1.设计原则

绿色智能建筑基础框架的拓扑结构设计对医疗建筑中的机电设备的实施和维护都很重要。机电服务的设计对于建筑的安全和有效运行至关重要。系统架构、机电服务和相应的设备与软件构成了理想化的平衡金三角，只有金三角中各个因素平衡、统一合作，才能实现最大的作用力，如图2-1所示。

在建筑物内需要达到这种平衡的最主要设备及服务包括电力传输系统，暖通空调及水系统和集成控制系统。

2.电力输配

2.1 电力输配基本原则

医疗建筑通常都很复杂，从结构到功能上，需要集成并满足多种不同的工作应用， 如临床系统、运营系统、安防系统、财务系统、政府系统等。

这其中包含有：

• 关键医疗工作区：手术室、重症监护病房、实验室、心理看护中心等。

• 关键非医疗工作区：患者数据系统（如医院机房和医院数据中心）。

• 重要医疗区：病房、常规治疗和放射治疗病房、隔离病房、手术室等。

• 非关键医疗区：走廊、护士站、病患娱乐区。

• 非关键且非医疗区：停车场、室外空间、商店、餐厅和消毒处。

因此，医疗建筑不仅须依赖于商业负荷（如计算机、服务器和照明系统）及工业负荷（如视频设备、干洗设备和医用气体系统），而且还依赖于电力医疗负荷（即医疗设备、手术室、隔离病）来提供病患医疗服务。

2.2 医院关键负载

医院的关键活动及关键服务部门是不允许电力中断的，如手术室、血透室、重症监护室和数据中心等。这些关键电力的供应是攸关生死的。但事实上，由供电可靠性和电能质量引发的问题经常被低估，进而会在未来可能对生命、财产、技术运营、环境和医院声誉造成严重的后果。

世界上没有零风险的事情，但是可以通过采用“有效的集成”来避免失误。总的来说，这个策略由医院管理层认定的关键行为和服务需求所构成，采用经由验证和确认的架构技术解决方案，并在不同阶段（建筑设计阶段及建设阶段）中得以实现。主要目的是保证电力供应的可靠性和适用性，保证医院所有工作和系统在任何情况下都能维持正常运行。

2.3 电力输配系统

安全可靠的电力系统对医院日常运行的各方面都很重要。电力基础设备的主要设计考虑包括以下几方面。

2.3.1 电力输配和电力监视架构

根据建筑内电力设备的不同负荷等级设计电力传输构架：

• 设计规划冗余量大小及选型。

• 电力风险分析。

• 可靠性、协调、避雷和电力谐波的研究。

• 监控。

• 备用电源可用性的确保。

2.3.2 设备和软件

为实现高适用性的医院智能系统基础设施通信，下述关键因素必须根据标准选择及安装。

• 中压网络、中压回路的负荷分配

• 发电机组的选用

• 自动负荷卸载系统

• 低压开关柜

• 手术室配电柜

• 电力监视系统

• 不间断电源的 UPS和静态转换开关

2.4 典型构架

典型的医院构架由多建筑群组成，超过500个病床和超过10个手术室，电力需求大于2000kVA以上。按照上述原则设计的一个典型大医院的电力构架，如图2-2所示, 为一典型医疗建筑的电气供应系统图。

3.电力系统关键元素

3.1 电力进线和备用电源

电力进线包括两路来自于公共电网不同配电站的中压进线。每路进线都承担着单个建筑或建筑群的中压环网配电任务。中压环网配电的优势在于，如果有一条供电链路出现故障，可从另一条链路进行切换供电，如图2-2中的1号及2号进线及中间母联。这种切换可以通过手动或自动方式实现。如果电力供应在市电源头、变压器或中压开关柜母线处出现故障，发电机将启动并接管医院中压回路供电。两路市电须位于不同配电网间，并采用防火墙保护隔离。

3.2 中压变电站和中压环网配电

中压变电站构架一般为单回路配电网络，带自动回路配置和三路进线：两路市电和一路后备发电机。
这个配置适合于大医院，可以保证电源的安全可靠。如果一路市电出现故障，回路可以在3s内切换到另一回路。作为可选项，单线系统中具有较高优先级的变电站应配有冗余变压器并对高优先级低压柜供电。

