超高層建筑變壓器容量指標(biāo)的分析與研究

李炳華¹ 彭月月² 岳云濤² 王偉¹

（1. 悉地（北京）國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司 北京 100013

2. 北京建筑大學(xué) 北京 100044）

摘要 超高層建筑的電氣設(shè)計(jì)在建筑電氣設(shè)計(jì)行業(yè)一直廣為熱議，雖然全國乃至全球都有不少的超高層建筑成功案例，但是卻無法評(píng)價(jià)建筑電氣設(shè)計(jì)是否合理，無法判斷變壓器容量是否過大。本文通過調(diào)研大量超高層建筑實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合工程實(shí)例，從變壓器的容量指標(biāo)的角度來比較分析超高層建筑電氣設(shè)計(jì)特點(diǎn)，最終給出超高層建筑變壓器容量指標(biāo)的建議值。

關(guān)鍵詞：超高層建筑 電氣設(shè)計(jì) 變壓器 裝機(jī)容量 變壓器容量指標(biāo)

The analysisand research of super high-rise building transformer capacity index

Li Binghua¹ Yue Yuntao² Peng Yueyue² Wang Wei¹

（1.CCDI GROUP Beijing 100013 China

2. BeijingUniversity of Civil Engineering and Architecture Beijing 100044 China）

Abstract The electrical design of super high-risebuildings in building electrical field has been widely hot. Though there aremany successful cases of super high-rise buildings in China, even in the world,we still can’t evaluate the building electrical design is reasonable or not,can’t determine the transformer capacity is large or not. A large number ofresearch data are analyzed, combined with the engineering examples. Byanalyzing data from the perspective of the transformer capacity index,comparing the characteristics of the electrical design of super high-risebuildings, concluding recommended value of super high-rise buildingstransformer capacity.

KeyWords: Super high-rise building, Electrical design, Transformer,Installed capacity, Transformer capacity index

0 引言

超高層建筑在我國發(fā)展越來越快，數(shù)量多、高度高、建筑面積大、功能多樣，設(shè)計(jì)要求越來越高，建筑電氣設(shè)計(jì)往往采用較高的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)不少專家認(rèn)為民用建筑的計(jì)算負(fù)荷偏大，變壓器安裝容量偏大，變壓器實(shí)際負(fù)荷率偏低，設(shè)計(jì)偏保守，不僅浪費(fèi)資源，增加投資，也明顯違背節(jié)能、節(jié)材的理念。筆者調(diào)研大量實(shí)際工程，分析比較典型超高層建筑的電氣數(shù)據(jù)，最終得出超高層建筑變壓器容量指標(biāo)，為以后的超高層建筑電氣設(shè)計(jì)提供參考。

1 概述

1.1 術(shù)語^[1]

①超高層建筑：建筑高度大于100m的民用建筑。

②民用建筑：供人們居住和進(jìn)行公共活動(dòng)的建筑的總稱。

③變壓器容量指標(biāo)：變壓器總裝機(jī)容量除以建筑物的建筑面積，也叫單位面積變壓器裝機(jī)容量。

1.2 背景意義

國內(nèi)大量建設(shè)超高層建筑雖然飽受爭議，超高層建筑仍以驚人的速度在全國眾多城市發(fā)展。截至2012年，我國共建成超高層建筑94幢，而到2013年，廣州、深圳兩市的已建成及在建的超高層建筑分別達(dá)到118、80幢，而北京市已建成的超高層建筑有58幢^[2]。超高層建筑電氣設(shè)計(jì)中，變壓器容量指標(biāo)是關(guān)鍵指標(biāo)之一，它不僅可以反映變壓器安裝容量是否合理，還是衡量建筑電氣設(shè)計(jì)是否達(dá)到的節(jié)能要求的重要指標(biāo)，對(duì)減少投資、節(jié)約能源和資源有著重要意義。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集及說明

通過調(diào)研國內(nèi)諸多超高層建筑，將主要電氣參數(shù)類列表1所示，采集內(nèi)容包括建筑物名稱、建筑面積、建筑高度、地上層數(shù)、建筑功能、變壓器總裝機(jī)容量。采集對(duì)象地域跨度很大，有北京、天津、上海、深圳、廣州、南京、蘇州等幾個(gè)典型地區(qū)的知名超高層建筑；建筑高度差異也很大，從149~729m各種高度不等；建筑功能也包括了多種的業(yè)態(tài)，有酒店、商業(yè)、辦公、公寓、綜合體，也有金融中心這種特殊業(yè)態(tài)，可以說基本代表了全國大部分地區(qū)超高層建筑的情況。從表可以看出，變壓器容量指標(biāo)在78~146.46VA/m²。

