王炳元
深圳市华阳国际工程设计有限公司 广东 深圳 518033
【摘 要】本文以xx医院项目为例，总结从系统的组成、配置、设计思路、新技术应用等方面对医疗建筑设计进行分析，并提出了一些有针对性的解决方案探讨。
【关键词】医院供配电系统；谐波防治；分布式能源
一、工程概况
xx医院项目总建筑面积155602m2，其中地上建筑面积为 96549m2，地下建筑面积为 59 053m2。未建的二期工程主要定位于1000床病房楼及其附属设施。项目作为上海著名的瑞金医院向外医疗服务的输出及延伸，定位为现代化的综合类医院。
图1
二、医疗建筑的特殊性
医疗建筑与其他建筑类型相比有着非常明显的特殊性，属于服务于功能的建筑类型。随着医疗设备的不断更新，治疗手段的创新，围绕着相应设备和功能，对于传统的建筑机电设计无疑是一种新的挑战。医疗建筑的特殊性在供配电系统中主要体现在供电负荷的性质比较特殊。
1、医疗建筑的供电负荷等级相对比较高。如急诊、手术、重症监护、大型医疗设备等对供电连续性的要求都非常高，主要是考虑到病人的人身安全和设备本身正常运行的要求；对感染病区的通风、净化设备的供电连续性要求也非常高，主要是考虑到病人间、病人与医护人员间、病人与院外健康人群间的交叉感染风险；医院的电子信息系统对于供电连续性的要求也很高，主要体现在现代化医院对电子信息系统的依赖程度不断提高，现代化医院的电子病历、数字化医学影像、数字化检验检测、病人社保等都需要电子信息系统作为支撑。
2、医疗设备的用电特性比较特殊。比如大型医疗设备的瞬时启动电流都比较大，但是平稳运行电流却比较小；先进的大型医疗设备的电子化程度高，对于电网谐波干扰较为敏感，而其本身又是一个比较大的谐波源；大型医疗设备的冷却系统独立于设备本身，但是对于医疗设备的正常工作又不可或缺。
3、医疗建筑的功能呈现不确定因素
科室功能会转变，科室使用的医疗设备也在转变，这种转变对于供配电系统在使用过程中的灵活性、扩展性都提出了新的要求。
4、医疗建筑的功能种类相对较多
医疗建筑主要服务于病人，对于病人、医生的食、住、行都承担了相当重要的角色。通常在医疗建筑项目中，除了直接诊疗使用的空间外还包含了病房、被服洗涤消毒、行政办公、医生宿舍、食堂及厨房、车库及各类机房等。针对这些不同的功能需求，供配电系统也相较其他类型建筑的系统要复杂许多。
三、项目的主干供配电系统设计
1、变配电系统设计项目总用电装机负荷为 15 211k W，根据项目性质和国家电网的相关规定，采用两路 35k V 专线供电，配置两台 8 000k VA、35k V/10k V 主变压器，采用户外独立变电站的形式建设。项目地处江苏省，电费按实收取，没有最低用电限额。考虑到项目的重要性、高可靠性要求以及供电费为一次性投入并且占项目 总 投 资 比 例 非 常 小，申 请 用 电 采 用 主 供16 000k VA、备供 16 000k VA，两路电源同时供电，在一路电源发生故障或电网检修时，另一路电源可以承担项目所有用电负荷。35k V 设置手动联络开关，方便有计划停电时可以手动投切到正常电源上。项目主要用电负荷分别集中在门急诊医技楼、病房楼、冷热源中心，依据变配电系统深入负荷中心的原则，在上述三处中心部位的地下一层分别设置一座 10k V/0.4k V 变电站：1 号副变电站（门急诊医技楼），2 号副变电站（病房楼），3 号副变电站（冷热源中心）。感染楼和行政宿舍楼分别从就近的变电站以低压形式供电。冷热源中心有三台 500k W 以上的冷冻机，其中两台采用 10k V 供电，剩余一台采用380V 供电变频控制。中压变配电一次原理图见图 1。
图 1 中压变配电一次原理图
2、备用电源系统设计
在项目的 1 号副变电站旁设置柴油发电机房，内设 2 台 2 000k VA 柴油发电机。在两路市电全部断电时能承担起医院的所有特别重要负荷及部分一级负荷。柴油发电机采用并机供电，当市电断电时，两台柴油发电机同时启动，在 15s 内向特别重要负荷供电。当负荷低于两台柴油发电机供电能力总和的 40% 时，延时停机其中一台发电机；当负荷回升到单台发电机输出能力的 85% 时，预启动另一台柴油发电机；市电恢复时发电机组延时切除并停机。柴油发电机储油采用室外直埋储油罐，其储油量能满足柴油发电机组连续工作 24h 的要求。项目针对信息系统、ICU、抢救室、手术部等要求自动恢复供电时间小于 0.5s 的场所设置 UPS 不间断电源，考虑到电池运行衰减及可靠性，电池容量确定为保证 UPS 持续供电时间大于 30min。
结合柴油发电机电源即可保证上述场所在市电故障时能较长时间地稳定运行。
3、配电系统设计
1）配电分区的合理布局
