淺談基於智慧能源管理的醫院節能措施分析

程瑜

江蘇安科瑞微電網研究院有限公司江蘇江陰214432

摘要：為(wei) 減少醫療建築能耗，優(you) 化醫院能源管理，基於(yu) 智慧醫院的要求，通過分析廣州市番禺區 醫院的能耗特性，對醫院空調係統、空調與(yu) 窗戶聯動控製係統、屋頂光伏係統等智能樓宇分係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，預計實施後每年可以節約用電256萬(wan) kW·h，相當於(yu) 節省315t標準煤，減少CO2排放量873t，對於(yu) 城市既有醫療建築的節能改進和能源智慧管理具有較強的示範作用。

關(guan) 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(hui) 經濟的快速發展，我國的能源消費呈現增長態勢。據統計2018年全國建築運行能耗達到10億(yi) t標準煤，占全國能源消費總量比重為(wei) 百分之21.7，碳排放21.1億(yi) t（以CO2計，下同），占全國能源碳排放的比重百分之21.9[1]。大型公共建築是建築能源消耗的高密度領域，醫院建築的能耗是一般公共建築的3～4倍[2]。2020年度廣東(dong) 省公立醫院單位建築麵積能耗17.17kg標準煤/m2，人均綜合能耗達280.82kg標準煤，遠高於(yu) 場館、學校等公共建築，是廣東(dong) 省中小學建築能耗的5倍。隨著國家“雙碳”戰略的推動，醫院建築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築能耗，提出采用提升冷熱源運行效率、合理配置空調及通風係統等措施來降低醫院能耗；薑海勇等[6]以深圳市孫逸仙心血管醫院為(wei) 例，通過空調主機係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，同時配合智能群控係統。以上研究主要考慮設備因素，較少考慮人的用能行為(wei) 。方婷婷[8]選取廣州地區6個(ge) 典型醫院建築，提出落實能源管理製度等節能建議，包括運用製度對人員行為(wei) 進行約束，但因為(wei) 人的行為(wei) 較難預測，實施效果難以保證。

智慧醫院的建設立足於(yu) 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(wei) 醫院能源係統管理提供了新的方向。本文以廣州市番禺區 醫院為(wei) 研究對象，分析醫院能耗特性和主要耗能因素，提出基於(yu) 智慧能源管理的節能措施，並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

醫院建築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(ti) 的醫院在功能和能源結構確定後，通常有著較穩定的能耗[11]。本文以華南地區某綜合醫院為(wei) 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(wan) m2，有建築樓8棟，總建築麵積23.5萬(wan) m2，實際開放床位1479張，2020年總診療達176.8萬(wan) 次。該醫院能源消耗的類主要為(wei) 電能消耗和燃料消耗。2020年度用電量達2489萬(wan) 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(wei) 醫療設備和後勤服務設備，其中後勤服務設備包括暖通空調、照明係統、電梯、安防、

辦公用電等。該醫院地處南亞(ya) 熱帶，氣候分區屬於(yu) 夏熱冬暖，冬季無供暖需求，空調係統主要用於(yu) 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(wei) 舒適性空調和工藝性空調[12]。舒適性空調主要為(wei) 室內(nei) 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(yan) 格要求的空間，包括手術室、麻醉科等區域。醫院空調係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）占空調係統用能的百分之35.8，大大高於(yu) 手術室等區域。

此外，醫院的能源均為(wei) 外部購置，成本居高不下。醫院的能源供應結構較為(wei) 單一，電能百分之100由市電供應，不利於(yu) 醫院能源係統安全。根據綠色醫院建築的建設理念，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，醫院能源係統節能應從(cong) 減少能源消耗和改善能源供應結構著手。以電能為(wei) 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(wei) 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(wei) 節能對象。在日常實踐中發現，病房和辦公室區域，人為(wei) 不節能行為(wei) 會(hui) 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(nei) 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(guan) 空調等現象。醫院人員構成複雜，節能理念難以統一，靠製度約束人的行為(wei) 不可控因素過多。因此，考慮基於(yu) 智慧醫院管理的智能樓宇建設，構建空調監控係統、空調與(yu) 窗戶聯動控製係統模型，同時挖掘醫院可再生能源資源的潛力，構建屋頂光伏係統模型。

2.1空調智慧監控係統

結合國務院執行公共建築空調溫度控製標準的通知和夏季病房內(nei) 病人舒適性要求，空調係統設定的溫度取27℃較為(wei) 適宜[13]，而現實中，用戶多將病房空調設定溫度遠低於(yu) 27℃。因此，在考慮用戶偏好的前提下，通過空調智慧監控係統對病房內(nei) 空調溫度範圍進行調控，空調智慧監控係統設定如下：

