能耗評價指標的醫院智能配電能效管理分析

 

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0引言

節能降耗工作是目前公立醫院后勤工作的重要部分，作為面向人民群眾的服務窗口，做好醫院的節能降耗工作，還可以起到很好的社會示范效應。能耗指標大小是開展節能工作的基礎，衡量能耗指標大小至關重要，但是目前尚未有統一的能耗指標來衡量醫院能耗，單位面積能耗是評價醫院能耗水平的常見指標[1]。除此之外，單位床位數能耗[2]、單位醫療量的能耗密度[3]、單位立方米能耗[4]和床日耗量[5]等也被研究學者用于評價醫院能耗水平。有研究表明，醫院建筑能耗中占比*大的是空調系統能耗[6]，占總能耗的0.4-0.6[7]，但是國內外對醫院的空調分項指標研究較少。本文從3個不同的空調分項指標對上海醫院進行評價，并根據醫院能源結構和功能系統信息，對能耗指標的高低原因進行分析，對醫院能源管理工作有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1調查對象及信息獲取

調研的對象是上海市4所綜合醫院（A1、A2、A3、A4）和3所專科醫院（B1、B2、B3），其中B1醫院是公共衛生類醫院。通過分發調查問卷和實地調研兩種方式，以及根據醫院后勤管理人員提供的數據以及相關醫院的分項計量信息，得到的主要信息除了有7所醫院的基本情況（醫院類型、等級、總建筑面積、總空調面積、床位數、門急診量、職工人數等）和2018年的能耗相關數據（電、燃氣、自來水等）外，還獲得了醫院用能設備的信息和設備運行情況等。

1.2研究方法及能耗評價指標

分析目標因素與總能耗關聯性使用的是Pearson系數（PCCs）。單位面積能耗與空調系統分項能耗指標被用于比較不同醫院的能耗水平，空調系統分項能耗指標包括單位面積空調冷源能耗、單位面積空調熱源能耗和單位面積空調水系統電耗。其中空調系統分項能耗指標為目標能耗與對應能耗使用面積的比值。

2結果

2.1醫院相關信息和全年耗值

醫院的建筑面積、核定病床數、門急診量、在職職工人數和醫院全年耗值見表1。綜合醫院的全年耗電量和全年總能耗均高于專科醫院。圖1給出了兩種能耗折標煤在總能耗中的占比情況以及總能耗與建筑面積的關系，可以看出醫院總能耗隨著建筑面積大而大，在7所醫院中B3醫院的電折標煤占比*高（0.969）。

2.2 醫院能耗與影響因素的關系

醫院由于用能復雜，能耗受許多因素影響。為了分析核定床位數、門急診量和在職職工人數3個影響因素與能耗的關系，圖2給出了醫院核定病床數、門急診量和在職職工人數與總能耗的線性關系。按擬合效果來看，核定床位數和在職職工人數的線性擬合度相當（R2 =0.93、0.94）。通過Pearson系數大小可以看出，醫院總能耗與三者均高度相關，核定床位數（PCCs=0.96）和在職職工人數（PCCs=0.97）的相關程度大于門急診量（PCCs=0.82）。

2.3 能耗指標分析及對比

2.3.1 單位面積能耗指標。圖3給出了7所醫院的單位面積綜合能耗值以及與合理值和先進值要求[≤56 kgce/(m2 ·a)]，B3醫院單位面積能耗與合理值限值差距*小。

2.3.2 空調系統分項能耗指標。本次調研的7所醫院中，共收集到5所醫院6個獨立的空調機房系統能耗數據。圖4給出了單位面積空調冷源能耗、空調熱源能耗和空調水系統能耗水平。由于調研醫院中的空調制冷主機包括電制冷主機和直燃型溴化鋰空調主機，能源形式分為電力和天然氣，故將空調冷源能耗的單位折算為標煤能耗，以便后續對比和比較。

從圖4中可看到，單位面積空調冷源能耗指標*低的醫院均為A1醫院的3#樓，為3.98 tce/m2 ，而空調冷源能耗指標*高的為B1醫院，達到9.02 tce/m2 ，大概是A1醫院3#樓能耗指標的2.27倍。

