中小学校建筑电气设计的研究与实践

中小学校建筑电气设计的研究与实践

应颢颢

宁波市城建设计研究院有限公司   315000

摘要：随着教育现代化的不断推进，学校建筑不再仅仅满足于基本的教学需求，而是更加注重安全、节能、智能化与舒适性。电气设计作为学校建筑设计的重要组成部分，直接影响到教学活动的高效运行、师生的安全保障以及能源的有效利用。本文以某学校为例，探讨学校建筑电气设计的关键要素，包括供电系统、照明设计、智能控制系统、应急电源配置及节能减排措施，以期为学校建筑提供一个安全、高效、舒适的电气环境。

关键词：学校建筑电气设计；供电系统；节能技术；应用实践

0引言：

在当今快速发展的社会背景下，教育作为国家发展的基石，其基础设施建设的重要性日益凸显。中小学校作为基础教育的核心场所，其建筑环境直接关系到教学质量的提升、学生身心健康的培养以及教育资源的有效利用。电气设计作为现代学校建筑设计中的关键技术环节，不仅承载着为教学活动提供安全、稳定、高效的能源支持的重任，还扮演着推动校园智能化、绿色化转型的关键角色。

1 中小学校建筑电气设计现状与挑战

1.1 现状分析

目前，我国大部分中小学校在电气设计上已逐步实现了从传统向现代的转型，注重照明系统的均匀与舒适性，电力供应的稳定与可靠，以及紧急疏散照明和消防报警系统的完善。然而，仍存在部分老旧校区电气设施老化、能耗高、智能化程度不足等问题。

1.2 面临挑战

1）能源效率：如何在保证照明质量、空调动力正常运行的同时降低能耗。

2）智能化集成：如何实现电气系统与教学、安防等系统的有效集成，提升管理效率。

3）安全防护：确保电气设备的安全运行，预防电气火灾等安全隐患。

4）灵活性与可扩展性：设计应考虑未来教育技术的发展，便于系统升级和扩展。

2  电气设计关键要素

1） 电力供应与应急电源。设计双路供电系统，确保重要负荷（如数据中心、消防系统）的不间断供电。设置柴油发电机或UPS作为应急电源，满足紧急情况下的用电需求。

2）照明系统设计。采用LED灯具，结合自然光利用，实现照明的智能化控制，如时间控制、照度感应控制，既保证光线舒适，又显著降低能耗。

3） 智能化控制系统。引入楼宇自动化系统(BAS)，集成照明、空调、安防等多个子系统，实现远程监控、故障预警及高效管理，提高校园运营效率。

4）安全防护措施。加强电气线路的防火设计，使用阻燃电缆，设置漏电保护、过载保护等电气安全装置。建立定期维护检查机制，及时发现并排除隐患。

3  实践案例分析

3.1 案例背景

某新建中小学校项目，总面积约30,000平方米，设计目标为打造一个集智慧、绿色、安全于一体的现代化校园。

3.2 设计实施

3.2.1 供电系统设计

学校供电系统设计是一个综合考虑安全、可靠、高效、智能及未来发展的复杂工程。通过科学合理的规划与实施，不仅能确保学校的正常运行，还能在节能减碳、提升运维效率等方面发挥重要作用，为构建智慧校园奠定坚实的基础。

1）学校供电系统通常采用双路供电设计，即市电为主电源，辅以备用电源（如自备柴油发电机组或静态UPS系统）。这样即使一路电源发生故障，也能立即切换到另一路，确保关键设施如服务器机房、消防系统、应急照明等的不间断供电。工程设1座变电所+1座环网室，安装400KVA变压器2台，高供低计，2路10KV电源从环网室引来[1]。消防电源为二级负荷，其它均为三级负荷。采用树干式或放射式配电方式，根据各功能区域的具体需求合理布局，确保电力分配的均衡性和灵活性。重要负荷采用专用回路供电，减少相互干扰[2]。

2）设置电力稳压器和滤波器，解决电压波动和谐波问题，保护精密电子设备免受损害，延长使用寿命。合理设置断路器和熔断器，根据电路的最大预期电流值选择合适的保护级别，确保在发生短路或过载时能迅速切断故障电路，避免事故扩大。

安装智能电表，实时监测各区域的能耗情况，通过数据分析识别异常能耗，为节能策略提供依据。引入需求响应机制，根据电网负荷状况调整非关键设备的用电，如在高峰时段自动调节空调温度设定，减轻电网压力，节约成本。电气设备布局考虑便于日常检查和维护，关键部位设置明显的指示标签和安全警示。预留足够的电缆通道和变压器容量，考虑到未来学校可能的扩建或电气设备的增容需求，确保供电系统具有良好的扩展性和灵活性。

3）电气负荷计算 ，如下表：

3.2.2 照明系统设计

学校照明设计是一项综合考虑光照质量、能效、智能化与舒适度的系统工程。通过精细的规划与实施，不仅可以创造一个有利于学习和工作的优质光环境，还能有效节约能源，促进校园的绿色可持续发展。主要准对以下几个方面进行设计：

