2018版ISO标准作了如下修改：

a. 在PRP功率中，引入了在运行12 h内，10 % 的过载功率允许持续1 h的表述，即以可变负荷持续运行，每12 h的运行周期内，允许超过PRP功率10 % 的暂态负荷（Transient Load）及突然施加的负载（Suddenly Applied Load）持续运行1 h。

b. 针对数据中心负荷，增加了数据中心功率（Data Centre Power，DCP）表述。其定义为：发电机组在提供可变或连续电力负荷时以及在无限制运行时间内能够提供的最大功率，根据供应地点和可靠市电的供应情况，发电机组制造商有责任确定他能够提供何种功率水平来满足这一要求，包括硬件或软件或维修计划的调整，同时不允许在持续加载时与市电并网。

c. 由于某些设备在启动时需要的功率比该设备实际运行时的功率要大，为了满足这一需求，2018版ISO标准新增了“低功率发电机组的最大功率（Maximum Power for Low?power Generating Sets，MAX）”的定义。该功率被定义为：柴油发电机组输出电压与输出电流的乘积，所述功率应至少能输出5 min，所述输出电压应在额定电压的 ± 10 % 以内，输出频率应在额定频率的 ± 8 % 以内。同时规定：

COP / MAX≥0.75       （1）

柴油发电机机组能提供的最大功率（MAX）为：

a. 在PRP功率运行条件下，施加暂态负荷或突加负荷导致过载的情形：

MAX = （1 + 10 %）PRP     （2）

b. 在ESP功率运行条件下，ESP即为柴油发电机组能提供的最大功率（MAX），即：

MAX = ESP  （3）

根据目前主流RIC制造商的标定，LTP与PRP的关系约为：

LTP = 0.92 PRP （4）

由式（1）~（4）可推算上述4种功率值的比例关系约为：

柴油发电机组的造价和其输出功率成正比，由上述比例关系可知，ESP最大，能够提供ESP功率的柴油发电机组的造价也就相应较高；COP最小，相应要求的造价也会更低。

柴油发电机组的铭牌或者产品样本中标定的功率，常见的表述有：连续功率、常用功率、主用功率、备用功率、额定功率等等，这些表述与国标GB / T 2820.1 - 2009 / ISO 8528 - 1：2005定义的功率表述不一致，经过深入对比研究后，发现两者关系如表3所示。

由以上论述可知，备用功率（Standby Power，SP）和PRP功率的数值换算关系为：

SP = 110 % PRP   （6）