楊 鵬

［同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092］

0 引 言

近年來,各地加大了對(duì)醫(yī)療行業(yè)的投入,實(shí)施了一系列政策措施來改善醫(yī)療服務(wù)和提高醫(yī)療質(zhì)量。同時(shí),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)的需求也在不斷增長(zhǎng)。醫(yī)院建設(shè)無疑對(duì)滿足醫(yī)療需求和提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量起著不可替代的作用。醫(yī)院內(nèi)部的醫(yī)療設(shè)施、機(jī)電設(shè)備、燈光照明等設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行要求較高,電氣設(shè)計(jì)時(shí)需在供電電源、電能質(zhì)量及安全可靠方面做好保障工作。

1 工程概況

某三甲綜合醫(yī)院新建項(xiàng)目包括醫(yī)技樓、門診樓、急診樓、住院樓、會(huì)議樓、地下室以及相關(guān)的配套附屬設(shè)施。各主要功能樓區(qū)域劃分界面清晰,相對(duì)獨(dú)立又相互連通,構(gòu)成整個(gè)三甲醫(yī)院的主體建筑。某三甲綜合醫(yī)院全景如圖1所示。

圖1 某三甲綜合醫(yī)院全景

醫(yī)院總建筑面積為20.5萬m2,地上5層,地下1層,建筑高度為23.55 m,建筑類別為一類,建筑主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,屬多層民用建筑。床位數(shù)為600,作為綜合性三甲醫(yī)院可滿足日均最大門診量5 000人,日均最大急診量800人的就診需求。某三甲綜合醫(yī)院使用功能分布如表1所示。

表1 某三甲綜合醫(yī)院使用功能分布

2 10 kV配電系統(tǒng)

項(xiàng)目中大量負(fù)荷為一二級(jí)負(fù)荷,其供電措施需滿足規(guī)范、院方使用需求及當(dāng)?shù)毓╇娋窒嚓P(guān)文件要求。由市政電網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立的上級(jí)區(qū)域開關(guān)站引入兩路10 kV電源至地下室用戶開關(guān)站。根據(jù)建筑布局和功能,結(jié)合負(fù)荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),在地下室設(shè)置4處10/0.4 kV變配電中心,10 kV市政電源經(jīng)開關(guān)站配電后以放射式方式至變配電中心。正常工作時(shí),兩路10 kV分列運(yùn)行,10 kV側(cè)采取單母線分段加手動(dòng)及電動(dòng)聯(lián)絡(luò)方式。兩路工作(正常)容量均為10 700 kVA,當(dāng)一路電源失電時(shí),另一路工作(故障)容量為21 400 kVA,可承擔(dān)項(xiàng)目的重要、一二級(jí)和三級(jí)負(fù)荷。供電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

3 低壓配電系統(tǒng)

3.1 負(fù)荷分級(jí)

根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB 51039—2014《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]等規(guī)范以及院方需求進(jìn)行供電負(fù)荷等級(jí)劃分,某醫(yī)院供電負(fù)荷分級(jí)如表2所示。

表2 某醫(yī)院供電負(fù)荷分級(jí)

3.2 變壓器負(fù)荷計(jì)算

依據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[1],變電所內(nèi)的一對(duì)變壓器(帶多種等級(jí)負(fù)荷)中的任一臺(tái)容量應(yīng)滿足:某一臺(tái)變壓器中斷供電時(shí),另一臺(tái)變壓器應(yīng)能承擔(dān)全部一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷。

該醫(yī)院項(xiàng)目負(fù)荷主要包括以下大類:

(1) 常規(guī)用電,如普通照明插座、常規(guī)區(qū)域空調(diào)風(fēng)機(jī)水泵、電梯扶梯等設(shè)備。該用電設(shè)備統(tǒng)計(jì)相對(duì)常規(guī),可參考19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊(cè)》?？照{(diào)風(fēng)機(jī)水泵等機(jī)電設(shè)備以水暖專業(yè)提資為準(zhǔn)。