3.3 备用电源

医院关键负荷的备用电源可以由一至两台冗余发电机供电。发电机要根据实际需求选型以确保供应所有不可卸载的关键负荷。

发电机采用N+1配置，这意味着N台发电机就足够可以承担所有负荷，另外增加一台作为备用。备用发电机连接到主低压开关柜，故障发生后15s内启用。

电力中断时，中央集中式UPS将承担一级负荷，直到发电机起动并可正常供电。

3.4 高供电质量低压柜

主低压开关柜需设计为由两个成对的开关柜对同一个负载供电，由一个双电源切换开关进行切换取电。这种电力系统的设计改善了系统的适用性，并允许系统在进行维护保养或应急管理时需要关停所有的开关柜。当中压开关柜发生故障而关停时，负载可连接至移动发电机。同时，其他低压柜根据需求优先等级的划分，由移动发电机进行电源备用。

3.5 安全开关柜

安全开关柜从两个高供电质量低压柜接入进线。安全开关柜负责承担一级负荷，如排烟机、火灾侦测及灭火系统、安全电梯等。应采用移动发电机作为后备电源。

3.6 UPS不间断电源

集中式UPS 承担重要的关键负荷，如手术室、数据中心、生命维持设备。

UPS 配置必须始终在线的，考虑故障和维护保养状态下的旁通回路需配置静态转换开关（STS）。

3.7 在线运行和维护保养

如果系统设计采用两个互联的开关柜或设计成如上文2.3.4提及的失电或断电设计方案，低压开关柜就可实现在线维护保养。

3.8 电力监控系统

一个强弱电一体化集成的电力监控系统给建筑设施管理人员提供了必要的管理工具，用于管理和控制电力网络，特别是管理中压系统和低压系统的电源切换、市电断电重启（Power Failure Restart）及精密型的电力需量控制（Power Demand Control）及负荷卸载。同时强弱电一体化电力监控系统可在不影响医院运营安全的情况下提供以下功能。

• 中压回路监视和配电。

• 设备状态监视。

• 电力传输系统配电状态监视。

• 报警监视，包括通过报警短消息发送到维护保养人员的手机或移动设备。

• 发电机测试信息，包括运行时间和后续跟踪等。

• 应急管理工具和修复支持。

• 能耗数据。

• 维护保养信息。

• 时间和报警的可追溯性。

• 数字信息的录像管理及联动事件。

• 数字门禁系统及联动设备管理。

• ISO50001合规管理系统。

• 能耗实体建模与对标。

• 绿色医院认证记录。

• 智能数据提供及管理。

• 自动的电力系统故障分析专家系统等。

3.9 电力系统要求

在基础设施高度适用性的保证下， 电力系统需满足以下基本需求。

3.9.1 中压部分

国标《重要电力用户供电电源及自备应急电源配置技术规范》GB/Z 29328-2012要求：

一级重要电力用户宜采用双电源供电。

3.9.2 低压部分

国标《重要电力用户供电电源及自备应急电源配置技术规范》GB/Z 29328-2012要求:

重要电力用户的供电电源应采用多电源、双电源或双回路供电。当任何一路或一路以上电源发生故障时，至少仍有一路电源应能满足关键负荷的不间断供电。

重要电力用户的供电系统应当简单可靠，简化电压层级。如果用户对电能质量有特殊需求，应当自行加装电能质量控制装置。

4.信息及通信技术（ICT）的设计

4.1 一体式信息及通信网路

一个集成的系统需要各个系统在不同层面上实现通信才能给用户带来增值。在医院内部需要搭建一个统一的信息通信技术（ICT）网络实现系统间通信，并允许不同用户随时获取所需且得到授权的目标信息。整个建筑系统采用集成化网络，从而带来在投资成本（CAPEX）和运营成（OPEX）上的双重收益。

4.2 投资成本（CAPEX）的收益

一体化布线、建筑和网络设备带来如下收益。

• 采用同一个网络基础可大大减少布线工作及相应成本。线缆的总长和平均长度均得到节约。采用标准线缆（CAT6双绞线等）和通用网口（RJ-45等）相比于采用特殊线缆和不同应用端口将带来更多益处。当采用较少的线缆和可复制的标准施工方式时，布线的人工成本也将得到相应减少。

