标准规范下载简介
【施耐德白皮书】新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性.pdfSchneider SElectric 施耐德电气
Life Is Un
新型微电网设计如何帮助医院提
云南某农业培训综合楼工程投标施工组织设计乍者：MarkusHirschbold和AndyH
当医院管理者重新评估其设施对电网不稳定的抵御能力时，他们中的许多人都面临预算和环保压 力。微电网技术正越来越多地被用于进一步延长正常运行时间，同时削减能源支出，最大限度减 少设施的碳足迹。最新解决方案整合了高级能源分析，可以更加智能地管理能源资产一一从发 电机组和热电联产，到可再生能源和负载
全球医疗保健行业面临许多商业和技术挑战，其中，三个与能源相关的问题尤为令管理者担忧：弹性 续性。
近年来，医院发电机故障屡屡见诸新闻，例如美国卡特里娜、艾琳和桑迪飓风期间发生的故障。这往往导致大批患 者被疏散。在少数案例中，患者生命安全受到威胁。1 电力供应连续性对患者生命安全至关重要。从配电角度来看，这意味着电力不能中断，并且要确保关键生命维持设 备始终处于运行状态。但日益增长的电力需求、老化的输电基础设施、更加频繁的暴风雨，都使得电网稳定性问题 在许多地区变得更加普遍。 在过去，应急电源被预定义为只保障最关键的职能（如手术室、重症监护、急救等），这些职能占医院总服务的20% 至50%。然而，随着重大风暴的数量和严重程度不断增加，地方社区陷入更大的困境，医院需要全天候持续供应医 疗服务，而这就需要百分之百地保障电力供应。 比外，供给侧发生的任何扰动都可能传递到医院配电网，引发电能质量问题。随看医院越来越多地采用先进医疗设 备，更多的电力敏感型设备面临故障风险。即使备有传统的柴油发电后备电源，也仍需在更长的时间内确保更高的 可靠性。
“为什么医院的发电机总是故障？”，ProPublica,2012
Life Is Un
图2：预计从现在起直至2050年，全球（包括美国在内）能源成本将持续上升。
正如许多地区的许多行业一样，医疗行业长 电力和化石燃料消耗均被纳入温室气体排放量计 算公式。管理能耗并使用绿色能源通常是监管合规的 个重要方面，但它们带来的好处远不止符合政府规定。最大 程度减少建筑的碳足迹还有助于获得绿色建筑认证，并在当地社区树立"更绿色"的形象。
·EnergyStar（美国、加拿大） ·GreenGlobes（美国、加拿大） GreenMark（新加坡） ·Green Star,NABERS（澳大利亚
Life Is Un
针对上述问题，每家医院都会做出不同的权衡取舍，具体取决于当地的商业和监管环境。面对多重挑战，越来越多的 医院正在建设自己的微电网，通过改善电力供应来更好地保障病人的生命安全，同时缓解预算和环保压力。一个完 整的微电网解决方案可以智能地协调各种现场分布式能源资产，优化成本和电力稳定性（包括从公用电网中离网运 行，以免受到电力中断或电力扰动的影响）。 医院需要大量连续、清洁和负担得起的能源，采用微电网将使医院受益匪浅，而现在正是迈出这一步的最佳时机。 微电网技术已经达到了很高的成熟度，应用于许多类型的设施和基础设施， 如公用事业、社区服务、政府办事处、军事基地、大型工业企业、医院和教育园区。后者通常包括研究设施。
图3：微电网技术已经成熟，预计将以每年20%以上的速度持续增长。 图表来源：MicrogridKnowledge和NavigantResearch
预计全球微电网容量每年将增长20%以上（见图3）。受之前大规模增长的推动，自2014年以来，安装微电网的整 体成本估计下降了25%至30%，预计这一趋势还将继续保持。5尽管如此，每个组织机构的微电网应用各有其独特 性，因此，应开展可行性研究，以确定组织机构能获得哪些收益，包括投资与预估财务回报和潜在运营收益之比。 本文介绍了微电网能给医院带来的好处，包括 智能微电网架构：将分布式能源（DER）与智能控制器连接起来 增强弹性：使用多种能源资源和智能控制，确保运营连续性和敏感设备所需的电能质量水平 节约成本的机会：利用高级能源 用可再生能源，将能源成本降至最低
Life Is Un
丘年来，微电网已变得更加普遍，并获得了大量宣传，使其性质和用途更加产为人知。微电网是一个与公用电网交互 的本地能源系统，包含一台或多台发电机以及必要的能源管理控制器，可以为消费者提供安全的电力。与大型公用 电网不同，微电网所有能源资产（从发电到负载）的布局非常紧凑，以便服务多座建筑，或被收容在单栋设施中。 微电网通常连接到外部主电网，在经济上有利时从公用事业汲取能源，将公用事业电力和现场能源结合起来使用 微电网也可在需要时断开连接，以独立模式运行。这被贴切地称为 “孤岛运行",因为微电网暂时变成了一个独立的能源孤岛，与主电网分开运行。
