淺談基于智慧能源管理的醫(yī)院節(jié)能措施分析

安科瑞 陳聰

摘要：為減少醫(yī)療建筑能耗，優(yōu)化醫(yī)院能源管理，基于智慧醫(yī)院的要求，通過分析廣州市番禺區(qū) 醫(yī)院的能耗特性，對醫(yī)院空調系統(tǒng)、空調與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)、屋頂光伏系統(tǒng)等智能樓宇分系統(tǒng)進行節(jié)能建模分析，建議采取醫(yī)院信息化建設、可再生能源改造、精細化管理等措施，預計實施后每年可以節(jié)約用電256萬kW·h，相當于節(jié)省315t標準煤，減少CO2排放量873t，對于城市既有醫(yī)療建筑的節(jié)能改進和能源智慧管理具有較強的示范作用。

關鍵詞：智慧醫(yī)院；綜合智能樓宇；精細化管理；節(jié)能減排；光伏發(fā)電

0引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，我國的能源消費呈現(xiàn)增長態(tài)勢。據(jù)統(tǒng)計2018年全國建筑運行能耗達到10億t標準煤，占全國能源消費總量比重為百分之21.7，碳排放21.1億t（以CO2計，下同），占全國能源碳排放的比重百分之21.9[1]。大型公共建筑是建筑能源消耗的高密度領域，醫(yī)院建筑的能耗是一般公共建筑的3～4倍[2]。2020年度廣東省公立醫(yī)院單位建筑面積能耗17.17kg標準煤/m2，人均綜合能耗達280.82kg標準煤，遠高于場館、學校等公共建筑，是廣東省中小學建筑能耗的5倍。隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的推動，醫(yī)院建筑運行節(jié)能工作迫在眉睫[3]。

當前醫(yī)院采用的節(jié)能措施主要圍繞設備改造和更新[4]。林愛麟[5]摸查了長沙市醫(yī)院建筑能耗，提出采用提升冷熱源運行效率、合理配置空調及通風系統(tǒng)等措施來降低醫(yī)院能耗；姜海勇等[6]以深圳市孫逸仙心血管醫(yī)院為例，通過空調主機系統(tǒng)等節(jié)能改造達到降耗效果。沈洪等[7]分析了中山大學附屬腫瘤醫(yī)院燃油蒸汽鍋爐技改，同時配合智能群控系統(tǒng)。以上研究主要考慮設備因素，較少考慮人的用能行為。方婷婷[8]選取廣州地區(qū)6個典型醫(yī)院建筑，提出落實能源管理制度等節(jié)能建議，包括運用制度對人員行為進行約束，但因為人的行為較難預測，實施效果難以保證。

智慧醫(yī)院的建設立足于信息化、互聯(lián)網、物聯(lián)網，通過對醫(yī)院資源的合理配置達到智慧管理的效果[9-10]。其中，運用物理信息技術進行精細化管理的理念為醫(yī)院能源系統(tǒng)管理提供了新的方向。本文以廣州市番禺區(qū) 醫(yī)院為研究對象，分析醫(yī)院能耗特性和主要耗能因素，提出基于智慧能源管理的節(jié)能措施，并對節(jié)能措施的影響因素進行敏感性分析。

1醫(yī)院能耗特性分析

醫(yī)院建筑的能耗總量因醫(yī)院類型、等級、地理位置等因素而不同，但具體的醫(yī)院在功能和能源結構確定后，通常有著較穩(wěn)定的能耗[11]。本文以華南地區(qū)某綜合醫(yī)院為例分析醫(yī)院的能源消耗情況。

廣州市番禺區(qū) 醫(yī)院是一所大型綜合公立醫(yī)院，占地14.7萬m2，有建筑樓8棟，總建筑面積23.5萬m2，實際開放床位1479張，2020年總診療達176.8萬次。該醫(yī)院能源消耗的類主要為電能消耗和燃料消耗。2020年度用電量達2489萬kW·h，

天然氣消費量3068m3，汽油消費量59656L，柴油消費量240L，全院年能源消費量折算標煤3152t標準煤，電能消費占醫(yī)院總能消耗的百分之97.07。醫(yī)院電能消費可分為醫(yī)療設備和后勤服務設備，其中后勤服務設備包括暖通空調、照明系統(tǒng)、電梯、安防、

