某肿瘤研究所修缮工程中电气设计难点与探讨

某肿瘤研究所修缮工程中电气设计难点与探讨

  谭龙宙

上海同大建筑规划有限公司

摘要：随着科技、教育的发展以及国家政策的变化，社会对科研及教育领域越发重视。越来越多的医院、研究所以及学校不仅需要引进国内外先进设备进行学习研究，还需要引进先进人才进行培养。其中不乏一些知名的老牌研究所由于场地、研究环境、电力及配套设施的限制，难以引进先进设备和改造高端实验室，从而错失了许多优秀人才的培养。所以为了提升科研设施条件，改善科研及教学环境，吸引更多国内外先进人才，老建筑的修缮及改造工程成为当下社会一个迫切的需求。

关键词：实验室需求  变电站改造  容量计算  消防改造

一、引言

在国家政策及环境的变化下，老建筑的修缮及改造项目也越来越多。老建筑一般存在以下一些问题：占地面积小；布局不合理；配套设施及消防设施落后或缺失等。本文研究的项目为上海某肿瘤研究所修缮工程，该研究所是癌基因及相关基因国家重点实验室。该项目建于1981年，使用至今未进行过正式维修、装修，这无疑加大了该工程修缮过程中的难度。本文将结合该研究所修缮工程在电气设计过程中的难点，通过现行规范及经验合理计算，在现有条件下满足国家重点实验室的需求。

二、工程概况

本文研究项目为上海市某肿瘤研究所修缮改造项目。该项目占地面积6356平方米，总建筑面积7523平方米。园区由六栋建筑组成：1#楼与5#楼为科研综合楼；2#楼为宿舍楼；3#与4#楼为设备用房；6#楼为门卫及变电站。

首先，本地块占地面积及建筑面积并不大，但主体的两栋科研建筑涉及多个不同研究方向，功能复杂多样，实验室之间要求各不相同，如何在电气设计方面满足各个实验室的要求成了本项目的一大难点。

其次，本项目实验设备用电负荷相比普通公共建筑用电负荷大的多，但维修改造项目的前提是不能改变原有建筑大小及性质（包括变电站）。因此，变电站扩容及设备排布也成了本项目的另一大难点。

第三，由于研究所的年代久远，消防设施老化或缺少，原设计消防规范已与现行规范相差较远。此外，研究所存有大量珍贵的资料、价格不菲的实验设备以及国内外优秀的研究人才。因此消防安全是本次修缮工程的重中之重。

本文将对于以上三点进行逐一探讨。

三、不同实验室的配电需求。

该肿瘤研究所修缮项目，由于各个研究方向、研究人员以及研究设备的不同，对于配电需求的差异非常大。所以在设计中应着重考虑到几个方面：1）负荷等级；2）实验室设备用电需求；3）实验设备不间断电源需求。

3.1 负荷等级

肿瘤实验室根据其实验室等级，研究方向（动物或微生物），实验过程中危险等级，是否有致病细菌等来确定其负荷等级。不同的实验室，其要求的负荷等级都不同。在设计中必须了解并明确其实验室的等级。所以本次设计中主要的设计依据为《生物安全实验室建筑技术规范》GB50346-2011。其中需要区分微生物生物实验与动物生物实验，本次设计中既有动物房也有细胞房，对于动物房划分为ABSL-2实验室，对于细胞房划分为BSL-2实验室。根据规范要求这两个实验区域的配电不低于二级考虑。

对于其他非生物实验室，可以结合实验室使用方的要求并根据规范（GB50052）对于实验的重要性，实验器材的贵重程度进行判断。

3.2 用电需求

实验室根据动物研究或微生物研究的方向不同，实验器材不同，对于用电量需求差距极大。由于改造项目的变电站大小是有限的，没有空间增加变压器。所以在前期方案设计中必须要充分了解每个实验区域的电量需求，这也是影响后续变电站设计较为重要的一环。

以本次设计中1#科研综合楼一层的动物房为例，动物房用电量非常大，仅440平方米用电量接近600KW；细胞房仅160平方米，其用电量达到350KW。同时，这些实验室均需要双电源供电。若在设计过程中只套用规范指标进行估算，势必对后续变电站设计及室外排管造成麻烦。

3.3 不间断电源需求

由于实验室内的设备各不相同，突然断电对于许多精密设备会有一定的损坏，并且会破坏实验过程，有时往往一些实验样本比设备都要珍贵。本次设计中出于对实验过程、数据、样本及器材的保护，实验平台的设备（即精密仪器或重要样本实验）突然断电是不允许的，且为了保证这些实验过程的完整性，保护样本及仪器的安全，允许断电时间一般为毫秒级。所以根据《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019（以下简称为民规）第3.3.10.3条，应选用UPS作为应急电源。

在前期方案平面确定环节，电气专业应该在这些精密仪器的布置上及布局上提出建议，大型设备在出厂时一般自带UPS（本次设计中如质谱设备，气相设备等），且这些设备配备的UPS放电时间很长（根据实验不同一般在1h~2h不等），对于老建筑来说UPS的荷载可能超过了当时设计的极限，需要在设计初期与结构专业核实。如果不满足的时候有必要进行局部的加固。

