醫療建筑負荷等級及應急供電方案

王 甫， 于 妍

(1.中國中輕國際工程有限公司，北京100026；2.首都博物館，北京100026)

0 引言

隨著生活水平的提高，人民群眾對于醫療服務的需求也大幅提高，據統計，我國人口占世界人口的22%，但醫療資源僅占世界醫療資源的2%。為此，近年來各級政府逐年加大對醫療衛生方面的投入，各類綜合性、專業性的醫療建筑在全國各地茁壯發展起來。本文將通過筆者近期參與的若干綜合性醫療建筑的設計工作，總結電氣設計過程中的重點內容，予以分析并提出方案，以供同行參考。

1 醫療建筑的負荷等級

建標110-2008《綜合醫院建設標準》中，將醫院建設規模按照床位分為 200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 床9 個等級。 衛生部《綜合醫院分級管理標準(試行稿)》中，根據醫院功能和任務的不同，將醫院分為一、二、三級，各級又分為甲、乙、丙三等，三級醫院增設特等，共計10等。

對于供配電系統設計來講，負荷的重要性與醫院的等級密切相關，一般來講二、三級醫院面向地區、全國提供醫療服務，負荷等級要比面向社區的一級醫院高出一個等級。

以綜合醫院舉例來說，綜合醫院由急診部、門診部、住院部、醫技科室、保障系統、行政管理及院內生活等7項設施組成，對應的用電設施主要包括照明插座、空調通風、給水排水、電梯及其他建筑設施、醫療設備等5類。對于前4類設備，負荷的分級與一般民用建筑基本相同，但對于醫療設備來說，負荷等級與設備的配置場所、使用方式、功能用途等因素密切相關。

1.1 早期醫療設備的負荷等級

對于負荷分級，目前國內多本規范均有詳細劃分，如JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》、《全國民用建筑工程設計技術措施(電氣2009版)》、D800-1《民用建筑電氣設計與施工》中的劃分如表1所示。

表1 醫院建筑負荷分級

從表1可以看出，所有列出的用電設備名稱都與醫療服務有關，即便是提到的照明、空調以及客梯，也都明確是為醫療活動進行服務的設備。通過進一步的分析，筆者發現以下幾個特點。

(1)部分醫療場所及設施的設備用電和照明用電均有負荷等級要求，如重要手術室、重癥監護室、急診室、治療室、血液部、核醫學部等場所，這些場所的配電最好是按照科室獨立配置，這樣管理方便且避免干擾。

(2)部分醫療場所僅對醫療設備提出負荷等級要求，如病理、藥劑等場所的恒溫設備，放射科的診斷設備等，這些設備可以根據負荷容量以及工作特點直接引自變電所或是在中心區域集中配置后放射配出。

(3)部分醫療場所對醫療環境提出負荷等級要求，如重要手術部的空調、易感染區的通風、特殊區域的照明。

(4)部分醫療設備由于配置的醫療場所不同，會造成用途及使用方式不同，進而造成負荷等級也不盡相同，如診斷和治療用的放射設備，其負荷等級有區別。

基于以上的分析，筆者認為，如果想了解一個用電負荷的重要性，一定要了解清楚綜合醫院的醫療場所、場所內配置的用電設備以及用電設備的使用方式這三點關鍵因素，這樣才能給出一套安全、經濟、適用的供配電設計方案。

1.2 現行醫療設備的負荷等級

由于表1僅列出與醫療服務相關的用電設備，且經過近十年的經濟高速發展，我國醫療技術、水平以及全社會對醫療條件的期望值有了較大的變化，相應的醫療建筑的建設標準也隨即做出調整，2013年住建部發布JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》第4.2.1條中，對于醫療建筑用電負荷分級做出新的規定，如表2所示。通過表2可以看出，負荷分級更加細化，同時補充了一些建筑常用設備，但是不難發現，這與以往仍有較大的區別。

(1)負荷等級的劃分依據更加的明確，與“醫療場所類別”及“要求自動恢復供電時間t(s)”相互對應(參見JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》表3.0.2)。其中，t≤0.5s，涉及生命安全的設備及照明，為一級負荷中特別的重要負荷；0.5s＜t≤15s，診療設備及照明，為一級負荷；t＞15s，診療設備及照明，為二級或三級負荷。

(2)取消了手術室不同潔凈度空調用電的負荷等級，按照3.0.2條文解釋“手術室按照凈化等級分為百、千、萬級，對于醫療建筑的供電可靠性而言，停電危及生命的場所要考慮為2類場所，IEC等國際標準將手術室都化為停電危及生命的場所，也就是說標準提高了，與手術室進行什么手術無關。”可以分析得出的是，手術室空調不屬于涉及生命安全的設備(t≤0.5s)，但屬于2類場所的其它設備(0.5s＜t≤15s)，因此可確定為一級負荷。

(3)一級負荷及一級負荷中特別的重要負荷比原標準增加很多場所或設備，也就是說國家標準與國際標準接軌，把整體標準提高了，比如手術室不考慮進行什么手術，都為一級負荷中特別的重要負荷。