• 采用一个集成的信息通信技术网络可减少系统间验收的时间，从而节省建设工时，降低成本。

• 信息通信技术网络（ICT）中主干网络设备的使用数量也将减少。每个独立系统不需要专用的交换机和网络设备。交换机容量可大幅优化，节约成本。

4.3 运营成本（OPEX）的收益

4.3.1 提升网络运行恢复能力

• 单个集成网络相比于多个独立网络有更好的弹性和高可用性。高可用性可改善网络运行时间（Up-Time）和整个系统的适应性。

• 单个网络的网管和诊断可集成到一个系统内，当单点故障发生时可比较快速地确定是网络节点的问题还是设备本身的故障。例如一个网络交换机端口故障可导致网络摄像机图像丢失，对此现象的第一反应往往是先检查摄像机，此时如果系统带有网络诊断功能，则可通过网络交换机检测轻松定位此故障而无需浪费做检查摄影机的无用功。

• 设计网络防火墙可阻挡未授权的登录及网络资源的使用。

• 远程登录可通过安全的方式（如VPN和一次性密码One TimePassword），允许远程按密码授权登录到网络。比如，维护保养人员可远程登录建筑管理系统（BMS）实现建筑设备维护保养，但不允许远程登录到视频监控（Video Surveillance）或门禁系统（Access Control）。

• 开放性和灵活性允许未来科技发展（如ZigBee和RTLS电子标签可轻松运用于标准以太网/IP通信），采用标准统一的IP 通信定位比混合多种技术来定位会更方便及有效。

• 在设施管理方面，无线连接允许移动设备持续连接到集成系统。比如，设施维护保养可通过连接到WLAN远程检测系统运行，或者在设备就地使用管理系统来了解系统的运行状况。

• 以太网供电技术（POE）减少了维护保养和重新配电的成本。以太网供电的设备可重新安装于任何网口，而不需要排布新的电源线。

• 远程登录系统减少了呼叫值班人员的费用，亦可更快解决问题。比如，当报警发生时，可透过智能楼宇监控及视频监控来远程查看是否需要立刻到现场处理问题。

• 可对应不同的管理工作，有针对性地提供监视及控制界面。比如：HVAC、摄像机、门禁、电力、能耗、数据中心和网络。

• 可以采用一个综合的信息看板来提供建筑整体设备信息及设施管理信息。

4.3.2 改善员工生产率

• 智能员工信息系统允许员工对事件更快速地进行反应。比如，当危及安全和生命的紧急事件发生时，相应的应急程序可通过护士站的智能触摸屏发布显示。

• 改进的信息传输速度， 可节省员工在提出设施相关申请时的时间。

4.3.3 提升患者满意度和安全水平

• 当患者可以通过信息显示终端直接与护士沟通，而不是通过护士呼叫的按钮把护士叫过来说话时，员工的通信和反应速度改进了。

• 登录到英特网可通过Web与朋友家人聊天、发邮件或进行其他社交服务，可提升客户体验及满意度。

• 火灾或其他紧急事件时，信息可发送到患者界面。比如，逃生路线可以3D的形式在患者界面和逃生信息屏显示。

4.4 信息及通信技术（ICT）网络

信息通信技术网络是智能建筑系统的中枢。设计网络时需考虑众多因素，如功能、逻辑和物理需求等。其中功能需求是最重要的，因为信息通信技术网络必须满足所有终端用户的需求和各子系统应用的需求，同时还要满足所有在网络上运行的技术系统及各种的应用程序。一旦终端用户、系统和应用的需求明确了，功能设计必须考虑网络的逻辑和物理需求。逻辑和物理需求就是要考虑网络的安全需求、适用性需求、建筑布局需求、布线需求等各种需求。只有采用这种设计方式才能被认为是一种严谨的网络设计。

无论从顶层的管理层到底层的现场设备， 医院网络的功能需求设计需根据系统集成功能需求而设计，图2-3 展示了集成通信技术（ICT）网络的需求，在网络设计中应充分考虑所有的集成功能需求。

集成的信息通信技术=网络包括技术系统，如BMS、安防系统、消防系统和电力监视系统等，临床医疗的网络还须考虑到患者隐私问题。这两个网络可采用同样的光纤骨干，但是还是须使用不同的光缆芯数，以便符合医用系统要有专用信息通信技术网络的要求。

