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[文章介绍] 2020.4|李蔚,等:武汉火神山医院电气设计疑难问题解析

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发表于 2020-4-27 12:41:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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武汉火神山医院电气设计疑难问题解析

李蔚  陈车  蔡雄飞(中信建筑设计研究总院有限公司,武汉市 430014)

摘  要:以国家现行规范和标准为依据,围绕武汉火神山医院电气与智能化系统设计,从笔者在线直播时全国网友们提出的200余条相关问题中,挑选、归纳出“针对性强、关注度高、带共性”的10类重点及难点问题进行详细解析,可供类似的“呼吸类应急传染病医院”电气与智能化系统设计与施工参考借鉴。

关键词:供电可靠性;整体设计方案;配电接线方式;医疗IT系统;紫外线消毒灯;压差监测;网络架构;模块化设计


武汉火神山医院是一座集中收治新冠肺炎患者的首个武汉版“小汤山”医院,是2020年全国抗击疫情的桥头堡,是打赢疫情防控阻击战的一项标志性工程。

1月23日,中信建筑设计研究总院有限公司(以下简称“中信设计”)接到必须在最短时间内完成武汉火神山医院的紧急设计任务。中信设计临危受命,以“疫情就是命令、现场就是战场、时间就是生命”为动员令,迅速组建了60多名具有丰富设计经验的设计师组成的项目团队,通宵达旦、加班加点,分秒必争、全力以赴投入到这场阻击战中,最终实现了5 h提交场地平整设计、24 h确定设计方案、60 h交付施工图设计文件,并在项目现场全程配合施工,为该项目连夜开工平整场地、10天完成交付投用创造了至关重要的条件。

万众瞩目的火神山医院为抗击疫情、救治患者赢得了宝贵时间,也创造了工程建设史上的一项奇迹。

2月14日14:00 - 15:30,笔者通过线上直播的方式,详细解析了武汉火神山医院电气与智能化系统设计要点与难点,并从全国网友们提出的200余条相关问题中,挑选出105个问题进行了认真解答。本次直播回放,受到全国网友们的欢迎和好评,阅读关注量短时间内即超过了20 000人次。

为突出重点、节省篇幅,笔者又进一步从这105个问题中,挑选、归纳出“针对性强、关注度高、带共性”的10类重点及难点问题,聚焦发力、详尽解析,以供类似的“呼吸类应急传染病医院”电气与智能化系统设计与施工参考和借鉴。这10类问题主要涉及:负荷计算、箱式变电站与发电机组的配置、整体设计方案、低压配电接线方式、医疗IT系统、电气设备安装与管线敷设、火灾自动报警系统、智能化系统、电气模块化设计等方面。


1 问题1:每间病房的用电负荷指标是多少?负荷计算时,需要系数、同时系数怎么考虑?为什么每个护理单元设置一台630 kVA室外箱式变压器?如何确保供配电系统的安全性和可靠性?

解析:武汉火神山医院包括1号住院楼及2号住院楼,共设有17个护理单元,其用电负荷计算是项目供配电系统设计、变压器容量选取的关键。

本项目每间负压病房的用电负荷包括分体空调(带电辅热)、电热水器、电开水器、电热油汀、浴霸、送排风机等。根据暖通空调、给排水等专业所提负荷资料,结合本专业用电需求,本设计每间病房的负荷指标按8 kW选取。每2间病房组成一个病房单元,在其缓冲间内设置一处配电箱,为该2间病房所有用电负荷供电,其配电箱系统见图1。
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由于应急项目的建筑特点,本项目在设计上采用模块化、集装箱结构,17个护理单元在病房设置上基本一致,每个护理单元设25间病房。

基于以上建筑特点,主要进行一个护理单元的用电负荷计算,进而确定整体用电容量。据上,每间病房用电负荷指标为三相供电8 kW,则一个护理单元25间病房总用电容量为200 kW。公共区域用电负荷容量为180 kW(含照明、插座、风机、走道空调等),风机的电加热用电容量为231 kW,则一个护理单元总容量为611 kW。

