醫院供配電系統節能設計及能效管理研究

摘要：為促進醫院供配電系統實現節能增效，基于醫院供配電系統設計現狀，分析醫院供配電系統能效管理工作現存的主要問題，并提出醫院供配電設計中的節能措施與智能化節能增效策略，以期進一步做好醫院供配電系統的能耗管理工作，促進綠色醫院與智慧化醫院的發展。

關鍵詞：供配電系統；能效；變壓器；配電線路

醫院作為社會公共機構，在建筑層面具有功能多樣、人潮涌動、耗能設備多、持續工作、能耗頗高等顯著的獨特性，因此醫院的能源消耗高出一般公共機構數倍，如超出辦公樓、學校、政府機構等的能源消耗2～ 3倍。而且在眾多公共建筑能源消耗中，醫療建筑對電能、水、天然氣等的消耗尤為顯著。其中，電能在醫療建筑能源消耗中的占比最高，占醫療建筑總能耗的40%～ 65%。同時，鑒于醫療建筑在電氣化方面有持續深化的趨勢，因而有理由預測醫院對電能的消耗比重將會持續增大[1]。因此，面對醫院規模日漸擴張、醫療設施不斷增設，以及患者對醫療環境與服務質量要求的日益提升等情形，醫院的高能源消耗問題逐漸浮出水面，成為亟待解決的難題。本文圍繞節能降耗，聚焦醫院供配電系統，爭取構建一個以“綠色醫院”為目標的發展藍圖，期望通過推進“智慧醫院”這一途徑，盡可能地減少醫院能源消耗。

1 醫院供配電系統設計現狀

鑒于醫院所具備的獨特性功能，其往往涉及多種用電設備，且每種設備都有各自相應的用途。同時，由于需要為病人提供不間斷的診斷、搶救、治療，因此醫院供電的安全性、穩定性及連續性至關重要。在此種情形下，醫院的供配電系統設計成為醫院節能降耗、保障用電穩定安全的關鍵一環。

在我國，雖然醫院按照其規模與服務功能的不同被細分成了多個等級，但各級別醫院的配電系統基本架構都保持了一致性，即均由供電、變電、配電及用電4 個核心環節構成，且這4 個環節需共同確保醫院電力供應的穩定與高效，因此在設計醫院的電源及備用電源系統時需遵循《醫療建筑電氣設計與安裝》（19D706-2）中的準則。具體而言，二、三級醫院以雙路10 kV 進線供電方式居多，并配備0.4 kV 柴油發電機充當應急；一級醫院以單路10 kV 進線供電方式居多，搭配0.4 kV 柴油發電機充當應急。但當下醫院常見的供電模式卻為110 kV/10 kV/0.4 kV 與35 kV/10 kV/0.4 kV 等，因此配電變壓器作為供配電系統的核心組件，其在持續使用中會產生一定的電能損失。另外，配電線路的損耗也頗為顯著。根據相關權威部門發布的數據可知，我國輸配電損耗占總發電量的6.6% 左右，其中損耗最為嚴重的是10 kV 與0.4 kV電網，幾乎占據了整體電網損耗的50%。

醫院用電設備較多，不僅有常規的照明與插座用電，還有X 射線機、磁共振成像機等大型診療設備，導致醫院的電能消耗較大。因此，為盡可能地降低醫院能源消耗，應將電源供給到各類用電設備的運行過程全都納入到能效管理系統的監控之中，并依托能效管理系統實時監測到的數據，進行深入探究，挖出能耗痛點，制定針對性舉措，從本質上減少醫院能源消耗。

2 醫院供配電系統能效管理現狀

醫院的能效管理，對其日常運作與未來戰略部署具有不容忽視的重要性。在這一背景下，優化節能策略并提升管理效率，成為醫院降低運營成本、推動綠色和智能化發展的必由之路。然而，即便當前的能效管理系統已助力醫院節能降耗且取得了顯著成效，但醫院的能效管理仍面臨諸多挑戰。

2.1 電力運維管理難度較大

電力運維管理是一項極其不易的工作。由于當前大部分醫院的電力系統還采用傳統的人工操作與管理，因此每隔一段時間管理人員都需要對能效管理系統內的電壓、電流等關鍵數據進行仔細排查，并在能效管理系統出現問題時，在最短的時間內妥善解決所有報警狀況，保障電力系統的安全穩定運行，對電力運維人員的專業技能和素質提出了極高的要求。此外，電力維護工作的不可預見性和復雜性，也為標準化、專業化的管理和操作帶來了極大的挑戰。