1）进行照明分层与分区，基础照明：覆盖教室、图书馆、走廊等公共区域的基本照明需求，确保整体空间明亮，满足基本活动要求。任务照明：针对特定学习或工作区域（如实验台、阅读区）增设定向照明，提高视觉清晰度，减少眼部疲劳。重点照明：在艺术展览、特殊展示区或舞台区域使用，强调物体或空间特点，创造视觉焦点。

2）广泛采用LED光源，因其高效率、长寿命、低热量输出和良好的调光性能，尤其适合长时间使用的教育环境 。确保所选灯具和驱动器支持多种调光方式，便于接入智能控制系统。

3）在建筑规划初期就考虑引入自然光，利用光导管或大面积天窗将自然光线引入室内深部，减少白天的电力照明需求。采用动态调光策略，结合外部光照强度和室内使用情况，自动调节人工照明亮度，实现自然光与人工光的平滑过渡和互补。

4）设置智能照明控制系统。根据不同教学活动或时间（如上课、自习、休息）预设不同的照明场景模式，一键切换。在走廊、洗手间等非持续使用区域安装人体感应器，实现按需照明，进一步节能。采用时间程序与光控联动，结合时间表和光传感器，自动调整照明强度，如黄昏时自动开启室外照明，夜间降低校园整体亮度。

5）在教室等学习区域，推荐使用色温在4000K左右的中性白光源，因其既能激发学生的注意力，又能减少眼睛疲劳。显色指数(CRI)应不低于80，确保色彩真实还原，利于美术、科学实验等活动。照明等级与均匀度：按照《中小学校教室采光和照明卫生标准》(GB/T 36876-2018)，确保桌面照度不低于300lx，黑板照度不低于500lx，且整个教室照明均匀度不小于0.7，减少视觉疲劳和近视风险[3]。

6）采用专业软件模拟不同设计方案的年度能耗，考虑灯具效率、使用时长、控制策略等因素，精确评估节能潜力。

7）采用间接照明、带遮光罩的灯具或漫反射材料，减少直接眩光，提升视觉舒适度。通过合理布灯和灯具间距，保持空间照度均匀，避免局部过亮或过暗，减少视觉疲劳。

3.2.3 智能化系统设计

智能化系统在中小学校设计中的应用，涵盖了校园的各个层面，包括但不限于能源管理、环境控制、安全监控、教育教学、信息发布等，旨在构建一个高效、安全、环保且富有互动性的智慧校园环境。以下是智能化系统设计中的几个要点：

1）设置楼宇自动化系统(BAS)，集成照明、空调、安防等多个子系统，实现远程监控。通过智能电表、水表等设备，实时监测校园能耗，实现精细化管理，自动识别能耗异常，优化能源分配。结合时间表、环境数据（如室内外温差、光照强度）和预测模型，自动调整空调、照明等系统的工作状态，最大程度节能。

2）利用物联网技术，根据教室、图书馆等不同区域的实际使用情况，自动调节HVAC系统，创造舒适的学习环境。集成CO2、PM2.5等传感器，实时监测室内空气质量，联动新风系统，确保空气流通，保障师生健康。

3）高清摄像头配合AI分析技术，实现人脸识别、行为异常检测，提高校园安全防范能力。集成火灾报警、入侵报警、紧急广播等系统，一旦触发，立刻启动预案，联动门禁、照明、疏散指示等，快速响应。

4）结合互动白板、智能讲台、无线投屏等设备，打造沉浸式教学环境，支持远程教学、资源共享。通过学生学习行为数据的收集与分析，为教师提供个性化教学建议，辅助学生成绩提升。

5）在校园入口、食堂、图书馆等公共场所安装智能显示屏，发布通知、活动信息、天气预报等，增强信息传播效率。开发校园专属APP，集成了通知公告、课程表、图书借阅查询、一卡通服务等功能，方便师生日常生活。

6)利用RFID、二维码等技术，对校园资产进行智能化管理，实现快速盘点、定位丢失物品。集成设备状态监测系统，通过数据分析预测设施故障，提前安排维护，减少突发维修，延长设备寿命。

通过上述智能化系统的深入应用，中小学校不仅能够提升校园管理的智能化水平，提高资源利用效率，还能够为师生创造更加安全、舒适、高效的学习与工作环境，进一步推动教育信息化、现代化的进程。

3.2.4电气安全防护设计

电气安全是中小学建筑设计与运营管理中不可忽视的重要环节，直接关系到师生的生命安全与财产安全。以下是电气安全防护设计的几个关键方面:

    1) 电气线路应避开易燃物区域，采用耐火或阻燃材料，合理规划线路走向，减少交叉和重叠，选用符合国家安全标准的电气设备[4]。设置适当的断路器和熔断器，对每个电路进行过载和短路保护，确保电路异常时能及时切断电源，避免火灾风险。