一个护理单元用电负荷计算书,见表1。表中各配电干线需要系数Kx取0.75或0.80,有功同时系数K∑p取0.80,无功同时系数K∑q取0.93。根据计算结果,每个护理单元选用一台630kVA室外箱式变压器,其负载率为61.1%。

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作为应急传染病医院,武汉火神山医院供配电系统设计的安全性、可靠性至关重要,它直接关系到病人、各类医护人员的生命安全。为此,本设计采取了以下技术措施:

a.  由城市电网引来10 kV双重电源,它们来自城市不同变电站,相互独立、同时工作、互为备用。正常运行时,主供1回供电容量为7 300 kVA,主供2回供电容量为7 300 kVA,当任意一电源失电时,合上户外环网箱联络开关,另一路电源可承担全部容量。

b.将相邻两个护理单元的2台箱式变电站在低压联络成组,分列运行、互为备用。当其中一台变压器故障断电时,仅需切除风机的电加热负荷,另外一台变压器可以承担两个护理单元的其它所有用电负荷(包括病房区空调)。当2台变压器均故障断电时,应急柴油发电机组作为自备应急电源,可以承担除风机的电加热负荷外两个护理单元的全部用电负荷。

c.成组的这2台变压器10 kV高压电源进线,分别来自城市电网10 kV双重电源,二者互不影响、互为备用。而且,成组的这2台变压器0.4 kV低压出线回路,除风机的电加热负荷外,其他所有负荷(包括空调)均采用“主供 - 备供”双电源回路供电,并同时配有发电机组电源回路作应急备用,即采用“主供 - 备供”、“市电 - 发电”两级双电源切换供电。

d.手术室、检验科、ICU及弱电机房等,均设置应急供电时间不少于30 min的在线式UPS不间断电源,作为发电机组稳定输出前的过渡使用。

e.分区域、分类别设计供电干线、支干线。干线至支干线、支干线至支线,均采用放射式供电。

通过以上技术措施,确保了本项目供电电源、供电线路、供配电系统的安全性、可靠性。



2 问题2:医疗建筑变压器安装容量一般按多少W / m2估算?本项目负荷指标比一般医院高不少,是如何考虑的?哪些负荷需要接入应急发电机组供电?

解析:医疗建筑变压器装机容量一般按80~120 VA/m2进行估算,需要用电采暖及风机电加热的医院,建议变压器安装容量按150~300 VA / m2取值估算(根据地区气候条件调整)。

本项目单位面积的变压负荷指标较大(约422 VA/m2),一是因项目的特殊性,配置标准高,相关专业用电需求很大,二是为了充分利用既有条件,将可供项目应急用的成品箱式变电站全都用上,也为项目后期扩建、设备扩容、突发情况留有充足的用电裕量。

其他医疗建筑项目,若配置标准较低,分体空调(带电辅热)、电热水器、电开水器、电热油汀、浴霸、风机电加热等配置不全或容量较小时,应根据实际情况,降低变压器容量指标,维持在80~120 VA/m2较好。

类似的应急医疗建筑,除病房区空调、风机的电加热负荷外,其它所有负荷均应按重要负荷供电,均须纳入应急发电机组的供电范围,确保供电可靠性。
当有条件时,建议仿照本项目,进一步将病房区空调也纳入重要负荷,由发电机组应急供电,以保证病房区空调用电可靠性,因为医疗专家认为:提高室内温度有利于病人康复。


3 问题3:本项目供配电系统整体设计方案是怎么考虑的?室外箱式变电站、箱式柴油发电机组是如何配置的?

