基于双碳目标下既有建筑电气改造设计研究

基于双碳目标下既有建筑电气改造设计研究

胡燕珊

佛山共兴建设工程有限公司  广东 佛山 528000

摘要：大部分既有建筑改造来源于建筑功能的改造更新与电气专业配合设计。笔者所在单位为佛山共兴建设工程有限公司，将根据某工程项目，探讨双碳目标下既有建筑电气改造设计，主要分析既有建筑电气改造设计要点，利用BIM技术辅助解决建筑改造过程中的难点，展开阐述低碳化改造既有建筑电气改造设计具体实施方案。

关键词：双碳目标；既有建筑；电气改造设计

中国建筑节能协会能耗与碳排放数据专委会最新统计，2019年，全国建筑电气化率37.1%，其中南方电气化率普遍高于北方电气化率。南方电气化率最高省份为海南，占比73%；北方电气化率最高省份为北京，占比35%。未来远景规划2050年国内建筑电气化率将达到80%，因此，既有建筑电气化率也需随之提升，满足双碳目标需求。

1.基于双碳目标下的建筑行业发展

国内提出的双碳目标为低碳转型，近期目标为在2030年前，实现碳达峰；长期目标为在2060年前，实现碳中和。碳达峰目标达成后，需要通过大力减排，才可实现碳中和。双碳目标主要内容为：努力实现降碳、减污、扩绿、增长协同推进，在降碳的同时，确保能源安全、产业链供应链安全、粮食安全，核心是减污降碳、节能降耗，推动源头减碳、过程降碳、末端固碳[1]。2021年，政府报告首次提出碳达峰以及碳中和，因此，建筑行业发展需作出一定改变，改造建设既有建筑，并做出智慧综合能源管理，有效减少建筑工程碳排放的同时，满足现代城市规划发展需求。

2.项目概况

改造建筑原有高度以及整体构架不变更，内部各项功能不变更（除地下车库），对其他功能以及建筑整体布局进行改造，对建筑结构进行加固。建筑分类从二类高层公共建筑，改造为一类高层公共建筑。根据实地考察，需满足人们的停车需求，在总平内，设置了立体停车库。由于既有建筑年代久远，仅存有蓝图图纸，导致建筑物实际数据可能与蓝图图纸存在较大差异，项目小组对改造建筑物进行三维扫描，收集准确现场数据信息并形成点云模型，作为改造项目的设计资料。

3.既有建筑电气改造设计

3.1改造既有建筑供电方案

据项目小组调查，既有建筑用电负荷等级最高为二级负荷，而改造后的建筑存在较多一级负荷，由此可见，负荷等级以及电容量提升较大，原本的供电方案无法满足改造建筑供电需求。项目小组通过与业主以及建筑师进行有效沟通和商议，调整了供电设备用房，将既有建筑内变配电室，改造为低压进线室，同时在室外总平处，单独设置设备用房，设备用房包括柴油机发电机房、污水处理压滤机房等，其位置与主体建筑靠近，实现最大限度减少电缆供电距离，从而有效降低耗材以及能耗，减少相关成本。将既有建筑一路10kV高压电源引自改造建筑内10kV开关站基础上，从市政区变电站另引进一路10kV高压电源，接入改造建筑区内高压配电室，作为高可靠电源，供电方案为：一路高压电源单母线方式改为双路高压电源，单母线分段互为备用主接线方式。此外，考虑到用电可靠性，项目设计增设了柴油机电机组，在室外设置埋地油罐，以满足供油需求。变配电系统主接线图如图1所示。

图1 变配电系统主接线图

3.2变电所智慧配电以及BIM运维

变电所内，利用智慧配电形式，主要由监控管理层、通信接口层以及现场隔离层构成系统。监控管理层指的是系统控制中心，其由后台监控设备组成；通信接口层主要是完成监控管理层和现场隔离层之间的实时信息交换；监控管理层与通信接口层采用的是以太网结构，现场隔离层主要包含电力监控仪表等，完成功能应用，如保护、监控等。采集综合继电保护装置、断路器等数据，可以实现实时监测用电数据、对测量参数进行具体分析，发出故障报警、分析配电和能耗管理以及电能质量。

通过利用BIM深化设计，结合BIM模型与智慧运维管理平台，可实现对于建筑空间以及设备投资等的可视化管理，其中，设备构建运维数据包括有设计数据、产品数据与现场实时状态数据，可以通过数据分析，判断发生的电气故障，及时发出预警。将物联网等技术与BIM模型等结合应用，可形成变电所BIM智能运维管理系统[2]。变电所智慧配电拓扑如图2所示。

图2 变电所智慧配电拓扑

3.3控制既有建筑空间净高

由于受到既有建筑主体结构的限制，项目无法改造公共走道宽度以及楼层净高。在既有建筑改造后，增加了不少机电管道，因此，改造建筑空间净高难以达到要求。在改造建筑设计中，可尽量使用在各系统共用桥架中间，加固隔板；在净高极低的空间，需要事先与结构工程师进行沟通，将部分小管穿梁。在综合设计改造建筑电管线时，应预先考虑支吊架安装空间，利用BIM技术，将排布精准化并出深化详图。设计师在BIM模型上，准确反映了梁位开洞尺寸以及具体位置[3]。为预防施工偏差，保证主体结构完整，项目引入了AR技术，在施工现场可通过架设设备看到BIM数字孪生模内的结构梁位，以1:1的比例投射到现场相同位置的结构梁，结构梁上仿真洞口清晰可见，以确保施工无偏差。

