【导读】结合马銮湾医院项目设计实例，介绍若干综合医院建筑电气设计要点：供配电系统、变配电室选址、火灾自动报警系统、谐波治理、空调系统节能设计等，为综合医院电气设计提供一些参考。
综合医院电气设计的探讨
文/许伟
（中元（厦门）工程设计研究院有限公司）
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引言
综合医院建筑占地面积大、体量大、建筑类型多、机电设备多、智能化程度高、管线多而复杂，电气设计及安装的难度较其他民用建筑难得多。针对综合医院建筑项目的功能和特点,结合马銮湾医院的电气设计实践，对综合医院中若干电气设计要点进行详细阐述。
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工程概况
马銮湾医院为三甲大型综合医院,项目总用地面积101700.89㎡，总建筑面积307960㎡，总占地面积48613.02㎡，总床位数1000床，日门诊量5000人次，总机动车停车位3248个，非机动车位296个。建筑功能有：地下室、门诊医技楼、病房楼、教学科研及办公综合楼、值班公寓、跨龙窖路平台、污水处理站、液氧站、危险品库、门卫等，各子项建筑高度3.6~64m。
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供配电系统
2.1 负荷分级与电源
根据《重要电力用户供电电源及自备应急电源配置技术规范》GB/Z 29328—2018第5.2.1条：“根据供电可靠性的要求以及中断供电的危害程度,重要电力用户可分为特级、一级、二级重要电力用户和临时性重要电力用户”。本工程为三级甲等综合医院，按附表B7：中断供电可能引发人身伤亡、造成社会影响和公共秩序混乱，定义为一级重要电力用户。按附表C.1建议采用双重电源供电，互供互备，尽量配备备用电源自动投切装置。
按《医疗建筑电气设计规范》JGJ 312—2013第4.2.1条，马銮湾医院内有大量一级负荷中特别重要负荷。本工程由双重电源供电外，尚应增设应急电源供电。本工程应急电源采用自启动柴油发电机组、UPS及EPS。柴油机对供电切换时间要求在15s以上的场所进行供电，对切换时间要求高的场所均设置EPS或UPS供电,以保证电源的可靠性。
马銮湾医院变压器共设置8台1600kVA+8台2000kVA,合计总容量28800kVA，单位建筑面积用电指标93.5VA/m2,共设2台常载1500kW低压柴油发电机,备用电源装机密度9.7W/m2。
2.2 高压供电系统
马銮湾医院在病房楼设置一个10kV总配电室，按门诊楼、医技楼、病房楼、科研后勤行政楼,分区域设置4个分配电室。10kV总配电室高压母线的额定电流按1250A配置，采用三进线两母联电气主接线：其中I回进线作为I段主供电源,II 回进线作为II段主供电源,总配III回进线作为I段或I段的备用电源。I、II回进线电源互不备用,各分配10kV采用单母分段不联络接线,分配10kV高压母线的额定电流按630A配置。
大型综合医院的院区建筑类型各有不同：门诊、医技、病房、后勤、科研、办公、液氧站、宿舍等分散建在院区各处，用电负荷中心没有办法做到集中一处，且变压器总容量较大，往往需要多个变配电室。大型综合医院的项目占地面积较大，一般分为几期建设,初期建设时10kV总配电室应根据负荷容量采用2路进线或者3路进线，考虑到国家电网一般只会给医院开一个户头，兼顾后期改造减少拆改以及用电扩容的便利，大型综合医院高压供电系统建议采用10kV总配电室+分配电室相结合的模式，10kV总配电室建议预留改造的土建空间，10kV总配电室建议预留2~6面高压馈线柜供后期发展。
2.3变压器的选择
多数医疗专项设备通常有两个功率：最大瞬时功率和平均功率。例如GE医疗的MR最大瞬时功率54.4kVA(平均持续时间大于5s), 平均功率29kVA;又例如高档 DSA通常采用微机控制的大容量脉冲式高频逆变式变压器,最大功率达100kW,最大电流1000mA(100kV)。这些医疗设备大多都是诊断用,属于断续工作用电设备,其最大用电负荷性质是瞬时负荷。如果单独给医疗设备设置专用变压器,则变压器负载率会非常低,不利于节能。马銮湾医院有DR、DSA、MR等数量众多的大型医疗设备，医疗设备采用专用回路供电，同时医疗专项设备、照明和其他小功率设备共用1600kVA或者2000kVA的大容量变压器，有利于减小电源内阻，也能满足医疗设备最大用电功率，保证医疗设备的正常工作，同时能让变压器负载率在合理的范围。
