建筑电气：大型中学用电负荷及配电系统设计案例

学校用电负荷特点

大型中学校园一般分为教学区和生活区两部分：教学区内有教学楼、实验楼、行政楼、图书馆、报告厅、礼堂等建筑；生活区内有艺术楼、体育馆、食堂、集体浴室、学生公寓、教师公寓等建筑。

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学校用电负荷种类

学校的用电负荷按使用用途大致可分为照明、插座、电子信息设备、电开水器、生活热水设备、空调设备、动力设备、充电设施等，如表1所示。

表1 学校用电负荷分类

学校用电负荷等级

由于中学一般为多层建筑，根据JGJ 310 - 2013《教育建筑电气设计规范》规定：消防设备、安防负荷为二级负荷；

教学楼、实验楼的主要通道照明、食堂的主要设备及照明用电，乙、丙级体育场馆的重要负荷用电为二级负荷，当教师公寓为高层建筑时，相应负荷为一、二级负荷，其它负荷为三级负荷。

由于中等学校的图书馆、实验室、会堂通常不够二级负荷等级，一般为三级负荷。

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学校用电负荷分类统计

根据某中学教学区、生活区用电设备设计功率统计，得到学校教学区、生活区各类负荷大致占比如图 1、图2所示。

从图1、图2可以看出：电开水器的安装功率占学校用电设备总安装功率的比例在7 % ~ 10 %，用电量很大；生活热水系统用电增长更快，在生活区内其设备安装功率已经和空调持平，达20 % 左右；需要注意的是空调和生活热水设备的用电量与设计标准有关，不同标准和规模的学校情况不尽相同；LED显示屏和学校电子信息系统机房（网络中心、巡考机房、消防安防控制室、广播室等机房）的设备安装功率也不容小觑，一般都在100 kW以上。

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学校用电负荷特点

教学区用电负荷大多是照明、网络设备、VRV空调、电开水器、电梯，配电线路谐波含量偏高，对电能质量有影响。近年来，电开水器、LED显示屏及各类电子信息机房的用电量增长很快。由于节能光源的广泛应用，电气设计中严格执行照明功率密度（LPD）值，照明用电呈下降趋势。随着电动汽车的普及，充电桩的负荷未来会有较大增长。

生活区用电负荷为照明、空调、电开水器、空气源热泵热水机组、厨房设备等，其中空调设备、电开水器、生活热水系统设备、厨房设备等用电负荷的容量大，用电时间集中，造成负荷波动大，对变压器负载率有较大影响。

用电负荷的数值随季节、作息时间呈周期性变化，教学区和生活区的用电负荷的峰值时间不同。

由于学校是集体生活，集中活动会造成个别建筑的用电负荷激增，另一些建筑的用电负荷减少，但整个校园的负荷同时系数不高。

学校部分用电设备配电设计要点

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空调设备配电设计

一般学校内学生公寓、教师公寓采用分体空调形式，其它建筑采用VRV空调系统。

分体空调造价低，控制灵活，适合学生宿舍使用。由于学生的作息时间统一，分体空调配电回路的同时系数比较高。

《全国民用建筑工程设计技术措施 电气》（2009年版）规定：窗式空调4 ~ 10台，需要系数为0. 8 ~ 0. 6；

11 ~ 50台，需要系数为0. 6 ~ 0. 4；

50台以上，需要系数为0. 4 ~ 0. 3。

JGJ 310 - 2013《教育建筑电气设计规范》也沿用了这一规定。

但是对于集中管理的学校，学生宿舍分体空调上述规定的需要系数偏小，例如某中学宿舍管理员在夏季上午11时打开宿舍楼全部空调，14时学生上课后关闭空调，22时学生回宿舍前打开空调。集中管理使得空调配电需要系数提高，所以建议对于集中管理的学生宿舍同一楼层的空调需要系数提高为0. 9 ~ 1，一栋宿舍楼的空调需要系数为0. 8 ~ 0. 9。

VRV空调系统全称变制冷剂流量多联式空调系统，简称“多联机空调系统”。系统由室内机单元、室外机单元和冷媒管三部分组成。其中室内机电量小，可以忽略不计，VRV空调系统的用电负荷主要由室外机的功率决定。根据工程经验，室外机启动后一段时间内在额定电流下工作，把环境温度调至设定温度，在达到设定温度后维持该温度的工作电流会减小。在冬季室外温度低或夏季室外温度高的情况下，空调室外机会出现或短或长时间的“超频”运行状态，此时的运行电流为室外机的最大配电电流，大于额定电流。因此，空调室外机单模块的配电应满足最大电流，而不是额定电流。成组的空调室外机模块配电可以按设备额定功率计算，JGJ 310 - 2013《教育建筑电气设计规范》条文说明4. 4. 2条表3规定空调机组需要系数为0. 75 ~ 0. 85。

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空气源热泵热水机组配电设计

“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过电能做功，提供可被人们所用的高位热能的装置。空气源热泵机组工作原理与制冷机相同，相当于是把制冷用压缩机逆向使用来制热，同样分螺杆式和风冷式两种，螺杆式机组容量可以比风冷式机组更大，风冷机组用电负荷为压缩机及放热端风机组，螺杆机组用电负荷为压缩机及放热端水泵和风机组，机组在大容量时两种形式的热泵机组厂家一般都采用星 - 三角启动。

空气源热泵热水机组属于节能产品（GB 50189 - 2015《公共建筑节能设计标准》规定了空气源热泵冷热水机组性能系数COP限值），对设备专业来说热泵机组比锅炉房设计简单，安装方便；由于不需要建锅炉房，建筑师也乐于采用。

