某大型三甲医院科研实验室电气设计探讨

李周林

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

随着我国医疗技术的飞速发展和医疗条件的不断改善，近些年国内许多医疗研究机构、科研院所根据自身发展需求，纷纷建立了自己的生物安全实验室，并承担着大量的生命科学实验，因而对实验室的生物安全性提出了更高的要求。

电气设计的可靠性是保证生物实验室安全的基础和前提，如何根据生物实验室的特点和要求进行合理的建筑电气设计，是生物安全实验室设计中的重要环节之一。

本文以某大型三甲医院科研实验室供配电系统设计为例，重点围绕实验室负荷分级、负荷计算、供电方式、动物手术室配电设计及管线排布等进行分析与探讨。

1 生物安全实验室分级

根据实验室所处理对象的生物危害程度和采取的防护措施，生物安全实验室分为四级，具体详见表1。

微生物生物安全实验室可采用BSL－1、BSL－2、BSL－3、BSL－4 表示相应级别（一级、二级、三级、四级）的实验室；动物生物安全实验室可采用ABSL－1、ABSL－2、ABSL－3、ABSL－4 表示相应级别（一级、二级、三级、四级）的实验室。

生物安全实验室的分级 表1

2 生物安全实验室负荷等级

依据GB 50346－2011《生物安全实验室建筑技术规范》、GB 50447－2008《实验动物设施建筑技术规划》，负荷分级如下。

（1）二级生物安全实验室的用电负荷不宜低于二级。

（2）BSL－3 实验室和ABSL－3 中的a 类和b1 类实验室应按一级负荷供电。

（3）ABSL－3 中的b2 类实验室和四级生物安全实验室必须按一级负荷供电。

（4）屏蔽环境设施的动物生产区（动物实验区）的用电负荷不宜低于二级。

3 工程实例分析

某大型三甲医院科研楼总建筑面积约78 000m2，其中地上建筑面积约59 000 m2，地下室建筑面积约19 000 m2。 塔楼25 层、裙房4 层、地下室3层，建筑高度99.60m，建筑类别为一类高层建筑。 主要功能为教学和科研，含动物手术室、科研实验室、动物实验室，以上均为二级生物安全实验室。

3.1 项目功能设置

项目生物安全实验室的特殊用房及主要设备包括以下四类。

（1）标准科研实验室：分为实验区、写报告区和实验辅助用房区，如图1 所示。 实验区为开放实验室，可根据未来实验需求灵活分隔；写报告区设置在实验区外侧靠外窗处，与开放实验室用玻璃隔断分隔；实验室辅助用房含培养室、低温实验室、试剂库、通风柜室、冰箱室、暗室、精密设备室、洗涤室、气瓶间等，设在开放实验室的内侧。

图1 标准科研实验室楼层功能分区示意图

（2）病理学标本库：设组织标本库（超低温冰箱放置区）、液氮标本库、生物冷库、石蜡标本库、配套标本处理研究室、监控室、设备房及工作人员办公室。

（3）生物安全实验室常用设备有：高速离心机、PCR 仪、核酸蛋白分析仪、冷光仪、荧光显微镜（倒置）、荧光显微镜（正置）、TECAN 酶标仪、凝胶成像化学发光仪、流式细胞仪、超低温冰箱等。

（4）生物安全实验室精密设备有：气相色谱仪、液相色谱仪、原子吸收仪、质谱仪、X 线衍射仪等。实验室使用了一定量的化学试剂，如二甲苯、苯酚、氯仿、溴乙锭、丙烯酰胺等。

3.2 项目负荷情况

该项目负荷等级分三级，具体有一级负荷：消防水泵、消防风机、防火卷帘、应急照明、火灾报警系统等消防负荷；生活水泵、排污泵、弱电机房、普通电梯、主要走道照明、值班警卫照明、障碍照明等用电负荷；23 层预留PI 实验室、同位素室、真空泵、压缩机等。 其中，23 层预留PI 实验室为一级负荷中特别重要负荷，电气设计仅做容量预留；二级负荷：动物实验室、动物手术室、中心实验室和PI 实验室、动物实验诊断用CT 机、MRI 机及X 光机用电；三级负荷：除一、二级负荷以外的其他负荷。

项目设备总安装负荷为11 655kW（不含纯消防负荷），总计算负荷为5 100kW（不含纯消防负荷）。

根据厂家资料及工艺专业提资，该生物安全实验室负荷容量详见表2～3。

3.3 供电电源及供电方式

该工程共设置2 个分配电房，每个分配电房均设置2 台1 600kVA 的10／0.4kV 电力变压器，供本项目所有用电。 其中，1＃分配电房供地上部分所有用电，2＃分配电房供空调主机房、屋顶空调热泵、地下车库及设备用房用电。

