多層教學(xué)樓照明及插座電氣設(shè)施應(yīng)用研究

中國人民大學(xué) 柳熙宇

1 引言

現(xiàn)階段學(xué)校教學(xué)樓的照明和插座設(shè)計，影響著老師和學(xué)生的日常工作與學(xué)習(xí)，學(xué)校開展各項活動更是需要優(yōu)質(zhì)的照明和插座系統(tǒng)。普通的照明功能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代高校的照明需求，目前我國不同地區(qū)存在教學(xué)仍然存在差異，這種差異不僅體現(xiàn)在教學(xué)資源這一方面，教學(xué)環(huán)境也是影響學(xué)校授課情況的重要因素之一,而影響教學(xué)環(huán)境最為關(guān)鍵的一環(huán)無疑是教學(xué)樓的照明情況[1]。

部分學(xué)校建筑因年代久遠(yuǎn)，故照明設(shè)計與插座的布局存在不合理之處。因此,合理的照明與插座設(shè)計方案，不僅可以提升師生的日常學(xué)習(xí)工作體驗，而且能對學(xué)校的管理模式與水平產(chǎn)生積極影響。除照明外，插座的分布、數(shù)量是否合理也是衡量一棟教學(xué)樓使用體驗的因素之一。插座的分布設(shè)計不合理，可能會導(dǎo)致資源的浪費，或者出現(xiàn)不能良好地分配電力資源的情況。本文將以多層教學(xué)樓照明與插座設(shè)計的解讀入手，嘗試提出更為合理的方案。本次設(shè)計的結(jié)果符合國家法律法規(guī)的要求和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于教學(xué)樓的防雷安全設(shè)計提出相應(yīng)的方案，對于提高教學(xué)樓教學(xué)環(huán)境，提升師生舒適度，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的發(fā)展，具有積極的意義[2]。

2 工程概述

本工程對象是一棟長為40m，寬為30m的中學(xué)教學(xué)樓，每層總面積為1200㎡，共有5層，高度為15m，是一般性民用建筑，因此教學(xué)樓根據(jù)《建筑供配電及要求》被列為國家三類建筑。此教學(xué)樓的1層和2層作為教師的辦公室，3、4、5層作為計算機(jī)房?？傮w上呈現(xiàn)為U形框架構(gòu)架結(jié)構(gòu)。其中1層和2層的布局一致，共有教室辦公室10間，U形連接處設(shè)有男女衛(wèi)生間各2間，共4間，1間開水間，以及兩處樓梯間；3、4、5層布局一致，其中每層共有教室10間，衛(wèi)生間4間，開水間1間和兩處樓梯間，每層各有電井兩間[3]。

3 照明設(shè)計

3.1 照明設(shè)計需求

對于此棟教學(xué)樓的照明設(shè)計?？紤]到此棟建筑以教學(xué)為使用目的，最終照明的效果區(qū)分于一般建筑。此棟教學(xué)樓為多用型，1層和2層與3、4、5層的用途有所差異，因此對于燈具的照明要求也需要做出改變。其中最為重要的是教學(xué)樓與辦公室的照明，針對辦公室照明設(shè)計，最基本的要求有以下幾點[4]：

一是滿足老師辦公需求，保障各個角度的光照亮度的需求。

二是保護(hù)老師雙眼，禁止出現(xiàn)眩光，反光，保證舒適度。

三是無論有無自然光的條件下，均能適應(yīng)環(huán)境的變化。

針對教室照明，此棟教學(xué)樓每一間教室均配有投影儀以及大屏幕教學(xué)設(shè)備，老師經(jīng)常使用此設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，既減輕了老師的負(fù)擔(dān)，又能使課堂的進(jìn)行更加生動、多樣化、靈活化，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在照明的設(shè)計過程中，除去自然光外，要防止投影屏幕以及黑板的反光，影響部分學(xué)生的學(xué)習(xí)。教室間還存在一些黑板報和墻畫區(qū)域，互動交流區(qū)。這些空間同樣對照明提出很高的要求。因此，對于教室照明設(shè)計，最基本的要求是：