對于這一點，筆者認為該標準過高，按照現行的醫療科室來進行分類，醫療手術類別有上百種，對于普通外科的一般手術到類似于器官移植的復雜手術，手術環境、診療設施及醫護人員的配置均有較大的區別，如果都化為停電危及生命的場所，會極大增加醫療建筑的建設成本。因此，在筆者看來，三級綜合類醫院標準可以提高，但鑒于大多數二級綜合醫院或二級專科醫院提供的醫療服務本就不存在特別復雜和危險的手術，過高的提高標準會造成投入成本過大、實際利用效率不高的局面，因此規范還是應該有所區分。

(4)補充了非醫療設備的負荷等級，但是不夠全面，對于表2中所提及的客梯、生活水泵、鍋爐及換熱等設備，統一為二級，但是沒有提出多層建筑和高層建筑的區別。筆者認為，超過24 m的醫療建筑應屬于一類高層，通用性系統(包括給水、排水、采暖、鍋爐、客梯、安防等)還是應該按照一級負荷來考慮。

表2 醫療建筑用電負荷分級

1.3 其他建筑設施的負荷等級

對于醫療建筑的負荷等級，還要考慮其他非醫療功能的設備，如消防設備、配套設備及人防設備等。

很多年輕設計師認為，建筑物消防設備的負荷等級應該與該建筑中最高等級的用電設備相同，這一觀點顯然是錯誤的。醫院消防用電設施負荷等級主要取決于建筑分類，按照GB 50016-2014《建筑設計防火規范》中5.1.1及10.1.1＆2條的規定:1)建筑高度＞24米的醫療建筑定性為一類高層建筑，對應消防設備負荷等級為一級。2)建筑高度≤24米的醫療建筑定性為單、多層建筑，對應的消防設備負荷等級還需要對室外消防用水量來進行分析:a室外消防用水量＞25L/S的醫療建筑，消防設備負荷即為二級。b室外消防用水量≤25L/S的醫療建筑，消防設備負荷即為三級。

按照GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》中3.3.2條的規定:25L/S，30L/S，40L/S的區分就在于建筑體積是否＞20 000m3。可以用建筑投影面積乘以建筑高度來進行估算。

為合理利用土地資源，綜合性醫療建筑一般會配備大型的地下空間，主要功能一般包括設備用房、后勤用房、醫療用房、地下車庫以及人防工程等。在劃分負荷等級時，還需要考慮使用功能。

其中，對于地下車庫，平時及消防負荷需要參考:1)JGJ 100-2015《車庫建筑設計規范》中7.4.1條:平時負荷“特大型和大型車庫應按一級負荷供電，中型車庫應按不低于二級負荷供電，小型車庫可按三級負荷供電。機械式停車設備應按不低于二級負荷供電”。2)GB 50067-2014《汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范》中9.1.1條:消防負荷“I類汽車庫、采用汽車專用升降機作車輛疏散出口的升降機用電應按一級負荷供電；II、III類汽車庫和I類修車庫應按二級負荷供電；IV類汽車庫和II、III、IV類修車庫可采用三級負荷供電”。

對于人防工程，戰時及消防負荷需要參考以下:1)GB 50038-2005《人民防空地下室設計規范》中7.2.4條:戰時負荷(內容較多，不再一一敘述)。2)GB 50098-2009《人民防空工程設計防火規范》中8.1.1條:消防負荷“建筑面積大于5 000m2的人防工程，其消防用電應按一級負荷要求供電；建筑面積小于或等于5 000m2的人防工程可按二級負荷要求供電”。

綜合以上的分析，針對綜合性醫療建筑的負荷的各類情況，可以基本對各種類型的負荷進行負荷等級劃分，并考慮通過以下負荷統計表(參見表3)來一一列出。

表3 醫療建筑負荷等級統計表

2 醫療建筑應急供電方案

醫療建筑面對的人群主要是病患，建筑內設置了大量涉及生命安全的用電設施及設備，此類建筑物對于供電質量以及供電連續性要比一般建筑物高，因而應急電源的設置將起到舉足輕重的作用。

對于建筑物應急電源的配置，在GB 50052-2009《供配電系統設計規范》中3.0.2條規定:一級負荷中特別重要的負荷供電，除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源。這一供電要求在多本規范中均已明確。

而對于應急電源的設置，GB 50052-2009《供配電系統設計規范》中3.0.4條給出了四類選擇:獨立于正常電源的發電機組；供電網絡中獨立于正常電源的專用的饋電線路；蓄電池；干電池。這四類應急電源在實際的工程中需要具體分析，例如“干電池”容量比較低，一般用于低電壓、低容量的小、微型手持設備；而“獨立于正常電源的專用的饋電線路”這一要求對于項目所在地的供電水平要求極高，在大多數地區都很難實現。

此外，對于應急電源的選擇還應根據允許中斷供電的時間來選擇，并應符合下列規定:(1)允許中斷供電時間為15s以上的供電，可選擇用快速自啟動的發電機組。(2)自投裝置的動作時間能滿足允許中斷供電時間的，可選用帶有自動投入裝置的獨立于正常電源之外的專用饋電線路。(3)允許中斷供電時間為毫秒級的供電，可選用蓄電池靜止型不間斷供電裝置或柴油機不間斷供電裝置。