分配电房均由院区中心配电房两段不同母线段上引入10kV 电源，中心配电房引入四路独立10kV 高压市政电源。 可以满足本工程一、二级负荷供电要求。

标准实验室楼层负荷容量一览表 表2

病理学标本库楼层负荷容量一览表 表3

配电房低压为单母线分段运行，联络开关设自投自复转换开关。 自投时自动断开非保障负荷，以保证变压器正常工作。

科研实验室楼层干线按南北两个区，楼层照明配电箱均采用双母线竖向供电（两条母线同时供电，互为备用），并在楼层做双电源切换。 在各楼层实验区按供电分区，设置4 个配电分箱，各分箱由楼层配电总箱放射供电引来。

双母线竖向供电的方式，主要考虑以下几个因素：第一，能保证实验室供电的可靠性，在某台变压器或某条母线槽故障或检修时，可以自动或手动投切到另外一条母线槽供电，故不会影响实验室的重要负荷用电需求；第二，由于实验室数量多，负荷容量大，相比于采用双回路电缆供电方式，双母线槽供电更能减少金属使用量，节约造价，节省管井空间；第三，双母线槽供电比双回路电缆T 接供电，故障率更低，可靠性更高，减少了维护和管理。 第四，供电灵活性更高，可以根据后期实际运行情况，调配楼层配电箱由哪条母线供电。

就采用双母线槽供电和电缆供电，对负荷计算及经济性进行比较。

（1）北侧实验室设备安装负荷共计2 360kW，由两条母线平均分配供电，每条母线带负荷1 180kW，参照图集《19DX101－1 建筑电气常用数据》，大于1.5 万m2建筑面积，同时使用系数取0.5，功率因数取0.85，则计算电流约1 055A。 故选用1 600A 的密集型母线槽供电，2 根母线长度共计约250m。

（2）若采用双回路电缆对楼层配电箱放射供电，实验室楼层数量16 层，每层负荷135kW，同时使用系数取0.9，功率因数取0.85，则计算电流约217A。 故选用WDZA⁃YJY－0.6／1kV－4×150＋1×70 的电力电缆，需要32 根。 供电电缆总长度约1 440m。

（3）南侧实验室计算同北侧实验室的负荷计算。

（4）由以上分析可知，采用双母线槽供电方式，较电缆供电方式有较好的经济性和可实施性。

（5）2 层动物CT 和MRI、2 层动物CT 和MRI水冷机组、5 层动物手术室、9 层超低温冰箱集中区、24／25 层动物实验室、屋顶排毒风机等均由配电房直接双电源供电，并在末端切换，如图2所示。

图2 生物安全实验室竖向干线示意图

3.4 动物手术室配电设计

动物手术室的内部配置与人类手术室类似。电气设计方面，在每个手术室的设备腔内布置末端配电箱，并放射供电给照明、插座、书写台、空调盘管、观片灯、无影灯等。 部分普通照明灯自带蓄电池，蓄电池供电时间按30min 考虑。 除未设置UPS电源、IT 系统隔离变压器及绝缘监测装置外，其配电设计基本和人体手术室相同。 动物手术室照明配电平面、插座空调配电平面、配电箱系统图等示意图详见图3～5。

图3 动物手术室照明配电平面示意图

3.5 中心实验室管线排布

图4 动物手术室插座空调配电平面示意图

图5 动物手术室配电箱系统示意图

中心实验室区域管线众多，包括医气、给水、排水、废水、强电、弱电、风管，且按照建设方要求，实验区均局部吊顶，如何做好管线排管，关系到后期使用及观感效果。 为此，笔者所在的设计团队做了BIM 三维设计。 通过BIM 设计有效解决了各管线的碰撞，同时满足使用对空间的净高要求。

就电气管线而言，需要根据实验桌的可移动性，选择不同的管线敷设方式。 中间台为可移动桌，其电气接线采用天花设备连接面板（含强电插座、弱电插座、气体接口等），实验桌由连接面板引入220V 电源和弱电线路，故中间台实验桌电气管线均由架空的线槽或桥架接入。 而边台为固定实验桌，其电气接线采用在墙面设置接线盒或插座，实验桌由墙面的接线盒或插座引入220V 电源和弱电线路，故边台实验桌由地面暗敷的线管接入220V电源或弱电系统。

该项目一次机电设计与二次机电设计一次性完成，有效避免了两者间的脱节、系统或设备遗漏，尤其在管线设计时，更能结合末端实际点位位置，将桥架或管线设计到位，避免后期变更。 标准科研实验室楼层管线排布平面示意图见图6。

4 结束语

随着我国医疗技术的飞速发展和医疗条件的不断改善，生物安全实验室的建设将越来越多。 根据这类建筑的特点，围绕其负荷计算、供电方式、照明设计及管线排布等方面进行精细化设计，完善使用功能，保证其安全性，才能更好的服务于医疗和科研事业，更好的服务于社会和大众。