既有建筑改造工程电气设计要点分析与探讨

与现有建筑改造相关的概念

根据行业标准T/CECS 497-2017《既有建筑评估与改造技术规范》中相关术语的定义，“既有建筑”是指：竣工验收并于一年后投入使用的建筑，或已投入使用的房屋；“改造”是指为改变建筑用途或者改善建筑功能或性能而采取的技术措施。

通常，既有建筑改造项目大致可分为以下三类：基础改造、改善改造、升级改造。一般而言，“典型”的既有建筑改造项目均包含以上三类，但各类的权重略有不同。

建筑电气工程在既有建筑改造中的实施与新建建筑存在诸多区别，本文结合实际工程案例，重点分析了典型既有建筑改造项目电气设计的几个要点：

①场地勘察及工程评估；②防雷及接地系统改造；③供配电系统改造；④配电线路布线系统改造；⑤电气消防系统改造；⑥建筑节能改造。

场地勘察及工程评估

准确细致的现场勘察和科学合理的工程评价是做好改造项目电气设计的基础。

>>>> 现状调查

了解既有建筑最全面的方法就是阅读原设计图，设计师应积极与业主沟通，审阅原设计图，了解该建筑原电气设计的整体情况。

但在实际工作中，经常存在原始设计资料保存不完整、建筑本身存在多处局部“微改造”、建筑现状与保存的原始设计资料不一致等问题，因此需要设计人员对现场建筑进行实地检查。既有建筑内的电气设备及电气装置包括变压器、柴油发电机、高低压配电柜、外露电气管线、照明灯具、高压插座、火灾自动报警及消防联动控制器、火灾探测器、智能柜、信息插座等直接可见设备，以及隐蔽在建筑结构内的各种电气管线。上述电气设施设备均需进行全面检查，包括变压器负载率、功率因数、正常工作状态下火灾自动报警系统设备的工作状态、各类电气设备的使用时间等电气参数。

>>>>装修范围及装修设计界面

现场踏勘的另一个目的，是明确改造范围和改造设计的界面。新建建筑有土地红线，既有建筑改造也需要有改造“红线”。有界面清晰的改造“红线”对推进改造设计工作大有裨益。

需要注意的是，改造项目涉及的问题，如进线供电系统、进线通信系统、消防报警系统总线等，每个项目都有很大差异。尤其是建筑内部局部改造项目，对外进线供电、通信线路的改造一般需要纳入改造设计中，如果设计缺失，会影响项目预算的准确性。

>>>>测量接地电阻

在改造项目中，与电气工程和土建工程密切相关的另一个重要电气原始数据是既有建筑的接地电阻值。特别是对于利用原有建筑基础钢筋作为接地体，且需要对主体结构进行改造的项目，准确的接地电阻值是改造项目电气接地设计必不可少的设计输入。

>>>>火灾评估报告

建筑消防安全一直是建筑设计关注的重点。在改建项目中，由于建筑距离原建造年代久远，相关消防法规发生较大变化，建筑内原有的消防设施设备已不能满足现行消防法规的要求。近年来，各地针对此类问题均出台了专门的设计指南或指导措施，供设计师参考。此外，从建筑改建后的消防安全角度考虑，设计师应提醒施工方委托专业的消防技术公司对建筑现有的消防疏散及消防设施进行消防安全评估，消防评估报告也是改建项目的设计依据之一。

>>>>新旧规格的匹配、新旧设备接口问题

对于既有建筑，特别是使用年限较长的建筑，其原设计依据的规范已经更新，其内部已有的部分设备已被淘汰或更换。对于改造工程的电气设计，一方面要注意现行规范与原有规范的异同，另一方面要注意改造所采用的新设备与已有上下位设备接口的匹配性。特别是智能设备，产品日新月异，多种通讯协议并存，改造范围内的设备与已有上下位设备接口匹配问题更加突出。

>>>>既有建筑节能改造评估报告

建筑在其整个生命周期内都是能源消耗大户，随着人们生产生活水平提高与资源短缺矛盾的日益突出，建筑节能改造受到越来越多的重视。节能改造评估可以通过现场踏勘、问卷调查、资料查阅、现场测试、软件模拟等方法，确定建筑当前的能耗状况和运行结果。节能改造评估报告一般包括以下内容：建筑概况、评估依据、评估内容、评估过程及结果、评估结论和改造建议。电气与智能化专业的节能改造评估报告一般包括供配电系统、照明系统、能耗管理系统、智能化系统等，特别要关注大功率机电设备控制、可再生能源利用等评估内容。