本次調研的醫院空調熱源設備均為燃氣鍋爐，故本文中單位面積空調熱源能耗指標單位取單位面積的天然氣能耗值m3 /m2 。*終發現單位面積空調熱源能耗指標的*低值和*高值也分別為A1醫院3#樓和B1醫院，B1醫院的單位面積空調熱源能耗（7.52 m3 /m2 ）也高出A1醫院3#樓能耗（3.43 m3 /m2 ）兩倍多。

從單位面積空調水系統能耗來看，能耗*高的兩所醫院為A3和A4，分別為14.72 kWh/m2 和16.74 kWh/m2 ，是其他幾所醫院空調水系統能耗指標的2～3倍，可以判斷醫院A3和A4肯定存在著較大的空調水系統設備設計和運行問題。

3討論

結合和對比7所醫院的實際運行、用能管理情況和對應的能耗指標后，發現醫院在能源管理方面存在以下一些共性問題。

3.1 能源系統設計與設備選型不合理

通過調研發現醫院A3的空調水系統設備總配置功率達到1102kW，單位面積水系統設備配置功率為11.02W/m2 ，醫院A4的空調水系統設備總配置功率達到550 kW，單位面積水系統設備配置功率為10.78 W/m2 ；同比A1醫院3#樓的空調水系統設備總配置功率為292kW，單位面積水系統設備配置功率僅為7.12W/m2 ，可見A3醫院和A4醫院設備選型過大，功率配置過高，這是兩所醫院單位空調水系統能耗過高的原因。大多醫院存在主要能源設備設計選型過大，普遍存在較明顯的“大馬拉小車”現象，且設備臺數不合理，單臺設備能力過大，不利于部分負荷調節，既增加初始投資又提高了日常運行成本。從單位面積空調冷源能耗發現，A1醫院3#樓的能耗值遠低于B1醫院。調研發現A1醫院3#樓已在2012年實施了空調冷機的節能改造，采用了效變頻的離心式冷水機組，同時采用了效的真空熱水機組作為空調熱源設備，而B1醫院的空調冷機是2004年生產的定頻離心式冷水機組，已投運長達15年，能效衰減較為明顯，除此之外該醫院還采用低效的燃氣蒸汽鍋爐作為空調熱源設備。從單位面積水系統能耗中發現醫院A3和A4的能耗過高與兩所醫院所用水泵均無變頻控制措施有關。無論建筑末端負荷高低，均處于工頻運行狀態，造成能耗的浪費，而A1醫院3#樓則對冷凍水泵和冷卻水泵均實施了變頻控制，有效降低了水泵運行能耗。因此發現大多醫院在選擇冷機、鍋爐、水泵等時未選用高能效產品，采購設備時偏保守，習慣選用傳統的成熟設備，不敢嘗試節能效的新技術、新產品。通過調研發現B1醫院屬于花園式院區設計，院內均為低矮的建筑且十分分散，在長距離管路輸送時管路輸送跑冒滴漏損失嚴重，且汽水換熱損失明顯，醫院鍋爐供能系統設計不合理是B1醫院空調熱源單位能耗大的原因之一。反觀B2醫院的單位面積綜合能耗值，能耗值*低的原因與醫院的用能建筑集中有關，沒有長距離的冷熱媒介質輸送損失，且蒸汽發生設備和采暖設備分別采用能耗較高的蒸汽發生器和風冷熱泵。

3.2能源運維管理工作*業性薄弱

通過調研發現，目前大多數醫院是由醫院后勤部門或委托物業管理公司來負責能源設備設施的運維管理工作，*業人員欠缺，基本不關注或沒能力促進設備系統的效節能運行。B1醫院的單位面積空調冷源能耗大于A1醫院3#樓的一部分原因就在于此：A1醫院3#空調機房由院方委托了*業的節能服務公司進行日常的運維管理，十分注重空調冷機的節能效運行控制；而B1醫院則由一般的物業公司進行運維管理，平時基本不關注空調冷機的運行能效。這方面*業能源服務公司的優勢明顯，*業化的節能管理可明顯降低醫院能耗。

3.3基本能源設備維保工作不到位

經調研了解，不少醫院沒有按照規范要求每年定期對主要能源設備設施進行維保工作（如空調水處理、冷機及水泵的維保、自控系統的維保、冷卻塔的清洗維護等），往往是等到設備及系統出現故障后才不得不進行維修，這也會大大降低了設備運行的能效及其使用壽命。