2) 实施TN-S接地系统，确保所有电气设备外壳可靠接地，减少触电风险。安装避雷带、浪涌保护器等防雷设施，保护建筑及其内部电气系统免受雷电损害，减少火灾和设备损坏。

3）在楼梯间、走廊、出口等关键疏散路径安装应急照明，确保停电时自动启用，亮度足够，持续时间不少于90分钟[5]。设置清晰可见的疏散指示标志，结合应急照明系统，引导师生快速安全疏散。

4）安装电气火灾监控系统，如剩余电流监测装置，实时监测电气线路异常，早期预警潜在火灾风险。利用物联网技术，集成温度、烟雾、湿度等传感器，实现电气设备状态的远程监控，及时发现并处理异常。

5）建立电气系统定期巡检和维护制度，包括线路、设备的检查、清洁、测试和必要的更换，确保电气系统处于良好状态。定期对师生进行电气安全教育，包括安全用电常识、紧急情况应对等，提升全员安全意识。

6）构建智能化安全管理平台，将电气安全监控、消防、门禁、视频监控等系统集成，实现统一管理和应急响应。用大数据分析，评估电气系统的安全状况，预测潜在风险，优化安全策略，提升安全管理的主动性和预见性。

通过上述措施的综合实施，可以构建起一套全面、高效、智能的电气安全防护体系，为中小学校创造一个安全、稳定的教学环境，保护师生的生命财产安全。

4电气设计难点分析与应对策略

4.1难点分析

1）预算限制：资金有限，需要在保证质量的前提下控制成本，实现功能与效率的最优化。

2）技术更新快：电气技术日新月异，设计需紧跟潮流，避免刚建成就落后的尴尬。

3）安全性要求高：学校作为人群密集场所，电气安全要求极为严格，任何疏忽都可能造成严重后果。

4）节能环保压力：绿色校园理念下，节能减排成为硬指标，如何平衡能耗与舒适度是挑战。

5）智能化整合：智能化设备繁多，系统集成复杂，如何实现统一管理，避免信息孤岛现象。

6）灵活性与扩展性：学校规模与教学需求变化，设计需具备良好的扩展性和灵活性，以适应未来发展。

4.2 应对策略

1）科学规划与预算管理：前期进行详尽的需求调研与规划，明确功能需求与预算分配，确保资金高效利用。合理利用政府补贴与教育基金，引入PPP等合作模式。

2）模块化与标准化设计：采用模块化设计，便于后期维护与升级，同时选用标准化电气元件，降低成本，保证互换性与兼容性。

3）安全优先原则：严格遵守电气安全规范，强化电气安全设计，如设置多重保护措施，选用阻燃材料，建立电气安全教育与应急预案。

4）绿色节能策略：采用高效节能设备（如LED照明、变频空调、智能控制系统），结合自然光利用，安装太阳能发电等可再生能源系统，定期进行能耗审计，优化能源管理。

5）集成化智能化平台：构建开放式的智能化管理平台，统一接口标准，确保不同系统间顺畅通信，采用云计算与边缘计算技术，提升数据处理能力，实现数据融合与智能决策。

6）灵活扩展性设计：预留足够的电气管线与接口，采用可扩展的布线方式，如母线槽、预埋管道，确保未来增容或技术升级的便捷性，同时考虑空间布局的灵活性，满足教学模式的多样化需求。

通过上述策略的实施，可以有效应对中小学电气设计中遇到的各种难点，不仅确保校园电气系统的安全性与可靠性，还能提升智能化水平，同时满足节能环保的要求，为学校长远发展打下坚实的基础。

5 结语

中小学校建筑电气设计需紧跟时代步伐，结合智能化、绿色化理念，注重能效与安全的平衡。通过科学合理的规划与设计，不仅能创造一个舒适、高效、安全的教育环境，还能为学生的全面发展提供有力支持。未来，随着技术的不断进步，电气设计应持续创新，以满足教育领域日益增长的需求。该设计实践不仅显著提高了校园的能源效率和管理效率，降低了运营成本，而且提升了师生的学习与生活环境质量，得到了广泛好评。

参考文献

[1].中国建筑东北设计研究院有限公司.民用建筑电气设计标准：GB 51348—2019［S］.北京：中国建筑工业出版社，2020.

[2].中国联合工程公司.配电系统设计规范：GB50052—2009［S］.北京：中国计划出版社，2009.

[3]北京照明学会照明设计专业委员会. 照明设计手册（第三版）. [M].北京. 中国电力出版社，2017.

[4].公安部天津消防研究所 . 建筑设计防火规范：GB 50016—2014［S］. 北京：中国计划出版社，2018.

[5].应急管理部沈阳消防研究所.消防应急照明和疏散指示系统技术标准：GB 51309-2018［S］.北京：中国建筑工业出版社出版，2018.