逻辑设计源自于功能设计，逻辑设计包含协议设计、拓扑设计、网络安全设计及安装设计。尽管物理设计是设计阶段的最后一步，但是安装环境的物理事实必须被考虑在逻辑设计中。物理设计包括网络设备、布线、设备安装、能耗、散热和建筑布局等。一个简单的逻辑设计如图2-4所示, 为一典型网络架构系统图。

图2-4中的设计显示了网络设备、网络拓扑和安全元素等。以太网交换机用于引导网络数据从配线间到医院的数据中心。POE交换机用于向IP摄像机和其他POE产品供电。网络适应及可靠性通过在数据中心增加后备交换机、环路连接服务器和环路布线间而得到提升。网络适应及可靠性也通过在布线间、路径和路径之间增加额外的光纤实现通信线路冗余得到提升。同时还有很多其他技术，如虚拟局域网、负载均衡、服务质量（QoS），都可在设计时统筹考虑以用于搭建一个安全实用可靠的网络。

5.医院环境控制

医疗建筑的暖通空调系统要满足不同的需求和高标准性能。HVAC是建筑系统集成过程中的元素之一，同时也在生命安全和健康中担任重要责任。考证显示，在很多情况下，一个全功能的暖通空调系统是患者康复的关键因素。一些案例中，环境控制在患者治疗中扮演了很重要的角色。研究显示，在良好控制环境下的患者康复率高于在没有环境控制条件下的患者。

除了为患者康复提供良好控制的环境外，HVAC系统在感染控制中也承担着重要角色。医疗建筑易于滋生大量致病微生物，需要严格的感染控制以保护医护工作人员和患者健康。医院内的HVAC系统和其他类型的建筑一样，需要通过控制温/ 湿度、空气流动、降低噪声和异味、节能来提供舒适的环境；医院内的HVAC系统同时也承担着额外的医疗支持功能，具体功能包括：

• 环境控制。

• 感染控制。

• 危险控制。

• 生命安全。

• 效能控制。

• 冷机群控。

• 冷机优化运行。

• 维护保养管理。

• 手术室及隔离病房压力梯度及层流控制。

5.1 环境控制

5.1.1 暖通空调

绿色智能建筑管理系统应提供中央空调系统的准确监控，并保证满足不同部门的设计要求。采用热回收装置初步处理室外空气；使用温热水盘管（LTHW）、冷冻水（CHW）盘管和加湿设备向各个部门提供调节后的空气；主通风系统的下游空气调节由区域空调来完成，如以变风量末端（VAV Box）或就地再加热设备；并将系统所有的空调信号反馈到主空调机组的负荷控制? 以达到系统性能的最优化。

所有设备的性能都需要被智能建筑管理系统记录并审计以进行监控及性能分析。趋势日志则被用于监视系统性能及生成性能报告，以作为预防性维护保养的依据，并用来找出对系统和患者造成环境影响的隐患。

医护人员将被授权控制某些区域的温湿度以改善工作人员和患者的舒适度、或调整任何需要与治疗过程相配合的环境条件。系统的显示和调节可通过智能显示终端实现。为了实现特殊环境控制以配合治疗过程，在空调系统下游增设额外的供热和制冷系统也是必须的。

安装在病房和其他部门主动式通风区域的温/湿度传感器，需安装于易保养维护的位置并持续监视环境，并须将信号传给主通风系统进行环境的主动式控制。

5.1.2 空气质量

各科室的空气质量也须被绿色智能建筑管理系统监视以保证最好的患者环境，传感器可提供中央空气质量监视，如烟感、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、空气致污物，如挥发性有机溶剂（VOC）等。并由系统进行绿色建筑所要求的最优化运转，如空气需量控制（air demand control）等控制。

在办公区域或非医疗区域的通风系统也可通过空气需量进行运行控制，风机速率和流量根据该部门员工的出席数量决定。CO₂传感器监视可确保空气质量，当CO₂含量过高时，可以提高新风换气次数以保证空气质量符合标准。

5.1.3 噪声控制

绿色智能楼宇系统必须监控医院内部噪声等级，以保证良好的声学环境，这将改进患者恢复速率、员工健康和工作效率。美国医疗的绿色指导书和LEED医疗建筑的评价系统，也都包括了声学设计的要求。

