淺析醫(yī)療場所UPS設計應用
隨著近年血液透析技術(shù)的發(fā)展和完善以及國家對醫(yī)保的不斷投入，血液透析的規(guī)模和應用得到了進一步的擴展和發(fā)展，各個醫(yī)院的血透室的規(guī)模也進一步擴大。同時，由于血液凈化設備屬于高風險的醫(yī)療設備，血透設備的臨床使用安全風險正日益成為關注的焦點。其中電源系統(tǒng)是血透室主要的動力來源，血透室需要有穩(wěn)定的電源供給，良好的電源系統(tǒng)能排除潛在的隱患，保證透析室的供電安全。若是電壓波動較大，負荷太大和UPS問題導致跳閘問題的出現(xiàn)，故而需要定期檢查市電逆變供電模式正常工作，增添新血透機時要特別關注UPS負載能力，一般負載率在50%~80%，測試雙UPS的冗余系統(tǒng)是否工作正常等，在本文中簡要介紹了UPS設計要求、UPS設置說明以及UPS應用的醫(yī)療場所，重點以透血室為研究對象對其UPS的設計進行討論。
哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院，始建于1902年，原名中東鐵路醫(yī)院，是一所集醫(yī)療、教學、科研為一體的三級甲等綜合性醫(yī)院，有著百年的歷史底蘊。2004年并入哈爾濱醫(yī)科大學。醫(yī)院占地總面積40萬平方米，江南院區(qū)8萬平方米，松北院區(qū)32萬平方米。開放床位2889張，現(xiàn)有職工3573人，其中中、高級職稱專家1409人。
醫(yī)療方面，醫(yī)院設置三級學科39個，89個臨床病房，醫(yī)學影像科為國家臨床重點專科建設項目所在科室。泌尿外科、產(chǎn)科、呼吸科、感染科為黑龍江省重點專科。省級醫(yī)療質(zhì)控中心8個，包括醫(yī)學影像醫(yī)療質(zhì)量控制中心、臨床藥學醫(yī)療質(zhì)量控制中心、牙周病科醫(yī)療質(zhì)量控制中心、介入科醫(yī)療質(zhì)量控制中心、手顯微外科醫(yī)療質(zhì)量控制中心、艾滋病醫(yī)療質(zhì)量控制中心、黑龍江省血友病醫(yī)療質(zhì)量控制中心、黑龍江省肥胖癥醫(yī)療質(zhì)量控制中心。省級診療中心8個，包括泌尿（男性生殖）系統(tǒng)疾病微創(chuàng)治療中心、微創(chuàng)整形美容中心、放射性核素診療中心、手足顯微外科與骨創(chuàng)傷治療中心、創(chuàng)傷骨科及脊柱外科治療中心、黑龍江省分子精準心血管病診療中心、危重孕產(chǎn)婦和新生兒救治中心、新生兒聽力障礙診治中心。
一 前言
因我國醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展，醫(yī)療機構(gòu)使用各種先進的精密醫(yī)療設備，這些設備中有很多設備會因為斷電問題影響到病患，甚至威脅到患者的生命安全，對醫(yī)院造成巨大經(jīng)濟損失，為此醫(yī)療場所對供電設備的設計要求較高，需要保證用電的可靠性和安全性，根據(jù)JGJ312－2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》中對中斷供電影響到患者生命安全和經(jīng)濟損失等影響程度進行等級劃分，按照負荷等級不同，市政電源進線與柴油機發(fā)電及配置等級提出不同的要求，尤其是對中斷供電時間≤0.5s的一級負荷中特別重要負荷，需要設置不間斷電源即UPS。
UPS作為不間斷電源，內(nèi)設有儲能裝置，主要是由逆變器構(gòu)成的一種恒壓恒頻率的電源，具有非常穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和抗電磁等功能優(yōu)勢，也是目前醫(yī)療建筑供電設計的強有力補充，在本文中會介紹UPS選擇、設計要求和醫(yī)療場所設計應用等。
二 UPS設計要求
�。ㄒ唬�UPS功能及作用介紹
