大型医疗建筑不同空调系统供配电分析

翟海鹏

(筑博设计股份有限公司上海分公司,上海 200040)

0 引言

作为用电大户的医院空调系统除了要满足医院内的基本温/湿度等需求,手术室、重症监护室等净化区域对于空气新鲜度、洁净度也有较高要求。不同于办公、商业等其他建筑,医院根据不同科室的医疗需求,夏季整楼供冷的同时,部分区域可能存在需要供热的情况;相反,冬季整楼供暖时有些科室也需要供冷。 而空调系统用电占建筑总用电量将近一半甚至更多,故电气负荷计算时,不可将冷水机组、锅炉等空调用电设备简单定义为季节性负荷而不统计,需深入了解医院冷、热源的需求,分析空调设备的运行方式和使用特性,明确变压器计算负荷,合理设计供配电系统。

1 医院空调系统基本需求

医院不同科室对空调的要求有所不同,从室内温度要求看,一般区域夏季温度要求为24～26℃,冬季温度要求为20～22℃,手术室、ICU 等净化区全年温度要求在24℃左右;从空气洁净度要求看,一般区域为普通环境,净化区空气洁净度级别最低为8.5 级的Ⅳ级用房,最高为局部5 级的I 级用房;从湿度要求看,一般区域为满足舒适性室内相对湿度控制范围为30%～65%,净化区为满足特殊环境要求,相对湿度控制范围为45%～55%。 由于净化区对洁净度、湿度要求较高,空调设计一般采用净化空调机组。 净化空调有净化室内空气、夏季除湿、冬季加湿等特殊功能,需一年四季同时提供空调冷源及热源。 夏季利用冷源为空气冷凝除湿,再通过热源对空气再加热,以保证制冷时的舒适性;冬季利用冷源维持室内温度,当湿度过高则同夏季一样除湿,当湿度过低则利用蒸汽加湿或电加湿保证室内湿度要求。 根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》负荷分级,二、三级医院空气净化机组为二级负荷,需采用双回路供电,供配电设计需充分了解冷、热源系统与净化空调工作原理,提供可靠电力保障。 下面就不同医院的三种空调冷热源系统形式进行分析研究。

2 不同空调冷热原系统的供配电分析

2.1 冷水机组+锅炉

图1 所示空调系统常用在夏热冬暖(一般全年最低温度≥15℃)地区,该系统形式较为简单,水冷冷水机组(以下称为冷水机组)为整个医院包括净化区域全年提供空调系统冷源,锅炉作为常规区域冬季热源及净化区域全年热源。 此种空调系统形式运行特点为:冷水机组与锅炉在夏季需同时开启使用,电气设计人员在编写负荷计算书时应注意,切勿将冷水机组与锅炉简单看作季节性负荷而取其大者计入变压器负荷。 根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》负荷分级要求,二、三级医院采暖锅炉、空气净化机组为二级负荷,配电时应采用双回路供电,供电方案如图2 所示。 另根据《全国民用建筑工程设计技术措施(2009)电气》2.4.1 条,冷水机组应根据机组容量及地区供电条件等,经技术经济比较,并与空调专业设计人及业主协商,合理选择机组额定电压,条件许可时,应尽量采用10kV(或6kV)冷水机组,以便节能与减少运行费用。 可参考GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》8.2.4 条文规定,合理选择高压冷水机组。 电动压缩式冷水机组电动机的供电方式应符合下列规定:当单台电动机的额定输入功率＞1 200kW 时,应采用高压供电方式;当900kW＜单台电动机额定输入功率≤1200kW 时,宜采用高压供电方式;当650kW＜单台电动机额定输入功率≤900kW 时,可采用高压供电方式。

图1 冷水机组+锅炉系统

图2 冷水机组+锅炉系统供电方案示例

2.2 冷水机组+锅炉+风冷热泵(备用)

图3 所示空调系统常用在夏热冬冷,春秋季温度适宜地区,运行特点为夏季(一般温度22℃以上时)冷水机组开启提供全部空调系统冷源,锅炉开启提供手术室、ICU 等区域净化空调再热功能热源,风冷热泵可作为夏季净化区域冷源备用设备,当冷水机组检修停用时启动,提供净化区域冷源;春秋过渡季节(一般温度在15 ～22℃之间),温度适宜,医院内除净化区以外其他区域一般无需使用空调,冷水机组不开启,此时风冷热泵为手术室、ICU 等净化区域提供冷源,锅炉开启提供净化空调再热功能热源;冬季(一般温度在15℃以下),锅炉开启提供医院内全部热源,由于某些冷水机组在15℃以下时无法正常使用,故风冷热泵开启提供净化区域冷源。 根据运行特点可以看出,此种空调系统形式冷水机组与锅炉在夏季会同时使用,负荷统计时需同时计入,而冷水机组与风冷热泵不会同时使用,故负荷计算时只需取其电量大者(一般项目冷水机组均大于风冷热泵,故计入冷水机组电量即可)。 空调设备配电时建议将冷水机组与风冷热泵由同一变压器低压侧引出,从而利用不同时使用特性,降低整体变压器配置容量。 另外,由于二、三级医院空气净化机组为二级负荷,而风冷热泵为净化空调机组提供冷源,因此,风泵热泵及其循环水泵可由双回路供电,保证净化空调供电可靠性,为手术室、ICU 等重要区域提供符合其医疗需求的环境。 供电方案如图4 所示。