2.4 医疗专项设备及实验室设备供电
医疗专项设备种类多、设备功率差异大也是医疗设备的供电设计中的一个难点。一般手术室的用电量建议为每间10kW，净化等级较高的重要手术室由于用电设备较多，配电容量建议为每间12kW/间。影像科、放射治疗科、核医学科有很多的大型医疗设备,由于医院的需求千差万别，设备功率差别也很大(如西门子医疗的 DSA从15kW到100kW的都有)。电气设计师对大型医疗设备一般都不熟悉,也无法估算,此时应和医院接收方充分沟通，让院方提供大型医疗设备的用电资料，由于这类医疗设备大，数量不多，院方一般都能提出相关技术资料。
综合医院中心供应也是个用电大户,主要设备是电蒸汽发生器(机),其他有脉动真空灭菌器(约5kW/台)、低温灭菌器(约5kW/台)、环氧乙烷灭菌器(约6.5kW/台)、等离子灭菌器(约5kW/台)、全自动清洗机(约15kW/台)、负压脉动清洗机(约6.5kW/台)、超声波清洗机(约15kW/台)、水处理机(约10kW/台)、干燥柜(约11.5kW/台)等设备，以上设备因容积不同、生产厂家不同,其功率会有较大差异。如果没有工艺专业的准确资料，整个中心供应可按照160~200W/㎡(不含电蒸汽发生器)设备估算用电量,马銮湾医院中心供应建筑面积1315㎡，设备实际用电量245kW,用电指标186W/㎡。马銮湾医院没有设置蒸汽锅炉房，中心供应设置了6台60kW电蒸汽发生器，蒸汽发生器设备总容量 360kW，当医院有设置锅炉房时,可不设置电蒸汽发生器。
综合医院实验室同样也是用电大户，实验室主要设备有：中央台 (约3kW/台)、 边台(约2kW/台)、生物安全柜(约3.5kW/台)、离心机(约3kW/台)、水处理设备(约10kW/台)、高压灭菌器(约6.5kW/台)、 通风柜(约3kW/台)、 血型仪(约1.5kW/台)、冰箱(约2kW/台)等设备。由于实验室专项一般会滞后建筑设计院出图,如果没有实验室专业的准确资料，实验室仪器设备可按照160~200W/m²估算用设备电量。马銮湾医院实验室建筑面积4615m²,实验室设备实际用电量873kW,用电指标189W/m²。
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变配室选址
马銮湾医院项目位于福建省厦门市海沧区，每年会有多次台风袭击，城市道路容易积水内涝，为提升变配电室应对严重洪涝灾害的能力，保障自然灾害情况下马銮湾医院用电需求的安全可靠。同时为了变配电室能深入负荷中心，充分考虑供电合理性，将变配电室分散设置在靠近负荷中心的一层，且室内地面高于室外地面0.35m，并设置防水挡坎。
综合医院用电负荷按类别主要分为：照明、普通通风空调、净化空调、水泵、电梯、插座用电、医疗专项设备、实验室专项设备。不同类设备的运行规律不同，同类设备在不同建筑功能内的运行时间也有所区别。变配电室的选址除了要满足深入负荷中心和供电距离的要求外，还要尽量兼顾各类设备的运行规律。
综合医院的门诊楼、医技楼、病房楼的中央空调系统一般采用水系统(地下室设置有制冷机房,设备有制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵等,冷却塔设置在屋面)，宿舍、后勤办公、科研楼空调一般采用VRV系统。马銮湾医院项目制冷机房设置在病房楼附近地下室，在病房楼一层设置1#变配电室(空调专变)供电给制冷机房及其空调系统。
门诊楼、医技楼因含有大量治疗设备、检查检验仪器、大型医技等，用电指标高。病房楼除空调负荷外，仅有照明和一些小容量的医疗设备，用电指标较低。马銮湾医院项目考虑到医技楼和病房楼贴邻。医技楼为多层建筑，医疗设备用电性质为日间负荷，虽然安装容量较大，但需要系数、同时系数均很低。病房楼为一类高层建筑，用电性质为夜间负荷，用电负荷主要为照明负荷和一些小容量的医疗设备，用电量较小。医技楼和病房楼的用电负荷可以错峰运行，在病房楼二层设置2#变配电室，供电给医技楼和病房楼。门诊楼设置3#变配电室供电给门诊楼和部分医技楼。教学科研及办公综合楼为一类高层建筑，负荷较为集中，在其一层设置4#变配电室。综合医院的变配电室选址建议满足负荷中心外尽量兼顾建筑能错峰运营，减少变压器的空载或低载运行。总体选址如图1所示。