世界上几乎所有的医院都有某种形式的备用电源系统，为医院的部分区域提供电力。这一系统有时被称为"应急电源 系统（EPSS)。其最常见的形式是一台或多台柴油发电机，再辅以一个不间断电源（UPS)。在发电机启动时，UPS可 以确保电能质量并提供备用电力。 在许多地区，政府规定必须备有备用电源，以确保设施最关键的职能在主电网停电后的规定时长内仍能正常运行。 在本文中，备用电源系统不被视为微电网，因为它们并非长期连续运行
许多医院已经采用热电联产（CHP）或冷热电联产（CCHP）系统。这些系统通常被配置为微电网，因为它们包含一种 本地能源，以（至少部分地）满足医院的电力需求，并提供有用的热量。 为优化成本、可持续性和弹性，更全面的微电网解决方案可能包括多种分布式能源，包括CHP、可再生能源、燃料电 池、储能。DER的选择将取决于经济和环境方面的考虑。
Life Is Un
电网可以包括各种各样的分布式能源。DER的选择
的储存量是有限制的，因此医院可以预期的总发电时间通常不超过48小时。 用柴油发电机会产生碳排放和污染气体，长期来看不利于保护环境以及更好地推进"双碳"目标。 法规要求对备用发电机进行定期测试，但这并不能百分之百保证发电机在公用电网停电的情况下能可 引言中的例子敲响了一记警钟：应采取谨慎措施，提高备用系统的可靠性。
热电联产（CHP）和冷热电联产（CCHP
文些系统将发电与供热或制冷结合在一 建微电网的第一步。 美国能源部在2016年报告称，368家医疗机构已经安装了CHP系统，但这代表医院仅利用了该技术12%左右的 替力。7能源部指出，“医院拥有与CHP能力相匹配的电力负载和热负载，它们可以提高项目的经济性。医院需要持 卖供电，对生活热水、消毒和洗衣有大量需求。此外，医院在发生自然灾害或紧急情况时被视为关键设施，因此CHF 的后备可靠性非常符合他们的需求。
位于休斯顿的德克萨斯医疗中心凭借其CHP系统，在2017年8月哈维題风期间维持了电力供应。作为世界 上最大的医疗中心，那里完全断电的后果可能是灾难性的。但该医院却能够继续运行美国最大的冷却水区域能 原系统，并满足关键的空调、冷藏、供暖、消毒和洗衣需求。 工业效率联盟
确保安全： 施耐德电气，2017 美国热电联产（CHP）技术潜力” ，美国能源部2016
Life Is Un
CHP系统通常使用往复式发动机或燃气轮机作为原动机，最常使用天然气作为燃料。CHP的最大好处在于效率。系 统在原动机产生热量的同时发电，产生的热量将被捕获并投入使用。与综合效率最多只有50%至58%的传统发电 厂发电和锅炉供热相比，CHP的热效率可达75%至90%，：具体取决于气候。更少的损耗意味着更少的资金浪费和 更低的排放。这也意味着，与备用发电机不同，CHP可以持续地带来效益。 HP系统通常可以连续运行，并且能获得比备用发电机更好的维护，这意味看，它可在停电时立即用于供电。此外 美国能源部表示，“天然气基础设施通常不受恶劣天气的影响。“9在某些情况下，根据能源和燃料价格以及当地法规 攻策，CHP可以大规模部署以作为设施的主要电力来源，而公用事业电力则作为备用。如果系统产生了过剩的能源， 也可以将这些电力回售给电网。当然，CHP系统产生的任何排放也需被考虑在内。
图5：与传统供电供热方案相比，CHP的能效更高。
另一个相关的解决方案是是将制冷、供热和供电结合在一起的冷热电联产（CCHP），也称为"三联产"。CCHP与CHP 类似，只不过它还提供制冷。吸收式制冷机利用原动机产生的废热为制备冷水供能，所生成的冷水将用于制冷。在 定的气候条件下，CCHP可能是比CHP更好的选择，并且可以提供同等水平的效率和可靠性。 针对CHP和CCHP系统，微电网系统需要不断平衡需求和成本。这就包括确定电网电价与天然气价格在任何给定 时间的差额（记住，天然气不收高峰需求费）。同样重要的是5000t水泥厂施工组织设计方案，要理解供热、制冷与电力输出之间的平衡，并决定何时 应从公用事业购买额外的电力，何时又该将电力回售给电网。后文将对这些要点做详细介绍。
在美国，医疗保健行业产生全国10%的碳排放，其中，医院产生全行业39%的碳排放。医疗保健行业预计将从2016 年的3.4万亿美元增长至2025年的5.5万亿美元。10可以预计，该行业产生的碳排放除非得到控制，否则也将快速 增长。 正如美国能源部所指出的，可用性和成本，政策和激励措施，以及电价、监管等当地市场因素，决定了可再生能源是 否适用于特定的医院设施。很多可再生能源都是值得考虑的选择
