大型醫學實驗室建筑供配電系統設計

盧 海 峰

(浙江省建筑設計研究院, 浙江 杭州 310006)

0 引 言

隨著我國科研能力的飛速發展,特別是新冠肺炎疫情后,醫學實驗室建筑的設計越來越受到人們關注。由于醫學實驗室建筑功能復雜,設備眾多,因此,供配電的合理設計對于保障實驗室安全可靠運行尤為重要。本文結合浙江良渚實驗室的設計實例,介紹了供配電系統設計。

1 工程概況

良渚實驗室為浙江省實驗室,致力于打造國內領先、國際一流的集國際醫學教育、創新性醫學工程與生物醫藥研究的重大科創平臺。一期建筑面積約6.1萬m2,主要包括公共設備用房、動物中心及1#科研中心樓等。其中1#科研中心樓地下1層,地上6層,共由39個獨立的實驗室(內含多個生物安全實驗室)及附屬辦公區組成,每個實驗室面積均在400 m2左右。該項目屬于一類高層建筑,耐火等級為一級。

2 生物安全實驗室分級

生物安全實驗室是通過防護屏障和管理措施,達到生物安全要求的生物實驗室和動物實驗室。生物安全實驗室應由主實驗室、其他實驗室和輔助用房組成。依據實驗室所處理對象的生物危險程度,把生物安全實驗室分為四級,其中一級對生物安全隔離的要求最低,四級最高。生物安全實驗室的分級如表1所示。

表1 生物安全實驗室的分級

一般微生物生物安全實驗室采用BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4表示相應級別的實驗室;動物生物安全實驗室采用ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-4表示相應級別的實驗室。一期工程中所有生物安全實驗室均為一、二級生物安全實驗室。

3 負荷分級及供電要求

根據現行有效的相關建設標準[1-3],該工程中負荷分級如下。

(1)一級負荷。對供電連續性要求較高的國家重點實驗室用電;走道照明、值班照明、警衛照明、障礙照明、主要業務和計算機系統用電、安防系統用電;配電室照明用電;客梯、排水泵、生活水泵;所有消防設備。

(2)二級負荷。對供電連續性要求較高的其他實驗室等用電。二級生物安全實驗室、屏障環境設施的動物生產區(動物實驗區)的用電負荷不宜低于二級。

(3)三級負荷。不屬于一、二級的電力負荷。在實驗室供配電系統設計時,不僅需要考慮各場所的負荷等級,還要考慮到各實驗室級別劃分與其對供電連續性的特殊要求。

4 供配電系統設計

4.1 市電電源設計

結合負荷分級及實驗室對供電連續性的要求,與當地供電部門溝通后該工程采用兩路10 kV進線,進線采用電纜埋地方式引入,兩路電源同時工作互為備用。其中一路電源中斷供電時,另一路電源能承擔全部一級負荷中的特別重要負荷、一級負荷及二級負荷。

4.2 應急電源設計

為保證一級負荷中特別重要負荷、一級負荷,甲方要求市電斷電時需保障的負荷及消防負荷供電的可靠性,該工程預留2臺2 000 kW快速自起動高壓柴油發電機作為應急電源(供一、二期同時使用,由于現階段條件有限,且一期工程中未涉及三、四級生物安全實驗室,發電機待二期工程啟動后配置)。當正常供電電源中斷供電時自動啟動,待管理人員確認三級負荷已切除后開始供電;當正常供電電源恢復供電后,延時切換并停機。

該工程對供電連續性特別高的設備以及重要的計算機機房設備用電等,設置在線式不間斷電源(UPS),應急供電時間≥60 min。

4.3 配電變壓器數量設計

根據負荷情況,在公共設備用房總變電所內設置SCB13-1600 kVA 2臺,SCB13-1000 kVA 2臺,供公共設備用房及動物中心使用。1#科研中心樓分變電所內設置SCB13-1250 kVA 4臺,SCB13-1000 kVA 2臺,1#科研中心樓使用。供電方案示意圖如圖1所示。

圖1 供電方案示意圖

5 典型區域低壓配電設計

為保證用電可靠性,該工程對于單臺容量較大的負荷或比較重要負荷,如冷凍電鏡、計算機房及各實驗室用電均采用放射式供電;對于辦公區用電等一般負荷,采用樹干式與放射式相結合的供電方式。

5.1 生物醫學通用實驗室

考慮科研人員與科研項目的變動,結合美國HDR的設計經驗,該工程設置了部分生物醫學通用實驗室,待科研人員就位后,稍加改造便可使用。根據GB 50236—2008《生物安全實驗室建筑技術規范》要求,各實驗室內均單獨設置配電總柜。配電總柜設置在非潔凈區,采用雙電源供電,其中一路引自應急母線,設置自動切換。后端經UPS后再分配至供電連續性要求特別高的設備。普通生物實驗室配電系統如圖2所示。

圖2 普通生物實驗室配電系統

5.2 藥物設計與合成平臺配電

與其他普通實驗室相比,藥物設計與合成平臺有較大的通風要求。以該工程為例,一間60 m2的新藥研發室,凈化空調機組容量達到了59 kW,另外還需配置11 kW的排風機。且實驗室運行時,所有設備均需同時運行。因此,在前期設計時需與相關專業充分溝通,預留足夠的容量,確保實驗室能夠正常運行且預留一定的改造余地。

5.3 動物中心動物實驗區配電

為保證用電可靠性,動物中心動物實驗區設置專用的配電柜,配電柜放置在輔助區,采用雙電源供電,其中一路引自應急母線,設置自動切換。屏障環境設施凈化區內的配電設備,均采用暗裝設備。電氣管線均采用金屬管線暗敷,管口采取可靠的密閉措施[4]。

5.4 大型實驗設備配電

實驗室設備種類繁多,且多為貴重設備。特別是冷凍電鏡等大型設備,價格昂貴,對用電可靠性及用電量都有其特殊要求。該工程冷凍電鏡本身用電513 kW,計算機集群400 kW,空調制冷1 000 kW,且同時使用系數較高。因此,配電時應與科研人員密切溝通,確保后期設備進場后,能提供足夠的電量以滿足其使用要求。

5.5 普通辦公區配電

該工程辦公區主要設置在1#科研中心樓兩翼,考慮到安全性與可擴展性,除走道照明外,照明及插座采用密集型封閉母線供電。辦公區設置單獨配電箱,電源引自樓層總配電箱。

除上述區域外,該工程數字醫療、醫學影像與檢測、醫工實驗室、藥物毒理學評價平臺、藥效評價平臺、藥分藥代研究平臺、生物醫學研究公共技術平臺等實驗室內均單獨設置配電總柜,采用雙電源供電。

6 結 語

醫學實驗室建筑作為民用建筑中相對特殊的建筑,設計人員在設計時,應充分了解各實驗室工藝流程和要求,特別是涉及生物安全實驗室、大型儀器設備等,需及時與其他專業人員及科研工作人員溝通,確保收到的電氣資料完整準確,這樣才能設計出安全、可靠、經濟的供配電系統。