在UPS發(fā)展之初，是作為一種備用電源。由于市電電網(wǎng)在用電高峰時極易產(chǎn)生諸如電壓涌浪、電壓尖峰、電壓瞬變、過壓或欠壓、電源中斷等質(zhì)量問題，從而導致用電設備如計算機系統(tǒng)、醫(yī)用設備、通訊設備、電子設備等受到干擾，造成電路硬件損壞、軟件破壞、信息丟失等嚴重后果。因此，UPS開始受到供電用戶的重視，并逐漸發(fā)展成為一種具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、濾波、抗電磁和射頻干擾、防電壓沖浪等功能的供電保護系統(tǒng)。
目前，我國市電電網(wǎng)的線路及供電質(zhì)量有待提高，故UPS在醫(yī)院醫(yī)用設備等方面的保護措施就顯得尤為重要。UPS的工作原理是，在市電正常供電時對市電電壓進行穩(wěn)壓等處理，同時市電對UPS電源的蓄電池進行充電。市電突然停電時，UPS能將內(nèi)部蓄電池的電能通過逆變器向外供電。
常規(guī)線式UPS電源在多種條件下都是由逆變電路系統(tǒng)給用電設備進行供電，采用這樣的方式可以實現(xiàn)電網(wǎng)與負載間處于完全隔離的狀態(tài)，確保負載和電網(wǎng)諧波污染不會造成影響，起到凈化電能的效果，故而輸出相對穩(wěn)定和高質(zhì)量的電能。
�。ǘ�UPS容量和時間選擇
計算機UPS裝置的額定輸出功率選擇表達式如式：
除計算機以外的其他負載使用UPS裝置的額定輸出功率，選擇依據(jù)：
在公式當中S_EUPC、S∑和S_EPS分別是指UPS裝置的額定輸出功率、工作的設備額定容量之和以及除計算機外的其他負載UPS裝置的額定輸出功率。
醫(yī)院醫(yī)療設備對于UPS的容量需求差異較大，按照實際項目中，結(jié)合目前關于醫(yī)院設備UPS調(diào)研成果，未有任何特殊要求下，本文提高的基礎輸出可以滿足多數(shù)設備的配置要求，如ICU、麻醉室和血液透析室等，每個場所每床按照2kW計算，每床需要UPS的容量為：
1.3×2∕0.85=1kVA
產(chǎn)房、燒傷病房、手術(shù)室按每間6kW計算，每間房所需UPS容量為：
1.3×6∕0.85=9.2kVA
最終，取整后，每間房需要的UPS的容量為10kVA。
在實際設計中，需要考慮到不同場所下床位數(shù)量、手術(shù)室數(shù)量對UPS進行計算，最終求得最終的總?cè)萘�，同時急診室、血液病房凈化室等場所需要根據(jù)選用的設備進行UPS配置，按照JGJ312－2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》對備用電源供電維持時間做出的要求，備用電源維持時間不得小于3小時，對應緊急電源為柴油發(fā)電機組的時候，UPS應急供電時間不得低于15分鐘，這表明若醫(yī)院使用或柴油發(fā)電機組作為應急電源，UPS可以作為市電電源和柴油發(fā)電機電源進行切換過度的電源，其最終持續(xù)不得低于15分鐘，因而可以默認為UPS應急供電時間越長，蓄電池的容量需要增大，對應的柜體數(shù)量也需要增加，這種奇怪看下機房面積需要擴大，相應的項目成本投入也會因此增大。
�。ㄈ�UPS裝置室的設置要求
1、USP裝置室的設計需要滿足接近負荷中心，確保進出線方便，不能設在如廚房、廁所等容易積水的場所下放，也不可以與上述場所相貼鄰，要考慮蓄電池采用密封閥對蓄電池控制時，所設計裝置室與蓄電池室可合并設置。
2、為滿足環(huán)保要求，UPS不間斷電源裝置的本體噪聲，在正常運行時不應超過75dB，小型不間斷電源裝置不應超過65dB。UPS室使用荷載標準值為8～10kN/m2，電池室使用荷載標準值為16kN/m2，醫(yī)院UPS間的電池室與UPS主機室一般放在同一房間，故可按16kN/m2給土建提資。
三 UPS設置說明
1、醫(yī)院場所UPS設置
（1）設置及選型
醫(yī)院的UPS可集中設置，可分區(qū)域集中設置，還可以在醫(yī)療設備末端分散設置。這三種設計方式有利有弊，具體表現(xiàn)為若是醫(yī)院場所項目功能比較復雜，所需要的UPS供電設備數(shù)量比較多，距離較遠，且分散的情況下若是選擇集中設置的方式，雖然可以減少機房設計占地面積，但是會由于UPS供電出現(xiàn)距離比較長，遠超過低壓電纜供電半徑的要求，使得線損率增大，相應的壓降數(shù)值也會增大，這種出現(xiàn)集中，但是不利于日常對線路的維護，若是手術(shù)室采用末端分散的設置方式，雖然每間手術(shù)室機房面積減小，縮短了原有的供電距離，但是因機房數(shù)量增多，最終總面積其實較大大，小面積機房的結(jié)構(gòu)荷載、通風條件以及環(huán)境溫度等均需要滿足規(guī)范要求，UPS設備外的投入成本資金金額較大，相應的后期維護成本也會增加。