(2) 非醫(yī)療專項(xiàng)用電,如室外景觀用電、泛光照明、充電樁設(shè)備、LED大屏等。此類專項(xiàng)用電需結(jié)合項(xiàng)目本身的特點(diǎn)進(jìn)行估算,充電樁可按照慢充每套7 kW、快充每套45 kW進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。

(3) 醫(yī)療專項(xiàng)用電,如醫(yī)療純水、醫(yī)療氣體、醫(yī)用物流(機(jī)器人、中型軌道)、醫(yī)用實(shí)驗(yàn)室等。此類專項(xiàng)用電量與醫(yī)院醫(yī)技場(chǎng)所、病房數(shù)量息息相關(guān),負(fù)荷統(tǒng)計(jì)時(shí)需做好調(diào)研。

(4) 醫(yī)療工藝用電[4],如手術(shù)室、急救搶救室、重癥監(jiān)護(hù)室、中心供應(yīng)室以及輸血科等科室用電。此類工藝用電往往模塊化,常規(guī)手術(shù)室每間8～10 kVA,重癥監(jiān)護(hù)室每床4～6 kVA。

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)后,結(jié)合分級(jí),變壓器正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率控制在75%～85%。

3.3 柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)供電距離及變配電所分布,設(shè)置兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為本項(xiàng)目的應(yīng)急保障電源,其容量按消防工況和非消防重要負(fù)荷保障工況較大者取值。在按消防工況計(jì)算時(shí),需按最大防火分區(qū)著火時(shí)與其相鄰防火分區(qū)消防負(fù)荷和需運(yùn)行的消防設(shè)備容量、同時(shí)成組起動(dòng)的電機(jī)容量及起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)母線容許電壓降計(jì)算容量三者取較大者[5]。

按保障工況計(jì)算,本項(xiàng)目4處變配電保障計(jì)算負(fù)荷分別為:P1=636 kW,P2=908 kW,P3=820 kW,P4=1 056 kW。依據(jù)如下:

(1)

式中:Sc——按穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)組的容量;

a——負(fù)荷率;

Pn——每個(gè)或每組負(fù)荷容量;

ηn——每個(gè)或每組負(fù)荷的效率,一般取0.82～0.88;

cosφ——發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù),取0.8。

經(jīng)計(jì)算,Sc=4 022 kVA。

選擇兩臺(tái)1 800 kW柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置在地下一層,距4處變配電所距離相當(dāng)?shù)木又形恢谩?/p>

兩路市電均因停電、缺相、電壓或頻率超出范圍斷電時(shí),信號(hào)延時(shí)0～10 s(可調(diào))自動(dòng)起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組,機(jī)組15 s內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速、電壓、頻率后,投入額定負(fù)載運(yùn)行。市電恢復(fù)正常30～60 s(可調(diào))后,手動(dòng)恢復(fù)市電供電,柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)冷卻延時(shí)后,自動(dòng)停機(jī)。

依據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)三級(jí)醫(yī)院的要求,當(dāng)市電停電時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組的供油時(shí)間需大于24 h,以滿足醫(yī)院市電停電應(yīng)急情況下的供電要求。

3.4 變壓器及柴油發(fā)電機(jī)組容量與設(shè)置

項(xiàng)目設(shè)置1處10 kV開閉所,4處變配電所和1處柴油發(fā)電機(jī)房,均位于地下一層。10 kV總站位于道路左側(cè),便于市政電源進(jìn)線,同時(shí)滿足配電至各分變電所的高壓供電半徑;每處變電所靠近其管轄供電區(qū)域的負(fù)荷中心,且滿足低壓供電半徑。考慮到冷凍機(jī)房、鍋爐房和熱水機(jī)房均位于地下室且設(shè)置集中,單獨(dú)設(shè)置變配電所,與冷凍機(jī)房貼鄰設(shè)置。北部住院樓、會(huì)議樓及地下室A區(qū)單獨(dú)設(shè)置變配電所;部分門診、醫(yī)技及地下室B區(qū)單獨(dú)設(shè)置變配電所;南部住院區(qū)、急診及地下室C區(qū)單獨(dú)設(shè)置變配電所。變壓器與柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置如表3所示。開閉所、變配電所與柴發(fā)機(jī)房平面布置如圖3所示。由表3和圖3可知,剩余門診和醫(yī)技樓應(yīng)該與南部住院區(qū)等合為同一個(gè)變配電所。

