醫院電氣設計的節能探討

涂 路(中國中元國際工程有限公司， 北京 100089)

1 概述

解放軍總醫院外科大樓位于東院區西側，總建筑面積為11.8萬m2。本工程地下3層、地上17層；建筑高度69.5m。地下3層平時為機械式汽車停車庫，戰時為人防物資庫；地下2層為設備站房，且在東南西北方向均有連廊與院區地下綜合管廊連接；地下1層為病理科、內鏡中心和營養食堂；首層為中心供應、藥局、放射科、病理科和血庫；2層和3層為手術部共50間手術室；3、4層之間為設備層；4層以上為外科病房及ICU，總共1 500個床位。本文以此為例探討醫院工程電氣設計在節能方面的措施。

2 電氣節能設計要點

電氣系統是醫院工程的能源中心。所有用電設備的運轉都是將電能轉化為其他形式能的過程，如空調、通風、給排水、電梯、照明等系統的正常運行都是一個使用電能的過程。本工程電氣設計主要采取了以下節能措施。

2.1 合理設計供配電系統

本工程設置了大型冰蓄冷站，其用電容量很大，而且在空調季與非空調季負荷變化巨大。為了防止非空調季“大馬拉小車”的高能耗而低效率的運行方式，設計采用了專用變壓器(2×2 000kVA)為其供電，在非空調季節切除空載變壓器。對變壓器而言，其自身的損耗分為空載損耗和負載損耗兩部分，無論負荷大小，空載損耗均存在，而負載損耗與負載大小成正比。以本工程的2×2 000kVA變壓器(ABB的SCB10系列)為例，盡管采用的是節能型變壓器(采用高導磁優質冷軋晶粒硅鋼片及先進制造工藝制造)，但其空載損耗即鐵磁損耗為2×3.1kW，以每年的空調季為5個月計算，則切除空載變壓器節約的電能為31 248kWh。

設置季節性變壓器也是國家規范推薦的方式，規范《10kV及以下變電所設計規范》(GB 50053-94)中3.3.1條第二款規定的條文解釋：“季節性負荷變化較大時投入變壓器的臺數可根據實際負荷而定，做到經濟運行，節約電能”。

變壓器節能的重要內容是提高其效率，即變壓器輸出功率與輸入功率之比最高。變壓器的效率與變壓器的負荷率有關，也跟變壓器負載的功率因數有關。理論計算分析表明：當變壓器負荷率為50%～60%時效率最高；在負載率一定的情況下，功率因數越高，則變壓器效率越高。

在傳統的設計理念中，一般將變壓器負荷率定位在65%～85%，是為了保證在一臺變壓器故障時另一臺變壓器能保證全部的一級負荷和二級負荷的需要；另一個原因則是經濟原因：以前的供電增容的費用太高，從投資角度，減少變壓器的安裝容量總是合理的。

現今我國供電增容費已經取消，更應從節能角度考慮問題。民用工程中廣泛采用的是由兩臺變壓器供電形成的單母線分段系統，如果變壓器負荷率設計為50%～60%，一方面這時其效率最高，另一方面在一路電源故障或一臺變壓器故障的情況下，一臺變壓器可以保證幾乎全部負荷供電。所以使變壓器負荷率為50%～60%也提高了供電可靠性，這點對醫院工程尤其適用。以本工程為例，從各科室征求意見來看，在一路市電停電的情況下根本沒有什么科室或部門允許被暫時切除電源，極少有三級負荷。所以合理選擇變壓器的臺數和容量非常重要。

另一個節約電能的辦法是提高功率因數。本工程采用了安裝靜電電容器并串接濾波電抗器的辦法進行無功補償，依照北京市供電局的規定將10kV高壓側功率因數提高到0.95以上。

1)提高功率因數可以減少變壓器負載損耗即銅損，在負載的有功功率不變情況下，提高功率因數(cosΦ2)后變壓器節能的計算公式為：

2)提高功率因數可以減少線路的有功損耗，線路損耗的計算公式為：

可見提高功率因數cosΦ就可以降低輸電線路損耗；因R與線路長短成正比，則ΔP與輸電線路的長度成正比，這就要求變壓器或變電所設置在負荷中心。

3)提高功率因數可以減少線路電壓損失：

式中cosΦ1、cosΦ2：功率因數

P、Q ：有功功率(kW)、無功功率(kvar)

R、X：輸電線路的電阻、電抗，mΩ

4)最后，由于功率因數提高了，供給同一負荷所需的視在功率及負荷電流均減少，對現有設備而言變壓器容量和電纜截面就有富余，充分利用供電資源、節約線材，也是節能的一種方式。

從以上幾個公式可以得出一個結論：為減少電能損耗和提高電壓質量，均要求提高功率因數。

在用電負荷一定情況下，當供電電壓高時則電流較小，線路損耗和電壓也相應變小。這是規范規定當負荷大到一定程度時應該采用高壓供電的根本原因。

2.2 電器設備的節能

電動機負荷的節能與變壓器節能類似。醫院采用大量風機、水泵等異步電機負荷，為節約電能：

(1)首先應合理選擇設備配用的電機及控制器件，要采用新型高效率的異步電機，減少其在同等工況下的電能損耗；

(2)其次設備配用電機應防止電機輕載運行，因為“大馬拉小車”效率很低，輕載運行時電機功率因數很低，電流的無功分量較大，引起無謂的電能損耗。但這種現象往往很難控制，因為設計中設備配套的電機由工藝專業確定，容量的選擇一般因為計算保守而偏大；