辦公用電等。該醫(yī)院地處南亞熱帶，氣候分區(qū)屬于夏熱冬暖，冬季無供暖需求，空調系統(tǒng)主要用于夏季供冷。

醫(yī)院空調能耗全年平均占比百分之45.83，6、7、8月份占比達百分之51以上。醫(yī)院空調能耗逐月分布情況見表1。

根據(jù)使用目的，醫(yī)院空調可分為舒適性空調和工藝性空調[12]。舒適性空調主要為室內人員提供舒適環(huán)境，包括病房、辦公室等公共活動區(qū)域。工藝性空調應用在對空氣質量有嚴格要求的空間，包括手術室、麻醉科等區(qū)域。醫(yī)院空調系統(tǒng)耗能量前五的區(qū)域見圖1，

分別是病房（含辦公室區(qū)域）、手術室和麻醉科、門診、消毒供應 、急診。其中病房（含辦公室區(qū)域）占空調系統(tǒng)用能的百分之35.8，大大高于手術室等區(qū)域。

此外，醫(yī)院的能源均為外部購置，成本居高不下。醫(yī)院的能源供應結構較為單一，電能百分之100由市電供應，不利于醫(yī)院能源系統(tǒng)安全。根據(jù)綠色醫(yī)院建筑的建設理念，需要符合低碳環(huán)保的要求。

2醫(yī)院節(jié)能措施建模

由醫(yī)院能耗特性分析可知，醫(yī)院能源系統(tǒng)節(jié)能應從減少能源消耗和改善能源供應結構著手。以電能為主的能源消費中，空調能耗占能耗的大部分。其中，醫(yī)院工藝性空調需要為診療服務提供支撐，不適宜進行大幅度改造。醫(yī)院舒適性空調中，病房（含辦公室區(qū)域）應作為節(jié)能對象。在日常實踐中發(fā)現(xiàn)，病房和辦公室區(qū)域，人為不節(jié)能行為會造成空調非必要的能耗。例如，在病房區(qū)域，部分病人節(jié)能意識差，將空調溫度調至很低；部分病人擔

心室內空氣流通狀況不佳，在空調運行期間將窗戶打開通風；辦公區(qū)域，辦公室人員時常有下班忘記關空調等現(xiàn)象。醫(yī)院人員構成復雜，節(jié)能理念難以統(tǒng)一，靠制度約束人的行為不可控因素過多。因此，考慮基于智慧醫(yī)院管理的智能樓宇建設，構建空調監(jiān)控系統(tǒng)、空調與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)模型，同時挖掘醫(yī)院可再生能源資源的潛力，構建屋頂光伏系統(tǒng)模型。

2.1空調智慧監(jiān)控系統(tǒng)

結合國務院執(zhí)行公共建筑空調溫度控制標準的通知和夏季病房內病人舒適性要求，空調系統(tǒng)設定的溫度取27℃較為適宜[13]，而現(xiàn)實中，用戶多將病房空調設定溫度遠低于27℃。因此，在考慮用戶偏好的前提下，通過空調智慧監(jiān)控系統(tǒng)對病房內空調溫度范圍進行調控，空調智慧監(jiān)控系統(tǒng)設定如下：

1）實時采集室內、室外氣溫；

2）規(guī)定空調設定溫度值tn；

3）病房內用戶輸入自己的偏好溫度ti；

4）當外界氣溫高于(ti+3)℃時，病房空調開啟，且溫度設定為ti；

5）當用戶輸入的偏好溫度ti低于tn時，病房空調自動設定為tn。

模型假設用戶用能行為與監(jiān)控系統(tǒng)邏輯一致，傾向于在外界氣溫高于用戶的偏好溫度3℃時開啟空調。南方地區(qū)除夏季持續(xù)高溫外，過渡季節(jié)氣溫較多處于25～30℃間，因此該系統(tǒng)能有效監(jiān)控病房內空調開啟次數(shù)和設定溫度。根據(jù)Meteonorm軟件導出的廣州市2020年全年8785h氣象數(shù)據(jù)，廣州市全年有1444h≥30℃，3122h≥27℃，4185h≥25℃。若用戶偏好溫度為22℃，則與設定溫度值27℃相比，全年空調開啟時長相差巨大。用戶偏好溫度較低，令室內外溫差加大，從而增加空調運行能耗。計算能耗改變比例時，可以假設外界環(huán)境除氣溫以外的因素不變，將空調系統(tǒng)能耗簡化為室內外空氣焓差。在改善空調開啟時長和空氣焓差共同作用下，節(jié)約的能耗計算如下：

