绿色医院建筑电气设计体会浅谈
关键词：绿色医院 电气设计 节能降耗 环境保护 实际应用
引言
随着国民经济的快速稳步发展，为解决好 “看病难、看病贵” 这一重大社会问题，近几年的医疗改革加大了对医院硬件的投资，使医院建筑得到了蓬勃发展，同时也成为一个能源消耗和污染大户，因此节能降耗与环保显得尤为重要。在保证医院的使用功能及舒适度的前提下，为实现节能降耗与环保，“绿色医院”的全新设计理念应运而生。所谓的“绿色医院”就是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为患者和医务人员等提供健康、适用、安全和高效的使用空间，与自然和谐共生的医院建筑。
绿色医院建筑的电气设计，主要体现在节能降耗与环保，注重以人为本，强调可持续发展。现结合青岛西海岸医疗中心综合楼工程的电气设计，探讨绿色医院建筑电气设计的做法，通过供配电系统、开关站及分变配电所设计等几个方面，分析总结电气设计体会，为电气设计提供参考依据，进一步推动“节能降耗与环保”在绿色医院建筑中的实际应用。
1 工程概况
青岛西海岸医疗中心位于青岛市黄岛经济开发区奋进路以西，齐长城路以南，五台山路以北，场区经总体规划后分为医疗区和生活区两部分，共分为三期工程，各子项分期分批兴建实施，其中一期工程建设为综合楼。综合楼是一幢以门诊、急诊、医技、病房为主，集教学、科研、预防保健等于一体的多功能三级甲等综合医院。建筑设计分区由一、二区裙房部分、三区A、B栋病房楼和四区负一层停车场组成；共设病床位1500个，手术室20间；建筑高度为99.5m，总建筑面积约为195033m2 ，属于一类高层建筑，是山东省目前单体最大的现代化综合医院建筑。
2 合理确定供配电系统设计方案
综合楼的供配电系统，应根据绿色医院建筑的标准、负荷性质、用电容量、系统规模以及当地供电条件，充分考虑近期的使用和远期的发展需要，合理确定设计方案。在保障安全、供电可靠、技术先进和经济合理的前提下，供配电系统的构成应简单明确，减少电能损失，并便于管理和维护。
2.1负荷分级及供电要求
一级负荷： 急诊部、监护病房（ICU）、手术部、介入手术、急诊与门诊手术、危重病人(抢救室)、分娩房、婴儿室、病理切片分析、核磁共振、介入治疗用CT及X光机扫描室、血库、加速器机房、治疗室及配血室的电力和照明，培养箱、冰箱、恒温箱和其它必须持续供电的精密医疗装备，走道照明用电；百级洁净度手术室空调系统用电；消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动的防火卷帘与门窗以及阀门等消防用电；主要业务和计算机系统、安防系统、电子信息系统机房用电，普通电梯（客、医梯）用电；排水(污)泵、生活水泵用电等。
一级负荷中的特别重要负荷：根据《民用建筑电气设计规范》的规定，重要手术室、重症监护等涉及患者生命安全的设备（如呼吸机等）及照明用电。由于目前其他相关规范没有明确规定，通过对医院的实际运营经验调查，建议把急诊抢救、监护病房（ICU）、手术室、介入手术、急门诊手术、危重病人(抢救室)等，火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志等用电，主要业务和计算机系统、安防系统、电子信息系统机房设备用电等确定为一级负荷中的特别重要负荷。
二级负荷：除百级洁净度手术室之外的其他手术室空调系统用电，电子显微镜、一般诊断用CT及X光机用电，自动扶梯用电，厨房动力与照明用电等。
三级负荷：不属于一、二级的负荷。如一般电力、照明、制冷与通风空调等用电负荷。
通过对用电负荷的详细分级，因综合楼内存在着大量一级负荷和一级负荷中的特别重要负荷，故确定为一级负荷供电用户，应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。对于一级负荷中的特别重要负荷，应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。
2.2 用电负荷的确定
对于制冷、空调、风机、水泵、电热、电梯等用电设备按相关专业工艺所提供的设备安装容量进行负荷统计，其备用设备容量不计入在内；对于照明等设备用电负荷按规范照度标准、单位容量法和具体平面布置方案进行负荷统计。