“迅速上升的能源成本和不断收紧的碳排放法规使可再生能源对医院越来越有吸引力。可再生能源曾被视为利 基技术，但在融资改善、激励增多、技术进步的推动下，可再生能源已逐步成为主流能源。 美国能源部
“迅速上升的能源成本和不断收紧的碳排放法规使可再生能源对医院越来越有吸引力。可再生能源曾被视为利 基技术，但在融资改善、激励增多、技术进步的推动下，可再生能源已逐步成为主流能源。 美国能源部
9”为保证弹性，将供热与供电相结合”U.S.DOE.2016 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样 100% 采用可再生能源？"，GreenBiz,2018
太阳能发电非常适合大多数医院。医院的屋顶空间往往很充裕。如果屋顶空间不足，可在停车区增设太阳能车棚， 它既能提供可再生能源，也可用来遮荫。此外，医院设施的全天候运作意味着太阳能可以得到最大程度的利用。而且 太阳能的价格在持续下降。据EnergySage称，"10年前，即2009年，太阳能电池板的安装成本是每瓦8.5美元.... 在2019年]太阳能的价格已经下降了60%以上，只有3.05美元/瓦。 太阳能有两种形式：直接将太阳能转化为电能的光伏（PV），以及产生蒸汽驱动涡轮机发电或为医院洗衣淋浴等需求 提供热水的光热。太阳能电池板的可行性和效率在很大程度上取决于安装、定向/追踪、遮阳和天气。在有可能实现 公用事业侧互联的地方，可以实行净计量电价政策，该政策充许将多余的太阳能发电量出售给电网。 风力发电是另一个可能的选择。独立涡轮机的选址需离现有架构足够远，以免产生噪音和安全问题，此外也需将当 地社区的担忧考虑在内。然而，建筑一体化设计（如屋顶安装）也正在成为一种可行的替代方案。2此类方案必须将 重量和振动考虑在内。当然，无论采用何种设计，都必须具备稳定而优良的风力条件。与太阳能类似，风力发电也可 能有机会接入公用电网，并出售多余的电力。 如果有植物、残渣、废物等可用资源，那么生物质能源可能是一个不错的选择。工厂废弃术屑或酿酒厂废粮都是典 型的例子。燃烧生物质通常用于CHP，可以同时产生电力和热量。需考虑的重要因素包括资源成本，以及某些类型 的生物质在燃烧时的颗粒物排放水平。
随看燃料电池技术不断进步，其全球市场份额迁速上升。2016年这个市场的价值为32.1亿美元，并且预计大规模增 长还将持续下去。13从交通运输到现场发电，燃料电池的应用范围正变得越来越广泛。据燃料电池和氢能协会称， 燃料电池可以作为主电源、备用电源或用于热电联产。“14燃料电池并非基于燃烧，而是基于氢氧结合的化学反应来 生电力。燃料电池的副产物仅为水和热量。 氢气不是一种自然存在的燃料，因此需要人工制造。今大，最常见的手段是使用大然气或沼气（甲烷），经由一个被 尔为通过"天然气重整"的过程制氢。15不过，也可以使用水通过"电解的过程制氢，电解可由太阳能、风能等可再生 能源供能。这种情况下产生的氢燃料可视为一种可再生能源。 王美国以下五个州的政策法规中，燃料电池被视为可再生资源（即使涉及天然气改制）：康涅狄格州、纽约州、俄亥 我州、印第安纳州、俄克拉何马州。由于其超低的排放量，燃料电池通常无需获得空气排放许可。 其他竞争方案相比，燃料电池的占地面积小得多，重量也更轻。因此，它们门可以被置于室外、室内或屋顶。这些系统 也可能带来显著的能源节约，具体取决于融资、激励措施、燃料成本。由于这些原因，许多医院已经采用燃料电池为 其设施提供电力、热能和热水（见案例研究：燃料电池）。
“太阳能电池板成本和效率的历时变化”，EnergySage，2019 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样100%采用可再生能源 “太阳能电池板成本和效率的历时变化” , Energy Sage , 2019 “燃料电池和医院应用”第三方评估工程案例库，所有施工问题一网打尽 201页可下载.pdf，FCHEA "制氢：天然气重整”，Energy.gov
“太阳能电池板成本和效率的历时变化” ,EnergySage,2019 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样100%采用可再生能源 “太阳能电池板成本和效率的历时变化" , Energy Sage, 2019 “燃料电池和医院应用”，FCHEA "制氢：天然气重整”，Energy.qov