浅谈基于能耗评价指标的医院智能配电能效管理分析
摘要：目的：为了更好地推进医院能源管理工作，主要利用空调系统分项能耗对上海7所三甲医院能源管理工作存在的问题进行分析。方法：Pearson系数被用作分析影响因素与医院总能耗的关联程度，再利用单位面积总能耗和空调系统分项能耗指标对医院能耗水平进行评价和对比。结果：设计与选型不合理、运维管理工作专业性弱、设备维保不到位和管理人才欠缺是医院能源管理存在的共性问题。结论：多维度衡量医院能耗水平，有效加强医院能源管理方面的工作是降低医院能耗的有效途径。
关键词：能源管理；能耗指标；医院后勤
0引言
节能降耗工作是目前公立医院后勤工作的重要部分，作为面向人民群众的服务窗口，做好医院的节能降耗工作，还可以起到很好的社会示范效应。能耗指标大小是开展节能工作的基础，衡量能耗指标大小至关重要，但是目前尚未有统一的能耗指标来衡量医院能耗，单位面积能耗是评价医院能耗水平的常见指标[1]。除此之外，单位床位数能耗[2]、单位医疗量的能耗密度[3]、单位立方米能耗[4]和床日耗量[5]等也被研究学者用于评价医院能耗水平。有研究表明，医院建筑能耗中占比*大的是空调系统能耗[6]，占总能耗的40%～60%[7]，但是国内外对医院的空调分项指标研究较少。本文从3个不同的空调分项指标对上海三甲医院进行评价，并根据医院能源结构和功能系统信息，对能耗指标的高低原因进行分析，对医院能源管理工作有一定的指导意义。
1 材料与方法
1.1调查对象及信息获取
调研的对象是上海市4所综合医院（A1、A2、A3、A4）和3所专科医院（B1、B2、B3），其中B1医院是公共卫生类医院。通过分发调查问卷和实地调研两种方式，以及根据医院后勤管理人员提供的数据以及相关医院的分项计量信息，得到的主要信息除了有7所医院的基本情况（医院类型、等级、总建筑面积、总空调面积、床位数、门急诊量、职工人数等）和2018年的能耗相关数据（电、燃气、自来水等）外，还获得了医院用能设备的信息和设备运行情况等。
1.2研究方法及能耗评价指标
分析目标因素与总能耗关联性使用的是Pearson系数（PCCs）。单位面积能耗与空调系统分项能耗指标被用于比较不同医院的能耗水平，空调系统分项能耗指标包括单位面积空调冷源能耗、单位面积空调热源能耗和单位面积空调水系统电耗。其中空调系统分项能耗指标为目标能耗与对应能耗使用面积的比值。
2结果
2.1医院相关信息和全年耗值
医院的建筑面积、核定病床数、门急诊量、在职职工人数和医院全年耗值见表1。综合医院的全年耗电量和全年总能耗均高于专科医院。图1给出了两种能耗折标煤在总能耗中的占比情况以及总能耗与建筑面积的关系，可以看出医院总能耗随着建筑面积增大而增大，在7所医院中B3医院的电折标煤占比*高（96.9%）。
2.2 医院能耗与影响因素的关系
医院由于用能复杂，能耗受许多因素影响。为了分析核定床位数、门急诊量和在职职工人数3个影响因素与能耗的关系，图2给出了医院核定病床数、门急诊量和在职职工人数与总能耗的线性关系。按拟合效果来看，核定床位数和在职职工人数的线性拟合度相当（R2 =0.93、0.94）。通过Pearson系数大小可以看出，医院总能耗与三者均高度相关，核定床位数（PCCs=0.96）和在职职工人数（PCCs=0.97）的相关程度大于门急诊量（PCCs=0.82）。
2.3 能耗指标分析及对比
2.3.1 单位面积能耗指标。图3给出了7所医院的单位面积综合能耗值以及与合理值和先进值要求[≤56 kgce/(m2 ·a)]，B3医院单位面积能耗与合理值限值差距*小。
2.3.2 空调系统分项能耗指标。本次调研的7所医院中，共收集到5所医院6个独立的空调机房系统能耗数据。图4给出了单位面积空调冷源能耗、空调热源能耗和空调水系统能耗水平。由于调研医院中的空调制冷主机包括电制冷主机和直燃型溴化锂空调主机，能源形式分为电力和天然气，故将空调冷源能耗的单位折算为标煤能耗，以便后续对比和比较。
从图4中可看到，单位面积空调冷源能耗指标*低的医院均为A1医院的3#楼，为3.98 tce/m2 ，而空调冷源能耗指标*高的为B1医院，达到9.02 tce/m2 ，大概是A1医院3#楼能耗指标的2.27倍。
本次调研的医院空调热源设备均为燃气锅炉，故本文中单位面积空调热源能耗指标单位取单位面积的天然气能耗值m3 /m2 。*终发现单位面积空调热源能耗指标的*低值和*高值也分别为A1医院3#楼和B1医院，B1医院的单位面积空调热源能耗（7.52 m3 /m2 ）也高出A1医院3#楼能耗（3.43 m3 /m2 ）两倍多。
从单位面积空调水系统能耗来看，能耗*高的两所医院为A3和A4，分别为14.72 kWh/m2 和16.74 kWh/m2 ，是其他几所医院空调水系统能耗指标的2～3倍，可以判断医院A3和A4肯定存在着较大的空调水系统设备设计和运行问题。