表3 變壓器及柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置

圖3 開閉所、變配電所與柴發(fā)機(jī)房平面布置

4 手術(shù)室配電

4.1 手術(shù)室供電系統(tǒng)

醫(yī)院對(duì)供電安全可靠性、電能質(zhì)量要求最高的場(chǎng)所無疑是手術(shù)室[6]。JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:手術(shù)室等場(chǎng)所中涉及患者生命安全的設(shè)備及其照明用電應(yīng)按照一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷供電,手術(shù)室等場(chǎng)所中除一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷的其他用電設(shè)備應(yīng)按照一級(jí)負(fù)荷供電。GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:潔凈手術(shù)室應(yīng)采用獨(dú)立雙路電源供電,有生命支持電氣設(shè)備的潔凈手術(shù)室必須設(shè)置應(yīng)急電源,且自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間需滿足生命支持電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線切換的需求,非治療場(chǎng)所和設(shè)備應(yīng)不大于15 s,應(yīng)急電源工作時(shí)間不小于30 min。用于維持生命和其他位于“患者區(qū)域”內(nèi)的醫(yī)療電氣設(shè)備和系統(tǒng)的供電回路應(yīng)使用醫(yī)療IT系統(tǒng)。

本項(xiàng)目手術(shù)區(qū)域集中在醫(yī)技樓第四層,為滿足規(guī)范要求,從變電所成組變壓器低壓母排分別以放射式的形式引出兩路電源至手術(shù)室專用不間斷電源(UPS)機(jī)房,其中一路是市電與柴油發(fā)電機(jī)組切換后引出。兩路低壓電源在UPS機(jī)房經(jīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)切換后接入U(xiǎn)PS。本電源為手術(shù)區(qū)域涉及患者生命安全的設(shè)備,照明和插座供電,由UPS配出供電回路。手術(shù)區(qū)域配電系統(tǒng)如圖4所示。

同時(shí),從變電所成組變壓器低壓母排分別以放射式的形式引出兩路電源至手術(shù)區(qū)域配電間,任一路不與柴油發(fā)電機(jī)組切換。兩路低壓電源在配電間經(jīng)ATS切換后為手術(shù)區(qū)域的空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備供電。

4.2 手術(shù)室IT系統(tǒng)設(shè)置

用于維持生命、手術(shù)和其他位于“患者區(qū)域”內(nèi)的醫(yī)用用電設(shè)備和系統(tǒng)的供電回路,均應(yīng)采用醫(yī)療IT系統(tǒng)[7];因不同手術(shù)室可能同時(shí)實(shí)施不同的手術(shù),使用不同的醫(yī)療儀器。為避免醫(yī)療電氣設(shè)備的相互干擾,每間需要單獨(dú)設(shè)置IT系統(tǒng)的手術(shù)室,應(yīng)單獨(dú)設(shè)置隔離變壓器。IT隔離變壓器應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷和過熱的監(jiān)測(cè)裝置。隔離變壓器把TN供電轉(zhuǎn)換成不接地的IT系統(tǒng)(隔離電源),同時(shí)加上絕緣檢測(cè)探測(cè)器對(duì)整體的絕緣水平進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè),保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖5 手術(shù)室隔離變壓器接線圖