解析:武汉火神山医院是一个应急项目,工期非常紧张,又恰逢春节期间。如设置专用变配电所,在配电设备生产、运输、现场施工安装等方面,存在周期长、人力不足、技术短缺等问题,加之配电柜(箱)相对集中,管线预埋、线缆敷设的距离远,施工周期将更长。而成品室外箱式变电站,托运安装方便、分布灵活多变、配电安全可靠,尤其是可节省配电柜生产、安装、调试时间,大大缩短施工工期。故本设计选用室外箱式变电站。

供配电系统整体设计框图如图2所示。在室外设置10 kV户外环网箱4台,分别为24台室外箱式变配电站供电。正常运行时,2#、3#户外环网箱中的环网开关处于断开状态,由10 kV主供1回电源为1#、2#户外环网箱供电,由10 kV主供2回电源为3#、4#户外环网箱供电。当任意一电源失电时,可手动合上2#、3#户外环网箱中的环网开关,由另一路电源为全部负荷供电。

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根据本项目建筑特点,在建筑物外围周边、靠近各护理单元(楼栋)的用电负荷中心处,设置10 / 0.4 kV室外箱式变压器24座,其中630 kVA室外箱式变压器20座,500 kVA室外箱式变压器4座,根据用电设备负荷容量计算结果,变压器两两成组,互为备用。

同时设置室外箱式柴油发电机组16台,其中常用功率600 kW发电机组12台,常用功率500 kW发电机组4台,发电机组自带日用油箱,储油量不小于8 h,且留有供油接口,地块北侧为中石化知音大道加油站,可保证柴油可靠供应。

室外箱式变压器、柴油发电机组配置表见表2。
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4 问题4:低压配电系统的接线方式是如何考虑的?如何实现两个箱式变电站低压侧母线之间的联络、箱式变电站与发电机组之间联络与电源转换?是否有必要选用与变压器同容量的柴油发电机组?发电机组启动信号取自哪里?

解析:两台变压器成组、配置应急发电机组,是很重要且常用的低压配电系统形式,其接线方式通常有以下3种:

方式一:如图3所示,两台变压器低压母线联络,发电机应急母线分为“消防负荷”“非消防重要负荷”两段应急母线III、IV,它们分别配有各自的发电机出线保护总开关、“市电 - 发电”互投切换开关,备供线路一直处于热备用状态。
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方式二:如图4所示,两台变压器低压母线联络,发电机与其中一台变压器的低压总开关联锁切换,发电机应急母线为一段,不区分消防负荷、非消防重要负荷,备供线路一直处于热备用状态。
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方式三:如图5所示,两台变压器低压母线不联络,发电机配电屏馈出多路应急电源线路,它们平时一直处于冷备用状态。

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对以上3种接线方式进行研究比较,可知:

a.对方式一,因“非消防重要负荷”应急母线IV、“消防负荷”应急母线III分开,可认为“应急电源系统专用、没有接入其他负荷”,满足GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》3.0.3条“一级负荷中特别重要的负荷供电 …… 除应由双重电源供电外,尚应增设应急电源,并严禁将其他负荷接入应急供电系统”的要求。所以,相比较而言,此种接线方式最可靠、最合理,是重要工程项目低压配电系统接线方式的首选。

b.对方式二,接线方式简洁、有效,特别适合选用与变压器同容量的柴油发电机组。缺点是发电机应急母线没有区分“消防负荷”“非消防重要负荷”,它们因共用保护总开关而相互影响,故其供电可靠性不如方式一。

c.对方式三,因两台变压器低压母线不联络,发电机应急电源线路平时一直处于冷备用状态,所以供电可靠性不如方式一、方式二。

本项目属应急工程,时间短、任务重,设计必须因地制宜、就地取材。由于变配电设备只能采用成品室外箱式变、箱式发电机组,而成品箱式变之间、箱式变与发电机组之间,没有时间、空间和条件对柜内母线进行联络改造,也无法在柜内增设电源切换开关。

因此,根据现场实际情况,经综合考虑,本项目低压配电系统的接线方式采用方式三,在室外箱式变、箱式发电机组的外部,增设室外、室内两处双电源切换箱,对重要负荷形成“主供-备供”“市电-发电”两级切换供电方案。

本设计选用的发电机组容量与变压器容量基本相同,以提高重要负荷的供电可靠性。发电机组的自启动信号,取自成组2台箱式变的低压总出线开关K1、K2的电源端电压的“与”逻辑信号,即当发电机控制屏接收到成组的2台箱变均全部失电的信号时,机组立即应急自动启动,15 s内稳定输出、持续为负荷供电。


5 问题5:哪些场所需要配置医用IT系统?其特点、目的是什么?1类和2类医疗场所,为何应选用A型或B型剩余电流保护器?