3讨论
结合和对比7所医院的实际运行、用能管理情况和对应的能耗指标后，发现医院在能源管理方面存在以下一些共性问题。
3.1 能源系统设计与设备选型不合理
通过调研发现医院A3的空调水系统设备总配置功率达到1102kW，单位面积水系统设备配置功率为11.02W/m2 ，医院A4的空调水系统设备总配置功率达到550 kW，单位面积水系统设备配置功率为10.78 W/m2 ；同比A1医院3#楼的空调水系统设备总配置功率为292kW，单位面积水系统设备配置功率仅为7.12W/m2 ，可见A3医院和A4医院设备选型过大，功率配置过高，这是两所医院单位空调水系统能耗过高的原因。大多医院存在主要能源设备设计选型过大，普遍存在较明显的“大马拉小车”现象，且设备台数不合理，单台设备能力过大，不利于部分负荷调节，既增加初始投资又提高了日常运行成本。从单位面积空调冷源能耗发现，A1医院3#楼的能耗值远低于B1医院。调研发现A1医院3#楼已在2012年实施了空调冷机的节能改造，采用了高效变频的离心式冷水机组，同时采用了高效的真空热水机组作为空调热源设备，而B1医院的空调冷机是2004年生产的定频离心式冷水机组，已投运长达15年，能效衰减较为明显，除此之外该医院还采用低效的燃气蒸汽锅炉作为空调热源设备。从单位面积水系统能耗中发现医院A3和A4的能耗过高与两所医院所用水泵均无变频控制措施有关。无论建筑末端负荷高低，均处于工频运行状态，造成能耗的浪费，而A1医院3#楼则对冷冻水泵和冷却水泵均实施了变频控制，有效降低了水泵运行能耗。因此发现大多医院在选择冷机、锅炉、水泵等时未选用高能效产品，采购设备时偏保守，习惯选用传统的成熟设备，不敢尝试节能高效的新技术、新产品。通过调研发现B1医院属于花园式院区设计，院内均为低矮的建筑且十分分散，在长距离管路输送时管路输送跑冒滴漏损失严重，且汽水换热损失明显，医院锅炉供能系统设计不合理是B1医院空调热源单位能耗大的原因之一。反观B2医院的单位面积综合能耗值，能耗值*低的原因与医院的用能建筑集中有关，没有长距离的冷热媒介质输送损失，且蒸汽发生设备和采暖设备分别采用能耗较高的蒸汽发生器和风冷热泵。
3.2能源运维管理工作专业性薄弱
通过调研发现，目前大多数医院是由医院后勤部门或委托物业管理公司来负责能源设备设施的运维管理工作，专业人员欠缺，基本不关注或没能力促进设备系统的高效节能运行。B1医院的单位面积空调冷源能耗大于A1医院3#楼的一部分原因就在于此：A1医院3#空调机房由院方委托了专业的节能服务公司进行日常的运维管理，十分注重空调冷机的节能高效运行控制；而B1医院则由一般的物业公司进行运维管理，平时基本不关注空调冷机的运行能效。这方面专业能源服务公司的优势明显，专业化的节能管理可明显降低医院能耗。
3.3基本能源设备维保工作不到位
经调研了解，不少医院没有按照规范要求每年定期对主要能源设备设施进行维保工作（如空调水处理、冷机及水泵的维保、自控系统的维保、冷却塔的清洗维护等），往往是等到设备及系统出现故障后才不得不进行维修，这也会大大降低了设备运行的能效及其使用寿命。
3.4医院后勤在能源运营管理方面专业人才欠缺
经问卷调研发现很多医院后勤管理人员并非设备设施管理及机电、暖通等专业，而是由医生、护士、部队干部等转岗过来，缺乏能源运营管理的专业知识，使得医院后勤难以发现用能系统的问题，更提不出有效的节能解决方案。B2医院由于实行了合理集中的用能管理，单位面积能耗值较低，可见有良好的运营管理团队对降低能耗的影响。这也是本次研究工作中现场调研收集信息资料花费了大量的精力、各医院后勤提供的相关能源系统及运行资料都不太齐全的原因之一。上述专业人才的欠缺，使得医院后勤不太了解是否存在较大的节能潜力，同样也是医院后勤对于能源管理工作不够重视的表现。
当然要指出的是，本次研究限于时间和精力，调研收集的7所医院能源情况资料尚不够充分，并且调研的医院样本数量还不够多。对于有效的能耗评价指标，俞卫刚[8]认为不同医院间用能模式差异较大，利用人均能耗费用来衡量医院能耗水平更为准确，Alfonso等[9]认为单位职工人数平均能耗和单位床位数平均能耗也是评价医院能耗的指标之一。因此，为了更好地对医院能耗水平的探究，后续工作除了需要进一步扩大医院调研样本数量和对能源数据的采集量外，还需持续研究与医院能源管理紧密相关的各维度能耗评价指标，以促进医院能源管理工作的不断提升。
4.1平台概述
AcrelEMS-MED医院能源管理平台充分结合《医疗建筑电气设计规范》《绿色医院建筑评价标准》、《医院建筑能耗监管系统建设技术导则》等行业规范、根据医院用户需求以及能源管理部门要求，采集分析能源、能耗、能效数据，监测以电能质量、智慧用电相关指标以及其他用能指标，并与国家能源政策与用能模式改革结合。能够辅助医院后勤管理人员进行能源供应系统及设备的运行管理工作，帮助医院管理层实时掌握医院的能耗情况，为医院能源信息化建设和节能管理提供了良好的技术平台。