3.4醫院后勤在能源運營管理方面*業人才欠缺

經問卷調研發現很多醫院后勤管理人員并非設備設施管理及機電、暖通等*業，而是由醫生、護士、部隊干部等轉崗過來，缺乏能源運營管理的*業知識，使得醫院后勤難以發現用能系統的問題，更提不出有效的節能解決方案。B2醫院由于實行了合理集中的用能管理，單位面積能耗值較低，可見有良好的運營管理團隊對降低能耗的影響。這也是本次研究工作中現場調研收集信息資料花費了大量的精力、各醫院后勤提供的相關能源系統及運行資料都不太齊全的原因之一。上述*人才的欠缺，使得醫院后勤不太了解是否存在較大的節能潛力，同樣也是醫院后勤對于能源管理工作不夠重視的表現。

當然要指出的是，本次研究限于時間和精力，調研收集的7所醫院能源情況資料尚不夠充分，并且調研的醫院樣本數量還不夠多。對于有效的能耗評價指標，俞衛剛[8]認為不同醫院間用能模式差異較大，利用人均能耗費用來衡量醫院能耗水平更為準確，Alfonso等[9]認為單位職工人數平均能耗和單位床位數平均能耗也是評價醫院能耗的指標之一。因此，為了更好地對醫院能耗水平的探究，后續工作除了需要進一步擴大醫院調研樣本數量和對能源數據的采集量外，還需持續研究與醫院能源管理緊密相關的各維度能耗評價指標，以促進醫院能源管理工作的不斷提升。

4 AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺

4.1平臺概述

AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺充分結合《醫療建筑電氣設計規范》《綠色醫院建筑評價標準》、《醫院建筑能耗監管系統建設技術導則》等行業規范、根據醫院用戶需求以及能源管理部門要求，采集分析能源、能耗、能效數據，監測以電能質量、智慧用電相關指標以及其他用能指標，并與國家能源政策與用能模式改革結合。能夠輔助醫院后勤管理人員進行能源供應系統及設備的運行管理工作，幫助醫院管理層實時掌握醫院的能耗情況，為醫院能源信息化建設和節能管理提供了良好的技術平臺。

4.2平臺組成

安科瑞醫院能源管理系統建立基于云平臺的“監、控、維”一*化的能源管理系統，從數據采集、設備控制、數據分析、異常預警、運維派單、系統架構和綜合數據服務等方面的設計，幫助醫院后勤管理部門了解醫院能源運行情況，關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，提高運維效率。它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所運維云平臺，配電房綜合監控系統，能耗管理系統，智能照明控制系統，智慧消防平臺，電氣火災監控系統，消防設備電源監控系統，防火門監控系統，消防應急照明和疏散指示系統，充電樁管理系統，電能質量治理解決方案，醫療隔離電源解決方案。

4.3平臺拓撲圖

 

4.4平臺子系統

4.4.1醫院電力監控解決方案

電力監控系統實現對變壓器、柴油發電機、斷路器以及其它重要設備進行監視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設備和遠方控制中及其他設備通信，實時掌握供電系統運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫院供電可靠性。

電力監控系統主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況。同時對醫院重要設備如柴油發電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統狀態進行監測。

4.4.2醫院變電所運維云平臺解決方案

AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力傳感器、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術，通過智能網關采集現場數據并存儲在本地，再定時向云平臺推送數據。平臺采集的數據包括變電所回路電氣參數和變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到工作人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷并做消缺處理。4.4.3醫院配電房綜合監控系統解決方案

Acrel-2000E配電室綜合監控系統，可實現開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯動控制。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，優化動力環境，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，實現配電動力環境的分布式遠程管理。

4.4.4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。

4.4.5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0.15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。

4.4.6醫院智慧消防平臺解決方案

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

4.4.7醫院電氣火災監控系統解決方案

電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控系統，數據可集成至企業消控室監控系統。

  醫院電氣火災監控系統以建筑為單位設置，采集數據后上傳至值班室監控主機，實現對建筑電氣安全預警。現場設置的傳感器監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號，關注門診樓、住院樓、醫技樓等區域漏電或者電纜發熱等問題。