5.1.4 水系统

水系统的传输设计对于通风系统提供环境控制至关重要。供热系统产生的热水和中央冷冻水系统产生的冷冻水，都由水泵传输到各种供热和制冷的终端设备。所有的水泵可配置智能变频器，并可连接到智能建筑管理系统以进行控制及能效管理。

一般空调供热系统可分为两个控制区域。第一个控制区域称为空调内区供热，即建筑物内部（远离室外环境），热水供应到内区通风系统和加热末端，提供相对恒定加热，其末端盘管设计往往采用一个相对固定的送风温度。第二个控制区域称为空调外区供热，为外围加热，加热需求与室外环境成反比例，以协助控制建筑外围温度，平衡舒适度与能耗。

冷冻水系统同样也传输到通风系统的冷却盘管、数据中心及医疗冷库的就地冷却装置。冷冻水设计为恒温供水。这些区域的温度控制很关键，温度升高一度或者冷冻水系统的故障就会对医疗研究和数据信息造成严重影响。冷冻水系统的温度传感器如同冷机系统的显示指针，监视着冷机的供水温度。当环境条件与设计条件不符合时，报警系统即通过邮件及短消息即时发送到相关人员。

水泵系统需根据末端需求进行智能控制，保证在低需求时能启动降低能耗的控制手段。在水管上也要安装不同的压力传感器，用其量测到的压力来控制水泵变频器的运转频率，在低冷热源的需求状态时降低水泵能耗。

5.1.5 感染控制及空气污染控制

通风系统需要仔细设计，限制空气内致污物传播到医院内部的其他区域。绿色智能建筑管理系统可用于阻断空气致污物的传播路径。

5.1.6 过滤

为维持新风换气次数的严格要求，主通风系统需要为各个科室提供定量的新风，同时满足《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2013中要求的换气次数。新风通过通风系统中的各级过滤器，以降低气流中的致污物进行空气净化。

空调系统所有过滤器的状态都需被监视，一旦过滤器变脏或阻塞，维护保养团队应马上知晓，以便立刻清洗或更换过滤器。这是因为当过滤器变脏时，控制系统为保证末端空间的风量及换气次数，送风机马达的变频器将采取高频率（高速）运转来克服过滤器引起的压降，以确保医疗空气品质的安全，造成能耗的显著上升。

空调系统过滤器变脏的状态和变频器频率需被控制系统记录并生成报告，报告应显示由于脏过滤器增加的能耗及更换的时间，同时变频器散热器的温度也必须进行监视，并进行清洁保养，以避免变频器散热器因受灰尘影响散热而造成的设备故障。

5.2 环境控制和监视构架

构架设计要保证最大的适用性和减少单机失效的几率。主要关键设计因素包括：

• 采用分布式配电拓扑结构服务于空调系统的主要设备和一般设备。

• 分布式的智能控制设计。

• 采用点对点交互通信。

• 高弹性及适用性的通信构架。

• 设备冗余系统的考虑。

5.3 设备与软件

为保证绿色智能建筑管理系统的通信基础构架得以实现，应考虑下述因素以达到高弹性的操作目标：

• 图形操作界面：基于不同角色视角，采用图形化用户界面，

• 并且与绿色建筑及能源管理体系互联。

• 支持绿色建筑运营期内的能源及环境控制数据采集。

• 支持节能建筑运营期内的数据统计功能及实体能耗建模。

• 移动操作界面：便携式用户界面（从笔记本电脑、智能手机、iPDA和各种便携式移动设备）。

• 控制盘：采用分散式智能化的成套DDC控制盘。

• 末端控制器：可连接以太网的各种控制器。

• 末端调频设备：变频器。

• 末端调节设备：电动调节阀和风门驱动器。

• 末端传感设备：传感器、开关和现场安装的各式监控设备。

5.4 运行和维护保养服务

服务系统等级需满足系统生命周期内的性能需求，并采用通信产品支持下述的报警分析工作：

• 24 小时报警。

• 重复报警。

• 报警确认直至报警清除的时间段。

• 未确认报警的时间段。

• 硬接点报警。

• 失效报警的模板建立。

• 平均修复时间（MTTR）和平均无故障时间（MTBF）的相关报警。

• 人员使用状态下性能优化运转报警。

• 系统授权报警。

• 以用户为基础的监控点修改和手动操作功能报警。