國(guó)內(nèi)醫(yī)療設(shè)備負(fù)載電壓多為230 V,故出線接0 V和230 V端子,將115 V端子空置;也有出線兩個(gè)端子的,-115 V和+115 V或0 V和+230 V端子,這時(shí)直接接兩端子即可[8]。

單相隔離變壓器進(jìn)線及出線均要選用單相雙極開關(guān),因IT系統(tǒng)不配出中性(N)線,系統(tǒng)中單相負(fù)荷所需的220 V電源由IT系統(tǒng)中單相220 V電源經(jīng)1∶1 隔離變壓器的二次側(cè)提供。IT系統(tǒng)中的配電線路均為帶電導(dǎo)線,應(yīng)裝設(shè)雙級(jí)開關(guān),作為供電線路保護(hù)。對(duì)每個(gè)終端回路需設(shè)置短路保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù),隔離變壓器的進(jìn)出線回路不允許裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù),可用熔斷器作為短路保護(hù)。

5 UPS容量的選擇

本項(xiàng)目需設(shè)置若干套UPS電源,UPS容量的選擇與所帶負(fù)載容量和UPS本體性能都有著密切的關(guān)系。依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,UPS的額定輸出功率應(yīng)為最大計(jì)算負(fù)荷的1.3倍。

UPS輸出有功和無功功率,醫(yī)療負(fù)載往往是非線性負(fù)載,因UPS和負(fù)載功率因數(shù)不同,視在功率在滿足以上1.3倍的基礎(chǔ)上,同時(shí)需滿足:

Pups≥Pj

(2)

Qups≥Qj

(3)

式中:Pups——UPS的額定輸出有功功率;

Pj——最大計(jì)算負(fù)荷有功功率;

Qups——UPS的額定輸出無功功率;

Qj——最大計(jì)算負(fù)荷無功功率。

例如,10間手術(shù)室,每間用電8 kVA,功率因數(shù)取0.8,同時(shí)系數(shù)取1,最大計(jì)算負(fù)荷為80 kVA,據(jù)此所選UPS的輸出視在功率應(yīng)大于104 kVA,按照UPS功率因數(shù)取0.7進(jìn)行有功和無功的驗(yàn)算,負(fù)載有功為64 kW,UPS有功為72.8 kVA,滿足;負(fù)載無功為48 kvar,UPS無功為74.3 kVA,滿足。綜上計(jì)算,UPS容量選擇接近且大于104 kVA擋,選UPS容量為120 kVA。

本醫(yī)院項(xiàng)目涉及眾多醫(yī)療工藝和醫(yī)療專項(xiàng)內(nèi)容,在土建電氣設(shè)計(jì)階段往往醫(yī)療專項(xiàng)與工藝團(tuán)隊(duì)未完全介入。本項(xiàng)目包含了純水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)用氣體系統(tǒng)、醫(yī)用物流系統(tǒng)等醫(yī)療工藝和智能化專項(xiàng)、泛光照明、景觀照明、太陽能熱水與光伏、停機(jī)坪等專項(xiàng),在電氣設(shè)計(jì)時(shí)需考慮與以上系統(tǒng)的電源接口節(jié)點(diǎn),部分系統(tǒng)從變電所變壓器低壓母排直接供電,部分系統(tǒng)從樓層配電箱供電。工藝和專項(xiàng)系統(tǒng)與電氣供配電系統(tǒng)的鏈路與接口節(jié)點(diǎn)銜接合理是至關(guān)重要的。

6 結(jié) 語

醫(yī)療建筑因建筑自身特點(diǎn)和醫(yī)療工藝需求等因素,在供電安全可靠性方面有著較為特殊的場(chǎng)所和區(qū)域。本文以某三甲綜合醫(yī)院為例,結(jié)合醫(yī)療建筑的特殊性,探討供配電設(shè)計(jì)的事項(xiàng)、要點(diǎn);特別闡述了手術(shù)室供配電的負(fù)荷劃分、供電策略和接地制式以及UPS容量選擇。