一是無自然光的參與下，均能滿足學(xué)生對于照明的要求。

二是有自然光的參與下，使照明燈光與自然光相互融合。

三是防止照明情況下，因燈光導(dǎo)致投影屏幕反光。

四是防止出現(xiàn)眩光，保護(hù)學(xué)生雙眼。

3.2 光源的選擇

要想達(dá)到以上教學(xué)樓的照明要求，首先要選擇合適的光源。由于此棟教學(xué)樓房間通透性極好，教室和辦公室可以在白天利用自然光進(jìn)行照明。所以本設(shè)計的光源應(yīng)為自然光和人工光源。一方面太陽光是一種獨特的光源，不同于任何人造光源，合理采用日光，可以營造好的氛圍，節(jié)約巨大的能源，因此教室照明的首選應(yīng)該是天然光。另一方面，是關(guān)于人工光源燈具的選擇。無論是自然光還是燈具照明，都首先要優(yōu)先考慮光源的光照照度，依據(jù)國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013，同時響應(yīng)國家節(jié)約資源以及保護(hù)環(huán)境的號召，此次設(shè)計選用的燈具要符合以下要求：

一是為了防止眩光，需對眩光進(jìn)行控制，所以在優(yōu)先選擇平面燈具。

二是辦公室與教室都不適合使用高亮的燈具，否則不利于保護(hù)老師與學(xué)生的雙眼。

三是燈具的選擇是最好有燈罩，不宜選擇直接照射燈具。且選擇能耗低的燈具。

綜合考慮以上要求，此次設(shè)計選用的燈具的是雙條V5雙管熒光燈，其光照高在滿足照明需求的同時又具有節(jié)能，使用時長久的特點，在后期維修和電能消耗方面的花費低。照明時，滿足特殊顯色指數(shù)，色容差在5SDCM以內(nèi)，色品坐標(biāo)偏差值符合相應(yīng)規(guī)定。

3.3 照明質(zhì)量

燈具確定之后，照明的質(zhì)量便取決于燈具的數(shù)量，擺放的位置等。在日常照明中，光源的照度水平、亮度分布、顯色性、有無眩光干擾以及投光的立體感好壞直接影響師生的體驗。當(dāng)師生處于辦公室或者教室這個環(huán)境中時，眼睛的焦點在不停地移動，并且重新適應(yīng)新環(huán)境，當(dāng)移動的空間內(nèi)的光線亮度，或者光線顏色的差異較大時，可能會引發(fā)人的視覺疲勞。為防止此種情況的出現(xiàn)，教室的照明亮度應(yīng)該均衡，減少因視覺的巨大差異而引起的疲勞。同時，也不能使亮度過于均衡，否則會是環(huán)境呆板，降低師生的精神狀態(tài)。因此，在對房間的照明設(shè)計時，出于對照度均勻度的考慮，燈具的安裝位置和數(shù)量應(yīng)該滿足以下要求[5]：

一是教室走廊內(nèi)和辦公室區(qū)域的照明照度，不能低于教室內(nèi)部和其他工作區(qū)的照明照度的三分之一。

二是教室和辦公室的照明照度的均勻程度要符合《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。綜合考慮以上因素，最終對于此教學(xué)樓燈具的數(shù)量以及位置設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 樓層照明示意圖

3.4 眩光控制

在教室具體燈具位置和數(shù)量固定后，處于教室的墻面的具體材質(zhì)，墻面光滑度或者墻體的位置等因素，會導(dǎo)致建筑內(nèi)光源亮度分布不均勻，或者亮度變化幅度過大，會引起人的不適，這種現(xiàn)象被稱之為眩光，此現(xiàn)象直接影響教學(xué)樓最終的照明質(zhì)量和師生的使用體驗。眩光可能會引發(fā)學(xué)生或者老師的視力問題，影響學(xué)習(xí)與工作，長期處于眩光環(huán)境下，甚至?xí)绊懭说那榫w，或者引發(fā)心理問題等。

由于眩光的產(chǎn)生大多來自于燈光的變化，控制眩光問題，本次設(shè)計主要考慮在安裝時通過控制安裝的位置和方式來減少眩光的出現(xiàn)，具體做法和注意事項如下：