式中：ηt為每年因空調溫度控制而節(jié)約的空調能耗比例， ；η0為病房空調能耗占醫(yī)院總體空調能耗比例， ；Q為未實施節(jié)能措施前每年病房空調系統(tǒng)能耗，kW·h；Qrt為實施節(jié)能措施后每年病房空調系統(tǒng)能耗，kW·h；ko為每年室外氣溫≥(ti+3)℃的時間，h；ki為每年室外氣溫≥(tn+3)℃的時間，h；hw為室外空氣逐時比焓，kJ/kg；hn為室內空氣時比焓，kJ/kg；Pt為在(t1,t2)溫度區(qū)間空調溫度設定的取值概率。

2.2空調與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)

當開啟空調房間的窗戶打開時，在熱壓和風壓的作用下，室內冷空氣逸出，室外熱空氣進入，使房間的冷負荷增加。結合醫(yī)院“智慧管理”的精細化管理，加強醫(yī)院設備在線管理，可建設空調系統(tǒng)與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)，監(jiān)控窗戶啟閉狀態(tài)，當空調運行和窗戶開啟2個條件同時滿足時，通過能源管理系統(tǒng)關閉房間空調，由此調節(jié)病房內空調用能行為。為簡化計算，忽略冷熱空氣焓差，假設從窗戶進入的是與室內新風溫度相同的冷空氣，通過實施該系統(tǒng)前后的系統(tǒng)風量變化計算節(jié)約的空調能耗比例。新風量能耗只占空調能耗的一部分，但在外界

條件不變的情況下，新風量的有限改變不會大幅影響新風量負荷占空調冷負荷的比例。且真實的熱空氣進入房間后會額外增加空調能耗，因此，該簡化不影響措施的能耗節(jié)約比例計算。節(jié)約的能耗計算如下：

ηw=ηnew(1－Grw/G)×100 (4)

G=Go×T×N×Kw+Gr×D×N(5)

Grw=Gr×D×N(6)

式中：ηw為每年因控制開窗行為而節(jié)約的空調能耗比例， ；ηnew為新風量部分占空調冷負荷的比例， ；Grw為實施空調與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)后每年病房空調系統(tǒng)總新風量，m3；Go為通過開窗戶流通的空氣量，m3/s；T為開空調時開窗時長，h；N為房間數(shù)，個；Gr為一個房間的新風換氣量，m3/s；D為開空調時長，s；Kw為有開窗現(xiàn)象的病房比例， 。

為便于研究窗戶流通的空氣量，將一個開窗的房間簡化為單側開口箱體。通過窗戶的單側通風量為熱壓和風壓作用下的流通量。熱壓是指因室內外溫度不同造成室內外空氣密度差而產生的壓差。風壓是指室內外風速作用下產生的壓差，假設窗戶為單開口自然通風，且為穩(wěn)態(tài)流動。單側通風量計算公式[14]為：

式中：Gh為熱壓作用下的自然通風量，m3/s；Cd為系數(shù)，取0.61；A為窗戶開啟面積，m2；H為開口高度，m；ΔT為室內外空氣溫度差，K；T為室內外空氣平均熱力學溫度，K；Gw為風壓作用下的自然通風量，m3/s；Aeff為有效開口面積，m2；U為開口處的風速，m/s。

2.3綜合發(fā)電和樓頂遮陽的屋頂光伏系統(tǒng)

太陽能光伏板是常見的分布式可再生能源。通過增加發(fā)電途徑，可以改善能源供應，降低能源成本。通常該技術措施的節(jié)能效果是根據(jù)光伏發(fā)電量估算，而光伏板對于建筑的影響則被忽略。根據(jù)對設備設施的智慧管理與規(guī)劃，設計屋頂太陽能光伏板鋪設方案，可以達到發(fā)電和樓頂遮陽的雙重效果。

