醫(yī)療建筑配電系統(tǒng)淺析

張志毅

【摘要】上海正致力建成亞洲醫(yī)學中心城市，不久前出臺的上海“十四五”規(guī)劃中明確著力推進“健康上?！苯ㄔO(shè)，加快優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源擴容和均衡布局，全方位全周期保障人民健康，穩(wěn)步提升健康預期壽命，市民主要健康指標繼續(xù)保持發(fā)達國家和地區(qū)水平。并突出科學把握常態(tài)化疫情新特征，在新的時代背景下對上海醫(yī)療系統(tǒng)在下一階段的發(fā)展提出了更高要求，鑒于在現(xiàn)代醫(yī)療建筑中，醫(yī)療設(shè)備及其輔助設(shè)施幾乎百分百以電力為能源供給，無論是在新項目亦或是老院區(qū)的改擴建設(shè)中，有關(guān)電的問題始終是工程的重中之重，本文僅以此為契機，就目前醫(yī)療建筑遇到的電力相關(guān)問題進行探討。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)院建筑配電【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、現(xiàn)狀

新世紀以來，隨著城市化進展的速度越來越快，上海市區(qū)面積不斷增大，人口基數(shù)長期處于增長態(tài)勢，醫(yī)療資源的擴容增速始終落后于需求的上漲。盡管通過“5+3+1”等，“1+1+1”簽約等舉措，大力推動居民就診下沉，緩解就醫(yī)難的問題，但在受疫情影響較大的2020年，門急診量突破400萬的本地三甲醫(yī)院仍有7家，大型綜合性醫(yī)院的虹吸效應依舊明顯，市區(qū)綜合性醫(yī)院門庭若市的狀況仍然存在。隨之而來的后勤輔助工作，尤其是電力的配套、擴容、使用等一系列問題尤為突出。

2、發(fā)展速度配套

對于醫(yī)療建筑，參照上海本地供電部門相關(guān)標準，醫(yī)療建筑的用電申請容量基本以地上面積120VA/m2，地下面積30VA/m2為計算依據(jù)，按變壓器負載率65%計，實際可提供負荷容量在80VA/m2以下。以現(xiàn)有項目經(jīng)驗為例，在項目竣工初期，原設(shè)計院設(shè)計一般都能滿足各科室及住院病患的使用要求，考慮到醫(yī)院中一、二級負荷比重相對較高，此類負載均為兩路電源供電，且影像類醫(yī)療設(shè)備的真實使用時間極短，實際需求系數(shù)非常低，通過電力表計讀數(shù)，主觀判斷的負載率通常在50%以下，甚至更低。

但就用電容量問題，曾就13家本地三甲醫(yī)院管理人員進行簡單問卷統(tǒng)計，其中4家把“容量不足”放在醫(yī)院運維中遇到問題的首位，根據(jù)上文分析在醫(yī)院運營初期只有50%負載率，電不夠用的問題又如何被擺上桌面的，個人以為原因如下：

（1）隨著醫(yī)院的不停發(fā)展與門急診量的激增，大型醫(yī)療設(shè)備的使用數(shù)量，促使了實際用電容量確實顯著上漲。舉例來說，一幢2萬平方米規(guī)模的醫(yī)技綜合樓，參照當下平均需求設(shè)有CT機2～4臺，按單臺功率50kW，雙回路供電，以地上面積120VA/m2，負載控制在70%為標準，每增加一臺的CT機，需平攤用電面積1190平方，折合總建筑面積的5.95%;按需量計算約4.16%，光4臺CT可占到總需量的1/5。更何況醫(yī)療技術(shù)的日新月異，更多128排、320排CT機及DSA、MRI的逐漸走入各層醫(yī)療機構(gòu)，其部分發(fā)生器功率甚至接近200kW，在增加占地有限的情況下，極大的提高了需量密度，為電力配套及設(shè)計提出了新的要求。

（2）舒適性設(shè)備，主要是暖通設(shè)備的大規(guī)模使用。由于門診量的不斷攀升及全球氣溫的逐年上升，對照本世紀初，制冷設(shè)備的使用范圍已大大擴大，使用時長也遠超出認知中的夏季單一季節(jié)。制冷量需求的上漲，催生了設(shè)備功耗的日益增長，據(jù)《2018年上海市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測及分析報告》顯示，醫(yī)療衛(wèi)生的空調(diào)用能的占比高居政府辦公、辦公建筑、旅游飯店、商場建筑五類建筑之首，在照明插座、動力、特殊負荷四個分項中，也僅次于照明插座達到了35.1%。其數(shù)據(jù)亦可反證用于制冷設(shè)備的需量也是廣大醫(yī)院反應容量不足的重要因素之一。再者，在提高就診滿意度及提倡節(jié)能增效的雙重背景下，冬季更多的空氣源熱泵被用于采暖，盡管與早期鍋爐、空調(diào)相比其COP效率更高也更為綠色環(huán)保，但使用范圍及采暖總量的增加依然加重電力需量負擔。