图1 马銮湾医院变配电室选址
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火灾自动报警系统
马銮湾医院采用集中报警系统，按规范设置有大空间智能灭火系统、七氟丙烷气体灭火控制系统、防火门监控系统、余压监控系统、消防设备电源监视系统和电气火灾监控系统。
医院管理团队一般由保安科的人员来负责消控室的管理，院方也要求有人值班的消控室仅设置一处。马銮湾医院的占地面积较大，且被一条市政龙窖路分隔成两个地块，1.5mm²的铜缆信号线传输距离为500~1000m，2.5mm²的铜缆信号线传输距离为不超过1000m,超高1000m时可以采用光缆信号。在地块一的病房楼一层设置消防控制室，在地块二的各栋楼一层设置消防设备间，消防设备间内设火灾自动报警区域控制器，区域控制器仅自动控制所辖区域内消防设备，无手动控制功能。火灾自动报警区域控制器采用2.5mm²的信号线通过大底盘地下室与消控室火灾自动报警集中控制器联网。有效解决消防设备间无人值班的问题和信号传输距离过长的问题，同时也可以减少敷设大量的信号线。
综合医院建筑规模较大，且管理火灾自动报警系统为一个科室，综合医院的火灾自动报警系统建议采用消控室+消防设备间的模式，可将消防设备间的火灾自动报警控制器置于自动联动状态，消防设备间只接入消防自动信号而不设置手动控制功能，并将接入的消防自动信号上传至上级消控室，消防风机、水泵等需要消防手动控制启动的消防设施由上级消防控制室直接控制，消防设备间可调整为无人值守区域机房，既可以达到消防自动报警和自动联动的目的也能节省人力运营成本、节约建设建筑面积。
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谐波治理
近几年变频设备、电子设备、LED等设备的大量运用给电网带来了巨大的谐波污染。在综合医院电气设备中，这一情况尤为突出，医疗及诊断设备(DSA、DR、CT、MR等) 以及变频空调、变频水泵此类非线性设备的大量运用，使得医院的低压配电系统有着大量的谐波源负荷(主要为3、5、7次谐波)。医院对电能质量的要求很高，马銮湾医院在变配电室低压侧集中设置无功补偿和有源滤波器集中治理谐波，在单个产生谐波量大的电子设备及重点的谐波源设备(大型医技设备)处设置现场设备级的有源谐波滤波器，就地进行谐波治理，有效滤除谐波。
“绿色低碳” 理念深入人心，低能耗就是低碳账，控制电网谐波污染，提高电能质量是发展绿色节能环保院区电网的关键所在。安装消谐滤波装置前功率因数为0.85,治理后为0.98，配电线路的功率因数明显提高，有效提高变压器输出功率的同时降低变压器损耗和线缆损耗，综合能耗预计降低5%~15%，提升了变压器使用寿命，有效改善了院区电网电能质量，增强了电网稳定性，减少由于谐波造成的电力事故，保障了院区供电，取得了较好的安全效益，也为医院节省市电费用、减少碳排放、创造经济效益。同时以能耗管理系统平台数据为基础,还可以实现建筑节能效益最大化。
谐波电流通常按以下2个经验公式进行估算:
根据上述两个公式, 1600kVA变压器和2000kVA变压器在70%负载率时的谐波电流值分别如表1所示。
式(1)的计算电流值会比式(2)的计算电流值小，经过笔者调查已建医院项目谐波电流值情况，公式(1)的谐波电流值更为接近实际值。但由于有源滤波器的造价较高(市场价格为每安培500~1200元), 且新建医院项目的医疗设备等不会马上全部投入使用,为避免建设初始投资的浪费，笔者建议新建项目的谐波电流值可按公式(1)的计算结果来选择。后期在医疗、电子设备及变频设备投入运行后根据实测谐波电流进行调整或者在谐波较大设备处就地设置有源滤波装置，以确保安装有源滤波器后,电压总谐波畸变率控制在5%以内。
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空调系统节能设计
