医疗建筑配电系统浅析

张志毅

【摘要】上海正致力建成亚洲医学中心城市，不久前出台的上海“十四五”规划中明确着力推进“健康上海”建设，加快优质医疗资源扩容和均衡布局，全方位全周期保障人民健康，稳步提升健康预期寿命，市民主要健康指标继续保持发达国家和地区水平。并突出科学把握常态化疫情新特征，在新的时代背景下对上海医疗系统在下一阶段的发展提出了更高要求，鉴于在现代医疗建筑中，医疗设备及其辅助设施几乎百分百以电力为能源供给，无论是在新项目亦或是老院区的改扩建设中，有关电的问题始终是工程的重中之重，本文仅以此为契机，就目前医疗建筑遇到的电力相关问题进行探讨。

【关键词】医院建筑配电【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、现状

新世纪以来，随着城市化进展的速度越来越快，上海市区面积不断增大，人口基数长期处于增长态势，医疗资源的扩容增速始终落后于需求的上涨。尽管通过“5+3+1”等，“1+1+1”签约等举措，大力推动居民就诊下沉，缓解就医难的问题，但在受疫情影响较大的2020年，门急诊量突破400万的本地三甲医院仍有7家，大型综合性医院的虹吸效应依旧明显，市区综合性医院门庭若市的状况仍然存在。随之而来的后勤辅助工作，尤其是电力的配套、扩容、使用等一系列问题尤为突出。

2、发展速度配套

对于医疗建筑，参照上海本地供电部门相关标准，医疗建筑的用电申请容量基本以地上面积120VA/m2，地下面积30VA/m2为计算依据，按变压器负载率65%计，实际可提供负荷容量在80VA/m2以下。以现有项目经验为例，在项目竣工初期，原设计院设计一般都能满足各科室及住院病患的使用要求，考虑到医院中一、二级负荷比重相对较高，此类负载均为两路电源供电，且影像类医疗设备的真实使用时间极短，实际需求系数非常低，通过电力表计读数，主观判断的负载率通常在50%以下，甚至更低。

但就用电容量问题，曾就13家本地三甲医院管理人员进行简单问卷统计，其中4家把“容量不足”放在医院运维中遇到问题的首位，根据上文分析在医院运营初期只有50%负载率，电不够用的问题又如何被摆上桌面的，个人以为原因如下：

（1）随着医院的不停发展与门急诊量的激增，大型医疗设备的使用数量，促使了实际用电容量确实显著上涨。举例来说，一幢2万平方米规模的医技综合楼，参照当下平均需求设有CT机2～4台，按单台功率50kW，双回路供电，以地上面积120VA/m2，负载控制在70%为标准，每增加一台的CT机，需平摊用电面积1190平方，折合总建筑面积的5.95%;按需量计算约4.16%，光4台CT可占到总需量的1/5。更何况医疗技术的日新月异，更多128排、320排CT机及DSA、MRI的逐渐走入各层医疗机构，其部分发生器功率甚至接近200kW，在增加占地有限的情况下，极大的提高了需量密度，为电力配套及设计提出了新的要求。

（2）舒适性设备，主要是暖通设备的大规模使用。由于门诊量的不断攀升及全球气温的逐年上升，对照本世纪初，制冷设备的使用范围已大大扩大，使用时长也远超出认知中的夏季单一季节。制冷量需求的上涨，催生了设备功耗的日益增长，据《2018年上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告》显示，医疗卫生的空调用能的占比高居政府办公、办公建筑、旅游饭店、商场建筑五类建筑之首，在照明插座、动力、特殊负荷四个分项中，也仅次于照明插座达到了35.1%。其数据亦可反证用于制冷设备的需量也是广大医院反应容量不足的重要因素之一。再者，在提高就诊满意度及提倡节能增效的双重背景下，冬季更多的空气源热泵被用于采暖，尽管与早期锅炉、空调相比其COP效率更高也更为绿色环保，但使用范围及采暖总量的增加依然加重电力需量负担。

（3）大型综合性医院的虹吸效应也导致了绝大部分市区医院近十年间，在不断经历从一处扩建到另一处扩建的循环中。建筑体量的日益扩大，从基数上抬高了单一院区总的用电需量，而由于容积率的提升，往往迫使医院在接近或超过本地10kV供电上限容量后，却很难满足新建一座35kV电压等级变电所的实际需求，从而间接堵死或是阻碍了从根本解决容量不足问题的简单路径——提升供电电压等级，进行整体扩容。在经历诸如新建发热门诊的需量增长下，电力容量供应显得捉襟见肘，造成了電不够用的表象。

结合以上三点，本世纪初以来，客观上上海医疗的整体发展速度会是如此之快，超出了绝大多数建设者、设计者的预想。在20年前上海没有35kV电压供电的医院用户，而当下医院管理者无论是在新建还是在扩建项目中应该将电力配套的重视程度提升一个等级，起码在空间用地等方面，从医院运营的长远角度出发，考虑到未来医疗设备的大型化带来的用能变化，事先为电力扩容预留相应场地，并保证更新与新增的配电设备可在不影响建筑结构的前提下顺利就位，从而大大简化未来可能发生的扩容工程申请流程，是非常充分且必要的。