图3 冷水机组+锅炉+风冷热泵(备用)系统

图4 冷水机组+锅炉+风冷热泵(备用)系统供电方案示例

2.3 冷水机组+锅炉+一体式风冷热泵(常用)

图5 所示空调系统与图3 空调系统较为相似,但运行方式大不相同。 此种空调形式将医院净化区与非净化区空调冷热源相对独立设置,冷水机组为医院非净化区提供空调系统冷源,锅炉为医院非净化区提供空调系统热源,一体式风冷热泵全年独立为医院净化区同时提供空调冷源及除湿再热所需热源。 同时考虑到对净化区域冷热源的保障性,设计常将非净化区域冷热源另设一个支路,与净化区域冷热水管道联通并设置反向电动或手动阀门(不同冷热源两阀门不可同时开启),作为净化区域冷热源的备用机组。 当一体式风冷热泵停机检修时,冷水机组和锅炉可作为备用机组为净化区提供冷源和热源。 根据运行特点可以看出,此种空调系统形式冷水机组、锅炉与一体式风冷热泵基本独立运行,负荷统计时需同时计入。 同样,一体式风冷热泵及其循环水泵可由双回路供电,保证净化空调供电的可靠性。 供电方案如图6 所示,计算变压器负荷时需将冷水机组、锅炉、一体式风冷热泵同时计入。

图5 冷水机组+锅炉+一体式风冷热泵(常用)系统

3 空调末端配电分析

医疗建筑空调末端形式根据医疗设备要求、卫生学要求、使用时间等不同需求,按照室内空间形式、不同科室需求划分空调系统分区,存在多种不同空调末端形式,其配电方式、负荷计算等具有不同特点。

3.1 全空气系统

图6 冷水机组+锅炉+一体式风冷热泵(常用)系统供电方案示例

医院门诊大厅、候诊区、公共走道等大空间区域一般采用全空气低速风管系统,空调箱机组设置于楼层空调机房内,新风和回风混合经过空调箱处理后通过送风管道送至各末端风口。 电气只需为空调机房内空调箱机组配电,负荷等级为三级,电源可引自本层一般动力楼层配电箱,用电负荷计算时按设备安装容量进行统计,当利用需要系数法计算变压器时,需要系数可参考《工业与民用供配电手册》(第四版)取0.7 ～0.8,计算动力配电干线时建议适当提高需要系数,取0.8～0.9,避免夏季用电高峰时保护开关跳闸,以保证供电可靠性。

3.2 风机盘管加新风系统

病房、诊室、办公室等小房间区域一般采用风机盘管加新风系统,新风系统常规每层水平设置,新风机组设置于楼层新风机房内,病房、诊室等房间内设置新风口及风机盘管。 新风机、风机盘管负荷等级均为三级,新风机可参照全空气系统中空调箱机组配电方式及负荷计算,风机盘管电源可引自本层一般动力楼层配电箱,亦可引自区域普通照明插座配电箱,以满足分区分科室计量要求。

3.3 变冷媒流量空调系统(VRV)

有特殊发热量或有特别要求的医技用房(如DR、CT)设置变冷媒流量系统空调系统(即VRV 空调系统)。 由于影像科大型医疗设备(如DR、CT、X光机等)要求设备工作环境温度常年维持在 18 ～ 28°C,空调一般采用独立变冷媒流量系统,以利于设备的长期稳定工作及医患的舒适性。 空调外机、内机需分别配电,负荷等级均为三级,空调外机一般设置于室外,电源回路需设置剩余电流保护装置,额定剩余动作电流可选定为30 ～100mA,以保证用电安全性及供电可靠性。

3.4 恒温恒湿空调系统

磁共振设备(MR)扫描室、设备室、控制室对环境温湿度要求较为严苛,一般采用恒温恒湿空调系统,另外磁共振设备需设置冷水机组,以保证磁体机低温要求,主机停机时,水冷机组也要保持持续运行。 恒温恒湿空调箱及水冷机组均设置于磁共振设备间,设备间内设置磁共振辅助设备专用配电箱,采用双电源供电,空调、水冷机、照明、插座等用电均接入此电箱。

3.5 分体空调

医院建筑会配置少量独立分体空调机,一般设置于变配电室、消防安保中心、电梯机房等专用机房内,以保证机房温度要求及运行维护的灵活性。电源可就近引自机房内配电箱,根据空调位置及用电参数设置分体空调插座,一般3 匹以下空调为220V 用电,3 ～5 匹可380V 用电,5 匹以上为380V用电。

4 结束语

面对突发公共卫生事件时,充足的医疗服务保障和医疗物资有不可或缺的重要性,不仅可以最大化缓解局部地区医疗需求,并且能获得周边地区的快速支援。 医院建筑由于其特殊性和功能复杂性,医疗设备和空调系统等用电设备繁杂,对电气设计要求较高,设计人员需不断学习最新医疗设备配电要求、医护人员的用电习惯,深入了解空调系统设置原则及运行特点,在满足用电安全和供电可靠的同时,合理配置变压器、准确计算用电指标、科学规划配电线路,从而保证医院供配电系统安全、可靠、经济、合理。