淺談基于智慧能源管理的醫院節能措施分析

安科瑞 劉邁

　　摘要：為減少醫療建筑能耗，優化醫院能源管理，基于智慧醫院的要求，通過分析廣州市番禺區 醫院的能耗特性，對醫院空調系統、空調與窗戶聯動控制系統、屋頂光伏系統等智能樓宇分系統進行節能建模分析，建議采取醫院信息化建設、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約用電256萬kW·h，相當于節省315t標準煤，減少CO2排放量873t，對于城市既有醫療建筑的節能改進和能源智慧管理具有較強的示范作用。

　　關鍵詞：智慧醫院；綜合智能樓宇；精細化管理；節能減排；光伏發電

　　0引言

　　隨著社會經濟的快速發展，我國的能源消費呈現增長態勢。據統計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"戰略的推動，醫院建筑運行節能工作迫在眉睫[3]。

　　當前醫院采用的節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等措施來降低醫院能耗；姜海勇等[6]以深圳市孫逸仙心血管醫院為例，通過空調主機系統等節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院燃油蒸汽鍋爐技改，同時配合智能群控系統。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6個典型醫院建筑，提出落實能源管理制度等節能建議，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。

　　智慧醫院的建設立足于信息化、互聯網、物聯網，通過對醫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院能源系統管理提供了新的方向。本文以廣州市番禺區 醫院為研究對象，分析醫院能耗特性和主要耗能因素，提出基于智慧能源管理的節能措施，并對節能措施的影響因素進行敏感性分析。

　　1醫院能耗特性分析

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

　　廣州市番禺區 醫院是一所大型綜合公立醫院，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，電能消費占醫院總能消耗的百分之97.07。醫院電能消費可分為醫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、電梯、安防、

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

　　醫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。醫院空調能耗逐月分布情況見表1。

　　根據使用目的，醫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境，包括病房、辦公室等公共活動區域。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、麻醉科等區域。醫院空調系統耗能量前五的區域見圖1，

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

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

　　2醫院節能措施建模

　　由醫院能耗特性分析可知，醫院能源系統節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。醫院舒適性空調中，病房（含辦公室區域）應作為節能對象。在日常實踐中發現，病房和辦公室區域，人為不節能行為會造成空調非必要的能耗。例如，在病房區域，部分病人節能意識差，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；辦公區域，辦公室人員時常有下班忘記關空調等現象。醫院人員構成復雜，節能理念難以統一，靠制度約束人的行為不可控因素過多。因此，考慮基于智慧醫院管理的智能樓宇建設，構建空調監控系統、空調與窗戶聯動控制系統模型，同時挖掘醫院可再生能源資源的潛力，構建屋頂光伏系統模型。

　　2.1空調智慧監控系統

　　結合國務院執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，空調系統設定的溫度取27℃較為適宜[13]，而現實中，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，通過空調智慧監控系統對病房內空調溫度范圍進行調控，空調智慧監控系統設定如下：

　　1）實時采集室內、室外氣溫；

　　2）規定空調設定溫度值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控系統邏輯一致，傾向于在外界氣溫高于用戶的偏好溫度3℃時開啟空調。南方地區除夏季持續高溫外，過渡季節氣溫較多處于25～30℃間，因此該系統能有效監控病房內空調開啟次數和設定溫度。根據Meteonorm軟件導出的廣州市2020年全年8785h氣象數據，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，可以假設外界環境除氣溫以外的因素不變，將空調系統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，節約的能耗計算如下：

　　式中：ηt為每年因空調溫度控制而節約的空調能耗比例， ；η0為病房空調能耗占醫院總體空調能耗比例， ；Q為未實施節能措施前每年病房空調系統能耗，kW·h；Qrt為實施節能措施后每年病房空調系統能耗，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)溫度區間空調溫度設定的取值概率。

