某三甲综合医院电气设计要点

杨 鹏

［同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092］

0 引 言

近年来,各地加大了对医疗行业的投入,实施了一系列政策措施来改善医疗服务和提高医疗质量。同时,随着中国经济的发展和城市化进程的加快,人们对医疗服务的需求也在不断增长。医院建设无疑对满足医疗需求和提高医疗服务质量起着不可替代的作用。医院内部的医疗设施、机电设备、灯光照明等设备设施的运行要求较高,电气设计时需在供电电源、电能质量及安全可靠方面做好保障工作。

1 工程概况

某三甲综合医院新建项目包括医技楼、门诊楼、急诊楼、住院楼、会议楼、地下室以及相关的配套附属设施。各主要功能楼区域划分界面清晰,相对独立又相互连通,构成整个三甲医院的主体建筑。某三甲综合医院全景如图1所示。

图1 某三甲综合医院全景

医院总建筑面积为20.5万m2,地上5层,地下1层,建筑高度为23.55 m,建筑类别为一类,建筑主体采用钢筋混凝土框架结构形式,属多层民用建筑。床位数为600,作为综合性三甲医院可满足日均最大门诊量5 000人,日均最大急诊量800人的就诊需求。某三甲综合医院使用功能分布如表1所示。

表1 某三甲综合医院使用功能分布

2 10 kV配电系统

项目中大量负荷为一二级负荷,其供电措施需满足规范、院方使用需求及当地供电局相关文件要求。由市政电网相对独立的上级区域开关站引入两路10 kV电源至地下室用户开关站。根据建筑布局和功能,结合负荷统计数据,在地下室设置4处10/0.4 kV变配电中心,10 kV市政电源经开关站配电后以放射式方式至变配电中心。正常工作时,两路10 kV分列运行,10 kV侧采取单母线分段加手动及电动联络方式。两路工作(正常)容量均为10 700 kVA,当一路电源失电时,另一路工作(故障)容量为21 400 kVA,可承担项目的重要、一二级和三级负荷。供电网络示意图如图2所示。

3 低压配电系统

3.1 负荷分级

根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》[1]、GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》[2]和GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[3]等规范以及院方需求进行供电负荷等级划分,某医院供电负荷分级如表2所示。

表2 某医院供电负荷分级

3.2 变压器负荷计算

依据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》[1],变电所内的一对变压器(带多种等级负荷)中的任一台容量应满足:某一台变压器中断供电时,另一台变压器应能承担全部一级负荷中的特别重要负荷、一级负荷和二级负荷。

该医院项目负荷主要包括以下大类:

(1) 常规用电,如普通照明插座、常规区域空调风机水泵、电梯扶梯等设备。该用电设备统计相对常规,可参考19DX101-1《建筑电气常用数据手册》。空调风机水泵等机电设备以水暖专业提资为准。

(2) 非医疗专项用电,如室外景观用电、泛光照明、充电桩设备、LED大屏等。此类专项用电需结合项目本身的特点进行估算,充电桩可按照慢充每套7 kW、快充每套45 kW进行负荷统计。

(3) 医疗专项用电,如医疗纯水、医疗气体、医用物流(机器人、中型轨道)、医用实验室等。此类专项用电量与医院医技场所、病房数量息息相关,负荷统计时需做好调研。

(4) 医疗工艺用电[4],如手术室、急救抢救室、重症监护室、中心供应室以及输血科等科室用电。此类工艺用电往往模块化,常规手术室每间8～10 kVA,重症监护室每床4～6 kVA。

负荷统计后,结合分级,变压器正常运行时的负荷率控制在75%～85%。

3.3 柴油发电机负荷计算

根据供电距离及变配电所分布,设置两台柴油发电机组作为本项目的应急保障电源,其容量按消防工况和非消防重要负荷保障工况较大者取值。在按消防工况计算时,需按最大防火分区着火时与其相邻防火分区消防负荷和需运行的消防设备容量、同时成组起动的电机容量及起动电动机时母线容许电压降计算容量三者取较大者[5]。

按保障工况计算,本项目4处变配电保障计算负荷分别为:P1=636 kW,P2=908 kW,P3=820 kW,P4=1 056 kW。依据如下:

(1)

式中:Sc——按稳定计算负荷计算发电机组的容量;

a——负荷率;

Pn——每个或每组负荷容量;

ηn——每个或每组负荷的效率,一般取0.82～0.88;

cosφ——发电机额定功率因数,取0.8。

经计算,Sc=4 022 kVA。

选择两台1 800 kW柴油发电机组并列运行。柴油发电机房设置在地下一层,距4处变配电所距离相当的居中位置。

两路市电均因停电、缺相、电压或频率超出范围断电时,信号延时0～10 s(可调)自动起动柴油发电机组,机组15 s内达到额定转速、电压、频率后,投入额定负载运行。市电恢复正常30～60 s(可调)后,手动恢复市电供电,柴油发电机组经冷却延时后,自动停机。

依据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》对三级医院的要求,当市电停电时,柴油发电机组的供油时间需大于24 h,以满足医院市电停电应急情况下的供电要求。