医疗区综合楼一级负荷中特别重要负荷安装容量为1731kW；一级负荷消防设备安装容量为1589kW；一级负荷其他安装容量为7040kW；二级负荷安装容量为1431kW；三级负荷安装容量为11573kW；总负荷安装容量为21775kW；消防及备用干线负荷安装容量不计入在内。
二、三期工程医疗区主要包括C栋特需与保健病房楼、科教与行政中心、制氧站、肠道门诊、污水处理站等子项；生活区主要包括商业用房、餐厅、宿舍、车库等子项；总建筑面积约为180000 m2 ,总安装容量估算约为9000kW，计算容量约为7200kW。其安装指标约为50W/m2，计算用电指标约为40W/m2 。
根据综合楼负荷计算和二、三期工程负荷估算，其安装容量为30775kW(不包括重复设置的净化空调冷热源负荷容量)；计算容量为17184kW；无功功率为10654kvar；视在容量为20218kVA。
2.3 供电电源及电压等级
根据负荷计算和估算情况来看，本工程因具有子项多、单体建筑面积大、使用功能复杂、供电负荷容量大等特点，并考虑近期的使用和远期的发展需要，与供电部门多次对接协商，10kV电压等级供电每回路只能保证10000kVA用电容量无法满足要求，20kV电压等级供电正处于研究探讨阶段近期不能实施，35kV电压等级供电每回路能保证20000kVA左右用电容量的要求，110kV电压等级供电因受到各种条件的制约，不能直接给终端用户使用。
通过多方案比较，从用电容量和性价比等多方面考虑，确定采用35kV电压等级供电较为合理，并按照当地供电部门降压的习惯做法，在综合楼内规划兴建35kV/10kV开关站，保证一级负荷用户的供电要求，来承担全部医疗区和生活区内各建筑物的供配电任务。由两路35kV独立市电电源同时供电，分别引自上一级不同系统的两个区域变电站，高压电缆由齐长城路两个不同方向沿室外直埋敷设，进户通过电缆井和电缆沟引入。
2.4 备用电源和应急电源
一级负荷中特别重要负荷采用双路市电和自备柴油发电机组供电，并在末级配电箱处做双电源自投自复切换。当双路市电故障或断电时，因自备柴油发电机组快速自启动恢复供电时间需要15~30s，不能满足特重负荷自动恢复供电时间为t≤0.5s的要求，故采用EPS电源并入备用母线段，来弥补发电机组的启动时间差；当发电机组快速启动供电后，EPS电源自动退出。其EPS电源应急放电时间按10分钟考虑, 并适当考虑同时使用的功率，从而达到电源容量共享。
火灾自动报警及联动控制装置，主要业务和计算机系统、安防系统、电子信息系统机房设备等用电，除采用双回路市电供电，并在末级配电箱处做双电源自投自复切换外，另外增加应急专用电源或UPS不间断电源供电。
为确保消防系统的可靠性，一级负荷中的消防设备电源，除采用双路市电供电外，并纳入自备柴油发电机组供电，在末级配电箱处做双电源自投自复切换后供给，正常时由工作电源供电，工作电源故障或断电时，备用电源自动投入供电，工作电源恢复供电后，备用电源自动退出。
火灾应急照明及疏散指示标志为一级负荷中特别重要的负荷，采用双回专路电源供电，并增加带有双电源自投自复切换的EPS集中式应急照明电源装置供电。其他一级负荷的电力和照明电源，均由双路市电供电，分别在各楼层或功能分区内做双电源自投自复切换后供给。
柴油发电机组作为自备第三电源，主要保证一级负荷中特别重要的负荷及消防设备同时使用的负荷，选用一台1000kW快速应急自启动机组。当双路市电故障或断电时，发电机组快速应急自启动提供应急电源；当市电恢复供电后，发电机组自动退出供电。发电机组的应急自启动和停止应与双路市电低压主进断路器实现电气联锁。
3 合理确定站、所设计方案
本工程在综合楼内规划兴建35kV/10kV开关站，来承担全部医疗区和生活区内各建筑物的供配电任务。综合楼内及其他建筑物分别设置10kV分变配电所，采用10kV放射或环网供电，各分变配电所负责所属范围内的全部负荷用电。
3.1开关站及分变配电所的设置
综合楼为满足分变配电所深入负荷中心和供电半径的要求，分别设置南、北区两处10kV分变配电所，从而缩短低压配电线路长度，降低线路的损耗，减少电压损失，其位置尽量远离人员密集的场所，避免电磁辐射。北区分变配电所与35kV/10kV开关站合建，设置在综合楼内三区A栋病房楼裙房部分负一层，靠近二期车库通道处；南区分变配电所在综合楼一区负一层中部设置，西邻停车场。
3.2 高压供电系统
高压供电系统由两路35kV独立市电电源同时供电，采用单母线分段方式运行，中间设置母联开关，平时两段母线分列运行，当任一路电源故障或断电时，通过手/自动操作母联开关合闸，另一路电源负担全部一、二级负荷；10kV电源供电系统接线及运行方式同35kV方案。