生活热水设备由原来使用天然气的热水锅炉替换为使用电力的空气源热泵热水机组，对学校配电系统影响很大：增加了学校的用电量，加大变压器容量及变压器容量指标；而且由于空气源热泵热水机组单台设备功率很大，会影响变电室设置位置；热泵机组的压缩机启动时，虽然设备一般都自带降压启动装置，还是会引起变电室母线电压下降，需对设备启动时电压下降进行计算和校验。

例如，某中学建筑面积15万m2，生活区面积8万m2，在学校食堂屋顶平台设两台343 kW空气源热泵热水机组，热泵机组参数如下：压缩机制冷、制热输入功率分别为278 kW、309 kW，20台风机总输入功率为34 kW，热泵机组制冷、制热总功率分别为312. 4 kW、343 kW，机组启动方式为星 - 三角启动，名义运行电流为271 A，最大运行电流为397，最大星 - 三角启动电流为587 A，最大星 - 三角切换电流为1 865 A，最大运行功率为435 kW。

▼ 负荷计算及变压器选择

JGJ 310 - 2013《教育建筑电气设计规范》条文说明4. 4. 2条表3规定：教育建筑冷冻机、锅炉的需要系数1 ~ 3台时为0. 9 ~ 0. 8；大于3台时为0. 7 ~ 0. 6。热泵机组和锅炉一样是热水制备设备，可以采用锅炉的需要系数进行负荷计算。两台热泵机组的需要系数Kx为0. 85。

机组额定功率Pe = 343 kW，需要系数Kx = 0. 85；变压器负载率取η = 0. 75，功率因数cos φ = 0. 8，则变压器容量SrT = 2 × Pe × Kx / cos φ / η = 2 × 343 × 0. 85 / 0. 75 / 0. 8 = 972 kVA。

如果为热泵机组单独配置变压器，变压器容量选1 000 kVA，热泵机组的变压器容量指标是12 VA / m2。如果不采用专用变压器，采用生活区变电室给热泵机组配电，可以把两台机组分配到两台变压器上。

以上两个方案各有利弊，如果热泵机组满足启动条件，从造价和管理角度考虑，可以不设专用变压器，直接由生活区集中变电室供电。

▼ 空气源热泵热水机组对变电室设置位置的影响

采用生活区变电室给热泵机组配电，线路的电压损失及热泵机组启动时的电压降这两个参数都会制约热泵机组和变电室之间的距离。从变电室到热泵机组的电缆线路的电压损失不能大于设备端子电压允许值，GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》规定正常情况下电动机电压偏差允许值为 + 5 % ~ - 5 %，少数远离变电所的情况下电动机电压偏差允许值为 + 5 % ~ - 10 %。

根据《工业与民用供配电设计手册》电缆线路的电压损失计算公式：Δu% ≈ PlΔup %（Δu%是线路电压损失百分数；P是负荷的有功功率；l是线路长度；Δup % 是三相线路单位功率长度的电压损失百分数）。电压损失不大于 - 5 % 时，计算得电缆长度l1。

根据JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》9. 2. 2条，交流电动机启动时，其配电母线上的电压应符合“电动机不频繁启动时，不宜低于额定电压的85 ％”，计算热泵机组启动时的变电站母线电压相对值ustM = 0. 85时电缆长度为l2，比较l1和 l2，取较小值，即变电室和热泵机组最大距离，以此数值选择、校验校园变电室位置。

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电开水器配电设计

学校的开水制备方式已从过去燃气锅炉开水房改为采用电开水器的方式，电开水器遍布教学楼、学生宿舍楼、办公楼，每台电开水器的额定功率通常为6 kW或9 kW，每个楼层设1 ~ 2台开水器，学校电开水器的总功率十分可观。以前述的15万m2中学为例，教学楼电开水器总功率为342 kW，学生宿舍楼电开水器总功率为444 kW。教学楼电开水器在课前和上课时间集中运行，学生宿舍楼电开水器在课前和课后集中运行。注水后电开水器运行在额定功率；加热完成后处于保温状态，运行在小功率。集中运行的电开水器对变电室变压器容量指标和低压总负荷的变化是有影响的，在设计时应给予充分重视，可以把电开水器的控制纳入学校设备管理系统，在保证师生使用开水的前提下，控制电开水器运行时间，错峰运行，既可以实现对用电负荷的调控，也有利于节能。

VRV空调机组、电开水器运行特性示意图如图3所示。

校园配电系统设计探讨

校园变电室设置及高低压配电系统主接线设计

▼ 变电室设置

由于大型中学分为教学区和生活区，考虑到负荷容量大，供电区域大，教学区和生活区一般分别设变电室。根据电源进线方向，确定一个为主变电室，另一个为分变电室。变电室设置位置尽量位于负荷中心，按照这一原则，教学区变电室一般设置在教学区居中位置，靠近主要用电负荷；生活区变电室一般设置在生活服务楼，靠近食堂操作间、锅炉房或空气源热泵机组、水泵房等大功率用电负荷。

▼ 供电电源

由于中学一般为多层建筑，负荷等级最高为二级负荷，根据GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》3. 0. 7条规定：“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6 kV及以上专用的架空线路供电。”由于大型中学负荷较大，供电电源通常采用两回高压线路供电。事故情况下一回路中断供电时，另一线路应能满足学校二级负荷正常工作。如供电条件困难，采用一回6 kV及以上专用的架空线路供电时，宜设柴油发电机组作为备用电源。

▼ 高低压系统主接线

学校主变电室、分变电室高压系统为单母线分段系统，主变电室设高压计量及保护，分变电室不设高压计量及保护。主变电室、分变电室低压系统为带联络的单母线分段系统。