表1 部分超高層建筑技術(shù)參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理

為了能夠科學(xué)合理地得到超高層建筑變壓器容量指標(biāo)，首先要對(duì)調(diào)研采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

由于超高層建筑類型各式各樣，難免總有一些特殊的樣本存在，這就導(dǎo)致了變壓器裝機(jī)容量出現(xiàn)比較夸張的數(shù)據(jù)。為了使變壓器容量指標(biāo)能反應(yīng)出超高層建筑的普遍情況，得到具有普遍性和科學(xué)性的結(jié)果，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2.1 概念介紹

在處理數(shù)據(jù)前先介紹一個(gè)概念：顯著性水平^[5]。

顯著性水平是估計(jì)總體參數(shù)落在某一區(qū)間內(nèi)，可能犯錯(cuò)誤的概率，用α表示。它是在進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)時(shí)事先確定一個(gè)可允許的作為判斷界限的小概率標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，就是給一組數(shù)據(jù)定義一個(gè)區(qū)間范圍，不在這個(gè)區(qū)間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率就叫顯著性水平。顯著性水平不是一個(gè)固定不變的數(shù)字，應(yīng)根據(jù)所研究的性質(zhì)和我們對(duì)結(jié)論準(zhǔn)確性所持的要求而定。最常用的α值為0.01、0.05、0.10等。一般情況下，根據(jù)研究的問題，如果大量數(shù)據(jù)不在區(qū)間范圍內(nèi)會(huì)導(dǎo)致?lián)p失大，α取值小些；反之，α取值大些。

雖然此次采集的數(shù)據(jù)有限，但足以有代表性，可以反映大多數(shù)超高層建筑變壓器裝機(jī)情況，且變壓器容量指標(biāo)是一個(gè)建議值，顯著性水平不需定的過低，取α=0.10，即定義超高層建筑變壓器容量指標(biāo)范圍能滿足至少90%的超高層建筑的需要，這個(gè)百分比已經(jīng)可以作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.2 確定范圍

經(jīng)分析，此次采集的42組數(shù)據(jù)都是在合理范圍內(nèi)的，是有效的，沒有壞點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用上，常考慮一組數(shù)據(jù)具有近似于正態(tài)分布的概率分布。那么對(duì)現(xiàn)有的42組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行正態(tài)分布處理，如圖1所示，由式（1）、（2）得出樣本均值μ=108.99，標(biāo)準(zhǔn)差σ=17.457。

式中，n為樣本個(gè)數(shù)，x_i為樣本值，n是樣本數(shù)量，μ為樣本均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

‍

圖1 采集數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖

引入頻數(shù)分布概約估計(jì)法， 一個(gè)服從正態(tài)分布的變量只要知道其均值與標(biāo)準(zhǔn)差就可根據(jù)公式(3)估計(jì)任意取值范圍內(nèi)的頻數(shù)比例，即可制定參考值范圍，其中常用u值表見表2。

(3)

式中，X為雙側(cè)界值，u為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量。

首先確定顯著性水平α=0.10，則參考值范圍為90%，雙側(cè)界值為P5和P95，即（μ±1.645σ）=（80.273，137.706），進(jìn)行取整后，范圍為（80，138）。這個(gè)范圍值包括了此次采集的42組數(shù)據(jù)的39組數(shù)據(jù)，只有天津高銀117的78.25VA/m²，廣州塔139.04VA/m²，還有某金融辦公樓78.0VA/m²，這三棟超高層建筑的單位面積裝機(jī)容量不滿足90%的數(shù)據(jù)情況。具體分析可知，天津高銀117除了塔樓擁有約600m的超高高度外，還有超常規(guī)的巨大地下室（每層10萬㎡），勢必造成單位面積的裝機(jī)容量稍低，但偏離最低范圍值78.25VA/m²程度輕，是相對(duì)合理的。廣州塔屬于細(xì)長型的超高層建筑，建筑平面利用率低，其消防、電梯配置電量相對(duì)增加，以至于變壓器容量較大，單位面積裝機(jī)容量稍高于最低范圍值138VA/m²，同樣，偏離輕，仍是相對(duì)合理的。

若考慮顯著性水平α=0.05，即參考值范圍為95%，雙側(cè)界值為P2.5和P97.5，即（μ±1.96σ）=（74.77，143.205），取整后，范圍為（75，143）。這個(gè)范圍值包含了所有42組數(shù)據(jù)，也就是說，基本可以滿足所有種類的超高層建筑情況。