南、北区分变配电所由10kV分段母线直接供电，每路电源负担一台变压器运行；南区分变配电所每路10kV电源进线后，设置高压开关柜与干式箱变并列安装，内装负荷开关，并与上一级真空断路器实现电气联锁，就地配备电压显示和电流测量装置。
3.3 分变配电所低压供电系统
南、北区10kV分变配电所，10kV/0.4kV变压器低压侧采用单母线分段方式运行，设置母联断路器，当任一路电源或变压器故障断电时，通过母联断路器手投/自投合闸，确保一、二级负荷的使用。母联断路器自投时，应首先按适当的比例分批自动断开非保证负荷，以满足变压器的正常工作，主进断路器与母联断路器之间设有电气联锁，任何情况下只能使其中的两个断路器合闸，避免发生误动作造成损失。当主进断路器因过载或短路故障分闸时，母联断路器不得自动合闸。低压开关柜均采用金属铠装全封闭抽出式开关柜，多列布置安装，柜内配备通风除湿或加热等措施来防止凝露。干式变压器采用箱变形式与低压开关柜并列安装，箱体防护等级为IP30。
3.4 干式变压器的选择
通过综合楼负荷计算和二、三期工程负荷估算，视在容量为20218kVA；选择35kV/10kV两台12500kVA干式变压器，每台干变均应能保证全部负荷的60%，并单独安装在变压器室内，负责综合楼及二、三期工程的全部用电。
根据用户的负荷特点和经济运行条件，10kV/0.4kV单台变压器的容量一般不宜大于1250kVA，但考虑到综合楼用电设备容量较大，在保证技术经济合理、运行安全可靠，并征得当地供电部门同意后，采用了1600 ~2500 kVA的低损耗高节能环保型干式变压器，接线绕组为D.yn11，自带冷却风机按温度要求实现自控降温。
南、北区分变配电所按照各自的供电范围，负荷计算和干式箱变的选择见下表1：
表1： 南、北区分变配电所负荷计算和干式箱变选择表
|
分区 |
干式箱变编号 |
安装容量（kW） |
计算容量（kW） |
无功功率（kVar） |
视在容量（kVA） |
主要用途 |
|
北区分 变配电所 |
1号干式箱变 |
1925 |
1444 |
895 |
2000 |
制冷电力专用 |
|
2号干式箱变 |
2044 |
1431 |
887 |
2000 |
制冷电力专用 |
|
|
3号干式箱变 |
4232.7 |
1781 |
1197 |
2500 |
电力 |
|
|
4号干式箱变 |
4710.3 |
1824 |
1131 |
2500 |
照明 |
|
|
南区分 变配电所 |
5号干式箱变 |
2345 |
938 |
957 |
1600 |
放射专用 |
|
6号干式箱变 |
1966 |
1089 |
817 |
1600 |
空调专用 |
|
|
7号干式箱变 |
3463.5 |
1409 |
873 |
2000 |
照明 |
|
|
8号干式箱变 |
3054 |
1157 |
793 |
1600 |
电力 |
根据表1中负荷计算和干式箱变选择情况，综合楼总视在容量为14200kVA（不包括6号干式箱变重复设置的净化空调冷热源负荷容量），其变压器安装指标为72.8VA/m2 ，符合绿色医院建筑节能的标准。
3.5 无功补偿与滤波治理
综合楼内各用电设备优先选用高效节能产品，故平均自然功率因数按0.85考虑，根据规范和供电部门要求进行无功功率补偿。无功功率补偿采用集中补偿方案，高压功率因数应提高至0.95，在10kV侧统一补偿。0.4kV低压侧功率因数应提高至0.9，在各变压器低压侧统一考虑自动补偿，以干式电容器代替油浸电容器，实时检测负荷变化情况，做到相控补偿动态管理, 避免超、漏补现象的发生；为防止电源谐波的干扰和污染，应与无功功率补偿同时增加电源滤波装置进行治理，提高设备的可靠性，降低运行成本，避免对配电系统和各种设备造成影响或破坏，以达到节能与环保的目的。
4 优化低压配电系统设计
南、北区分变配电所按照建筑平面布局、使用功能分区和科室分区负责各自的所属供电范围，在保证供电可靠和电能质量要求的前题下，根据负荷性质、容量及可能的发展等因素优化低压配电系统设计；合理选择低压电器产品，严禁使用国家颁布的淘汰产品；合理选用线缆材质和截面，以减少电压损失，并满足动、热稳定的校验要求。
4.1 配电系统的构成