在设计过程中同时也会有许多小型的设备（本次设计中如发光仪，免疫组化，成像设备等等），这些小设备往往数量多，仅需要插座即可。在方案阶段应尽量协调，把这类设备布置在同一块区域（比如同一层）。而后设置总的UPS柜统一供电，UPS的额定输出功率的选择应按照民规6.3.3.2条的规定，应为最大计算负荷的1.3倍考虑。UPS的放电时间应按照设备参数要求配置，并考虑余量。UPS柜的放置区域同样需要结构专业进行复核。

需要注意的是当某些设备或实验需要特殊的接地形式时，由于正常情况下UPS的输入端与输出端是相连的，所以前后的接地形式是无法改变的。但如果需要UPS输出端更改接地形式，可以在输入端旁路配置隔离变压器，以改变输入输出前后的接地形式。此时中性点必须接地，且接地干线应由接地装置直接引来。

四、变电站扩容改造

4.1 变压器容量计算

由于本次项目的特殊性，存在许多如动物房，细胞房，样本库等小面积大用电量的特殊实验室。所以在本次设计中前期计算变压器容量时已经不适合用单位指标法来进行计算。

如按照单位指标法来计算，根据《工业与民用供配电设计手册》第四版（以下简称为配四）表1.3-4计算S=7523（㎡）×130（VA/㎡）/1000=978KVA。按照以上计算，若无特殊设备，正常仅需要配置两台500KVA变压器即可。但若在方案阶段如此配置，在本项目中第一无法满足各种特殊实验室的要求，第二由于场地的原因，原有变电站的大小是固定的，在前期设计时应基本准确的考虑每台设备的容量，从而确定目前变电站大小是否够用，是否需要考虑扩大。故而在本项目中初期就应按照需用系数法进行计算。

以下为需用系数法进行两组变压器容量计算:

表1 变电站TR1变压器

表2 变电站TR2变压器

由以上计算可以看出，根据民规4.3.2条的规定，本次项目应该采用两台2000KVA的变压器。2000KVA变压器与500KVA变压器在宽度方向上单个差距就在0.5米，2台加起来有1米的差距，由于此类项目变电站的大小是有限制的，原有建筑物是不能进行扩大的，若在设计初期仅套用指标，不进行需用系数法精确计算，这样势必会造成后期设计中变电站大小不满足要求的情况。因而在造价上也会有许多误差。

4.2 变电站布置

经过表1与表2的精确计算，已能确定变电站内部设备的基本尺寸及数量（如变压器的大小，低压馈线柜仓位排布及数量，电容柜的数量及大小等等）。由于整个项目建成的时间较为久远，变电站内不仅设施陈旧，建筑本身也是老旧的。由于整个项目经费的缘故，没有相应经费对变电站进行加固设计，所以只能在不动建筑的结构及墙体的基础上更新设备。

因为原建筑是变电站（两层建筑），所以层高是不存在问题的。但由于规范的更新，对于设备的检修通道比原建筑设计时的要求更为严格。根据供电部门的要求，高压柜部分需要挖电缆沟，并且不能改变原有结构及墙体，所以高压柜与变压器应尽量放在一层。低压柜等可以放在二层或剩余的房间内。

若高压柜与变压器并排布置（单排布置），在宽度方向上目前高压柜的宽度加变压器的宽度在9600mm，依据《20kV及以下变电所设计规范》GB 50053-2013第4.2.6条规定，维护通道需要有2个出口，并依据民规表4.5.9与表4.6.2-1的规定需要预留侧面的维护通道至少要800mm，所以一层的宽度至少要在9600+800+800=11200mm。在现场勘测后一层宽度实测为11220mm，在满足规范的条件下宽度方向正好能放下高压柜与变压器。深度方向需要根据最深的设备计算，深度在1500mm。同样依据民规表4.5.9与表4.6.2-1规定，高压柜手车按700mm计算，则柜前需要700+1200=1900mm操作通道，柜后需要800mm维护通道，所以深度方向上至少需要1900+1500+800=4200mm，经过现场勘测后，原始建筑一层深度方向给分隔成两间，其深度方向分别为4300mm与3600mm。显然4300mm满足现有规范下的深度要求。故而高压柜与变压器并排布置（单排布置）放在一层是满足规范的要求。

低压柜设置应该满足民规表4.7.4的要求，若所有低压柜单排布置其宽度方向要达到12400mm，依据表4.7.4注2的要求，两端需要设置至少800mm通道，所以总宽度至少需要12400+800+800=14000mm，但现场勘测后，二层的宽度实测为11220mm，显然所有低压柜单排布置是不现实的。所以应该要去掉至少14000-11220=2780mm的设备，为了保证低压进线柜与馈线柜的完整，考虑把电容柜单独放置（采用母线连接），去掉4个电容柜（1000每个）后需要的总宽度为14000-4000=10000mm，宽度能满足规范要求。深度方向同样依据民规表4.7.4的要求，由于低压柜深度为1000mm，所以单排布置需要的总深度为1800+1000+1000=3800mm，同理，二层与一层一样，深度方向分为4300mm与3600mm两间。显然低压进线柜及馈线柜应放置在深度为4300mm的房间，剩下的柜子放置在另外一间。电容柜加直流屏，通讯柜及计量柜的总宽度为4000+800X4+800X2=8800mm，宽度方向是满足要求的。深度方向应该计算最深的设备，深度为1000 mm，依据规范其最小需要的深度为1000+1500+1000=3500mm，正好能放置在深度3600mm房间内。