解析:根据GB 50849 - 2014《传染病医院建筑设计规范》第8.1.2 条:手术室、抢救室、重症监护病房等2类医疗场所的配电应采用医用IT系统,应配套装置绝缘监视器,并满足有关监测要求。又根据GB 51039 - 2014《综合医院建筑设计规范》第8.3.5条:每一个医用IT系统,应设置显示工作状态的信号灯和声光警报装置。声光警报装置应安装在便于永久性监视的场所。

医用IT系统的特点:通过隔离变压器二次回路导体不接地,电气设备外露可导电部分接到电气装置的PE线上,并设置辅助等电位联结。当出现接地故障时,故障电流仅为流过自隔离变压器到手术设备之间一小段非故障线段极小的对地电容电流。因此,故障时可以不切断电源,使电气设备继续运行,并可通过报警装置及时检查、消除故障。

由此可见,上述2类医疗场所采用IT系统,其目的就在于,可大大提高系统供电的可靠性,既保证直接接触患者心脏等重要器官的电气设备回路不产生微电击,同时保证生命支持系统的电气设备持续供电。

根据GB 51039 - 2014第8.4.2条及JGJ 312 - 2013《医疗建筑电气设计规范》9.3.7条:1类和2类医疗场所,应选择安装A型或B型剩余电流保护器(RCD)。
这是因为:医疗场所带有大量电子元件的医疗设备日益增多,电气线路中出现非正弦交流剩余电流情况也越来越多。传统的AC型RCD只适用于正弦交流剩余电流的保护,已不能适应医疗场所的用电安全需要。

而A型RCD是在AC型基础上,增加了对脉动直流分量的剩余电流保护;B型RCD又进一步在A型基础上,增加了对直流平滑故障电流的剩余电流保护。所以,只有选用A型或B型RCD,才能满足1类和2类医疗场所对用电安全的严格要求。


6 问题6:哪些场所应设置紫外线消毒灯?空气消毒机能否替代紫外线消毒灯?设有空气消毒机的病房,其卫生间是否还要设紫外线消毒灯?

解析:根据JGJ 312 - 2013第8.3.5条、GB 50849 - 2014第8.2.3条:在清洁走廊、污洗间、卫生间、候诊室、诊室、治疗室、病房、手术室及其他需要灭菌消毒的地方应设置杀菌灯。杀菌灯与其他照明灯具应用不同开关控制,其开关应便于识别和操作。

消毒灯应采用专用开关控制,不得与普通灯开关并列,并应有防误操作措施、应有专用标识,距地宜为1.8 m。消毒灯应安装在空气容易对流循环的位置,以使消毒充分。

候诊室、走廊等公共场所或平时有人滞留的场所的消毒灯,宜采用间接式灯具或照射角度可调节的灯具。紫外光线不得直接射到医护人员和病人视野内,灯具控制应采用时间控制,点灯延时开关的时间整定为10 min左右,避免产生眩光、光灼伤或致盲、致癌等危险。

空气消毒机可以替代紫外线消毒灯,设有空气消毒机的病房,其卫生间还宜预留插座供移动紫外线消毒灯用电,以进一步确保消毒效果。

对室内空气的消毒可采取的方法有:① 间接照射法:首选高强度紫外线消毒机或消毒灯,不仅消毒效果可靠,而且可在室内有人活动时使用,一般消毒30 min即可达到消毒合格。② 直接照射法:在室内无人条件下,可采取紫外线灯悬吊式或移动式直接照射。采用室内悬吊式紫外线消毒灯时,灯管距地宜为1.8 ~ 2.2 m。室内安装紫外线消毒灯(30W,1.0 m处的强度大于70 μW / cm2)的数量为平均每m3不少于1.5 W / cm3,照射时间不少于30 min。


7 问题7:为避免交叉感染,配电设计、设备安装与管线敷设时应注意什么问题?