（3）大型綜合性醫(yī)院的虹吸效應也導致了絕大部分市區(qū)醫(yī)院近十年間，在不斷經(jīng)歷從一處擴建到另一處擴建的循環(huán)中。建筑體量的日益擴大，從基數(shù)上抬高了單一院區(qū)總的用電需量，而由于容積率的提升，往往迫使醫(yī)院在接近或超過本地10kV供電上限容量后，卻很難滿足新建一座35kV電壓等級變電所的實際需求，從而間接堵死或是阻礙了從根本解決容量不足問題的簡單路徑——提升供電電壓等級，進行整體擴容。在經(jīng)歷諸如新建發(fā)熱門診的需量增長下，電力容量供應顯得捉襟見肘，造成了電不夠用的表象。

結(jié)合以上三點，本世紀初以來，客觀上上海醫(yī)療的整體發(fā)展速度會是如此之快，超出了絕大多數(shù)建設(shè)者、設(shè)計者的預想。在20年前上海沒有35kV電壓供電的醫(yī)院用戶，而當下醫(yī)院管理者無論是在新建還是在擴建項目中應該將電力配套的重視程度提升一個等級，起碼在空間用地等方面，從醫(yī)院運營的長遠角度出發(fā)，考慮到未來醫(yī)療設(shè)備的大型化帶來的用能變化，事先為電力擴容預留相應場地，并保證更新與新增的配電設(shè)備可在不影響建筑結(jié)構(gòu)的前提下順利就位，從而大大簡化未來可能發(fā)生的擴容工程申請流程，是非常充分且必要的。

對于先期投資及執(zhí)行，以現(xiàn)場經(jīng)驗為例，對于設(shè)備采購由于35kV電壓較高而電流較?。?0000kVA容量對應電流164A）對于未來的擴容，35kV至10kV設(shè)備幾乎不用更新，較小的擴容甚至無需調(diào)整電流互感器變比，僅需對保護閾值進行整定。同時，可以結(jié)合歷年來用能設(shè)備增長曲線，尤其針對影像科設(shè)備，可聯(lián)合設(shè)計單位，就現(xiàn)有CT、DSA、MRI等大功率的設(shè)備進行能效數(shù)據(jù)特性分析，就現(xiàn)行多臺設(shè)備0.6需求系數(shù)經(jīng)驗值進行校正，以確定更為合適的變壓器容量。

綜合近年來的不斷上漲的原材料價格及上海MD需量的計價方式，適當提升主變?nèi)萘繋淼脑隽坎糠?‰的空載損耗，在經(jīng)濟性上并不會造成太大持有成本壓力。對于最終用戶而言，提前布局35kV用戶站無論從設(shè)備投資成本及未來可擴展性上來說都是綜合效益較大的選擇。

3、用電安全與可靠

由于醫(yī)療機構(gòu)的特殊性，電力供應的中斷是醫(yī)院不能承受之重，電力的安全供應左右著醫(yī)院的經(jīng)濟收益及社會影響，保障供電系統(tǒng)連續(xù)性是后勤總務的重要工作之一。在建設(shè)標準之上，我們還有哪些應對措施是可以在醫(yī)院建設(shè)的初期作為頂層規(guī)劃納入前期方案設(shè)計呢？

3.1區(qū)分負載性質(zhì)，設(shè)置不同等級電源配置

《JGJ213-2013醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》及《GB16895.24-

2005建筑物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場所的要求-醫(yī)療場所》均針對醫(yī)療場所及設(shè)施的以要求自動回復供電劃分三檔，分別是≤0.5s，<0.5s、≤1.5s，>15s。在實際項目中，在滿足電力中斷最小值標準的前提下，可根據(jù)電源的具體配置狀況對負荷進行重新劃定，定義可在單母線分段時甩去的，末端使用單路電源供電的非重要負荷;單母線分段時需要保留的末端使用單路電源供電的一般負荷;使用兩路市政電源的一般負荷;使用兩路市電加應急電源（移動柴油發(fā)電機）重要負荷;使用兩路市電加熱備應急電源（固定柴油發(fā)電機切在一路市電失壓后熱備）重要及消防負荷;使用兩路市電并配置UPS（不間斷電源）的醫(yī)療、工藝及信息負荷;使用兩路市電并不適用UPS電源但采取電壓補償?shù)拇笮头派湓O(shè)備等6至7類電源配置，以滿足在不同科室、不同設(shè)施在不同工況下的開機或停機要求，即要求電源的可靠性，也需要在配電上具有靈活性。