防雷接地系统设计

既有建筑改造的防雷接地系统较为复杂，因为其引下线及接地体大量使用建筑结构本身的钢筋，一般的现场检查不易检查，防雷接地系统的改造设计也较为复杂，下面做简要总结。

>>>>防雷装置检验报告是改造设计的依据

按照“先检测、先评估、后修复、改造”的原则，既有建筑改造的防雷接地系统设计必须以该建筑的防雷装置检验报告为依据。建筑防雷装置检验报告可以系统地反映建筑既有避雷针的型号、材料型号规格、有效高度、敷设方式、敷设位置，引下线的敷设方式、材料型号规格、数量、最大间距、接地电阻值等技术参数。设计人员可以依据防雷装置检验报告，结合现场对避雷针、裸露引下线、人工接地极等的锈蚀情况进行具体的防雷接地系统改造设计。

>>>>防雷及接地系统改造设计措施

根据建筑物防雷装置检验报告，防雷接地系统改造设计的具体措施可分为以下两类：

a. 重用旧的。

如果建筑物现有的防雷接地系统完备、有效，接地电阻等重要电气参数满足电气安全和电气设备正常运行的要求，则改造设计应充分利用现有的防雷接地装置，只需对现有设施进行修复改造、完善防腐措施即可。

b.重构。

若建筑物原有的防雷接地系统遭到破坏、腐蚀严重、接地电阻等重要电气参数不符合相应规范和电气设备的使用要求时，则应重新设计建筑物的防雷接地系统。重新设计的防雷接地系统除应满足GB 50057-2010《建筑防雷设计规范》等国家标准外，还应考虑原有防雷设施的影响。

>>>>巧妙利用结构加固增设金属构件作为防雷接地设施

在一些既有建筑改造项目中，结构专业人员需要对建筑的基础、主体结构或维护结构进行加固。常见的结构加固方法有增加截面、型钢加固、预应力加固、钢板加固等。对于结构加固的金属构件，我们需要重点关注它们如何与主体结构连接。

以增大截面法为例（如图1所示），在对柱进行加固时，新增的纵向钢筋会通过箍筋与柱内原有钢筋可靠连接，此时需要将新增的等电位连接装置与柱内钢筋连接时，可将等电位连接板通过扁钢或圆钢焊接在新增钢筋上，从而与自然接地极形成可靠的电气通路。

供配电系统改造

>>>>供配电系统设备再利用

在对既有建筑供配电进行改造时，不能回避“旧设备再利用”问题。要科学合理地进行“旧设备再利用”，需要开展以下工作：了解既有设备现有使用时间，收集既有设备正常工作时的负荷情况，特别是变压器等电气设备正常工作时的负荷率等电气参数，计算改造后建筑内用电负荷，改造后建筑预期使用年限，对新设备购置费用、运行电价、电气设备损耗进行经济核算。变压器回收期计算公式为：

设计师应从节省资源、控制装修工程成本的角度，在充分计算的基础上，给予业主科学合理的建议。

>>>>供配电系统设备“改造”

随着我国经济的快速发展和人民生活质量的提高，人们越来越重视“建筑质量”和“建筑能耗”，因此不少施工单位更愿意选择更换变压器等电气设备。同时“改造”在工程现场管理更方便，工程造价结算界面更清晰，竣工后变压器等设备年综合电能损耗更低。供配电系统“改造”与新建建筑供配电系统设计区别不大，在此不再赘述。

>>>>供配电系统部分改造

伴随建筑物局部改造，供配电系统通常也需同时进行局部改造。在这种情况下，电气设计人员必须密切关注用电负荷增加对无功补偿、电缆防火、火灾报警时非消防电源的撤除等影响。对于一些低压用电负荷增加的既有建筑改造工程，用电负荷增加后，往往忽略了对变压器高压侧功率因数的复核。无功补偿电容器的补充，大致可分为以下两种情况：

a.现场无功补偿不足。

有些历史较长的建筑在设计之初，无功补偿容量偏低，在长期使用中，出现元件损坏、低压电容衰减的情况，导致末端低压有功功率增大，功率因数不能满足供电部门的要求。这种情况下，应对此部分向业主提出“建议改造”，并将新增无功补偿容量列入预算清单。

b.就地无功补偿装置投资率低。

对于使用时间不长、初期设计完整、建筑电力设施维护良好的建筑，如果变压器负载率低于设计负载率，则无功补偿装置投资率也较低。在这种情况下，低压电力负荷接入供配电系统后，改造设计可以委托业主或物业管理人员到现场检查无功补偿装置的工作情况，避免被收取无功电费。

管线敷设-电缆及密集母线槽结构负荷问题

在既有建筑改造设计中，由于土建工程相对固定，部分主体结构较为陈旧，结构安全性不高，对新增荷载较为敏感，对新增机电管道荷载应高度重视并进行计算。电气管道荷载计算主要包括电缆本体和支撑防护两部分。

a.电缆本体重量按下式计算：

b.计算电缆桥架某段电缆的长度。

电缆的计算长度包括实际路径长度和附加长度，附加长度应包括电缆敷设路径的高程变化、伸缩缝及绕行预留量等。另外，电缆在桥架内敷设时并不是绝对的直线敷设，在实施过程中会存在一定的弯曲，在计算电缆长度时需要予以考虑。综上所述，在计算电缆重量时，电缆桥架某一段内的电缆长度至少应为扁平电缆桥架长度的110%。