UPS分區(qū)集中設置時，與完全集中設置相比，所需機房增多，機房總面積會有所增加，但各區(qū)域所需面積相對較小，設置的位置比較靈活，土建條件容易滿足，出線少且距離近，可以深入負荷中心。故該項目UPS機房采用的是分區(qū)集中設置。
對于醫(yī)院項目單層面積比較小，醫(yī)療場所設備布置較為集中的雖然可以采用配電型式及供電距離等都可以滿足規(guī)范要求，但分區(qū)集中設置與末端分散設置的機房多，機房總面積大，初始投資高，運維管理難度大。集中設置UPS可以減少安裝面積，在與土建配合的前期，要求UPS裝置室設在電井旁，可以縮短出線距離，方便UPS各出線回路的施工及安裝，且集中設置時過載能力高，維護方便。故項目UPS機房采用集中設置。
�。�2）UPS的設計應根據(jù)其電源輸入要求和動態(tài)輸出特性確定
UPS的額定容量數(shù)值是指UPS的最大輸出功率，其容量考慮需要參考總功率，若是選擇容量偏小，會加速對UPS裝置的損害，反之若是太大會造成額外的浪費，影響到投資成本，為此在選擇的時候考慮到負載的實際功率。常見的蓄電池容量計算方式有三種，但通常因為UPS所帶負載多為固定，采用恒功率方式會使得計算更為精準，其主要只是將電池從開始放電到端電壓下降至與臨界放電電壓結(jié)束，端電壓與放電電流數(shù)值乘積為常數(shù)數(shù)值。
以醫(yī)院的血透室為例，當前大中型血透室中心所配備的血液透析機器無定法滿足透析患者的需求，通常采用一天兩撥病人，假定透析設備透析兩例患者，一人序號耗時4小時，在未計算上級準備、預沖以及消毒等，正常一天透析裝置工作時間超過10小時，在這期間需要護士緊盯透析機，避免出現(xiàn)異常影響到患者。透析室透析機最大功率在8千瓦，水處理設備的最大功率約為20千瓦，其他輔助型設備最大功率表控制在1千瓦，因而需要合理的對血透室進行供電系統(tǒng)的設計。
因醫(yī)院自身的特殊性，電網(wǎng)供給采用到雙路供電方式，當其中一路因故障或者是其他原因停止后，可自動進行切換，血透室所用血透機采用到蓄電池進行供給，但是供給時間相對較短，為此在蓄電組容量選擇時要考慮負荷，尤其是醫(yī)院特級負荷和一級負荷若是長期處于停電狀態(tài)，病人會出現(xiàn)死亡的可能，為此需要通過內(nèi)燃機和蓄電池組對其進行持續(xù)供電，內(nèi)燃機發(fā)電功率需要滿足一級負荷級以上的的供電需求；蓄電池組則是要滿足二級負荷在短時間內(nèi)的供電。目前醫(yī)院在UPS電源系統(tǒng)構(gòu)成中可以分為整流模塊、儲能模塊和變換模塊等，在市電運行條件下可以直接為直流回路提供必要的電壓，后通過逆變器輸出，若是當突然停電后，蓄電池組可以迅速為其進行供電。
在本文中發(fā)現(xiàn)逆變器作為一項重要的數(shù)據(jù)指標，用于表示輸出電壓諧波含量，受到負載尤其是非線性負載的影響，會導致電網(wǎng)輸出的波形發(fā)生畸變，為此需要盡可能的抑制在非線性負載逆變器下波形失真問題進行改進，雖然目前對于該問題的解決提出了多種方法，但是其效果并不是很好，甚至有些測量較多的變量數(shù)據(jù)，增加了設計難度。故而在本文中對原有控制器內(nèi)膜進行改進。
在原有的基礎上增加了一個低通濾波器Q（Z），該濾波器可增強控制的穩(wěn)定性和可靠性。其改進后實則成為內(nèi)膜控制，改進型重復控制使用到逆變電源輸出電壓控制，其本質(zhì)思想是在系統(tǒng)運行期間，在每個周期相同時間節(jié)點會出現(xiàn)相同的外部干擾，以此為基礎，對誤差信號進行處理和矯正，以此來消除不同周期波形突變。
2、UPS設置方式及比較