在前文，筆者已經對醫療場所及設施的類別與要求自動恢復供電的時間進行了劃分:t≤0.5s，一般在0類醫療場所；0.5s＜t≤15s，一般在1類醫療場所；t＞15s，一般在2類醫療場所。因此，目前快速自啟動發電機組可在15s內投入使用；EPS及UPS等蓄電池電源切換時間為毫秒級；雙電源自動轉換裝置ATS分為PC級和BC級兩種，其中PC級切換時間較短，一般為毫秒級，BC級的切換時間較長，一般在1～2s左右。

按照JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》中4.4.1規定:“三級醫院應設置應急柴油發電機組，二級醫院宜設置柴油發電機組”，筆者認為，設置應急柴油發電機組與EPS及UPS等蓄電池相結合是比較合理的方案，同時合理的利用ATS裝置，在應急供電情況下可以有多種組合方案:(1)由EPS提供應急照明電源，電源切換時間可以滿足安全照明、疏散照明和備用照明的要求。(2)由UPS(宜在線式)提供醫療設備電源，電源切換時間可以滿足t≤0.5s的特別重要負荷。(3)在雙重市政電源的基礎上，由末端配電箱設置的ATS提供醫療設備電源，電源切換時間可以滿足0.5s＜t≤15s的負荷。(4)以上三種方式基本可以滿足各類負荷的電源切換時間的要求，再設置柴油發電機組即可滿足醫療建筑內整體應急負荷容量及持續供電的要求。在此基礎上，EPS及UPS等蓄電池的供電時間不低于15min即可，業主也可以通過應急母線段的配置來調整各類負荷為必保負荷。

3 供配電方案

綜合前述，對一座較大規模的綜合性醫療建筑，可以提供以下供配電的參考方案。

(1)10kV高壓系統

盡量爭取采用10kV雙重市政電源供電，當一路電源發生故障時，另一路電源不應同時受到損壞。

(2)變壓器配置

按照《全國民用建筑工程設計技術措施規定(電氣2009版)》，醫療建筑單位面積負荷密度為40～70W/m2，變壓器裝置指標為 60 ～ 100VA/m2。考慮到醫療建筑的設施配置水平越來越高，在方案設計階段可以按照較高面積指標進行總負荷估算，建議取值為80 VA/m2。

醫療建筑的負荷主要為照明插座、通風空調、動力設備、醫療設備，綜合性醫院大型醫療設備較多，宜單獨采用專用變壓器，因此在建筑規模較大的項目上，建議變壓器按照照明、醫療、動力、空調分成四組，便于管理。

(3)0.4 kV低壓系統

按照變壓器的分組配置標準，低壓系統可以考慮照明與醫療變壓器在低壓側進行單母線分段，設置應急母線段I，主要承擔火災事故照明、弱電設施以及重要醫療設施電源；動力與空調變壓器在低壓側進行單母線分段，設置應急母線段II，主要承擔消防動力設施電源。

(4)應急電源配置

設置可快速自啟動柴油發電機組，應在15 s內向規定的用電負荷供電，機組容量除了需要考慮規范中列出的消防負荷、一級負荷、一級負荷中的重要負荷，還要結合醫院管理方的使用要求留出必保負荷，例如某高端民營醫療機構明確要求在市電失電的情況下，必須保證VIP病房區(層)的空調負荷。因此按照變壓器裝機容量的20%～30%來配置是合理的。

應急照明負荷可設置EPS，供電時間20 min即可，對應箱體一般設置在公共區域的配電井內；弱電系統和醫療設備可設置UPS，供電時間20 min即可，對應箱體可設置在機房及相應科室配電間內。

(5)低壓配電

在建立基本的低壓配電模型時，針對醫療建筑的特殊性，應充分滿足計量、維護管理、供電安全及可靠性的要求，因此在設計過程中，還需要考慮以下原則:1)照明、空調、動力與醫療負荷分成不同的配電系統；2)消防設施配電宜自成系統；3)大容量的集中負荷以及重要負荷采用放射式供電；4)容量不大且無特殊要求時采用分區樹干式供電；5)一級負荷及重要負荷應在最末一級配電箱處自動切換；6)盡量按負荷等級、用途、科室來布置配電柜盤面；7)放射線設備采用專用回路供電，避免電源干擾；8)利用大電纜以及二級配電的方式可以降低變電所出線橋架填充率的壓力，同時利于線路的電壓降及線損控制。

4 結束語

本文根據多個醫療建筑的設計案列，總結相應的供配電系統的設計經驗，通過對醫療建筑負荷多樣性的分析，確定各類負荷的重要性并給出相應的解決思路，希望通過本文讓年輕的電氣設計師在進行本專業設計的同時能夠對其他相關專業的基礎知識有一定的了解，從而得出較為準確的預判，最終設計出全面、安全、經濟的設計成果。