2022新型微电网设计如何帮助医院提 高弹性、降低成本并

作者：Markus Hirschbold和Andy Haun 执行摘要 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——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、成本和可持续性。 引言 保障患者生命安全 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。 此外，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。随着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。 图1 随着医院不断扩建设施并增加更多的能源密集型、电力敏感型设备，他们需要确保清洁电力的持续供应，同时控制能源成本。 预算压力 重新评估备用电源系统的可靠性并不是当今医院面临的唯一挑战。德勤在《2019年全球医疗保健行业展望》中指出，“全球医疗保健支出预计将持续上升，2017-2022年间预计支出将以每年5.4%的速度增长。”影响财务业绩的五个关键因素中，有两个是“指数技术的使用增加”和“扩建医疗场所的需求”。2 虽然报告中没有直接提到，但很容易理解的是，能源长期以来在医院设施运营中发挥着关键作用，今后也将继续如此。“医院使用的能源是相同规模的商业建筑的2.5倍。这并不奇怪，因为医院必须为病患提供全天候护理，这就对照明、供暖、制冷提出了更大的需求，并且需要大量用于设备消毒的热水和蒸汽，以及对温度敏感型药物的冷藏。“3 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。 来源：EIA 医院还需在手术室和重症监护室等区域保持高频率换气，以降低感染风险。这是推高暖通空调能耗的另一个主要原因。 随着医疗机构扩建设施并增加能源密集型设备，能源成本成为财务团队关注的重点。电力需求的持续增加以及相关能源价格的持续上涨（图2），将给有限的运营支出预算带来压力。 实现可持续发展目标 绿色建筑认证 正如许多地区的许多行业一样，医疗行业长期面临环保合规要求。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一个重要方面，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。 世界各地都有许多全球性和区域性认证。例如： •LEED（全球）•BEAM（香港）•BREEAM（英国，欧盟）•DGNB（德国）•CASBEE（日本）•EDGE（新兴经济体）•Energy Star（美国、加拿大）•Green Globes（美国、加拿大）•Green Mark（新加坡）•Green Star, NABERS（澳大利亚，南非） 医院微电网的出现 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“孤立”出来，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， “绿色建筑标准和认证体系”, WBDG 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。4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：利用高级能源分析，最大限度地利用可再生能源，将能源成本降至最低 近年来，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广为人知。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。 智能微电网架构 微电网通常连接到主公用电网，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。 现场供电的第一步 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。 迈向真正的微电网 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。 图4 现代微电网在智能微电网控制系统的协调下，综合利用各种分布式能源。 在运行层面，DER的协调由微电网控制系统管理（见图4）。在公用电网停电的情况下，该控制系统负责安全地与电网断开连接，并可靠地过渡到孤岛模式。在孤岛模式下，该系统对所有的DER进行管理，以维持电力稳定性。 将微电网控制系统与医院的楼宇管理系统(BMS)和能源管理系统(EMS)连接起来，可以获得更多收益。数字化和物联网的进步正在使电力和楼宇系统变得更加智能互联。将这些系统与微电网控制系统相结合，可以充分发挥DER（包括电动汽车充电站等非关键可控负载）的柔性，从而优化成本和可靠性。 如此高水平的数字化连接和控制，使得防范网络威胁、确保通信网络安全至关重要。微电网解决方案应符合端到端网络安全最佳实践，包括与IEC 62443-4-2和IEC/ISA 62443-3-3等标准保持一致，并使用可信赖供应商提供的网络安全组件。6 分布式能源的选择 如图4所示，微电网可以包括各种各样的分布式能源。DER的选择将取决于几个因素。 备用发电机 如前所述，医院普遍采用柴油发电机作为备用电源设备，它们通常需要符合当地的法规要求。柴油是一种可靠的燃料资源，可以方便地存储在现场。但是，柴油发电机具有三个潜在弱点： 1.燃料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。2.环境排放法规限制了柴油发电机在一年中可以运行的时长。3.虽然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靠地启动。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。 案例研究：CHP “位于休斯顿的德克萨斯医疗中心凭借其CHP系统，在2017年8月哈维飓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源系统，并满足关键的空调、冷藏、供暖、消毒和洗衣需求“。 热电联产(CHP)和冷热电联产(CCHP) 这些系统将发电与供热或制冷结合在一起，有时也被简称为“联产”。CHP技术已经存在了几十年，通常是许多医院创建微电网的第一步。 工业效率联盟 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%左右的潜力。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。医院需要持续供电，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CHP的后备可靠性非常符合他们的需求。” 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％，8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。 CHP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，这意味着，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政策，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。 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。在一定的气候条件下，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。 与传统供电供热方案相比，CHP的能效更高。 基于美国能源部和CoenergyCanada提供的数据 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，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。 可再生能源 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。 “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，