在屋頂，光伏板對太陽輻射進行直接遮擋，相當于增加了熱阻，減少到達室內的熱流量。光伏板架空通風層中空氣對流運動也能帶走部分熱量，減少到達屋頂?shù)臒崃髁?，為簡化計算，忽略不計。因遮陽減少的能耗比例計算公式為：

式中：q1為采取遮陽措施前單位面積因太陽輻射產生從室外到室內的熱流量，W/m2；q2為采取遮陽措施后單位面積因太陽輻射產生從室外到室內的熱流量，W/m2；Ro為屋面總熱阻，m2·K/W；ΔR為光伏板附加的熱阻，m2·K/W；A為屋頂房間數(shù)量占全部房間的比例， 。

通過光伏板發(fā)電產生的電量計算公式為：

ηpv,p=Ppv/Q=Ipv×S×p×T(13)

式中：Ppv為光伏板年發(fā)電量，kW·h；Ipv為單位光伏板的額定發(fā)電功率，kW/m2；S為屋頂可鋪設光伏板面積，m2；p為光伏板發(fā)電效率， ；T為年太陽能可利用小時數(shù)，h。

由式(10)～式(13)，則該項措施每年可節(jié)省空調能耗比例為：

ηpv=ηpv,r+ηpv,p(14)

綜合以上節(jié)能措施，共節(jié)約能耗比例為：

ηc=ηt+ηw+ηpv(15)

3節(jié)能效果與敏感性分析

廣州地區(qū)夏季室外空氣逐時計算焓值可根據(jù)GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》查得。醫(yī)院空調系統(tǒng)設定的特定溫度tn取27℃，室內相對濕度取60 。據(jù)調查統(tǒng)計，廣州地區(qū)典型的家庭情景里開機時臥室和客廳開啟空調的平均溫23.35℃[15]。假設用戶設定空調溫度ti遵循正態(tài)分布，取N(23,22)，取值區(qū)間為(15℃,35℃)。

開窗行為是個體不確定行為，在空調房間的開窗行為是一種特定情景的開窗行為[16]。夏熱冬冷地區(qū)夏季空調開啟時窗戶開啟率有11.1 [17]，可認為此行為規(guī)律在夏熱冬暖地區(qū)適用。取開窗時長為開空調時長的一半。單間病房新風量Gr取0.0556m3/s。窗戶開啟面積A取1.2m×0.6m，開口的高度H取1.2m，有效開口面積Aeff取窗口面積A的一半。室內外空氣溫度差ΔT取5K，室內外空氣平均溫度T取302.5K，開口處的風速U取2m/s。

根據(jù)夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準，屋頂熱阻Ro取0.91m·2K/W，ΔR取0.3m·2K/W。A取14 ，COP取3.5。單位光伏板的額定發(fā)電功率Ipv取1kW/m2，屋頂可鋪設光伏板面積S取2000m2，光伏板發(fā)電效率p取15.4 ，年太陽能可利用小時數(shù)T取2200h。

經計算，采取以上節(jié)能措施后，全年預計可減少用電256萬kW·h，折合節(jié)省標煤315t，減少CO2排放量873t，說明節(jié)能措施具有良好的經濟效益和環(huán)境效益。

各項節(jié)能措施從設備的智慧管理、人的行為控制和可再生能源利用等方面進行節(jié)能，節(jié)能效果各有不同。采取節(jié)能措施后，醫(yī)院能耗比例見圖2。由圖可看出，節(jié)能措施共節(jié)約醫(yī)院能耗22.47 。其中，空調溫度控制占12 ，光伏板綜合節(jié)能占7 ，開窗行為控制占3 ，說明空調溫度控制起了重要作用。空調溫度控制和光伏板綜合節(jié)能措施可在已建成醫(yī)院進行局部改造，開窗行為控制需要加強醫(yī)院運行管理。

在對節(jié)能措施的效果分析中，為減少不確定因素，作了一定程度的簡化和估計?，F(xiàn)對部分數(shù)據(jù)作敏感性分析：

1. 對用戶降低空調設定溫度或提前開啟空調的行為進行分析時，取空調設定溫度為正態(tài)分布N(23,22)。當標準差和均值分別變化時，室內設定溫度概率分布見圖3。