3.4 变压器及柴油发电机组容量与设置

项目设置1处10 kV开闭所,4处变配电所和1处柴油发电机房,均位于地下一层。10 kV总站位于道路左侧,便于市政电源进线,同时满足配电至各分变电所的高压供电半径;每处变电所靠近其管辖供电区域的负荷中心,且满足低压供电半径。考虑到冷冻机房、锅炉房和热水机房均位于地下室且设置集中,单独设置变配电所,与冷冻机房贴邻设置。北部住院楼、会议楼及地下室A区单独设置变配电所;部分门诊、医技及地下室B区单独设置变配电所;南部住院区、急诊及地下室C区单独设置变配电所。变压器与柴油发电机组设置如表3所示。开闭所、变配电所与柴发机房平面布置如图3所示。由表3和图3可知,剩余门诊和医技楼应该与南部住院区等合为同一个变配电所。

表3 变压器及柴油发电机组设置

图3 开闭所、变配电所与柴发机房平面布置

4 手术室配电

4.1 手术室供电系统

医院对供电安全可靠性、电能质量要求最高的场所无疑是手术室[6]。JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》规定:手术室等场所中涉及患者生命安全的设备及其照明用电应按照一级负荷中的特别重要负荷供电,手术室等场所中除一级负荷中的特别重要负荷的其他用电设备应按照一级负荷供电。GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》规定:洁净手术室应采用独立双路电源供电,有生命支持电气设备的洁净手术室必须设置应急电源,且自动恢复供电时间需满足生命支持电气设备实现在线切换的需求,非治疗场所和设备应不大于15 s,应急电源工作时间不小于30 min。用于维持生命和其他位于“患者区域”内的医疗电气设备和系统的供电回路应使用医疗IT系统。

本项目手术区域集中在医技楼第四层,为满足规范要求,从变电所成组变压器低压母排分别以放射式的形式引出两路电源至手术室专用不间断电源(UPS)机房,其中一路是市电与柴油发电机组切换后引出。两路低压电源在UPS机房经自动转换开关(ATS)切换后接入UPS。本电源为手术区域涉及患者生命安全的设备,照明和插座供电,由UPS配出供电回路。手术区域配电系统如图4所示。

同时,从变电所成组变压器低压母排分别以放射式的形式引出两路电源至手术区域配电间,任一路不与柴油发电机组切换。两路低压电源在配电间经ATS切换后为手术区域的空调、通风设备供电。

4.2 手术室IT系统设置

用于维持生命、手术和其他位于“患者区域”内的医用用电设备和系统的供电回路,均应采用医疗IT系统[7];因不同手术室可能同时实施不同的手术,使用不同的医疗仪器。为避免医疗电气设备的相互干扰,每间需要单独设置IT系统的手术室,应单独设置隔离变压器。IT隔离变压器应装设过负荷和过热的监测装置。隔离变压器把TN供电转换成不接地的IT系统(隔离电源),同时加上绝缘检测探测器对整体的绝缘水平进行在线实时检测,保证系统的长期稳定性。

图5 手术室隔离变压器接线图

国内医疗设备负载电压多为230 V,故出线接0 V和230 V端子,将115 V端子空置;也有出线两个端子的,-115 V和+115 V或0 V和+230 V端子,这时直接接两端子即可[8]。

单相隔离变压器进线及出线均要选用单相双极开关,因IT系统不配出中性(N)线,系统中单相负荷所需的220 V电源由IT系统中单相220 V电源经1∶1 隔离变压器的二次侧提供。IT系统中的配电线路均为带电导线,应装设双级开关,作为供电线路保护。对每个终端回路需设置短路保护和过负荷保护,隔离变压器的进出线回路不允许装设过负荷保护,可用熔断器作为短路保护。

5 UPS容量的选择

本项目需设置若干套UPS电源,UPS容量的选择与所带负载容量和UPS本体性能都有着密切的关系。依据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》规定,UPS的额定输出功率应为最大计算负荷的1.3倍。

UPS输出有功和无功功率,医疗负载往往是非线性负载,因UPS和负载功率因数不同,视在功率在满足以上1.3倍的基础上,同时需满足:

Pups≥Pj

(2)

Qups≥Qj

(3)

式中:Pups——UPS的额定输出有功功率;

Pj——最大计算负荷有功功率;

Qups——UPS的额定输出无功功率;

Qj——最大计算负荷无功功率。

例如,10间手术室,每间用电8 kVA,功率因数取0.8,同时系数取1,最大计算负荷为80 kVA,据此所选UPS的输出视在功率应大于104 kVA,按照UPS功率因数取0.7进行有功和无功的验算,负载有功为64 kW,UPS有功为72.8 kVA,满足;负载无功为48 kvar,UPS无功为74.3 kVA,满足。综上计算,UPS容量选择接近且大于104 kVA挡,选UPS容量为120 kVA。

本医院项目涉及众多医疗工艺和医疗专项内容,在土建电气设计阶段往往医疗专项与工艺团队未完全介入。本项目包含了纯水系统、净化系统、屏蔽系统、实验室、医用气体系统、医用物流系统等医疗工艺和智能化专项、泛光照明、景观照明、太阳能热水与光伏、停机坪等专项,在电气设计时需考虑与以上系统的电源接口节点,部分系统从变电所变压器低压母排直接供电,部分系统从楼层配电箱供电。工艺和专项系统与电气供配电系统的链路与接口节点衔接合理是至关重要的。

6 结 语

医疗建筑因建筑自身特点和医疗工艺需求等因素,在供电安全可靠性方面有着较为特殊的场所和区域。本文以某三甲综合医院为例,结合医疗建筑的特殊性,探讨供配电设计的事项、要点;特别阐述了手术室供配电的负荷划分、供电策略和接地制式以及UPS容量选择。