一是控制燈光反射的背景，限制燈具的亮度等。

二是此棟教學(xué)樓所有教室屋頂均無障礙，因此無需考慮把燈具嵌入墻體或者黏附在墻面

三是如果燈具的位置已經(jīng)固定無法改變，那么可以通過改變光線反射背景面位置，使得燈光的反射角偏離室內(nèi)人的視線。

四是此棟教學(xué)樓的層高為3m，屋頂反射比很高，不考慮燈具緊貼屋頂，最好是將其懸掛在半空中，光線經(jīng)過屋頂?shù)姆瓷洌握丈涞较旅?，間接提高了照明亮度，減少眩光。使學(xué)生在更為舒適的條件下學(xué)習(xí)。

五是辦公室與教室都不適合使用高亮的的燈具，否則不利于保護(hù)老師與學(xué)生的雙眼。

3.5 導(dǎo)線選擇

考慮用電設(shè)備的實用性及經(jīng)濟(jì)性的同時，也滿足了照度要求，之后也要對電能損耗這一角度加以考慮。電荷負(fù)荷可以分為一級、二級和三級，不同的用電設(shè)備對應(yīng)不同的電荷符合等級。本次設(shè)計對于照明線路電線和電纜材質(zhì)要區(qū)分開，由于不同的建筑其敷設(shè)方式也要有所差異，具體如何選擇則應(yīng)根據(jù)以教室的布局情況，照明和其他用電設(shè)備的布局情況為主的多個因素確定，如外界作用力、建筑的伸縮、外部環(huán)境的熱源、腐蝕性或者污染性物質(zhì)等，都會對線路的敷設(shè)帶來影響。線路的敷設(shè)時應(yīng)尤為注意以上因素，防止帶來不必要的損失。

本工程為0.38kV配電，常用電力電纜100%持續(xù)允許載流量。相線截面確定由計算電流確定，設(shè)計需滿足現(xiàn)行有關(guān)電力電纜與低壓配電的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本設(shè)計選取的導(dǎo)線材質(zhì)為：VLV、VV聚氯乙烯絕緣，聚氯乙烯護(hù)套鋁芯，全塑電纜，截面積為35mm2。

4 插座的布局與設(shè)計

此棟教學(xué)樓供電電源電壓為0.38kV，引自校區(qū)內(nèi)公用變配電室。大部分負(fù)荷等級均為三級。在建筑物配電總箱內(nèi)裝設(shè)總電能表。由于本單體距公用變配電室較近，故僅要求在變配電室的電壓低壓側(cè)集中設(shè)置無功功率自動補(bǔ)償裝置，且電容器組選用投切方式為自動循環(huán)，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于0.92。低壓配電系統(tǒng)選用電纜放射式的方式，單臺容量較大或重要負(fù)荷選用放射式供電，照明、插座均由不同的支路供電。

4.1 布局要求

根據(jù)《建筑供配電與照明》，三類建筑的插座數(shù)量和接入應(yīng)該滿足以下要求：

一是同一間教室的插座必須由同一個回路進(jìn)行配電。

二是插座不可以安裝在用于疏散照明的回路中，疏散照明回路為單獨回路。

三是對于一些特殊房間，若其未設(shè)有安全隔離變壓器的插座，則不對此房間設(shè)計插座。

四是單獨回路可以設(shè)有插座，但數(shù)量應(yīng)該小于5個。

4.2 插座的選擇

根據(jù)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》GB50055-93，應(yīng)該根據(jù)具體環(huán)境和使用條件來確定插座的型式和安裝位置。其要求為：

一是需要連接地線的用電設(shè)備插座，必須有接地孔。

二是插頭與插座的電壓登記必須相互對應(yīng)，不可跨等級混用。

三是若建筑所處的環(huán)境惡劣、環(huán)境濕度大等，所選用的插座必須是保護(hù)式或者密封式。并且安裝的高度必須大于1.8m。

四是安裝普通插座，高度保持在1.8m及其以上，安全性插座通常安裝于1.5m以下。

4.3 教室的插座設(shè)計

燈具布置完成后，此棟教學(xué)樓教室頂棚都設(shè)有吊頂式投影儀，投影儀不與其他建筑共用一個供電路線，而是設(shè)置一個獨立的回路供電，從而減少日常維護(hù)控制等工作量。教室前段，選擇在黑板下面置兩個插座，高度為距離地面0.75m，用于教師課件的演示和日常工作用途。同時，出于實用性和美觀的考慮，在講臺內(nèi)部安裝設(shè)備供電插座?？傮w上每間教室只設(shè)置1個回路配電，每個回路設(shè)置的插座不超過6個即可。