在負荷側(cè)為保證用能的可靠及安全，除應對線路過載、短路等常規(guī)故障外，也需防止電能質(zhì)量問題由末端向配電網(wǎng)絡(luò)擴散，從而影響影像設(shè)備成像質(zhì)量、損壞工藝設(shè)備電子器件。對容易產(chǎn)生諧波分量，污染電源的負荷，可采用了“清污分流”的方法，在系統(tǒng)設(shè)置上就該部分負荷集中部署在特定的電源系統(tǒng)中。就部分容易產(chǎn)生高頻諧波的設(shè)備，例如影像器械本身及變頻設(shè)備等，可根據(jù)負荷特性，就地設(shè)置專用無源或有緣濾波裝置和專用電能管理系統(tǒng)等。對電子器件造成影響的諧波，分析其形成的信號干擾特點，可采用系統(tǒng)聯(lián)合接地——除常規(guī)接地外，還可設(shè)置工藝用專用接地。根據(jù)工藝設(shè)備的布置進行設(shè)置，不但需與工頻電源接地獨立，達到“干凈”接地的效果，還需在高頻狀態(tài)下滿足高頻接地電阻的要求，接地材質(zhì)選用集膚效應更好的專用接地材質(zhì)，都可在負載側(cè)保證電源質(zhì)量的穩(wěn)定。

3.2嘗試新技術(shù)新方案的應用

伴隨科技的發(fā)展、時代的進步，以數(shù)據(jù)中心為首的大數(shù)字基建在供電連續(xù)性保障上不斷嘗試新的解決方案，也豐富了新技術(shù)的落地經(jīng)驗。諸如大型飛輪UPS與柴油發(fā)電機的結(jié)合，可較好結(jié)合UPS的不間斷及柴油機發(fā)電機的帶載特性，使已柴油發(fā)電機為代表的應急電源可平滑接入系統(tǒng)，并在UPS退出時可繼續(xù)蓄能，為市電恢復后提供完美過度。該方案亦在集中式的UPS部署上提供了新的思路與選擇，部分解決了分布式UPS不方便管理，長期存在宕機風險的隱患。

再者，例如CCHP（熱電冷三聯(lián)產(chǎn)）的應用也已在上海醫(yī)院中有過應用，該方案在解決醫(yī)院用能、擴容困難的同時，可有效提高醫(yī)院的孤島帶載能力，考慮到部分新建項目選址在五大新城，周邊施工項目較多，且不能完全保證市政排水管網(wǎng)的區(qū)域覆蓋，不排除在極短氣候及事件下，外線電源的相對安全，CCHP可承擔一定應急電源功能，部分內(nèi)燃機機型還可兼容油氣等多種燃料形式，為災備情況下的能源供應保障提供了新的途徑。另外，屋頂光伏及儲能等技術(shù)，也可在利用可再生能源，節(jié)能增效的同時，不僅節(jié)流并且開源，通過多能互補提高醫(yī)院的應急電源供應能力，緩解電力供應緊張的等問題。

上述綜合能源的利用方式現(xiàn)都可通過第三方的專業(yè)團隊進行投資及建設(shè)，在論證可研方案確定項目建設(shè)價值后，通過相關(guān)項目備案，使用方均可采用能源合同形式招標，并與建設(shè)投資方發(fā)生商務采購關(guān)系，此舉不但減小了項目的初期投資金額，也減輕了后期復雜系統(tǒng)的運維管理壓力。

結(jié)語：

電力的問題是一個系統(tǒng)性問題，為保證醫(yī)院的供電連續(xù)性，讓醫(yī)院不為用電犯愁，不僅涉及基建、動力等后勤科室，也需要醫(yī)院管理者在更高的維度為醫(yī)院的發(fā)展規(guī)劃一個可持續(xù)的用能計劃，本文僅在應用層面結(jié)合實際，淺析醫(yī)院常見的電力問題，寄期望在后續(xù)建設(shè)及后勤運維工作中，不斷改善醫(yī)院的用能狀況，保障醫(yī)院電力7x24小時安全運行，實現(xiàn)兼顧系統(tǒng)高可靠性和低運維成本。

參考文獻：

[1]孫瑜.質(zhì)子重離子醫(yī)院配電設(shè)計[D].現(xiàn)代建筑電氣，2015.