至此高压柜与变压器放置在一层单排布置，低压柜与电容柜分开设置在二层的两个房间内，并通过母线连接。这样布置能满足现行规范，并且不动结构与墙体。

以下为通过供电部门审核的变电站布置图

一层布置图

二层布置图

五、消防改造

5.1 消防控制室

消控室对于电气来说是整个消防系统的源头，所有的消防主机应放在消控室内，并且需要有人24小时值班。本项目原有消防系统年代久远，设置在门卫室。但是门卫室是与变电站贴临（为一栋建筑），依据《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013（以下简称火规）第3.4.7条规定,消控室是不能设在有电磁干扰的房间旁，所以本次设计中消控室不能只是单纯的更新设备，为了保证设备的运行，不能把消控室设置在门卫室，需要远离变电站单独设置。

3/4#楼原为设备房，如纯水机房，消防水泵房及弱电总机房等，但是二层为空置。在与结构专业及工艺沟通，在结构加固后，把纯水机房设置在二层，把消控室设置在设备房的一层。并且由于安防系统也需要更新，在本次设计中把安防与消防控制室合并成消防安保控制室，为了面积上不造成浪费，本次消控室的布置参考火规第3.4.8条最低限度设置。

5.2 消防设施更新改造

由于本项目是改造项目，根据现行规范目前消防设备均需要更新。根据现场勘察本项目原有火灾自动报警系统已不满足现行规范要求，需要整体更换，并且在消控室内新增符合规范的火灾自动报警控制器（联动型）及系统。原建筑中并无电气火灾监控、消防电源监控及防火门监控系统，则需要在本次设计中新增这3个系统。

应急照明系统缺失（1#楼）且其他楼的应急照明系统均不能满足现行规范要求，根据《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》GB 51309-2018第3.1.2条，在设计中更换为集中电源集中控制型应急照明系统，在消控室内新增应急照明主机。且在单体设计中应急照明灯具采用A类灯具。

5.3 重点设备重要资料消防设施更新

实验室内有许多的珍贵仪器及重要资料等，在火灾时如果采用喷淋系统，这些仪器和资料都会遭到损坏。所以在这样重要仪器及资料的房间需要设置气体灭火系统，但是在本项目中由于场地的原因只能设置无管网系统，在现场放置钢瓶柜。每个保护区应设置两种探测器，在收到第一个报警信号后启动警铃，警示人员撤离，在收到第二个报警信号后，切断其相关的非消防电源，关闭排风系统、空调系统及门窗，经过延时（30s）后自动控制打开钢瓶电磁启动阀，打开声光报警器及放气指示灯以警告人员不得进入保护区，同时也应具有手动控制（保护区外启动）。由于七氟丙烷气体是有毒的，所以应该在防区外设置紧急停止按钮。并且消防控制室应能接收到气体灭火系统信号。

六、结束语

在如今新建项目越来越少的环境下，老建筑的修缮及改造工程越来越多，且变得尤为重要。修缮改造项目由于场地的局限性，新老规范的问题，需求与项目资金的不匹配等各种因素，造成了设计过程中的各种困难。就本项目而言，由于科研人员对科研办公的环境，科研设备及研究方向的多样性有着非常高的要求。但原建筑建成年代久远，场地面积较小，各种设施陈旧或缺失，用电设备及用电量的剧增都对该项目在修缮改造过程中造成了许多困难。本项目在考虑到各实验需求的前提下，合理确定负荷等级，整合所有实验的用电及UPS要求进行配电；在原有变电站基础上结合现行规范及需求进行变电站设备改造；在解决老建筑消防隐患的设计中，更新或增加符合现行规范的消防设施。通过这三方面进行了一系列的改造设计，实现了老旧建筑在现行规范下满足该建筑的各项使用功能。

所以，通过本文的一系列阐述，老建筑的修缮改造设计是一个发现问题并结合经验及相关规范解决问题的一个过程。

参考文献

【1】《民用建筑电气设计标准》GB 51348-2019

【2】《科研建筑设计标准》JGJ 91-2019

【3】《生物安全实验室建筑技术规范》GB 50346-2011

【4】《供配电系统设计规范》GB 50052-2009

【5】《20kV及以下变电所设计规范》GB 50053-2013

【6】《建筑物内部装修设计防火规范》GB 50222-2017

【7】《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-2013

【8】《建筑物电气装置600问》王厚余

【9】《工业与民用配电设计手册》（第四版）