4.2平台组成
安科瑞医院能源管理系统建立基于云平台的“监、控、维”一体化的能源管理系统，从数据采集、设备控制、数据分析、异常预警、运维派单、系统架构和综合数据服务等方面的设计，帮助医院后勤管理部门全面了解医院能源运行情况，关注消防和电气安全，及时预警异常情况，提高运维效率。它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所运维云平台，配电房综合监控系统，能耗管理系统，智能照明控制系统，智慧消防平台，电气火灾监控系统，消防设备电源监控系统，防火门监控系统，消防应急照明和疏散指示系统，充电桩管理系统，电能质量治理解决方案，医疗隔离电源解决方案。
4.3平台拓扑图
4.4平台子系统
4.4.1医院电力监控解决方案
电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，并与保护设备和远方控制中心及其他设备通信，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高医院供电可靠性。
电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所，对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。
4.4.2医院变电所运维云平台解决方案
AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力传感器、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台采集的数据包括变电所回路电气参数和变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到工作人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理。
4.4.3医院配电房综合监控系统解决方案
Acrel-2000E配电室综合监控系统，可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控，可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制，优化动力环境，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，实现配电动力环境的分布式远程管理。
4.4.4医院能耗管理系统解决方案
对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各科室建筑能耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高人员主动节能的意识。
① 搭建医院智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节进行实时监测；
② 排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括水、电、能量），实现低碳办公数据化；
③ 区域能效比：实现建筑单位内区域能耗对比，方便能耗考核；
④ 同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能数据分析；
⑤ 能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标；
⑥ 能耗竞争排名：各个科室能耗对比，实现能耗排名，增强全院工作人员的节能意识；
⑦ 对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据；
⑧ 能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自动化水平。
4.4.5医院智能照明控制系统解决方案
医院人流比较密集，科室较多，照明用电在医院电能消耗中约占到15%左右。所以合理使用照明控制系统，在提升医生和患者的体验情况下大程度使用自然光照明，通过感应控制做到人来灯亮，人走灯灭或保持地强度照明，尽量解决照明用电。
ASL1000智能照明控制系统可以实现场景控制、时间控制、区域控制、光照度感应控制以及红外感应控制等多种控制方式，能有效避免公共区域的照明浪费，还可以帮助医院管理照明。