1）實時采集室內(nei) 、室外氣溫；

2）規定空調設定溫度值tn；

3）病房內(nei) 用戶輸入自己的偏好溫度ti；

4）當外界氣溫高於(yu) (ti+3)℃時，病房空調開啟，且溫度設定為(wei) ti；

5）當用戶輸入的偏好溫度ti低於(yu) tn時，病房空調自動設定為(wei) tn。

模型假設用戶用能行為(wei) 與(yu) 監控係統邏輯一致，傾(qing) 向於(yu) 在外界氣溫高於(yu) 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於(yu) 25～30℃間，因此該係統能有效監控病房內(nei) 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(wei) 22℃，則與(yu) 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(nei) 外溫差加大，從(cong) 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，將空調係統能耗簡化為(wei) 室內(nei) 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(wei) 每年因空調溫度控製而節約的空調能耗比例， ；η0為(wei) 病房空調能耗占醫院總體(ti) 空調能耗比例， ；Q為(wei) 未實施節能措施前每年病房空調係統能耗，kW·h；Qrt為(wei) 實施節能措施後每年病房空調係統能耗，kW·h；ko為(wei) 每年室外氣溫≥(ti+3)℃的時間，h；ki為(wei) 每年室外氣溫≥(tn+3)℃的時間，h；hw為(wei) 室外空氣逐時比焓，kJ/kg；hn為(wei) 室內(nei) 空氣時比焓，kJ/kg；Pt為(wei) 在(t1,t2)溫度區間空調溫度設定的取值概率。

2.2空調與(yu) 窗戶聯動控製係統

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(nei) 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，可建設空調係統與(yu) 窗戶聯動控製係統，監控窗戶啟閉狀態，當空調運行和窗戶開啟2個(ge) 條件同時滿足時，通過能源管理係統關(guan) 閉房間空調，由此調節病房內(nei) 空調用能行為(wei) 。為(wei) 簡化計算，忽略冷熱空氣焓差，假設從(cong) 窗戶進入的是與(yu) 室內(nei) 新風溫度相同的冷空氣，通過實施該係統前後的係統風量變化計算節約的空調能耗比例。新風量能耗隻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(hui) 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後會(hui) 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(wei) 每年因控製開窗行為(wei) 而節約的空調能耗比例， ；ηnew為(wei) 新風量部分占空調冷負荷的比例， ；Grw為(wei) 實施空調與(yu) 窗戶聯動控製係統後每年病房空調係統總新風量，m3；Go為(wei) 通過開窗戶流通的空氣量，m3/s；T為(wei) 開空調時開窗時長，h；N為(wei) 房間數，個(ge) ；Gr為(wei) 一個(ge) 房間的新風換氣量，m3/s；D為(wei) 開空調時長，s；Kw為(wei) 有開窗現象的病房比例， 。

為(wei) 便於(yu) 研究窗戶流通的空氣量，將一個(ge) 開窗的房間簡化為(wei) 單側(ce) 開口箱體(ti) 。通過窗戶的單側(ce) 通風量為(wei) 熱壓和風壓作用下的流通量。熱壓是指因室內(nei) 外溫度不同造成室內(nei) 外空氣密度差而產(chan) 生的壓差。風壓是指室內(nei) 外風速作用下產(chan) 生的壓差，假設窗戶為(wei) 單開口自然通風，且為(wei) 穩態流動。單側(ce) 通風量計算公式[14]為(wei) ：

式中：Gh為(wei) 熱壓作用下的自然通風量，m3/s；Cd為(wei) 係數，取0.61；A為(wei) 窗戶開啟麵積，m2；H為(wei) 開口高度，m；ΔT為(wei) 室內(nei) 外空氣溫度差，K；T為(wei) 室內(nei) 外空氣平均熱力學溫度，K；Gw為(wei) 風壓作用下的自然通風量，m3/s；Aeff為(wei) 有效開口麵積，m2；U為(wei) 開口處的風速，m/s。

2.3綜合發電和樓頂遮陽的屋頂光伏係統

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，而光伏板對於(yu) 建築的影響則被忽略。根據對設備設施的智慧管理與(yu) 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，相當於(yu) 增加了熱阻，減少到達室內(nei) 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(wei) 簡化計算，忽略不計。因遮陽減少的能耗比例計算公式為(wei) ：

式中：q1為(wei) 采取遮陽措施前單位麵積因太陽輻射產(chan) 生從(cong) 室外到室內(nei) 的熱流量，W/m2；q2為(wei) 采取遮陽措施後單位麵積因太陽輻射產(chan) 生從(cong) 室外到室內(nei) 的熱流量，W/m2；Ro為(wei) 屋麵總熱阻，m2·K/W；ΔR為(wei) 光伏板附加的熱阻，m2·K/W；A為(wei) 屋頂房間數量占全部房間的比例， 。

通過光伏板發電產(chan) 生的電量計算公式為(wei) ：

ηpv,p=Ppv/Q=Ipv×S×p×T(13)

式中：Ppv為(wei) 光伏板年發電量，kW·h；Ipv為(wei) 單位光伏板的額定發電功率，kW/m2；S為(wei) 屋頂可鋪設光伏板麵積，m2；p為(wei) 光伏板發電效率， ；T為(wei) 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(wei) ：

ηpv=ηpv,r+ηpv,p(14)

綜合以上節能措施，共節約能耗比例為(wei) ：

ηc=ηt+ηw+ηpv(15)