传统设计中配电分区往往是随防火分区划分的，但是作为多层的门急诊医技楼来说，单个防火分区的面积比较大，无论是考虑低压供电线路的长度和供电半径，还是建筑本身的功能需求，一个防火分区设置一个配电间明显缺乏合理性。而且本项目中不同层的防火分区划分有较大的不同，按照防火分区设置竖向配电系统，会出现在某些楼层的单个防火分区内有两个配电间，而有些防火分区却没有配电间的问题。针对这样的问题，重新构思横向向配电系统的布局，发现每层的建筑空间布局是针对医疗科室和功能进行划分的，并且各层之间的功能分区在垂直方向上是对应的，所以将竖向配电系统根据医疗功能分区分成了 6 个配电系统，这样既能满足规范中对配电系统的要求，也使得竖向配电系统更加合理配电干线示意图见图 2。
图 2 配电干线示意图
2）配电形式的合理配置
配电形式主要取决于用电设备的位置、容量和使用性质。本项目针对负荷等级相同、竖向又能够对应的负荷采用了树干式配电；针对特级负荷及与其紧密相关的一级负荷采用由变电所专用回路放射式配电；针对有特殊需求的医疗设备，例如MPI设备的主机和冷却设备，各自采用专线分开供电。通常消防设备都采用双电源供电，末端配电箱设置电源自动切换装置；对于非消防负荷通常没有强制要求。但是本项目考虑到医疗设备及一些涉及人身安全的场所其重要性比较高，而且考虑尽量缩小末端用电事故的影响范围，所以针对所有的一、二级负荷均采用了末端电源切换的形式。
3）配电设备的合理选型
作为配电系统的硬件保证，合理的配电设备选型应兼顾设备的可靠性、系统的扩展性及维护的便捷性等诸多方面。针对医院的性质，项目中所有的非消防配电电缆、电线均采用了最高阻燃级别的低烟无卤电缆、电线，竖向系统中对于各层负荷相近的配电干线采用了预分支电缆，负荷级别相同但是容量变化较大的采用了中小电流插接母线，消防设备的配电干线采用了柔性矿物绝缘电缆。
这里要特别说明：采用插接母线主要考虑到系统的扩展性比较强，医院科室用电可能会随着医疗技术的升级有所变化，而且有些楼层配电设备可能安装在配电竖井外，使用插接母线既可以方便增加配出电源，而且可以避免超过 3m 的配电支线需要在分支线上增设保护电器的问题。
四、配电系统的优化
1、配电系统中的谐波防治
电力系统中的谐波问题日益被人们所重视，随着用电设备的不断更新，特别是变频类用电设备的增多，致使谐波含量也在不断攀升，谐波不仅降低了电网的品质，给电力系统增加了不必要的负担，同时也会影响到一些设备的正常稳定运行。谐波问题在医疗建筑中的影响可能相比其他类型的建筑要更加严重。通常的解决方式主要是在变配电系统中变电所出线侧增设谐波治理设备，集中消除电网谐波，但是笔者认为医疗建筑采用这样的方式欠缺合理性。在本项目中和谐波相关的部分被分成两类：一类是产生谐波的谐波源，一类是易受谐波影响的用电设备。通常产生谐波的设备其谐波主要的含量是低次谐波，比如大型变频设备、大型医疗设备、UPS 备用电源等，针对这类设备就地设置有源滤波装置，在谐波源头就将含量较高的低次谐波消除掉，避免低次谐波污染到配电系统。在一些容易受到谐波干扰的系统处设置针对高次谐波治理的谐波保护器，防止电网中的高次谐波对系统产生干扰。对于一些先进的大型医疗设备，其主机产生较多谐波，但其控制系统又对高次谐波比较敏感，可在其主机的配电系统中设置有源滤波，在其控制系统的配电系统中设置无源的谐波保护器。
2、配电系统中的节能
本项目针对节能采取了一些切实有效的方式，比如变配电系统的布局、变电设备采用非晶合金变压器、设置电能管理系统、电力系统无功补偿、谐波防治等技术措施。这些惯常的电气节能措施都一一得到落实。
除此之外，在本项目中还使用了一套分布式能源系统，系统采用了天然气内燃机发电系统，发出的电能主要供给病房楼变电所，系统发电容量为 400k W，同时发电机系统的可利用排热量也在 400k W 左右，这部分热量用于医院的热水系统。系统通过功率控制输出装置，直接接至变配电系统中，根据供电部门的要求，在病房楼变配电系统的进线侧设置防止功率逆送的装置。在用电量小于分布式能源系统的供给值时，切断分布式能源系统，防止电能逆送至电网。小型分布式能源系统对于医院、宾馆等类型的用能单位来说是一个比较合适的选择。这类建筑一年四季都有用热需求，同时夜间也有一定量的用电负荷，这样就可以保证分布式能源系统能 24h 不间断工作，其释放的余热又能得到有效利用。在本项目中，考虑到安全因素，并未将分布式能源系统的供应能力计算在项目的用能需求内，即便如此，系统的应用仍然可以为项目节省一定的用能开支。分布式能源电气接入原理图见图 3。
图 3 分布式能源电气接入原理图
五、结束语
随着医疗资源的科技不断充实，对中、大型医疗建筑的投入也会日益增加。科技发展带来许多新的医疗手段和设备，绿色节能和一些新的设计理念的引入，对于现代医疗建筑设计无疑是一种新的挑战。只有结合过去的使用经验，立足自身的特色，长远考虑医疗发展趋势，才能更好地设计医疗建筑的供配电系统，为医院能够提供适应群众的、可靠的、可持续发展的医疗服务，打好坚实的硬件基础。
论文作者:王炳元
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第12期
论文发表时间:2016/8/16
标签：谐波论文; 系统论文; 项目论文; 建筑论文; 负荷论文; 医疗论文; 设备论文; 《低碳地产》2015年第12期论文;