3.4低碳改造电气设计

由于原有技术受到限制，在节能方面，既有建筑存在较多不足，改造设计时，需更加注重项目低碳设计建造。例如，通过充分利用建筑构造，拓展应用可再生能源，在设备方面，更换节能新型设备等。关于有效应用可再生能源，项目主要采用的是分布式光伏发电，通过模拟建筑物日照场景，上午十点至下午三点日照充足时，在屋顶区域设置光伏组件。光伏组件采用的是单晶硅电池板、透明发电玻璃电池板，将组件并联后，使用逆变器，并入电网，设置光伏发电系统数据监控系统，有效采集现场周围环境质量数据、逆变器数据等信息，进行具体分析[4]。根据改造建筑用电设备负荷计算，采用节能变压器；室内公共照明、景观照明，采用LED节能光源以及智能灯光控制系统；地下车库内，设置一氧化碳监测系统，同时联动排风机；在人员密集度较高的地方，设置二氧化碳监测系统，同时与空调新风机联动。

关于既有建筑内装改造，项目采用的是装配式内装修方式，以此来实现电管线与主体结构管线分离设计，在装配式部品内，敷设机电管线，如吊顶等；其他房间以及卫生间，利用相同模板，通过运用BIM技术，深化设计房间以及卫浴标准，精确定位设备末端点位开孔等。通过设置综合能源管理系统，准确并详细记录各项能源消耗情况，分析能耗实时状况，有效降低能耗，降低成本，同时利用碳排放计算方法，转换能源数据为可追踪碳排放量。

3.5 电气照明节能设计

电气照明节能设计如下：1）按照《建筑照明设计标准》相关规定，根据其中的照度标准、照明均匀度、显色指数以及效率等要求进行设计；2）采用LED节能日光灯，作为主要光源。LED灯选用最新LED光源技术，节电可达到70%以上；3）先满足眩光限制，再选用效率较高的灯具以及开敞式直接照明灯具。其中，室内开敞式直接照明灯具效率不低于75%；格栅式灯具效率不低于60%；室外灯具效率不低于50%；4）满足灯具最低允许安装高度以及美观要求，将灯具安装高度降低，以此来有效节约电能；5）结合改造建筑相关特点、功能以及标准，科学合理设计照明系统，保证照明系统经济实用。

3.6 建筑设备电气节能设计

建筑设备电气节能设计如下：1）关于空调系统设备的电气节能措施。在改造建筑房间内，对空调温控器增加窗户磁开关联动信号，窗户开启时，可以联动温控器，自动关闭空调末端；2）关于排水系统设备的电气节能措施。首先，监测生活给水、中水以及排水系统水泵和水箱的水位及系统压力；其次，结合水位以及压力状态，自动控制相应水泵启停，同时变频调速控制、自动控制系统主用和备用的启停顺序；最后，当系统出现故障、超高低水位以及超时运行现象时，可以及时报警；3）关于电动机设备的电气节能措施。首先，要满足工艺要求，保证电动机设备运行可靠，可利用变频器调速节电；其次，应用异步电动机时，可以采取就地补偿无功功率，从而提高功率因数并有效降低线损；4）增加智能控制模块。分别在下午六时以及夜晚十时，切除计算机、打印机以及复印机等待机负荷。

3.7 墙体检测与改造

墙体热阻是建筑物隔热性能重要参数，可以精确测定墙体热阻，有利于准确估算通过围护结构的热量，可采用热流计法，对墙体热阻进行现场检测。热流计法本质要求为通过被测对象的热流，热流平行于温度梯度方向，即通过热流计的热流为一维传导，不向四周扩散。如若未按照这样的形式，计算出的被测物热阻将会偏小，而传热系数偏大。墙体改造主要应用高效保温绝热材料，采用新型墙体材料与复合墙体结构，进行保温处理，从而减少墙体热传递以及墙体冷桥现象，达到墙弦保温作用。此外，也可在垂直外墙面，设置遮阳设施，或者采用浅色墙面，反射墙面以及植物覆盖等措施，有效对外墙进行太阳辐射隔离处理。

4.结论

为有效落实双碳目标，既有建筑电气设计改造应以低碳节能为施工重要核心规范，通过使用节能设备，控制机电节能等，实现降低能耗，促进可再生能源应用，持续发展建筑行业，成为国民经济提升重要推动力。

参考文献：

[1]方雅君.双碳目标下既有建筑电气改造设计思考[J].建筑电气,2022, 41(3):5.

[2]张凤阳."双碳"目标下的新能源行业全产业链工程成本的思考[J].水电与新能源,2021,35(10):5.

[3]李晓华,刘吉臻,魏琪峰."双碳"目标下中国建设现代能源体系的思考与建议[J].石油科技论坛,2022,41(1):7.

[4]邓双炳,吕翔,王章伟,等.减排,集采等新形势下关于中药提取研究的思考[J].南京中医药大学学报,2022,38(5):445-451.