4.4 辦公室的插座設(shè)計

辦公室的插座數(shù)量與分布原則不同于教室，辦公室是教師處理工作的地方，每間辦公室的教師人數(shù)有8人，因此辦公室對于供電需求應(yīng)超過教室。要求每一個辦公桌上設(shè)置單獨的單相二三孔插座，共設(shè)置10個插座，一般每5個插座為一個回路來進(jìn)行供配電。本設(shè)計中插座采用2.5mm2穿PC管敷設(shè)，支路設(shè)有剩余電流保護(hù)器。具體安裝數(shù)量如表1所示。

表1 插座示意表格

最終樓層的插座分布情況如圖2所示。

圖2 樓層插座布局示意圖

5 教學(xué)樓的雷擊防護(hù)

大氣層中存在著放電現(xiàn)象。當(dāng)教學(xué)樓建筑高度足夠高時，這種放電現(xiàn)象就會對教學(xué)樓產(chǎn)生安全隱患，因此隨著社會的發(fā)展，建筑的高度也越來越高，關(guān)于建筑是否需要安裝防雷裝置，本次設(shè)計將從雷擊的分類及原因等方面入手，并結(jié)合此棟建筑提出具體的建議和設(shè)計方案。

針對于不同雷擊的特點，目前防護(hù)效果最好的預(yù)防措施有以下幾種：

一是直擊雷是最常見的雷擊現(xiàn)象，對于直擊雷，通常采用的方法是用避雷針或者金屬作為接閃器，接受直擊雷電并且通過引下線將雷電引導(dǎo)至大地。

二是因為感應(yīng)雷的破壞方式主要針對于金屬設(shè)備和金屬導(dǎo)線，因此通常在高壓端兩側(cè)各安裝防雷裝置，在低壓側(cè)安裝閥門式防雷裝置，在樓層配電箱安裝電源避雷箱。

三是目前主流的防雷設(shè)備主要有接閃桿、接閃線、接閃帶、接閃網(wǎng)、以及防雷針等?？紤]此棟教學(xué)樓的實際情況，此次設(shè)計只討論直擊雷的預(yù)防。具體措施如下：

（1）在樓頂安裝閃接器來防直擊雷帶來的危害，考慮到教學(xué)樓的高度，使用的閃接器由閃接桿或閃結(jié)網(wǎng)混合組成，且閃結(jié)網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不宜超過20m×20m。

（2）此棟教學(xué)樓為U字形結(jié)構(gòu)，考慮在教學(xué)樓的每個拐角和中間部分都設(shè)置一個引下線，間距在25m以內(nèi)，共9根。

（3）由于此棟教學(xué)樓為三類建筑，因此選取引下線時電阻應(yīng)不超過30Ω，而且在地下埋金屬管與引下線相接。若無金屬管相接，則兩引下線間距應(yīng)不少于2m。

6 結(jié)論

本文以多層教學(xué)樓照明與插座設(shè)計的解讀入手，嘗試提出更為合理的方案。本次設(shè)計的結(jié)果符合國家法律法規(guī)的要求和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于教學(xué)樓的防雷安全設(shè)計提出相應(yīng)的方案，本文主要從多層教學(xué)樓的照明系統(tǒng)和插座設(shè)計兩個方面來進(jìn)行探討。在論述照明系統(tǒng)時又對于燈具的選擇、光源的分析、線路的敷設(shè)以及眩光控制等進(jìn)行了分析。插座設(shè)計主要包括插座的要求、插座的選擇進(jìn)行設(shè)計，同時對于選擇導(dǎo)線進(jìn)行了具體分析，希望可以起到一定的借鑒作用。