某三甲綜合醫(yī)院電氣設計要點

楊 鵬

［同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092］

0 引 言

近年來,各地加大了對醫(yī)療行業(yè)的投入,實施了一系列政策措施來改善醫(yī)療服務和提高醫(yī)療質(zhì)量。同時,隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,人們對醫(yī)療服務的需求也在不斷增長。醫(yī)院建設無疑對滿足醫(yī)療需求和提高醫(yī)療服務質(zhì)量起著不可替代的作用。醫(yī)院內(nèi)部的醫(yī)療設施、機電設備、燈光照明等設備設施的運行要求較高,電氣設計時需在供電電源、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)院新建項目包括醫(yī)技樓、門診樓、急診樓、住院樓、會議樓、地下室以及相關的配套附屬設施。各主要功能樓區(qū)域劃分界面清晰,相對獨立又相互連通,構(gòu)成整個三甲醫(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)

項目中大量負荷為一二級負荷,其供電措施需滿足規(guī)范、院方使用需求及當?shù)毓╇娋窒嚓P文件要求。由市政電網(wǎng)相對獨立的上級區(qū)域開關站引入兩路10 kV電源至地下室用戶開關站。根據(jù)建筑布局和功能,結(jié)合負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù),在地下室設置4處10/0.4 kV變配電中心,10 kV市政電源經(jīng)開關站配電后以放射式方式至變配電中心。正常工作時,兩路10 kV分列運行,10 kV側(cè)采取單母線分段加手動及電動聯(lián)絡方式。兩路工作(正常)容量均為10 700 kVA,當一路電源失電時,另一路工作(故障)容量為21 400 kVA,可承擔項目的重要、一二級和三級負荷。供電網(wǎng)絡示意圖如圖2所示。

3 低壓配電系統(tǒng)

3.1 負荷分級

根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》[1]、GB 51039—2014《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》[2]和GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》[3]等規(guī)范以及院方需求進行供電負荷等級劃分,某醫(yī)院供電負荷分級如表2所示。

表2 某醫(yī)院供電負荷分級

3.2 變壓器負荷計算

依據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》[1],變電所內(nèi)的一對變壓器(帶多種等級負荷)中的任一臺容量應滿足:某一臺變壓器中斷供電時,另一臺變壓器應能承擔全部一級負荷中的特別重要負荷、一級負荷和二級負荷。

該醫(yī)院項目負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)風機水泵、電梯扶梯等設備。該用電設備統(tǒng)計相對常規(guī),可參考19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊》?？照{(diào)風機水泵等機電設備以水暖專業(yè)提資為準。

(2) 非醫(yī)療專項用電,如室外景觀用電、泛光照明、充電樁設備、LED大屏等。此類專項用電需結(jié)合項目本身的特點進行估算,充電樁可按照慢充每套7 kW、快充每套45 kW進行負荷統(tǒng)計。

(3) 醫(yī)療專項用電,如醫(yī)療純水、醫(yī)療氣體、醫(yī)用物流(機器人、中型軌道)、醫(yī)用實驗室等。此類專項用電量與醫(yī)院醫(yī)技場所、病房數(shù)量息息相關,負荷統(tǒng)計時需做好調(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)護室、中心供應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)護室每床4～6 kVA。

負荷統(tǒng)計后,結(jié)合分級,變壓器正常運行時的負荷率控制在75%～85%。

3.3 柴油發(fā)電機負荷計算

根據(jù)供電距離及變配電所分布,設置兩臺柴油發(fā)電機組作為本項目的應急保障電源,其容量按消防工況和非消防重要負荷保障工況較大者取值。在按消防工況計算時,需按最大防火分區(qū)著火時與其相鄰防火分區(qū)消防負荷和需運行的消防設備容量、同時成組起動的電機容量及起動電動機時母線容許電壓降計算容量三者取較大者[5]。

按保障工況計算,本項目4處變配電保障計算負荷分別為: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)定計算負荷計算發(fā)電機組的容量;

a——負荷率;

Pn——每個或每組負荷容量;

ηn——每個或每組負荷的效率,一般取0.82～0.88;

cosφ——發(fā)電機額定功率因數(shù),取0.8。

經(jīng)計算,Sc=4 022 kVA。

選擇兩臺1 800 kW柴油發(fā)電機組并列運行。柴油發(fā)電機房設置在地下一層,距4處變配電所距離相當?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,信號延時0～10 s(可調(diào))自動起動柴油發(fā)電機組,機組15 s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速、電壓、頻率后,投入額定負載運行。市電恢復正常30～60 s(可調(diào))后,手動恢復市電供電,柴油發(fā)電機組經(jīng)冷卻延時后,自動停機。