c.电缆支架保护重量的计算。

电缆支撑保护的主体是电缆桥架，不同类型的电缆桥架厚度不同，因而重量也不同，如表1所示。

以宽700mm、高200mm的带盖扁平电缆桥架为例，其钢材密度为7850kg/m3，忽略涂层重量，其单位长度（1m）自重计算如下：

M=7850×（1100×1000×3+700×1000×1.5）×10-9千克=34.15千克，对应静载荷F=334.67N。

此外，估算每米桥梁附加荷载约为：支座荷载600 N/m，维护活荷载2000 N/m。

根据电缆桥架本体的单位长度重量及支撑保护的重量，结合各路供配电系统馈线回路的规格、数量，可得到较为实际的电缆及桥架载荷。

不同规格密集型母线槽的单位长度重量，通常可在设计手册或产品样本中找到，加上母线槽支吊架荷载和检修活荷载，即可得到密集型母线槽的单位荷载。

根据以上荷载，电气工程部门向结构工程部门提供资金，共同确定电气管线的安装敷设方式。另外，既有建筑改造现场情况瞬息万变，在一些特殊情况下，对电缆桥架、母线槽的安装敷设可采取一些特殊的敷设措施。

电气防火系统改造

防火一直是既有建筑改造的重点问题，对于电气专业来说，由于标准更新、产品升级等原因，电气消防系统改造存在不少矛盾。

以火灾报警及消防联动控制系统为例，随着近年来技术的进步和规范的更新，其系统架构和控制对象发生了较大的变化。特别是GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》和GB 51251-2017《建筑防排烟系统技术标准》的发布实施，对火灾报警系统的设计提出了新的要求，因此其改造设计应特别注意新旧系统的兼容性。

近年来，消防泵的启动与控制方式发生了较大变化。JGJ/T 16-2008《民用建筑电气设计规范》（已废止）第13.4.4条第2款曾要求“消火栓按钮总线自动控制消防泵的启动与停止”，其他较早的相关规范中也有类似规定。因此，现有建筑中部分消防泵控制柜接收消火栓按钮总线信号，控制消防泵的启动与停止。在GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》中，第11.0.4条规定：“消防泵应由安装在消防泵出水主管上的压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关或报警阀压力开关等开关信号直接自动启动。消防泵房内的压力开关宜引入消防泵控制柜。” 消防水泵的启动不再需要直接接收消火栓按钮的信号。以某工业园区改造项目为例，本次改造项目范围仅包括其中一栋单体建筑，园区消防泵房不属于改造范围。在消防报警系统改造设计中，需要保留消火栓按钮直接泵启动功能，以满足园区消防水泵的控制要求。

建筑节能改造

建筑节能改造贯穿既有建筑改造工程全专业过程，是建筑品质的重要提升。电气专业节能改造主要包括三个方向：①被动节能；②主动节能；③可再生能源利用。

首先，降低供配电系统变压器和配电电缆的电能损耗，可通过更换损耗值较低的变压器、优化配电电缆的走线等措施来实现。另外，提高系统功率因数、降低谐波含量也可降低配电系统的电能损耗。采用光效较高的光源是有效降低照明系统能耗的重要措施。

其次，在改造项目中，可以设置楼宇设备监控系统，使楼宇内各种机电设备，特别是大型机电设备，运行在科学合理的范围内，避免空调温度过低等不合理能耗，降低楼宇机电设备能耗；可以设置智能照明控制系统，减少“常亮灯”等无效能耗；可以设置能耗管理系统，实现“用户付费”，规范人们的能源消费习惯，鼓励节能行为。

利用可再生能源是从“开源”的角度实现建筑节能。光管照明是比较成熟的技术，可以运用在改造项目中。另外，随着光伏发电技术的进步，建筑光伏发电系统日趋成熟。在既有建筑改造中，在保证安全可靠的前提下，经过技术经济比较，在建筑屋顶、地面停车棚等处同步建设建筑附楼光伏发电系统，或采用太阳能庭院灯，都可以不同程度地减少传统能源的使用。以四川成都市某100m2建筑平屋顶为例，考虑安装间距等因素，采用高效单晶硅太阳能电池板（Pmax=150W/m2），按理想坡度安装，考虑45%的交通及检修通道面积，预估其光伏发电系统装机容量PAZ可达8kWp（标准试验条件下的电性能参数STC）。 按照GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》公式6.6.2，标准条件下辐照度Es=1kW·h/m2，年总辐射量HA=3600MJ/m2=1000kW·h/m2，综合效率系数K=0.6，估算年发电量Ep为：

Ep = HA × PAZ / Es × K

= 1000 × 8 × 0.6 千瓦时

= 4800 千瓦·小时

约合590公斤标准煤；这个发电量基本可以满足两个普通三口之家一年的用电量，节能效益显著。

本文已编辑，全文刊登于《建筑电气》2023年第2期，详情请参阅杂志。