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面对极端自然灾害,如何用应急电源助力打造“韧性”医院?

发布时间:2021-12-13 16:04    作者:星立方科技     浏览次数:
/王磊 清华大学建筑设计研究院有限公司
从人类诞生之初经历冰河时代,到人类发展过程中无数次的地震、海啸、洪水,自然灾害就一直书写在人类史的字里行间。所谓自然灾害,是站在人的角度认定的,对我们产生有害影响的自然现象,包括洪涝、干旱、台风、冰雹、暴雪、海啸、雷电等气象灾害,也包括火山、地震,泥石流等地质灾害。虽然科技的发展可以降低灾害的损失,却无法完全避免,如何应对自然灾害,并将其造成的损失减少到最小,是我们所必然面对的问题。
 
自然灾害与“韧性”医院
自然灾害可能导致市政设施受损和失效,而城市的重要功能却不能瘫痪,基础设施要维持基本正常,其中,医院就是必须要保证正常运转的部门之一。医院的重要性体现在两个方面:首先,医院内的很多患者需要医疗设施正常工作才能维持生命;另一方面,当出现自然灾害时,医院作为救助伤患的重要机构,也必须正常工作。因此,防灾减灾领域在“韧性城市”基础上引申出了“韧性医院”的概念。
所谓“韧性医院”,是指医院在战争、自然灾害等非正常状态下,仍具备正常功能的能力。想实现医院的“韧性”,我们可以通过灾害预警提前做好准备,提升重点部门的抗击打能力,综合考虑规划、设计、建设、运维、管理等多个阶段。而这其中,应急电源是最基础和重要的一环。
电源对于现代医院的重要性不言而喻,从照明、通风空调、竖向交通,到净化、大型影像设备、消毒、中心供应以及信息系统,都离不开电力的供应,停电将导致医院大部分功能的丧失。一般情况下,大型综合性医院多由多路市政电源供电,在常规情况下,可以满足大型医院供电的可靠性和连续性。但如果发生自然灾害等极端情况,仅靠市政电源可能会无法保证医院的供电。
以美国德州2020年2月份的寒流为例,由于气温骤降,导致燃气发电的输气管道内结冰,全州68%的燃气发电机无法正常运行,20%的风力发电机组由于叶片冻结等原因失效,部分煤电和核电也因水管损坏而退出电网。以上原因导致全州发电量下降至正常值的52%,多地停电超过40小时。
时间退回2008年1月,我国南方大范围的冻雨一方面导致高压线覆冰厚度超过设计值,致使断线和电杆倾覆,输电系统受损严重。另一方面,冻雨导致铁路、公路系统瘫痪影响了煤炭运输,发电系统供给不足,又影响了高铁供电,进一步加剧了电力系统失效的范围,从而造成南方多省自2008年1月至2月期间大规模停电,损失超过1500亿元人民币。
2021年7月,因为台风“烟花”和大气环流的影响,降雨云团在河南长时间滞留,造成河南省郑州、洛阳等地发生高强度、长时间、大范围降雨,城市积水,多处电网损坏,且医院的地下变电室和机房被淹,造成长时间停电,严重影响了医院运行。
从上述几个案例可以看出,基于市政基础设施的供电环节多、网络结构复杂,在极端自然灾害情况下,并非完全可靠,因此,对供电连续性和可靠性要求较高的医院,在接入市政电源的同时,还需要设置相应的应急和备用电源系统。
 
应急和备用电源
医院通常使用的应急电源主要有UPS和柴油发电机两大类,其中柴油发电机又可分为固定式发电机和移动式发电机,另外,还有一些大型医院设置热电联供的动力中心,或者大型的光伏发电和风电,前者的应用受多种条件限制,占比较小,后者由于供电的可靠性较低,无法作为持续性的应急电源。故下文仅讨论UPS及固定与移动发电机的应用。
UPS即不间断电源系统,用电池存储化学能,通过整流、充电、存储、逆变等环节保证供电的连续性和提供高质量电能。
柴油发电机由柴油机和发电机构成,通过发电机将柴油机的机械能转换为电能。固定式发电机在医院内永久设置,外电源失效时接入配电网络。
临时或移动式发电机采用车载式、集装箱型、或小型移动机组,既可以平时备用,也可临时租用,在需要时接入重要配电系统,提供应急和备用电源。
为充分了解不同应急电源的特点,下表就从供电容量、供电质量、切换时间、供电持续时间、占地、投资、环境影响、安全性、维护、供电负荷类型等方面进行比较。

从上表可以看出,UPS主要用于对供电连续性要求高的特别重要负荷,主要应对电压波动、电源短时中断,相对投资较高,容量选择比较灵活,一般为特定的重要负荷末端供电。由于UPS供电时间短,当发生较大自然灾害,市政电源受损时,UPS无法满足较长时间的供电要求。
固定发电机是最常见的应急和备用电源,在现有国家规范中,三级医院要求必须设置发电机。发电机可靠性高、联网方便、性价比高,是现阶段不可替代的应急和备用电源类型。柴油机的劣势在于有一定火灾危险性,噪音、烟气影响医院环境,需要有相应的处理措施。固定发电机锁安装时占的空间较大,一般在医院都放在独立的动力中心,或者在地下层专用设备机房内安装。这就带来了一个问题,当发生地震、水灾等极端自然灾害,位于地下层甚至首层的发电机房有受损的可能,无法保证供电的连续性。另外,固定柴油发电机通常在变配电室低压柜进行电源切换,如中心变配电室受损也会影响应急供电。
针对上述问题,移动式发电机提供了极端情况下的补充方案,去应对固定发电机受损时重要负荷的供电问题。平时可不安装,需要时接入,发电机容量根据负载选择,比较灵活,可接入负荷末端。主要劣势在于电源的转换时间较长,通常是应对有计划的停电。医院在应急预案时应采购必要的设备或考虑好租用发电机的渠道,要在前期做好规划,后期制订完善的应急预案,包括发电机的放置位置,接入电源的转换方式,供油方式,排烟降噪措施等,做到充分准备,未雨绸缪。
总之,在发生极端自然灾害时,维持医院供电的连续性是建设“韧性”医院必须考量的重要指标。由于市政电源存在损坏的可能,“韧性”医院必须设置自备的应急和备用电源,并应根据应急电源的特点、发生自然灾害的风险类型、持续时间、影响程度选择相应的电源方式,保证医院核心功能的正常运行。

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