淺談寒冷地區醫院配電能效平臺設計與能耗測量

摘要:能耗分析是建筑節能的必要環節。對于醫療用建筑來說，其功能復雜，環境要求嚴格，相對于其他公共建筑，醫療建筑的能耗要高得多。目前，專門針對醫療建筑能耗指標的研究相對較少。文中通過對山東省某醫院用能現狀進行調研，對醫療建筑中各類用能指標及占比進行了分析，說明了醫療建筑能耗的主要影響因素，對于發現醫院建筑的節能潛力，開展節能工作具有重要意義。

關鍵詞：醫院建筑；分項能耗；能源審計

0引言

近幾年，全社會建筑面積總量在不斷增加，建筑業總產值高速增長，平均年漲幅保持在14.3%左右。據統計，我國的高能耗建筑在既有建筑中占據95%的比例。根據統計數據，山東地區醫院在2010～2014年期間，增幅達34%,小型的鄉鎮醫院逐步發展為體量較大的大型醫院，如圖1所示。建筑面積的增加必然帶動能耗的增長，建筑能耗強度持續增大，建筑面積持續增加，長此以往，能源和發展就會形成深層次的矛盾，嚴重制約國家能源調整。能耗的增加，很大程度上與設備運行耗能大、人員密集等因素密切相關，而這些又是醫院建筑的顯著特點，因此在大型公共建筑中，醫療建筑能耗尤為突出。

圖1山東省醫療衛生機構數

醫院是治療疾病和恢復體質的場所，其空間構造、內外環境質量、用能特點等與一般的公共建筑有很大的不同，加之疾病的變異和多樣性，人員在建筑內停留的不定時性，使醫療建筑成為公共建筑中功能復雜多樣、綜合性能強的特殊建筑。醫療建筑能耗仍有可能繼續有所上升l2),因此醫院的建筑節能問題引起了國內外學者一系列的相關研究和分析，醫院節能工作的順利開展，離不開醫院用能模式的分析和能耗定額的確定。

為了加強醫院建筑行業節能管理，明確其能耗消費領域，結合對山東地區某大型醫院的能源審計，分析能源流向，并給出了能耗消費狀況及相關的節能建議。

1山東省大型醫院建筑的能源審計分析

能源審計是具備相關資質的審計單位對建筑所做的能耗統計及分析，在整個審計過程及后續數據處理階段，遵循國家現行法律法規、行業標準，通過對實際用能單位的檢測、統計、計量給出能源消耗水平及相應的節能建議。

文中以山東省沂水中心醫院為例，對其進行能源審計，以此為例分析醫院建筑中用能不合理的地方，以便進一步開展節能工作。在文中將該建筑物稱之為A建筑。醫院內各單體建筑早建于1988年，后經過多次改造和擴建，晚建于2012年，建筑面積達141427m。

1.1醫院建筑的能耗構成

醫療建筑能源類型繁多，用能系統多樣，使用時間不一致，因此熟悉醫療建筑能耗分布情況，是醫院建筑節能的基礎。不論是公共建筑的研究，還是只是針對醫療建筑的研究，在進行數據整理過程中，按能源種類分為電耗(照明系統、辦公設備、電梯、空調通風設備、給排水系統、醫療設備、消毒洗衣)、天然氣耗量(衛生熱水、采暖、空調系統、消毒洗衣)、油耗。

在進行能耗分析的過程中，為了更直觀地比較各類能耗之間的所占比重，通過將熱水、天然氣、油耗等折算為電力，即等效電法來顯示各項能耗指標。

1.2熱力能耗分析

該醫院冬季供暖采用2種熱源：一是燃氣鍋爐產生85/60℃熱水，末端通過散熱器采暖；二是通過溴化鋰吸收式制冷機制備熱水，通過中央空調系統為房間提供必要的熱量，這一部分承擔剩下的所有供暖區域的采暖。總采暖面積為11197m2。根據醫院提供的天然氣消耗清單，除去用于消毒熱水等非供暖的消耗外，將用于熱力部分的天然氣耗量折算為電力，系數為7.156kWh/m3,僅熱力部分的能耗指標為74.3kWh/(m2·a),如表1所示。