马銮湾医院设置有中央空调节能控制系统，该系统是一种中央空调智能化整体控制(APC)系统,对系统中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备采用模糊预期算法进行节能控制,系统图如图2所示。该系统通过群控与MPC多变量控制实现了无人值守、智能操控。系统投入以后,可实现云端智能化管理,运维人员通过移动端设备(手机或平板电脑)，实现远程监测。各设备的调节由系统的控制器模块自动完成，如设备异常开关机或水温异常波动将通过平台报警模块及时通知相关运维人员。笔者调查厦门地区某已建医院的中央空调智能化整体控制系统运营情况，医院的空调系统整年运行，根据测算一年的总节电量约为120万度，如果按照一度电0.7 元计算(考虑峰、平、谷等因数)年节省电费约84万元。该系统抗干扰性强、控制精度高、非线性处理能力强，能够在提升中央空调系统整体智能化水平的同时实现节能减排。
图2 中央空调节能控制系统图
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结束语
马銮湾医院的电气设计突出“以人为本”和“节约电能”的原则，在设计中做到安全、节能、经济、方便、美观、适用、便于安装和维修，并具有适应时代的发展可拓展性。在经济条件许可的情况下，提高设计的起点，具有一定的超前性，并积极采用经过国家认定的新材料、新产品和新的技术成果，提高医疗建筑使用的科技含量，满足医院发展需求。主要特点有：
(1)打造绿色医院。本工程建设目标为绿色二星建筑并通过审查。
(2)变配电室的选址与院区功能相结合。深入负荷中心的同时有效保障自然灾害情况下马銮湾医院用电需求的安全可靠。
(3)供电可靠。马銮湾医院由双重电源供电,且设柴油发电机作为备用电源,断电时间<0.5s场所设置线式 UPS 不间断电源作为应急电源。
(4)全局把控供配电系统。根据建筑功能及负荷分布,合理设置变电所及电气竖井,原则上保障每个电气竖井供电半径不大于 50m。
(5)智能配电。医院为实现整体智能化、打造智慧医院的目标,设置了能耗管理系统、智能照明C-BUS系统、集中控制应急照明系统、APC智能控制系统等多种智能化系统,电气配合各智能化系统厂家深入了解系统运行模式及用电要求,为各智能化系统运行提供可靠的用电保障。
(6)保证电能质量。在变配电室低压馈线处采用设置有缘滤波器集中滤波和单个产生谐波量大的设备、重点的谐波源设备(大型医技设备)处就地设置有缘滤波器分散滤波相结合的方式进行谐波治理,改善电网质量,有效做到绿色低碳。
本文结合马銮湾医院项目案例对综合医院电气设计的若干要点进行了介绍，得到以下结论：
(1)大型综合医院高压供电系统建议采用10kV总配电室+分配电室相结合的模式,10kV总配电室建议预留改造的土建空间,10kV总配电室建议预留2~6面高压馈线柜供后期发展。
(2)综合医院的变配电室选址建议满足负荷中心外尽量兼顾建筑能错峰运营，尽量减少变压器的空载或低载运行。
(3) 综合医院项目医技楼建议采用的大容量变压器，兼顾医疗设备和照明及其他的小功率的设备的使用，也能让变压器负载率在合理的范围。
(4)综合医院的火灾自动报警系统建议采用消控室+消防设备间的模式，既可以达到消防自动报警和自动联动的目的也能节省人力运营成本、节约建筑面积。
(5) 医院谐波治理建议采用变配电室集中设置和设备就地分散设置相结合的方式设置有源滤波器,谐波电流值可按公式(1)估算。
(6)医院如不设置蒸汽锅炉房时，中心供应这样的供电大户在前期就必须和院方及工艺专业配合确定电蒸汽发生器的台数和功率。
(7)在碳中和的大背景下,设置中央空调节能控制系统，可以减少运维成本，方便维护管理，同时做到节能增效，能够进行系统升级，有效实现建筑的可持续发展。
作者简介
许伟，本科，高级工程师。
本文引用格式：
[1]许伟.综合医院电气设计的探讨[J].智能建筑电气技术,2023,17(02):107-111.
本文刊登于《智能建筑电气技术》杂志
2023年04月刊
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