2.2 監控設備維護較難

能效管理系統負責實時收集相關數據，再經由復雜的總線或網關技術，來保證數據的順暢傳輸，因此任何監控設備或傳感器的故障、甚至通信的中斷，都可能直接影響能效管理系統數據的準確性，而導致決策失誤。而且，由于目前市面上的能效管理系統大多都沒有自動修復能力，一旦出現故障，就必須有專業的人員對其進行故障排查，因此結合醫院內部各功能區域的實際需求，故醫院能效管理系統設備的日常維護與故障排除難度較大。

2.3 遠程自動抄表面臨較大挑戰

與人工抄表模式相比，雖然遠程自動抄表在便捷性、效率性和準確性方面更具優勢，但其對相關設備和通信技術的標準也更為苛刻。目前，在進行能耗計量時，已普遍采用具備遠程通信能力的電能表，并將統計周期設定為15 min，但需要指出的是遠程自動抄表在實際操作中仍面臨一定的挑戰。在當前的能效管理系統中，采用的通信總線技術主要依賴于輪詢機制進行數據收集，數據采集時間存在顯著差異且數據同步性較差，嚴重干擾了數據分析與決策的客觀性。

3 醫院供配電系統設計節能措施

3.1 電源進線節能設計

20 世紀70 年代，我國決定將中壓配電電壓統一設定為10 kV，但當將經濟性和節電性作為考量標準時，卻發現20 kV 電壓等級的節能效益更高，因此權威參考資料《工業與民用供配電設計手冊》中將20 kV 作為電源進線選擇，被明確認定為是一個可行的方案[2]。對此，我國在2014 年正式實施了《20 kV 及以下變電所設計規范》（GB 50053-2013），不僅大幅度地擴展了供電的輻射半徑、極大地提高了供電的能力，而且顯著提升了節能減排效果。具體而言，就是當傳輸功率一致時，采用20 kV 電壓等級可以將供電半徑擴大為原來的1.5 倍，使得供電能力翻番，但電力輸損耗卻能減少75%。

盡管有著標準和理論的支撐，但在醫院變電站的實際設計中，仍能經常見到10 kV 電壓等級的身影。值得欣慰的是，已有部分新建醫院開始研究并嘗試采用20 kV 電源。希望隨著技術的不斷完善，20 kV 電源可以最大限度地發揮其卓越之處，降低醫院的能源消耗，推動我國醫療行業的供電效率和節能減排工作更上一層樓。

3.2 變壓器節能設計

在電力配送的環節中，變壓器扮演著舉足輕重的角色，因此在變壓器的設計考量中應多采納節能型配電變壓器。從能效角度考量，相較于二、三級變壓器，能效一級的變壓器在年度綜合能耗及運行成本上，展現出的突出之處無可比擬。通常情況下，當型號與容量一致時，變壓器的負荷率與其年度綜合損耗及運行成本成正比。這意味著，當變壓器的負荷率上升時，其能耗和成本也會相應增加，但采用更大容量的變壓器，卻可以顯著減少整體損耗。因此，在實際應用中，需根據醫院的具體場景與需求合理選擇變壓器的容量。如，經過綜合考慮，非晶合金鐵芯變壓器被大多醫院采用，原因在于相較于其他同等容量的變壓器，其在年綜合損耗和年運行費用等方面具有顯著優勢。

3.3 配電線路節能策略制定

在推進輸變電節能的道路上，降低線損無疑是至關重要的，因此醫院可從3 個維度著手制定配電線路的節能策略。一是精心策劃變電站與配電房的設置位置，選取距離負荷中心較近的地方安置降壓變壓器，減少下級電壓線路所需覆蓋的地理距離，進而降低線路中的能量損耗。二是在財務狀況允許的前提下，優先選用電導率較高的銅導體材料。三是注重導體截面積的選擇，在確保導體能夠承載相應的電流并維持線路電壓穩定的基礎上，盡可能地增大導體的截面積，降低線損。

3.4 用電設備節能策略推進

在醫院的用電設備中暖通空調的電力消耗占比超過醫院總電能消耗的50%，因而亟需采取一系列節能策略減少暖通空調的電耗。如，在供暖與空調系統中采納前沿的節能產品，以及采用相較于傳統空調能耗可顯著降低至25%～50% 的地源熱泵技術，降低能耗，提升效率；構建區域性的集中供冷與供熱網絡，在醫院的中心區域建立冷熱供應站點，大幅度減少冷熱供應對電能的依賴。

照明方面，在保障照明品質的前提下，積極推行照明節能措施。如，推廣使用壽命較長、啟動性能優異、可調光性靈活的LED 燈具，同時引入智能照明控制系統，對照明用電進行合理控制，從而大幅節省電能。