解析:为避免交叉感染,保证设备后期控制、维护人员的安全,清洁区、半污染区及污染区的配电应分开设计。本项目绝大部分配电箱(柜)、控制箱(柜)都是安装在对清洁区或室外开门的配电间内,只有末端病房配电箱明装在缓冲区的墙面上;本项目除病房医疗设备带上插座外,其他插座也都是明敷在墙面上。

本项目公共走道上的供电干线沿电缆桥架敷设,支线主要穿阻燃塑料线槽沿顶板或墙面明敷。电缆桥架、线槽、线管等应尽量避免穿越污染区、半污染区与洁净区之间的界面,当必须穿越区域之间的界面时,隔墙缝隙及槽口、管口应采用不燃烧材料可靠密封,防止交叉感染。

负压病房内的开关、插座、灯具、信息插座等电气设备及进出负压病房的所有管线和接线盒,均应进行可靠的密封处理。线槽及穿线管应采用不燃烧材料,开口处及穿墙的墙缝均应严密封堵。

各智能化系统的线槽及穿线管的口部应可靠密封,穿墙缝隙应严密封堵。


8 问题8:本项目采用的是集装箱式结构,电气设计在消防方面是怎么考虑的?

解析:因该项目为短期应急工程,且为单层(局部二层)建筑,为减少施工工期,本项目在门厅、公共走道、病房、诊室、检查室、检验室、手术室、库房等场所设置自带蜂鸣器的无线独立式光电感烟火灾探测器,无需布线、即装即用。

火灾探测器采用NB - IOT物联网无线通信技术,当火灾发生时,可利用电信、移动、联通三大运营商网络,经过云平台将火灾报警信息通过电话、短信、APP等多重方式发送到手机或后台计算机(设于本项目北侧火神山医院消防站内),可有效指导疏散及灭火。

利用设于室外的高音喇叭及医护走廊的公共广播兼作本项目消防广播,利用现有普通电话系统、医护对讲系统、无线对讲机兼作消防电话系统。


9 问题9:哪些部位需设置压差监测装置?压差监测只做报警用,还是有其他联动功能?病房区通风机启停顺序的联锁控制应满足什么要求?智能化系统设计中,Internet外网、医护办公内网、安防网等信息系统的网络架构如何构成?在安防系统出入口控制方面,采用何种识别方式,是基于有线网还是无线AP?

解析:本项目在污染区(病房)与污染区(病人走道)、污染区(病房)与半污染区(医护走道)、半污染区(医护走道)与半清洁区(一般走道)、半清洁区(一般走道)与清洁区(洁净走道)之间,均设置有压差监测装置。为适应工期要求,压差监测只提供报警,未设计联动控制。

根据GB 50849 - 2014第9.3.3条:负压病房与缓冲间(缓冲走廊)的空气压差应保持5~10 Pa。压差监测装置应安装于缓冲间的门口,当压差异常时应立即声光报警。

病房区通风机启停顺序的联锁控制应满足以下要求:① 开机顺序:医护走道风机 - 病房排风机 - 病房送风机;② 关机顺序:病房送风机 - 病房排风机 - 医护走道风机。

本项目因工期急迫,未设置设备监控系统(BAS)。走道的送、排风机之间单独加联锁控制,开风机时只能先开排风机,再开送风机;关风机时,只能先关送风机,再关排风机。病房送风机和排风机之间也单独加联锁控制,病房有病人入住时,其内风机一直保持常开状态。

其它类似项目,工期允许时宜建立统一的设备监控系统(BAS)。工期不允许时,可不做集中的设备监控系统(BAS),但各个病区、医技楼以及ICU楼的设备应独立自成系统,以便于病区条件成熟一栋就可交付一栋。同时,应立足于设备自带的控制器(控制箱)来实现对设备的顺序启停、联锁、互锁控制。

