淺談醫療建筑中應急電源設置

龍 君

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

為保證醫療建筑的可靠平穩運行,應急電源系統是保證醫療建筑供電可靠性的重要一環。應急電源系統主要為一級負荷中特別重要負荷設置,包含應急柴油發電機組、不間斷電源(UPS)裝置、應急照明蓄電池EPS裝置等。

本文介紹了醫療項目中除消防負荷外的醫療工藝和醫院運營相關的應急電源系統中柴油發電機組和UPS的設置。

1 醫療項目自動恢復時間要求

JGJ 312—2013《醫療建筑電氣設計規范》[1]表3.0.2“醫療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間”中規定,急診搶救室、血液病房凈化室、產房、燒傷病房、ICU、早產兒室、血液透析室的涉及生命安全的設備及照明的自動恢復供電時間≤0.5 s;續表3.0.2中規定,手術室、術前準備室、術后復蘇室、麻醉室、心血管造影檢查室、大型生化儀器的涉及生命安全的設備及照明的自動恢復供電時間≤0.5 s。對于自動恢復時間≤0.5 s的負荷,應設置UPS裝置,以保證供電可靠性。

GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》[2]中第6.3.3條規定:為信息網絡系統供電時,UPS的額定輸出功率應大于信息網絡設備額定功率總和的1.2倍;對其他用電設備供電時,其額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍。根據此規定,可以計算出UPS裝置的額定輸出功率。

2 應急電源持續供電時間

JGJ 312—2013《醫療建筑電氣設計規范》中第4.4.1條規定,三級醫院應設置應急柴油發電機組,二級醫院宜設置應急柴油發電機組;第4.4.5條規定,柴油發電機組的選擇應符合下列規定:對于柴油發電機組的供油時間,三級醫院應大于24 h,二級醫院宜大于12 h,二級以下醫院宜大于3 h;柴油發電機組應配有電壓自動調整裝置、快速自起動裝置及電源自動切換裝置,當正常供電電源中斷供電時應能自動起動,并應在15 s內向規定的用電負載供電,當正常供電電源恢復供電后應延時切換并停機;第4.4.6條要求,中斷供電時間≤0.5 s的一級負荷中特別重要的負荷應設UPS。

根據以上規范要求可知,三級醫院的應急電源持續供電時間不小于24 h,二級醫院宜大于12 h,二級以下醫院宜大于3 h。為滿足醫院重要負荷的自動恢復供電時間要求,各級醫院應急電源設置如表1所示。

表1 各級醫院應急電源設置

根據JGJ 312—2013《醫療建筑電氣設計規范》中第4.4.7條規定,應急電源為柴油發電機組時,UPS裝置的應急供電時間不應小于15 min。對于二級、三級醫院12 h以上的應急電源持續供電時間,采用大容量柴油儲罐來滿足應急電源供電時間是相對經濟且滿足規范要求的選擇。另外,因為柴油發電機起動需要15 s的時間向重要用電負載供電,對于自動恢復供電時間小于0.5 s的負載,應采用UPS作為柴油發電機組起動前的應急電源供電過渡[3]。

3 應急電源形式選擇

選擇柴油發電機組時,應根據柴油發電機組負載種類來確定柴油發電機組等級。柴油發電機組性能等級如表2所示。

表2 柴油發電機組性能等級

對于一般民用建筑設計,使用較多的是G2級柴油發電機組;對于常規醫院項目,建議采用G3級柴油發電機組[4]。

選擇UPS時應考慮規范要求和產品特點。

(1)根據JGJ 312—2013《醫療建筑電氣設計規范》第4.4.6條要求,中斷供電時間≤0.5 s的一級負荷中特別重要的負荷,應設UPS(宜為在線式)。

(2)UPS裝置分為在線式和后備式兩種。后備式在市電正常時直接由市電向負載供電,當市電故障時通過轉換開關轉為電池組為負載供電,供電轉換有切換時間,不能滿足自動恢復供電時間小于0.5 s的要求。在線式在市電正常時,由市電通過逆變器向負載提供交流電,在市電故障時由電池組提供供電,逆變器始終處于工作狀態,保證無間斷輸出,無切換時間,特別適合對電源要求較高的場合。