依據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》對三級醫(yī)院的要求,當市電停電時,柴油發(fā)電機組的供油時間需大于24 h,以滿足醫(yī)院市電停電應急情況下的供電要求。

3.4 變壓器及柴油發(fā)電機組容量與設置

項目設置1處10 kV開閉所,4處變配電所和1處柴油發(fā)電機房,均位于地下一層。10 kV總站位于道路左側(cè),便于市政電源進線,同時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)域的負荷中心,且滿足低壓供電半徑?？紤]到冷凍機房、鍋爐房和熱水機房均位于地下室且設置集中,單獨設置變配電所,與冷凍機房貼鄰設置。北部住院樓、會議樓及地下室A區(qū)單獨設置變配電所;部分門診、醫(yī)技及地下室B區(qū)單獨設置變配電所;南部住院區(qū)、急診及地下室C區(qū)單獨設置變配電所。變壓器與柴油發(fā)電機組設置如表3所示。開閉所、變配電所與柴發(fā)機房平面布置如圖3所示。由表3和圖3可知,剩余門診和醫(yī)技樓應該與南部住院區(qū)等合為同一個變配電所。

表3 變壓器及柴油發(fā)電機組設置

圖3 開閉所、變配電所與柴發(fā)機房平面布置

4 手術(shù)室配電

4.1 手術(shù)室供電系統(tǒng)

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

本項目手術(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)機房,其中一路是市電與柴油發(fā)電機組切換后引出。兩路低壓電源在UPS機房經(jīng)自動轉(zhuǎn)換開關(ATS)切換后接入UPS。本電源為手術(shù)區(qū)域涉及患者生命安全的設備,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,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)、通風設備供電。

4.2 手術(shù)室IT系統(tǒng)設置

用于維持生命、手術(shù)和其他位于“患者區(qū)域”內(nèi)的醫(yī)用用電設備和系統(tǒng)的供電回路,均應采用醫(yī)療IT系統(tǒng)[7];因不同手術(shù)室可能同時實施不同的手術(shù),使用不同的醫(yī)療儀器。為避免醫(yī)療電氣設備的相互干擾,每間需要單獨設置IT系統(tǒng)的手術(shù)室,應單獨設置隔離變壓器。IT隔離變壓器應裝設過負荷和過熱的監(jiān)測裝置。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),同時加上絕緣檢測探測器對整體的絕緣水平進行在線實時檢測,保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。

圖5 手術(shù)室隔離變壓器接線圖

國內(nèi)醫(yī)療設備負載電壓多為230 V,故出線接0 V和230 V端子,將115 V端子空置;也有出線兩個端子的,-115 V和+115 V或0 V和+230 V端子,這時直接接兩端子即可[8]。

單相隔離變壓器進線及出線均要選用單相雙極開關,因IT系統(tǒng)不配出中性(N)線,系統(tǒng)中單相負荷所需的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線,應裝設雙級開關,作為供電線路保護。對每個終端回路需設置短路保護和過負荷保護,隔離變壓器的進出線回路不允許裝設過負荷保護,可用熔斷器作為短路保護。

5 UPS容量的選擇

本項目需設置若干套UPS電源,UPS容量的選擇與所帶負載容量和UPS本體性能都有著密切的關系。依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》規(guī)定,UPS的額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍。

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

Pups≥Pj

(2)

Qups≥Qj

(3)

式中:Pups——UPS的額定輸出有功功率;

Pj——最大計算負荷有功功率;

Qups——UPS的額定輸出無功功率;

Qj——最大計算負荷無功功率。

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

本醫(yī)院項目涉及眾多醫(yī)療工藝和醫(yī)療專項內(nèi)容,在土建電氣設計階段往往醫(yī)療專項與工藝團隊未完全介入。本項目包含了純水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、實驗室、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、泛光照明、景觀照明、太陽能熱水與光伏、停機坪等專項,在電氣設計時需考慮與以上系統(tǒng)的電源接口節(jié)點,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。工藝和專項系統(tǒng)與電氣供配電系統(tǒng)的鏈路與接口節(jié)點銜接合理是至關重要的。

6 結(jié) 語

醫(yī)療建筑因建筑自身特點和醫(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,探討供配電設計的事項、要點;特別闡述了手術(shù)室供配電的負荷劃分、供電策略和接地制式以及UPS容量選擇。