本设计负压病房采用自平衡系统,其相关通风管道上的阀门均采用手动,平时全开,系统一次调试到位,运行后不再调整。项目当时的现场条件是电动调节阀采购困难,且考虑到后期系统调试繁琐,并有误操作的风险,因此采用手动调节,未采用自动调节。

本项目智能化信息系统设置有Internet外网、医护办公内网、安防网,其网络架构分为核心层、汇聚层、接入层。数据机房的核心交换机具有双向虚拟功能,既可一虚多,也可多虚一,灵活调配。原则上三张网物理隔离。服务器方面部分采用虚拟化。医技部分信息存储采用云存储,安防监控系统采用本地存储,存储容量按90天设计。

网络接入为移动和电信双运营商,双路由、双核心、双链路。要求每家运营商都是:外网40G下行带宽,内网1G下行带宽,安防网1G上行带宽。

信息系统网络架构示例,见图6。
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在安防系统出入口控制方面,常规“密码、指纹、掌纹”等接触式识别方式,易导致医护人员接触式交叉感染,而虹膜、人脸识别、IC卡等非接触式的识别方式,因医护人员穿防护服、戴防护目镜和手套,不适合使用。为方便医护人员使用操作,设计采用了“腕带手环终端”(RFID - M1卡)的非接触式识别方式,读卡器以有线方式接入安防网。


10 问题10:本项目电气与智能化系统是否采用了模块化设计,具体包括哪些做法?

解析:为确保本项目快速、高效实施,电气与智能化系统采用了大量的模块化设计做法,具体包括:

a.供配电设备模块化:采用成品的箱式变电站和箱式柴油电站供电,箱式变电站和箱式柴油电站按护理单元分散布置,深入各负荷中心,既节材节能,又可同时快速施工。

b.信息网络设备模块化:数据机房及配线间设备采用成品标准42U机柜,UPS不间断电源选用模块化产品。配线间按护理单元分散设置,节材节能且便于同时快速施工。

c.配电系统模块化:功能一致的区域均采用模块化设计,如各病房护理单元为一个统一模块,统一配置各级配电箱,尽量减少配电箱种类,病房分配电箱采用国标通用模数配电箱,可快速成批采购安装。

d.信息系统模块化:以护理单元为模块,统一配置各层网络交换设备,尽量减少交换机、配线架等种类,可快速成批采购安装。

e.病房内部电气设施模块化:病房内照明灯具、电源插座、网络插座、火灾探测器、医疗设备带等,统一标准布置,可在工厂或现场大规模批量安装。

f.病房内部智能化设施模块化:病房内的电话插座、信息网络插座、AP天线、可视医护对讲终端、紧急报警按钮等智能化终端设备,均采用模块化、标准化设计。每间病房为一个标准单元,每个护理单元为一个分区,接入设备集中安装在本分区的配线间中,再集中通过主干光缆接入相关机房。

g.电气与智能化系统线路敷设标准化、统一化:敷设在公共走道的主干线路,统一沿桥架或线槽敷设;敷设在病房等区域的末端线路,统一穿阻燃塑料线槽明敷在墙面或顶板上。


参考文献

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[2] 中国建筑设计研究院. JGJ 312 - 2013医疗建筑电气设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.
[3] 国家卫生和计划生育委员会规划与信息司,等. GB 51039-2014综合医院建筑设计规范[S].北京:中国计划出版社,2014.
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[5] 李蔚. 建筑电气设计常见及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[6] 李蔚. 建筑电气设计要点难点指导与案例剖析[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[7] 李蔚. 建筑电气设计关键技术措施与问题分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.
[8] 陈车,李蔚,熊光,等. 武汉火神山医院电气设计要点分析[J]. 建筑电气,2020,39(3):3-8.



本文载于《建筑电气》2020年第4期,详文请见杂志。

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