(3)設置UPS的負荷均為一級負荷中特別重要的負荷,建議選擇在線式[5]。

4 設計實例

上海某三級醫院總建筑面積約為32 205 m2,其中地上建筑面積為19 605 m2,地下建筑面積為12 600 m2。其中,-1F為設備用房、民防急救醫院和停車庫,1F為住院大廳及食堂餐廳,2F為大型醫技設備機房,3F為DSA和檢驗科,4F～12F為病房區。

4.1 供配電系統

由市政提供兩路10 kV電源供電,并設置柴油發電機作為備用電源。當一路電源發生故障時,另一路電源不應同時受到損壞。10 kV市政電源發生故障時,15 s內自起動應急柴油發電機組,以保證一級負荷中特別重要負荷的供電可靠性。

4.2 應急電源系統(除消防)設置

(1)應急柴油發電機組。-1F設置1處柴油發電機房,機房內設柴油機組1套,為該項目中一級負荷中特別重要負荷提供應急電源。

(2)UPS。火災自動報警控制系統、重要通信機房、安保系統、緊急廣播系統等除采用雙電源末端切換外,還設置UPS,以保障其供電可靠性。UPS由弱電承包商提供,連續供電時間不少于15 min或根據設備要求。

(3)醫療UPS裝置。根據規范要求,DSA、大型生化儀器、重癥監護室等重要醫療設備、涉及生命安全的電氣設備及照明均設置UPS配電系統,以保障其供電可靠性,連續供電時間不小于15 min。另外,UPS均自帶檢修旁路。

4.3 UPS設置

各科室UPS裝置設置情況如表3所示。

表3 各科室UPS裝置設置情況

UPS裝置供配電系統如圖1所示。

圖1 UPS裝置供配電系統

4.4 應急柴油發電機組設置

按穩定負荷計算,重要負荷(需帶入柴油發電機組的)和消防負荷容量分別為760 kW、922 kW。根據對比,選擇按穩定負荷中的消防負荷功率來計算柴油發電機組容量。根據計算,-1F設置1處柴油發電機房,機房內設750 kW柴油發電機組1套。經查柴油發電機組的產品樣本,750 kW柴油發電機組的耗油量為204 L/h,24 h總耗油量為4 896 L,暖通專業室外埋地油罐容量為6 m3,滿足24 h耗油量需求。

5 應急電源系統選擇的經濟性

5.1 柴油發電機組經濟性

二級、三級醫院的柴油發電機組需維持12 h以上的應急供電時間,選擇油耗低的柴油發電機組,可以適當降低室外油罐容量,減少初期投資。同時后期使用過程中,柴油儲罐內柴油需定期檢查更換,選擇油耗低的柴油發電機組,后期維護中柴油更換的費用相對較低。

5.2 UPS裝置的經濟型

(1)UPS中常用電池種類主要有兩種,分別是免維護鉛酸蓄電池和鋰電池。2種UPS電池比較如表4所示。

表4 2種UPS電池比較

通過對比可知,鋰電池循環使用次數和能量密度均遠高于鉛酸蓄電池,但鋰電池造價是鉛酸電池的3倍多。對于不同類型的項目,業主可根據各項目實際需求情況來選擇采用何種類型的UPS電池組。

(2)鋰電池體積約為鉛酸蓄電池的2/3,對于機房面積緊張的醫療建筑,選擇鋰電池是一種解決機房面積不足的可選方案。同時鋰電池的重量常規只有鉛酸電池的1/3左右,如選擇鋰電池,UPS機房荷載可降低,對于土建成本有一定降低。

(3)鉛酸電池的電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液;鋰電池主要由鋰金屬或鋰合金為電極材料,使用非水電解質溶液。鋰電池在生產、回收方面,相對鉛酸電池更加環保。

6 結 語

醫療建筑一級負荷中特別重要負荷較多,特別是自動恢復供電時間小于0.5 s的負載,因此此類負載設置完善的應急供配電系統不僅可以保證供電的可靠性、穩定性,也能減少電氣機房面積,提高電氣系統的經濟型。