3節能效果與(yu) 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(ye) 建築供暖通風與(yu) 空氣調節設計規範》查得。醫院空調係統設定的特定溫度tn取27℃，室內(nei) 相對濕度取60 。據調查統計，廣州地區典型的家庭情景裏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(wei) (15℃,35℃)。

開窗行為(wei) 是個(ge) 體(ti) 不確定行為(wei) ，在空調房間的開窗行為(wei) 是一種特定情景的開窗行為(wei) [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(wei) 此行為(wei) 規律在夏熱冬暖地區適用。取開窗時長為(wei) 開空調時長的一半。單間病房新風量Gr取0.0556m3/s。窗戶開啟麵積A取1.2m×0.6m，開口的高度H取1.2m，有效開口麵積Aeff取窗口麵積A的一半。室內(nei) 外空氣溫度差ΔT取5K，室內(nei) 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築節能設計標準，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，屋頂可鋪設光伏板麵積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，采取以上節能措施後，全年預計可減少用電256萬(wan) 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(cong) 設備的智慧管理、人的行為(wei) 控製和可再生能源利用等方麵進行節能，節能效果各有不同。采取節能措施後，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，空調溫度控製占12 ，光伏板綜合節能占7 ，開窗行為(wei) 控製占3 ，說明空調溫度控製起了重要作用。空調溫度控製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(wei) 控製需要加強醫院運行管理。

在對節能措施的效果分析中，為(wei) 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：

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

當標準差變化為(wei) 1、2、2.5時，計算得到節約空調能耗比例分別為(wei) 11.5 、12.1 、12.6 ，差別不大。當均值變化為(wei) 23、24、25時，計算得到節約空調能耗比例分別為(wei) 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(jin) 有20 的人將空調調至25℃是較為(wei) 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(wei) 進行分析時，開窗的病房比例、通風麵積、室內(nei) 外溫差均取值一定。當開窗病房比例為(wei) 11 、通風麵積取0.64m2、室內(nei) 外溫差取5℃時，節約空調能耗比例為(wei) 3.34 ，此數據為(wei) 綜合各種開窗情況的平均情況。當開窗的病房比例從(cong) 8 變化到10 時，節約空調能耗比例從(cong) 2.41 變化到3.01 。當通風麵積從(cong) 50 變化到80 時，節約空調能耗比例從(cong) 2.36 變化到2.68 。當室內(nei) 外溫差為(wei) 3℃時，節約空調能耗比例為(wei) 2.97 。可知開窗的病房比例和通風麵積對能耗比例有一定影響，室內(nei) 外溫差影響較小。

4安科瑞醫院EMS能效管理係統

4.1平台拓撲圖

4.2醫院能耗管理係統解決(jue) 方案

對建築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築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係統的基本框架，對各個(ge) 用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過係統可實現建築單位內(nei) 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：實現建築單位內(nei) 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麵積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭(zheng) 排名：各個(ge) 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，並根據能耗監測管理係統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為(wei) 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，並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(yi) 表故障進行報警，提高係統信息化、自動化水平。

能耗管控係統硬件配置方案

4.3醫院智能照明控製係統解決(jue) 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製係統，在提升醫生和患者的體(ti) 驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控製做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決(jue) 照明用電。

ASL1000智能照明控製係統可以實現場景控製、時間控製、區域控製、光照度感應控製以及紅外感應控製等多種控製方式，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。

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

安裝在控製現場的模塊主要有光照度傳(chuan) 感器、紅外傳(chuan) 感器和智能麵板。有人經過可以設定紅外感應控製亮燈，人離開後在設定的時間內(nei) 熄燈，智能麵板等手動控製設備，可實現自動控製、現場控製和值班室遠程控製相結合。

智能照明控製係統硬件配置方案

4結論

1）醫院能源消費以電能為(wei) 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）占空調係統用能的35.8 ，具有較大的節能潛力。

2）空調智慧監控係統通過管理病房內(nei) 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(yu) 窗戶聯動控製係統通過控製和減少人的開窗行為(wei) ，可以降低醫院能耗3 ；屋頂光伏係統可以實現綜合發電和樓頂遮陽，從(cong) 而降低醫院能耗7 。

3）通過建設智慧能源管理係統，預計實施後每年可以減少用電256萬(wan) kW·h，相當於(yu) 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(nei) 設定溫度對能耗的影響顯著，空調溫度設為(wei) 25℃時節約空調能耗比例達到9.1 ；開窗的病房比例和通風麵積對能耗比例有一定影響，室內(nei) 外溫差的影響則較小。

本文基於(yu) 智慧醫院的建設要求，主要探索了醫院智慧管理在能源係統中的應用，分析的節能措施主要集中在智能樓宇與(yu) 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係統中的應用。

參考文獻：

1. 基於(yu) 智慧能源管理的醫院節能措施分析

2. 中國建築節能協會(hui) .中國建築能耗研究報告2020[J].建築節能(中英

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[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2020.06版．

[4]安科瑞用戶變電站變配電監控解決(jue) 方案2021.10