4 醫院供配電系統的智能化節能增效

4.1 打造智能化節能增效平臺

在構建醫院供配電系統的節能設計及其應用時，可借助泛在電力物聯網技術，以及通過運用移動互聯、人工智能等先進技術，實現供配電系統各環節的互聯互通與高效人機交互，進而打造出新一代智能化節能增效平臺。這不僅是智慧醫院建設的核心之一，還是其堅實地基石。

智能化節能增效平臺（簡稱“平臺”），是專為醫療建筑供配電系統設計的，其主要目的是全方位監控并優化醫院的能效管理系統，實現節能管理。平臺可集成多種功能，包括但不限于供配電系統的實時監控、用電量的動態追蹤、電能質量的詳細監測、電氣消防安全監控及新能源管理等，旨在為醫院提供更加高效、節能的供配電系統解決方案。

在數據監控方面，憑借先進的智能設備，平臺能夠對供配電系統的每個環節進行精確的電力數據追蹤，確保數據的即時性與可靠性。

在數據管理方面，平臺的數據管理功能可在構建高效存儲機制的同時，確保所有監測數據都能夠被精準無誤地錄入數據庫，當數據丟失或異常情形發生時，會立即報警，讓運維人員在最短時間內介入并消除故障，確保供配電系統的穩定性與可靠性。

在數據分析方面，平臺提供了多元化的處理手段。可根據醫院的建筑職能，如醫技樓、門診樓、住院樓等，進行分類處理，同時通過對比職能建筑單位面積的能效數據與標準數據，精準評估節能效果。此外，還會對照明、插座、暖通空調、動力及特殊用電等不同的用電項目進行分項計量，并提供更詳細、更有針對性的用電信息。

在數據展示方面，平臺支持報表、曲線圖、餅圖等多樣化的展示方式，能夠使運維人員直觀地開展數據對比與分析。此外，平臺還擁有數據預測功能，結合往年數據，預測各設備當年能耗，可為節能管理提供有力地支持。同時，經對數據的詳盡分析比對，平臺可憑借人工智能技術與大數據模型，精心鍛造出一份詳盡的專業報告。管理人員基于專業報告，不僅可策劃節能降耗策略并加以落實，還能全面了解實施節能降耗策略后的實際運行狀態，以及用實際數據驗證實施節能降耗策略所帶來的成效。

4.2 依循專家報告落地節能智能控制策略

在能耗智能控制領域，專家報告堪稱理論基石，可引領一系列高效、切實可行的節能智能控制策略的生成。而且經過專家團隊的嚴謹評估、精心選擇與確認，這些節能智能控制策略都得以成功落地，融入現實生活的各個方面。如，在節能智慧管理方面，依循專家的深入研究報告，制定全面的節能規章制度；致力于數據透明化，公開能耗數據，供所有人了解和監督；激發醫院各部門的節能積極性，采取基于單位面積能效比的評比方式，對節能成果突出的部門進行表彰和獎勵，并樹立節能標桿，提升醫院能效，實現醫院節能降耗的目標。

5 結束語

伴隨時代發展洪流的奔騰不息，節能、環保及低碳理念在當今社會中愈發光彩奪目，因而對于能源消耗較高的醫院來說其內在的節能潛力猶如未開墾的沃土。目前，綠色化建設正引領著醫療行業的革新潮流，預示著醫院未來的宏偉藍圖。在醫院的供配電系統中，節能設計與節能增效平臺的構建，雖是實現醫院節能降耗目標的重要基石，但醫院的節能步伐并不能只駐足于電力領域，還應進一步延伸至水、煤、燃氣、熱能、冷能及石油等多維度的能源體系。

未來，供配電智能化節能增效平臺在穩定運行的同時，還應智能且全面地監測各類能源數據。但對各類能源的監測不能都在一個設備或系統之上，需構筑在不同能源各自獨立的子系統之上，確保數據采集與監測各自獨立，避免某個設備出現問題而引發平臺整體震蕩的現象。此外，供配電智能化節能增效平臺還要在具備將各種能源消耗轉化為電力消費量進行比較功能的同時，借助節能增效系統精確地計算出CO2 的減排量，使醫院內部各區域之間的橫向比較更加直觀和便利，助力醫院制定并實施行之有效的節能增效策略，為打造現代化綠色醫院與智慧醫院奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 程杰. 醫院配電系統諧波分析及治理研究[J].中國設備工程，2022（1）：214-216.

[2] 劉屏周.工業與民用供配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016.

作者簡介

張杰（1985—），男，漢族，山東莒縣人，副研究員，學士，研究方向為醫院后勤管理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-06-29