當標準差變化為1、2、2.5時，計算得到節(jié)約空調能耗比例分別為11.5 、12.1 、12.6 ，差別不大。當均值變化為23、24、25時，計算得到節(jié)約空調能耗比例分別為12.1 、10.6 、9.1 ，均值的變化對結果影響較標準差變化帶來的影響較大。根據(jù)日常經驗，僅有20 的人將空調調至25℃是較為保守的估計，此時節(jié)約空調能耗比例仍然較高。

2）對空調開啟時開啟窗戶的行為進行分析時，開窗的病房比例、通風面積、室內外溫差均取值一定。當開窗病房比例為11 、通風面積取0.64m2、室內外溫差取5℃時，節(jié)約空調能耗比例為3.34 ，此數(shù)據(jù)為綜合各種開窗情況的平均情況。當開窗的病房比例從8 變化到10 時，節(jié)約空調能耗比例從2.41 變化到3.01 。當通風面積從50 變化到80 時，節(jié)約空調能耗比例從2.36 變化到2.68 。當室內外溫差為3℃時，節(jié)約空調能耗比例為2.97 ?？芍_窗的病房比例和通風面積對能耗比例有一定影響，室內外溫差影響較小。

4安科瑞醫(yī)院EMS能效管理系統(tǒng)

4.1平臺拓撲圖

4.2醫(yī)院能耗管理系統(tǒng)解決方案

對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各科室建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建醫(yī)院智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個科室能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強全院工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

能耗管控系統(tǒng)硬件配置方案

4.3醫(yī)院智能照明控制系統(tǒng)解決方案

醫(yī)院人流比較密集，科室較多，照明用電在醫(yī)院電能消耗中約占到15 左右。所以合理使用照明控制系統(tǒng)，在提升醫(yī)生和患者的體驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控制做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決照明用電。

ASL1000智能照明控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)場景控制、時間控制、區(qū)域控制、光照度感應控制以及紅外感應控制等多種控制方式，能有效避免公共區(qū)域的照明浪費，還可以幫助醫(yī)院管理照明。

系統(tǒng)在配電箱內的模塊主要有總線電源、開關驅動器、IP網關、耦合器、干接點輸入模塊等。這些模塊使用35mm標準導軌安裝。

安裝在控制現(xiàn)場的模塊主要有光照度傳感器、紅外傳感器和智能面板。有人經過可以設定紅外感應控制亮燈，人離開后在設定的時間內熄燈，智能面板等手動控制設備，可實現(xiàn)自動控制、現(xiàn)場控制和值班室遠程控制相結合。

智能照明控制系統(tǒng)硬件配置方案

4結論

1）醫(yī)院能源消費以電能為主的能源消費中，空調能耗占能耗的大部分，其中病房（含辦公室區(qū)域）占空調系統(tǒng)用能的35.8 ，具有較大的節(jié)能潛力。

2）空調智慧監(jiān)控系統(tǒng)通過管理病房內溫度，使之維持在特定的溫度區(qū)間，可以降低醫(yī)院能耗12 ；空調與窗戶聯(lián)動控制系統(tǒng)通過控制和減少人的開窗行為，可以降低醫(yī)院能耗3 ；屋頂光伏系統(tǒng)可以實現(xiàn)綜合發(fā)電和樓頂遮陽，從而降低醫(yī)院能耗7 。

3）通過建設智慧能源管理系統(tǒng)，預計實施后每年可以減少用電256萬kW·h，相當于節(jié)省標準煤315t，減少CO2排放量873t，節(jié)能經濟效益和環(huán)境效益顯著。

4）室內設定溫度對能耗的影響顯著，空調溫度設為25℃時節(jié)約空調能耗比例達到9.1 ；開窗的病房比例和通風面積對能耗比例有一定影響，室內外溫差的影響則較小。

本文基于智慧醫(yī)院的建設要求，主要探索了醫(yī)院智慧管理在能源系統(tǒng)中的應用，分析的節(jié)能措施主要集中在智能樓宇與用戶的互動。在接下來的研究中，需要進一步研究智能設備管理和智慧醫(yī)療在能源系統(tǒng)中的應用。

參考文獻：

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