表1醫院天然氣消耗清單

天然氣用于生產消毒、生活熱水，其日用量根據調研結果，分別為680m3、320m3；另外，醫院現有一雙效蒸汽吸收式制冷機，蒸汽由消耗天然氣產生，根據醫院提供的天然氣消費賬單，將鍋爐用天然氣與制冷機用天然氣分開統計，月消耗數據。如圖2所示。

圖2醫院逐月天然氣耗量趨勢圖

日常使用天然氣進行必要的生活熱水及消毒用水的生產，熱水的產生一部分是有雙效蒸汽制冷機獲得，因此，制冷機用氣是存在的，另外，可以看出在6～9月以及12月到次年3月份出現2個用氣高峰，這兩個高峰期的出現，是由于蒸汽溴化鋰制冷機的使用造成的。鍋爐用氣量僅在冬季12~3月出現一個高峰，這是因為承擔了部分冬季采暖負荷造成的。

1.3電耗分析

由于醫院設備對電力的要求不同，該院配備6臺變壓器，分別負責不同的區域供電。結合醫院提供的電耗賬單，得到醫院1a的電力消耗情況，如圖3所示。

圖3醫院逐月耗電量趨勢圖

年總電量為12212999kWh,電力消耗隨醫療設備的啟用時間密切相關，跟據月消耗電量趨勢圖，在7~9月以及12月至次年2月這段時期出現用電量高峰，主要是因為夏季及冬季空調的使用相關。

1.4油耗分析

主要為醫院公務用車及救護車的消耗量，據統計共17輛車，救護車的數量為5臺。根據提供的油費賬單，得到油耗數據，按系數折合為電力，其油耗指標為6.45kWh/(m2-a)。

圖4醫院逐月油耗趨勢圖

2能源結構分析

2.1能耗指標

經調研數據統計分析，引入等效電法，將各能耗數據分列如表2所示。按能源種類分為電耗、天然氣、油耗這3類，可以看出電耗所占的比重總能耗為162.74kWh/(m2-a),建筑能耗很高。

表2醫院能耗指標

2.2電耗結構分析

根據醫院內醫用設備、辦公設備等使用情況，將建筑電耗進行細致劃分，研究影響電力消耗的主要因素，先將其分為9類，分別為照明、辦公設備、電梯、空調設備、供暖設備、給排水設備、醫療設備、消毒洗衣、飲用熱水。

數據分析表明，在諸多用電分項中，空調設備的用電量占總用電的42.3%,其次為醫療設備用電和消毒洗衣用電，分別占15.4%和11.7%,其較高的用電量與床位數及病房使用率密切相關。醫院的特殊性，使得消毒用電及生活熱水用電有所增加，如圖5所示。

圖5分項電耗示意圖

2.3天然氣耗量結構分析

天然氣消耗占單位建筑能耗的43%,對醫院用天然氣的單位進行了調研，發現天然氣主要流向4個方面，分別為衛生熱水用氣、供暖用氣、制冷機用氣、消毒熱水用氣，其各部分所占比例如下，空調制冷機用氣量占65%,為主要用氣單位，如圖6所示。

空調制冷65%

圖6天然氣消耗結構分析

3節能建議

能耗數據分析是進行節能量計算、節能潛力分析、開展節能工作的重要依據，是提高能源利用率、節能減排的重要手段。通過對該大型三級甲等醫院的能耗數據的分析，發現其電力消耗仍占建筑能源消耗的主要部分，而且不管在電力消耗還是天然氣耗量中，空調系統的能源消耗占比重，為降低能耗，有如下建議：

（1）在新建建筑過程中，提高圍護結構的保溫性能，對在節能建筑標準頒布前建成的建筑，逐步進行外圍護結構的節能改造，減低圍護結構傳熱系數，減少熱損耗。

（2）合理設置室內環境溫度，防止因個別病人需求導致夏季空調溫度過低、冬季過高的情況的發生，建議夏季空調不低于26℃,冬季≤20℃。

（3）對于醫院內部的非節能燈具進行節能改造，加強聲光兩控的燈具的使用。

（4）注意熱回收技術的運用，過度季節盡量使用自然通風的應用。

（5）建立專門的能源管理機構，設立分項計量裝置，更有依據地進行電耗的節約。

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"一體化的能源管理系統，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

（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。

（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。

（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）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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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、心臟監控治療室、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。