(3)比較有效的方法是采用變頻調速來節能，如本工程某些風機的變頻定風量控制、變頻水泵等均屬于這個節能范疇。從理論分析表明風機水泵等負荷有以下特點：

式中:Q1、Q2 ：流量m3/s，

N1、N2 ：轉速r/min，

P1、P2 ：有功功率kW

即流量與轉速成正比，而功率與轉速的3次方正比，所以一旦轉速下降,則功耗大大下降，節能效果明顯。醫院工程中很多大容量的空調及凈化系統和冷熱水給水系統一般都是對流量進行控制，如果利用變頻調速來調節流量，節能效果就非常顯著。很明顯，采用變頻調速相比于采用改變風門和閥門的開度來控制流量的節能效果好，在系統選用和配置上應該注意這點。隨著變頻調速技術的成熟和推廣，這種技術在民用工程中應用越來越廣泛。本工程許多工藝設備均采用了變頻調速技術，節能效果好。

(4)用電設備節能的另一個手段是科學管理。在需要的時段、需要的場所提供合適用量的能量(冷量、熱量、人工照明、醫用氣體等)，現代化的建筑物一般采用建筑設備監控系統來實施。這套系統主要用于建筑物中兩個能耗“大戶”進行控制，即空調和照明系統。借助計算機、網絡通信設備和現代自動控制技術，按空調場設定的溫濕度目標值自動調節空調系統中風閥、水閥的開度或對應電機的轉速，按需供應冷熱媒，避免能源浪費。建筑其他機電設備如電梯也屬于其控制范圍，往往電梯設備配套的群控系統具備了這個功能，既方便電梯使用又具備節能作用。

2.3 照明節能

民用建筑中另一個耗能大戶是照明，統計數據表明照明約占總電力消耗的40%左右。照明節能主要體現在設備選型和控制兩方面。

首先應選用高效的光源，高效指在同樣的電功耗情況下發出更高流明(lm)的光，而且光線色溫、顯色性及其它品質滿足較高視覺要求，本工程大量采用三基色T8光源，其光效比傳統熒光光源高50%以上，而且基本杜絕了白熾燈等低光效光源的使用，即使在調光場合也使用熒光燈。在醫院中絕大部分光源是熒光燈，設計要求配置L級高效低耗能的電子鎮流器也是從節能角度考慮。一方面，電子鎮流器是節能產品，36W的T8管配套的功耗不超過3.5W/管，而傳統電感鎮流器為不小于9W/管，保守估計這個工程中采用了6000管熒光燈，采用電子鎮流器后若平均每天點亮6h，則每年節電71 280kWh，經濟效益和節能都是可觀的。以上的分析計算還忽略了一個不利因數：當采用電感鎮流器后因發熱厲害造成對空調需求的增加，這必將造成空調系統用電量的增加而增加能耗。

依據 《管形熒光燈用交流電子鎮流器性能要求》(GB/T 15144-2009)，諧波含量應控制在有限范圍內，采用高標準的L級低諧波含量電子鎮流器。選用L級低諧波含量電子鎮流器后，燈具的功率因數很高，一般在0.95以上，提高了整個低壓網絡的功率因數，也是節能的。

對照明系統的控制用于一般照明系統，應急照明系統不納入到建筑設備監控系統內?？刂剖侄斡校憾〞r或感應式開關自動控制、分區或成組自動控制、遠動及集中控制、場景控制、調光控制等?，F在一般采用相對獨立且專業的智能照明控制系統如EIB或I-BUS等進行控制，其功能更強大，且和建筑設備監控系統開放協議互相通信。本工程采用的EIB控制系統是一種智能照明控制系統，為科學管理提供了手段，比如在地下車庫管理室和各護理單元由護士站一點集中控制，也可以在中央控制室控制，非常方便且靈活組合，布線工作和維護工作量也很少。。

2.4 諧波抑制

電子鎮流器是一種非線性設備，要產生各種諧波；除此外，在醫療建筑中還有大量變頻及整流設備，也要產生大量諧波。諧波對電網是個污染源，從“綠色節能”角度，應該抑制諧波，按規范要求諧波必須限制在一定范圍內，因為：

(1)諧波將影響電流電壓波形，降低電源質量；

(2)諧波將使旋轉電機及變壓器產生附加損耗，導致絕緣老化加速損壞；

(3)諧波將使旋轉電機及變壓器產生震動和噪聲；

(4)高頻諧波將導致控制及電子計算機設備工作失常；

(5)諧波將使通信回路、弱電回路產生雜音，甚至故障；

(6)諧波可能使電子型的繼電保護設備誤動作或拒動；

醫院出現的大型醫技設備工作不正常的現象以及斷路器莫名其妙的誤動或故障與諧波有很大關系。隨著大量電力電子等非線形設備的應用，諧波治理問題已經引起電氣工程行業重視，本工程從實際出發采用了L-C濾波設備，在補償電容的回路上串接濾波電抗器，針對較高含量的諧波進行濾波，同時也抑制其它含量諧波。如果要達到更好的效果則應采用有源濾波器，但現階段這種設備價格較高，使用還有一定局限性，將來會有越來越多的工程使用有源濾波器來比較徹底地解決諧波治理問題。

3 結束語

綜合以上設計要點分析，在醫院電氣系統設計中，合理設計供配電系統、采用低能耗的工藝流程或技術和選用節能電氣產品是電氣節能的關鍵因素。

[1]機械工業部中電設計研究院主編.10kV及以下變電所設計規范(GB 50053-94)[S].北京：中國計劃出版社，1994.

[2]中國航空工業規劃設計研究院等編.工業與民用建筑配電設計手冊(第三版)[M].北京：中國電力出版社,2005.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.管形熒光燈用交流電子鎮流器性能要求(GB/T 15144-2009)[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]注冊電氣工程師執業資格考試復習指導教材編委會編.注冊電氣工程師執業資格考試復習指導書[M].北京：中國電力出版社，2004.