综合楼根据负荷分级和负荷性质要求，普通电力、制冷空调电力、消防电力、照明及应急照明等均自成配电系统，对于一、二、三级负荷严格区分，不得混用配电回路。对于较重要的负荷由变压器低压侧至用电设备之间的配电级数不超过三级，非重要的负荷不超过四级；全部配电干线均由负一层南、北区两分变配电所引出，对容量较大和较重要的用电负荷采用放射式配电，其他用电负荷采用树干式或放射与树干相结合的混合式配电，电源电压均为380V/220V三相四（五）线制。
4.2低压电器的选择
低压电器除满足使用功能外，应选择效率高、能耗低、性能先进的产品；在综合楼低压配电系统中，优先选用技术先进可靠的电器产品，对于电动机的控制与保护优先选用多功能组合电器，从而缩小箱（柜）的体积，减少繁杂的接线，达到节材的目的。
4.3 线缆的选择
电线电缆的选择，应考虑工程的重要性、火灾几率及其特点和经济合理等因素，并采取有效的阻火安全措施，避免产生有害气体对环境和人身造成危害。综合楼一级特重负荷及消防设备等所属配电干线采用矿物绝缘电缆，分支干线及支线均采用低烟无卤耐火型电线电缆；一、二级负荷电力与照明配电干线、分支干线均采用低烟无卤耐火型电缆，支线均采用低烟无卤阻燃型电线电缆；三级负荷电力与照明配电干线、分支干线及支线均采用低烟无卤阻燃型电线电缆；个别配电干线采用封闭式母线。
5 照明系统节能设计
根据建筑照明设计标准要求，正常照明按不同的场所、不同使用功能和特点，在满足照度和节能的前提下，合理的选择光源和光色，并结合建筑吊顶形式选择相适应地灯具，与室内装修相互协调。
5.1 节能光源与灯具的应用
综合楼严格执行建筑照明设计标准，各房间或场所合理选择现行照明功率密度值，对于要求照度高和显色好的场所，优先选用高效节能型荧光灯, 采用T8节能灯管和电子镇流器，如办公室、诊室等房间，其所控灯列与侧窗平行, 并灵活掌握照明开关所控灯数；对于走廊、电梯厅、前室等处以筒灯照明为主，均采用紧凑型节能灯管；对于门厅等空间比较高的场所选用小容量金属卤化物灯，并配套节能镇流器；病房楼标准层走廊及病房内，为避免眩光采用带磨砂罩高效节能荧光灯，并在走廊及病房内设置起夜灯，由护士站统一集中控制。通过节能光源和灯具的应用，提高了发光效率，降低运营成本，延长使用寿命。
5.2 智能照明控制系统
对于主次医疗街、健康知识展览厅、车库通道、停车场及门诊大厅等公共场所，其正常照明采用智能照明控制系统，可实现就地控制、远程控制、定时控制、场景编程控制等功能，提高节能效果，降低了工作强度。智能照明控制系统预留与BAS系统联网的通讯接口。
6 优化医疗IT系统设计
对于医院2类场所，应为将接触部件用于诸如心内诊疗术、手术室以及断电将危及生命的重要治疗的医疗场所，如手术室、监护室等地方，既要保证供电的可靠性和连续性，还必须防止系统和负载的微弱漏电，即医疗设备对病人的微电击，否则将导致病人的生命危险。因此在2类医疗场所内，医用电气设备和系统的供电回路，均应采用医疗IT系统。
医疗IT系统主要由医用单相隔离变压器、绝缘监视仪和外接报警显示仪三大部分组成，单相隔离变压器容量在3.15kVA到10kVA之间可选。由于百级手术室所需医疗设备相对较多，大部分医院都采用8kVA，负责手术室内吊塔、无影灯和众多插座的供电。在千级、万级手术室（含苏醒室、抢救室、麻醉室）内，相对所需的医疗设备较少，所以可降低选型容量。根据产品资料和实际应用情况，推荐手术室IT系统单相隔离变压器的容量选择见表2：
表2： 手术室IT系统单相隔离变压器容量选择
|
等级 |
手术室名称 |
手术区空气 洁净度级别 |
隔离变压器 容量 |
备注 |
|
Ⅰ |
特别洁净手术室 |
100级 |
8kVA/间 或10kVA/间 |
大部分医院采用 8kVA/间 |
|
Ⅱ |
标准洁净手术室 |
1000级 |
6.3kVA/间 |
|
|
Ⅲ |
一般洁净手术室 |
10000级 |
6.3kVA/间 |
|
|
Ⅳ |
准洁净手术室 |
300000级 |
5kVA/间 |
在监护室（含ICU、CCU、血透室）中，主要按床位的数量和每床的总容量作为选择依据，一般按4床为单位进行选择，根据产品资料和实际应用情况，推荐监护室IT系统单相隔离变压器的容量选择见表3：
表3： 监护室IT系统单相隔离变压器容量选择
|
床 位 |
1床 |
2床 |
3床 |
4床 |
5床 |
6床 |
|
自身所需启动容量（W） |
600 |
1200 |