系统在配电箱内的模块主要有总线电源、开关驱动器、IP网关、耦合器、干接点输入模块等。这些模块使用35mm标准导轨安装。
安装在控制现场的模块主要有光照度传感器、红外传感器和智能面板。有人经过可以设定红外感应控制亮灯，人离开后在设定的时间内熄灯，智能面板等手动控制设备，可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。
4.4.6医院智慧消防平台解决方案
智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。
4.4.7医院电气火灾监控系统解决方案
电气火灾监控系统作为火灾自动报警系统的预警子系统，由电气火灾监控主机、电气火灾监控单元、剩余电流式电气火灾探测器以及测温式电气火灾探测器组成，通过现场总线构成一套完整的预防电气火灾的监控系统，数据可集成至企业消控室监控系统。
医院电气火灾监控系统以建筑为单位设置，采集数据后上传至值班室监控主机，实现对建筑电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，异常时实时发出报警信号，关注门诊楼、住院楼、医技楼等区域漏电或者电缆发热等问题。
4.4.8医院消防设备电源监控系统解决方案
医院消防安全非常重要，消防设备比较多，消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。
消防设备电源监控监控系统采用消防二总线，以建筑为单位设置区域分机采集消防设备电源状态，区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息，以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。
4.4.9医院防火门监控系统解决方案
医院防火门数量比较多，由于部分区域经常有人走动，常开常闭防火门数量都不少，防火门监控系统的作用就是监测防火门开闭状态，在发生火灾后自动关闭常开防火门，防止烟雾扩散。防火门监控系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，用于监测和控制防火门状态，当防火门发生异常位置信号时，防火门监控器能发出故障报警信号，指示故障报警部位并保存故障报警信息。发生火灾时，关闭事故区域所有常开防火门，防止烟雾向安全区域扩散。
4.4.10医院消防应急照明和疏散指示系统解决方案
医院人员流动性强，密度大，消防比较复杂，一旦发生火灾，疏散指示系统非常重要。消防应急照明和指示系统可以和火灾报警系统联动，提供应急照明和疏散路径指示，指引人群快速找到疏散出口，并可以一键选择疏散应急预案，提升人员逃生概率。
4.4.11医院有源谐波治理系统解决方案
都是谐波源，比如X光机、CT机等都会产生大量谐波，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于医院的精密化验设备可能会产生干扰。
为了消除配电系统谐波对医院设备的影响，方案配置AnSinI有源滤波器，滤除电网2~31次谐波干扰。
AnSinI系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
4.4.12医院充电桩系统解决方案
医院停车场有电动汽车和电动自行车，均需要提供充电桩。充电桩管理系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，解决物业、用电管理部门的充电桩使用、监控问题。电动自行车充电可采用投币、扫码充电方式，电动汽车支持IC卡和扫码充电方式。远程充电桩系统可实时远程完成启动充电、强制停止、单价设置等控制指令，用户可通过APP、微信、支付宝小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；能够远程控制，提供财务报表和数据分析等功能。
4.4.13医院医疗隔离电源解决方案
《民用建筑电气设计规范》14.7.6.3条明确规定：在电源突然中断后，重大医疗危险的场所，应采用电力系统不接地（IT系统）的供电方式。同时《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002中规定：2类医疗场所在维持患者生命，外科手术和其他位于患者周围的电气装置均应采用医用IT系统。如：抢救室（门诊手术室）、手术室、心脏监控治疗室、导管介入室、血管照影检查室等。
安科瑞电气股份有限公司的医疗隔离电源解决方案是针对医疗Ⅱ类场所的供电需求而开发设计的，能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求，并符合国家相关标准。