　　2.2空調與窗戶聯動控制系統

　　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。結合醫院“智慧管理"的精細化管理，加強醫院設備在線管理，可建設空調系統與窗戶聯動控制系統，監控窗戶啟閉狀態，當空調運行和窗戶開啟2個條件同時滿足時，通過能源管理系統關閉房間空調，由此調節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，通過實施該系統前后的系統風量變化計算節約的空調能耗比例。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約比例計算。節約的能耗計算如下：

　　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動控制系統后每年病房空調系統總新風量，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，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，且為穩態流動。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，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綜合發電和樓頂遮陽的屋頂光伏系統

　　太陽能光伏板是常見的分布式可再生能源。通過增加發電途徑，可以改善能源供應，降低能源成本。通常該技術措施的節能效果是根據光伏發電量估算，而光伏板對于建筑的影響則被忽略。根據對設備設施的智慧管理與規劃，設計屋頂太陽能光伏板鋪設方案，可以達到發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，減少到達屋頂的熱流量，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為屋頂房間數量占全部房間的比例， 。

　　通過光伏板發電產生的電量計算公式為：

　　ηpv,p=Ppv/Q=Ipv×S×p×T(13)

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

　　由式(10)～式(13)，則該項措施每年可節省空調能耗比例為：

　　ηpv=ηpv,r+ηpv,p(14)

　　綜合以上節能措施，共節約能耗比例為：

　　ηc=ηt+ηw+ηpv(15)

　　3節能效果與敏感性分析

　　廣州地區夏季室外空氣逐時計算焓值可根據GB50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》查得。醫院空調系統設定的特定溫度tn取27℃，室內相對濕度取60 。據調查統計，廣州地區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遵循正態分布，取N(23,22)，取值區間為(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]。夏熱冬冷地區夏季空調開啟時窗戶開啟率有11.1 [17]，可認為此行為規律在夏熱冬暖地區適用。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。

　　根據夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準，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電功率Ipv取1kW/m2，屋頂可鋪設光伏板面積S取2000m2，光伏板發電效率p取15.4 ，年太陽能可利用小時數T取2200h。

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

　　各項節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能，節能效果各有不同。采取節能措施后，醫院能耗比例見圖2。由圖可看出，節能措施共節約醫院能耗22.47 。其中，空調溫度控制占12 ，光伏板綜合節能占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能措施可在已建成醫院進行局部改造，開窗行為控制需要加強醫院運行管理。

　　在對節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。現對部分數據作敏感性分析：

　　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，節約空調能耗比例為3.34 ，此數據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，節約空調能耗比例為2.97 。可知開窗的病房比例和通風面積對能耗比例有一定影響，室內外溫差影響較小。

　　4安科瑞醫院EMS能效管理系統

　　4.1平臺拓撲圖

4.2醫院能耗管理系統解決方案

　　對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。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，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

　　①　搭建醫院智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

　　②　排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

　　③　區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

　　④　同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

　　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，實現能耗排名，增強全院工作人員的節能意識；

　　⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統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；

　　⑧　能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

能耗管控系統硬件配置方案

　　4.3醫院智能照明控制系統解決方案

　　醫院人流比較密集，科室較多，照明用電在醫院電能消耗中約占到15 左右。所以合理使用照明控制系統，在提升醫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智能照明控制系統可以實現場景控制、時間控制、區域控制、光照度感應控制以及紅外感應控制等多種控制方式，能有效避免公共區域的照明浪費，還可以幫助醫院管理照明。

　　系統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，可實現自動控制、現場控制和值班室遠程控制相結合。

智能照明控制系統硬件配置方案

　　4結論

　　1）醫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（含辦公室區域）占空調系統用能的35.8 ，具有較大的節能潛力。

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

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

　　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。

　　本文基于智慧醫院的建設要求，主要探索了醫院智慧管理在能源系統中的應用，分析的節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療在能源系統中的應用。

　　參考文獻：

　　基于智慧能源管理的醫院節能措施分析

　　中國建筑節能協會.中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節能(中英

　　文),2021,49(2):1-6.

　　[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版．

　　[4]安科瑞用戶變電站變配電監控解決方案2021.10