1800 |
2400 |
3000 |
3600 |
|
自身用电设备容量（W） |
500 |
1000 |
1500 |
2000 |
2500 |
3000 |
|
20%备用容量 （W） |
220 |
440 |
660 |
880 |
1120 |
1340 |
|
总容量 （W） |
1320 |
2640 |
3960 |
5280 |
6620 |
7940 |
|
隔离变压器容量（kVA） |
3.15 |
4 |
5 |
6.3 |
8 |
10 |
7 净化空调系统预留用电容量估算
由于手术部的特殊性，全年都要使用净化空调系统，当空调季节时可启动大系统提供冷热源，而过渡季节还要重复设置一套系统专门提供冷热源，以避免启动大系统造成浪费；净化空调系统宜使洁净手术部处于受控状态，应既能保证洁净手术部整体控制，又能使各洁净手术室灵活使用。因手术部净化空调系统都是另外委托做专项设计，一般电气设计只预留用电容量，但由于每个人设计的不同，往往会出现预留与实际偏差很大，并给变压器、开关和干线选择造成很大的被动，甚至无法满足使用要求，现根据专业厂商提供的资料和实际应用情况，推荐预留用电容量估算见表4，仅供参考。
表4： 洁净手术室净化空调系统预留用电容量估算
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等级 |
手术室名称 |
手术区空气 洁净度级别 |
净化空调系统 设置形式 |
手术室 预留容量 |
备注 |
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Ⅰ |
特别洁净手术室 |
100级 |
每间采用独立设置 |
40kW/间 |
洁净手术室为提供冷热源预留用电容量按30~40kW/间。 |
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Ⅱ |
标准洁净手术室 |
1000级 |
每间采用独立设置 |
35kW/间 |
|
|
Ⅲ |
一般洁净手术室 |
10000级 |
可2～3 间合用 |
20kW/间 |
|
|
Ⅳ |
准洁净手术室 |
300000级 |
可2～3 间合用 |
20kW/间 |
|
|
每间采用独立设置 |
30kW/间 |
8 能耗监测计量系统
根据医院使用功能和管理需求，除开关站专门设置监测与计量以及微机自动化综合保护装置外，综合楼设置能耗监测计量系统，主要包括电度表计量、水表计量及热量表计量远传系统。电度表计量按照负荷分级要求，照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电，在分变配电所各回路干线、各楼层分区、功能科室及护理单元等处设置数显仪表做分项计量；水表计量主要是指对冷水、热水、中水和回水按分区进行计量；热量表计量主要用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热量。上述三种计量均远传至楼控工作站组成管理平台，实现集中监测与计量，完成各类负荷的分区叠加和累计，并打印报表，作为独立核算和能耗分项计量的依据。
9 结束语
随着绿色医院建筑的不断发展，建筑电气设计所包含的内容越来越丰富，对节能降耗与环保以及舒适性等提出了更高的要求，作为建筑电气设计师，应当积极地应对这严峻的挑战，要大力倡导“绿色医院”的全新设计理念，这就需要不断学习新技术、熟悉新产品，将成熟先进的技术及节能产品应用到绿色医院建筑工程设计中去，为实现节能降耗与环保这项战略任务，走可持续发展的道路，创建资源节约型社会而做出自己应有的贡献。
参考文献:
[1] JGJ 16-2008， 民用建筑电气设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2008.
[2] GB/T 50378-2006， 绿色建筑评价标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2006.
[3] GB 50333－2002， 医院洁净手术部建筑技术规范[S]. 北京：中国计划出版社, 2002.
[4] GB 50189-2005，公共建筑节能设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2005.