醫(yī)院的UPS可集中設置，可分區(qū)域集中設置，還可以在醫(yī)療設備末端分散設置。對于大型三甲綜合性醫(yī)院，功能多且復雜，需UPS供電的設備分散，故建議按照分區(qū)集中的原則設置；對于小型醫(yī)院，若需UPS供電的醫(yī)療設備集中，可在較集中的區(qū)域集中設置UPS機房，從而節(jié)約造價；對于功能單一且改造的項目，若所需UPS供電設備少，土建安裝條件難以滿足集中或分區(qū)集中設置的要求，可考慮采用末端分散設置的方式。為方便管理，不論采用何種方式，均建議采用UPS集中遠程監(jiān)控系統(tǒng)，避免由科室非專業(yè)人員維護UPS。
四 UPS應用的醫(yī)療場所
醫(yī)院透血室是對腎功能衰竭、尿毒癥患者進行血液透析治理的重要場所，因這些重病患者年齡偏大，病情惡化速度較快，和容易出現(xiàn)各種意外事件，基于這一問題，透血室需要對患者進行嚴格的管理，尤其是近些年隨著醫(yī)院信息化建設，各門診部、住院部和臨床部等信息技術(shù)得到了提升。
通過咨詢血液透析科的醫(yī)生，了解到血液透析機通常自帶蓄電池，可以保證停電時連續(xù)工作15min�？紤]到自備電池壽命有限，且后期設備維護工作有可能不盡如人意。若遇到電源中斷時，正好自備電池也不能正常工作的極端情況，此時，也可以由醫(yī)護人員通過搖把手動完成回血，并不會對患者造成傷害。GB51039-2014和JGJ312-2013對血液透析室中斷供電時的恢復供電時間要求也不一致，GB51039-2014中僅要求確保0.5s＜t≤15s內(nèi)自動恢復供電。所以，血液透析機也不屬于維持生命安全的設備。對于三級醫(yī)院來講，其屬于一級負荷，通常采用市政10kV雙重電源加自備柴油發(fā)電機組作為應急電源的供電方式，電源中斷后15s就能恢復供電，符合規(guī)范及醫(yī)療工藝的要求。
根據(jù)GB51039-2014《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》以及JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》的規(guī)定，UPS主要用于1類、2類醫(yī)療場所中涉及生命安全的電氣設備及照明，對應要求自動恢復供電時間為t≤0.5s，且應選擇在線式UPS。本文對照規(guī)范要求，對此類場所梳理如下：
1類醫(yī)療場所：血液病房的凈化室、產(chǎn)房、燒傷病房；血液透析室；術(shù)前準備室、術(shù)后復蘇室、麻醉室。
2類醫(yī)療場所：急診搶救室；重癥監(jiān)護室；早產(chǎn)兒室；手術(shù)室；心血管造影檢查室。
醫(yī)院中大量使用的醫(yī)療設備如MRI、CT、DSA、DR、X光機、超聲檢查設備、醫(yī)學檢驗設備等敏感性負荷對電能質(zhì)量的要求較高，供電電壓偏差、頻率不穩(wěn)、波動和閃變以及奇次諧波等，都會對醫(yī)療設備的運行造成干擾，對影像及超聲檢查結(jié)果造成影響。因此，實際運行中建議在滿足大型醫(yī)療設備系統(tǒng)內(nèi)阻要求的情況下使用UPS對電能質(zhì)量進行改善。
五 結(jié)束語
隨著醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)的興起UPS已經(jīng)成為現(xiàn)代大型綜合醫(yī)院中大量高精尖醫(yī)療用電設備使用時不可或缺的一個組成部分，UPS的使用范圍將會越來越廣泛，數(shù)量也會越來越多。如何為醫(yī)療設備合理、安全、有效的配置UPS，將會是醫(yī)院電氣設計的一個重點。文中關于UPS及相應配套設施的選取還有許多需完善的地方，設計時，可根據(jù)項目需求查找相關規(guī)范及產(chǎn)品手冊，這里不再贅述�？傊�，為重要醫(yī)療場所進行電氣設計時，需根據(jù)各項目實際情況來考慮UPS的設置，達到安全可靠、技術(shù)合理、先進、經(jīng)濟且設備易檢修維護的目的，為患者提供一個安全舒適的就醫(yī)環(huán)境。
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