对于先期投资及执行，以现场经验为例，对于设备采购由于35kV电压较高而电流较小（10000kVA容量对应电流164A）对于未来的扩容，35kV至10kV设备几乎不用更新，较小的扩容甚至无需调整电流互感器变比，仅需对保护阈值进行整定。同时，可以结合历年来用能设备增长曲线，尤其针对影像科设备，可联合设计单位，就现有CT、DSA、MRI等大功率的设备进行能效数据特性分析，就现行多台设备0.6需求系数经验值进行校正，以确定更为合适的变压器容量。

综合近年来的不断上涨的原材料价格及上海MD需量的计价方式，适当提升主变容量带来的增量部分5‰的空载损耗，在经济性上并不会造成太大持有成本压力。对于最终用户而言，提前布局35kV用户站无论从设备投资成本及未来可扩展性上来说都是综合效益较大的选择。

3、用电安全与可靠

由于医疗机构的特殊性，电力供应的中断是医院不能承受之重，电力的安全供应左右着医院的经济收益及社会影响，保障供电系统连续性是后勤总务的重要工作之一。在建设标准之上，我们还有哪些应对措施是可以在医院建设的初期作为顶层规划纳入前期方案设计呢？

3.1区分负载性质，设置不同等级电源配置

《JGJ213-2013医疗建筑电气设计规范》及《GB16895.24-

2005建筑物电气装置第7-710部分：特殊装置或场所的要求-医疗场所》均针对医疗场所及设施的以要求自动回复供电划分三档，分别是≤0.5s，<0.5s、≤1.5s，>15s。在实际项目中，在满足电力中断最小值标准的前提下，可根据电源的具体配置状况对负荷进行重新划定，定义可在单母线分段时甩去的，末端使用单路电源供电的非重要负荷;单母线分段时需要保留的末端使用单路电源供电的一般负荷;使用两路市政电源的一般负荷;使用两路市电加应急电源（移动柴油发电机）重要负荷;使用两路市电加热备应急电源（固定柴油发电机切在一路市电失压后热备）重要及消防负荷;使用两路市电并配置UPS（不间断电源）的医疗、工艺及信息负荷;使用两路市电并不适用UPS电源但采取电压补偿的大型放射设备等6至7类电源配置，以满足在不同科室、不同设施在不同工况下的开机或停机要求，即要求电源的可靠性，也需要在配电上具有灵活性。

在负荷侧为保证用能的可靠及安全，除应对线路过载、短路等常规故障外，也需防止电能质量问题由末端向配电网络扩散，从而影响影像设备成像质量、损坏工艺设备电子器件。对容易产生谐波分量，污染电源的负荷，可采用了“清污分流”的方法，在系统设置上就该部分负荷集中部署在特定的电源系统中。就部分容易产生高频谐波的设备，例如影像器械本身及变频设备等，可根据负荷特性，就地设置专用无源或有缘滤波装置和专用电能管理系统等。对电子器件造成影响的谐波，分析其形成的信号干扰特点，可采用系统联合接地——除常规接地外，还可设置工艺用专用接地。根据工艺设备的布置进行设置，不但需与工频电源接地独立，达到“干净”接地的效果，还需在高频状态下满足高频接地电阻的要求，接地材质选用集肤效应更好的专用接地材质，都可在负载侧保证电源质量的稳定。

3.2尝试新技术新方案的应用

伴随科技的发展、时代的进步，以数据中心为首的大数字基建在供电连续性保障上不断尝试新的解决方案，也丰富了新技术的落地经验。诸如大型飞轮UPS与柴油发电机的结合，可较好结合UPS的不间断及柴油机发电机的带载特性，使已柴油发电机为代表的应急电源可平滑接入系统，并在UPS退出时可继续蓄能，为市电恢复后提供完美过度。该方案亦在集中式的UPS部署上提供了新的思路与选择，部分解决了分布式UPS不方便管理，长期存在宕机风险的隐患。

再者，例如CCHP（热电冷三联产）的应用也已在上海医院中有过应用，该方案在解决医院用能、扩容困难的同时，可有效提高医院的孤岛带载能力，考虑到部分新建项目选址在五大新城，周边施工项目较多，且不能完全保证市政排水管网的区域覆盖，不排除在极短气候及事件下，外线电源的相对安全，CCHP可承担一定应急电源功能，部分内燃机机型还可兼容油气等多种燃料形式，为灾备情况下的能源供应保障提供了新的途径。另外，屋顶光伏及储能等技术，也可在利用可再生能源，节能增效的同时，不仅节流并且开源，通过多能互补提高医院的应急电源供应能力，缓解电力供应紧张的等问题。

上述综合能源的利用方式现都可通过第三方的专业团队进行投资及建设，在论证可研方案确定项目建设价值后，通过相关项目备案，使用方均可采用能源合同形式招标，并与建设投资方发生商务采购关系，此举不但减小了项目的初期投资金额，也减轻了后期复杂系统的运维管理压力。

结语：

电力的问题是一個系统性问题，为保证医院的供电连续性，让医院不为用电犯愁，不仅涉及基建、动力等后勤科室，也需要医院管理者在更高的维度为医院的发展规划一个可持续的用能计划，本文仅在应用层面结合实际，浅析医院常见的电力问题，寄期望在后续建设及后勤运维工作中，不断改善医院的用能状况，保障医院电力7x24小时安全运行，实现兼顾系统高可靠性和低运维成本。

参考文献：

[1]孙瑜.质子重离子医院配电设计[D].现代建筑电气，2015.