4.4.8醫院消防設備電源監控系統解決方案

醫院消防安全非常重要，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

消防設備電源監控監控系統采用消防二總線，以建筑為單位設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。

4.4.9醫院防火門監控系統解決方案

醫院防火門數量比較多，由于部分區域經常有人走動，常開常閉防火門數量都不少，防火門監控系統的作用就是監測防火門開閉狀態，在發生火災后自動關閉常開防火門，防止煙霧擴散。防火門監控系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，用于監測和控制防火門狀態，當防火門發生異常位置信號時，防火門監控器能發出故障報警信號，指示故障報警部位并保存故障報警信息。發生火災時，關閉事故區域所有常開防火門，防止煙霧向安全區域擴散。

4.4.10醫院消防應急照明和疏散指示系統解決方案

醫院人員流動性強，密度大，消防比較復雜，一旦發生火災，疏散指示系統非常重要。消防應急照明和指示系統可以和火災報警系統聯動，提供應急照明和疏散路徑指示，指引人群快速找到疏散出口，并可以一鍵選擇疏散應急預案，提升人員逃生概率。

4.4.11醫院有源諧波治理系統解決方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會產生大量諧波，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于醫院的精化驗設備可能會產生干擾。

為了消除配電系統諧波對醫院設備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器，濾除電網2~31次諧波干擾。

AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。

4.4.12醫院充電樁系統解決方案

醫院停車場有電動汽車和電動自行車，均需要提供充電樁。充電樁管理系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，解決物業、用電管理部門的充電樁使用、監控問題。電動自行車充電可采用投幣、掃碼充電方式，電動汽車支持IC卡和掃碼充電方式。遠程充電樁系統可實時遠程完成啟動充電、強制停止、單價設置等控制指令，用戶可通過APP、微信、支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；能夠遠程控制，提供財務報表和數據分析等功能。

4.4.13醫院醫療隔離電源解決方案

《民用建筑電氣設計規范》14.7.6.3條明確規定：在電源突然中斷后，重大醫療危險的場所，應采用電力系統不接地（IT系統）的供電方式。同時《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB50333-2002中規定：2類醫療場所在維持患者生命，外科手術和其他位于患者周圍的電氣裝置均應采用醫用IT系統。如：搶救室（門診手術室）、手術室、心臟監控治*室、導管介入室、血管照影檢查室等。

安科瑞電氣股份有限公司的醫療隔離電源解決方案是針對醫療Ⅱ類場所的供電需求而開發設計的，能夠很好的滿足各類手術室和重癥監護室對電源安全性和可靠性的要求，并符合國家相關標準。

4.5相關平臺部署硬件選型清單

4.5.1電力監控系統硬件配置

 

 

 

4.5.2變電所運維云平臺硬件配置

 

 

4.5.3電房綜合監控系統硬件配置方案

 

4.5.4能耗管理系統硬件配置方案

4.5.5智能照明控制系統硬件配置方案

 

 

 

4.5.6智慧消防平臺硬件配置方案

 

4.5.7電氣火災監控系統硬件配置方案

4.5.8消防設備電源監控系統硬件配置方案

4.5.9防火門監控系統硬件配置方案

4.5.10消防應急照明和疏散指示系統硬件配置方案

 

4.5.11有源諧波治理系統硬件配置方案

 

4.5.12充電樁運營收費平臺硬件配置方案

 

4.5.13醫療隔離電源解決方案硬件配置方案

 

5結束語

醫院能耗的高低除了與建筑面積、門急診量、病床數和職工人數有關外，還和供能系統方案、能源形式、設備選型與配置、運維管理模式、建筑布局與負荷標準等均有一定關系。從多維度的能耗指標去深入分析，可有效反映出醫院在能源系統設計、運行及管理工作上存在的問題，并可進一步找到解決方案，幫助醫院提升能源管理水平。故筆者建議醫院能源管理部門可逐步建立起基于能耗評價指標的醫院能源管理體系，研究不同維度能耗指標與相關能源系統設計和運營之間的關聯，充分利用醫院分項計量系統有效采集和統計相關能耗評價指標，從而可以從不同角度對醫院用能水平進行評價，并在同類醫院之間進行比較，反映醫院能源管理中的問題并及時采取優化措施。