說明：上述兩種范圍是在42組數(shù)據(jù)的情況下得到的，一旦采集到的數(shù)據(jù)，取值范圍將會(huì)更加準(zhǔn)確，能滿足更多種類型、更高比例的超高層建筑。

表2 常用u值^[5]

3 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證上述結(jié)論的準(zhǔn)確性，筆者采集了部分已建超高層建筑的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別列表3、表4所示。

表3 部分超高層建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)^[6]

表4 部分超高層建筑實(shí)測數(shù)據(jù)^[7]

從表中可以看出，上海環(huán)球金融、南京紫峰大廈、中環(huán)世貿(mào)中心的變壓器容量指標(biāo)分別為98.4VA/m²、117.2VA/m²、102VA/m²，其相對(duì)應(yīng)的變壓器最大負(fù)荷率分別是0.546、0.4、0.43，均滿足最新的IEC60364-8-1的初步結(jié)論，即當(dāng)變壓器的負(fù)荷率在40%~65%時(shí)，變壓器的效率最高，能夠有效地減少電能的浪費(fèi)。其中國貿(mào)三期的變壓器容量指標(biāo)為114.12VA/m²，最大負(fù)荷率僅為0.185，其原因是采集數(shù)據(jù)時(shí)，國貿(mào)三期剛建成不久，招商還在進(jìn)行中，用電負(fù)荷還未達(dá)到最大?？梢灶A(yù)見，在國貿(mào)三期運(yùn)營正常后，其變壓器容量指標(biāo)必將增加，最大負(fù)荷率也會(huì)相應(yīng)增加。這足以說明在（80，138）范圍內(nèi)的變壓器容量指標(biāo)是符合超高層建筑電氣的實(shí)際要求的。

從另一個(gè)角度來看，由于變壓器都往往是成組運(yùn)行的，若一臺(tái)變壓器不能正常使用時(shí)，以上海環(huán)球金融為例，采用3臺(tái)12500kVA的變壓器，當(dāng)一臺(tái)12500kVA的變壓器不能使用時(shí)，剩余了變壓器仍能帶動(dòng)25000kVA的用電設(shè)備，而實(shí)際最大使用量才204856kVA，完全能滿足超高層建筑中二級(jí)及以上等級(jí)負(fù)荷的供電可靠性要求。

4 結(jié)束語

變壓器容量指標(biāo)是變壓器總裝機(jī)容量與建筑面積之比，超高層建筑變壓器容量指標(biāo)的研究，對(duì)超高層建筑電氣設(shè)計(jì)有著重大的意義，能比較好地判斷超高層建筑電氣設(shè)計(jì)成果是否合理、節(jié)能、節(jié)材。文中得出80VA/m²~138VA/m²范圍內(nèi)的變壓器容量指標(biāo)是符合工程實(shí)際要求的取值范圍，能滿足90%以上的超高層建筑電氣設(shè)計(jì)需要。

本文僅是初探，希望引起電氣屆的同仁對(duì)超高層建筑電氣設(shè)計(jì)的重視。由于所采集的數(shù)據(jù)有限，對(duì)超高層建筑的研究尚有不足之處，有待完善和深入研究，也希望更多的同仁參與到超高層建筑電氣設(shè)計(jì)研究之中，以提高我國超高層建筑電氣設(shè)計(jì)的水平。

參考文獻(xiàn)

1. GB50352-2005,民用建筑設(shè)計(jì)通則[S].2005.

2. 朱春. 淺談超高層建筑用能發(fā)展[J]. 綠色建筑,2011(3): 31-33.

3. 沈育祥, 王曄, 金大算, 王斌, 沈冬冬. 超高層建筑電氣設(shè)計(jì)分析[J]. 電氣應(yīng)用,2014(Z): 161-163.

4. 華錫鋒. 超限高層建筑電氣設(shè)計(jì)重點(diǎn)解析[J]. 建筑電氣, 2012(6):41-47.

5. 賈俊平, 何曉群, 金勇進(jìn). 統(tǒng)計(jì)學(xué)[M]. 北京: 中國人民大學(xué)出版社,2015.

6. 金大算. 超高層建筑中的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)[J]. 電氣應(yīng)用,2014(Z): 56-57,79.

7. 李炳華, 周彬, 岳云濤, 李鵬, 顧春雷, 宋鎮(zhèn)江. 淺談建筑電氣設(shè)計(jì)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]. 電氣應(yīng)用, 2014(10):35-40.