摘要：為減少醫療建筑能耗，優(yōu)化醫院能源管理，基于智慧醫院的要求，通過(guò)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(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統、屋頂光伏系統等智能樓宇分系統進(jìn)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(shí)施后每年可以節約用電256萬(wàn)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(jìn)和能源智慧管理具有較強的示范作用。

0引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的能源消費呈現增長(cháng)態(tài)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(lǐng)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?jiǎn)挝唤ㄖ娣e能耗17.17kg標準煤/m2，人均綜合能耗達280.82kg標準煤，遠高于場(chǎng)館、學(xué)校等公共建筑，是廣東省中小學(xué)建筑能耗的5倍。隨著(zhù)國家“雙碳"戰略的推動(dòng)，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(ài)麟[5]摸查了長(cháng)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(fēng)系統等措施來(lái)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(guò)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(xué)附屬腫瘤醫院燃油蒸汽鍋爐技改，同時(shí)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(gè)典型醫院建筑，提出落實(shí)能源管理制度等節能建議，包括運用制度對人員行為進(jìn)行約束，但因為人的行為較難預測，實(shí)施效果難以保證。

智慧醫院的建設立足于信息化、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)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(shù)進(jìn)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(jìn)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(lèi)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(zhù)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(wàn)m2，有建筑樓8棟，總建筑面積23.5萬(wàn)m2，實(shí)際開(kāi)放床位1479張，2020年總診療達176.8萬(wàn)次。該醫院能源消耗的類(lèi)主要為電能消耗和燃料消耗。2020年度用電量達2489萬(wàn)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(wù)設備，其中后勤服務(wù)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(wú)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(jiàn)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(huán)境，包括病房、辦公室等公共活動(dòng)區域。工藝性空調應用在對空氣質(zhì)量有嚴格要求的空間，包括手術(shù)室、麻醉科等區域。醫院空調系統耗能量前五的區域見(jiàn)圖1，

分別是病房（含辦公室區域）、手術(shù)室和麻醉科、門(mén)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(shù)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(huán)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(zhù)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(wù)提供支撐，不適宜進(jìn)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(shí)踐中發(fā)現，病房和辦公室區域，人為不節能行為會(huì )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(hù)打開(kāi)通風(fēng)；辦公區域，辦公室人員時(shí)常有下班忘記關(guān)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(guò)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(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統模型，同時(shí)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(wù)院執行公共建筑空調溫度控制標準的通知和夏季病房?jì)炔∪耸孢m性要求，空調系統設定的溫度取27℃較為適宜[13]，而現實(shí)中，用戶(hù)多將病房空調設定溫度遠低于27℃。因此，在考慮用戶(hù)偏好的前提下，通過(guò)空調智慧監控系統對病房?jì)瓤照{溫度范圍進(jìn)行調控，空調智慧監控系統設定如下：

1）實(shí)時(shí)采集室內、室外氣溫；

2）規定空調設定溫度值tn；

3）病房?jì)扔脩?hù)輸入自己的偏好溫度ti；

4）當外界氣溫高于(ti+3)℃時(shí)，病房空調開(kāi)啟，且溫度設定為ti；

5）當用戶(hù)輸入的偏好溫度ti低于tn時(shí)，病房空調自動(dòng)設定為tn。

模型假設用戶(hù)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(hù)的偏好溫度3℃時(shí)開(kāi)啟空調。南方地區除夏季持續高溫外，過(guò)渡季節氣溫較多處于25～30℃間，因此該系統能有效監控病房?jì)瓤照{開(kāi)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(hù)偏好溫度為22℃，則與設定溫度值27℃相比，全年空調開(kāi)啟時(shí)長(cháng)相差巨大。用戶(hù)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(shí)，可以假設外界環(huán)境除氣溫以外的因素不變，將空調系統能耗簡(jiǎn)化為室內外空氣焓差。在改善空調開(kāi)啟時(shí)長(cháng)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(shí)施節能措施前每年病房空調系統能耗，kW·h；Qrt為實(shí)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(shí)間，h；ki為每年室外氣溫≥(tn+3)℃的時(shí)間，h；hw為室外空氣逐時(shí)比焓，kJ/kg；hn為室內空氣時(shí)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(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統

當開(kāi)啟空調房間的窗戶(hù)打開(kāi)時(shí)，在熱壓和風(fēng)壓的作用下，室內冷空氣逸出，室外熱空氣進(jìn)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(xiàn)管理，可建設空調系統與窗戶(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統，監控窗戶(hù)啟閉狀態(tài)，當空調運行和窗戶(hù)開(kāi)啟2個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，通過(guò)能源管理系統關(guān)閉房間空調，由此調節病房?jì)瓤照{用能行為。為簡(jiǎn)化計算，忽略冷熱空氣焓差，假設從窗戶(hù)進(jìn)入的是與室內新風(fēng)溫度相同的冷空氣，通過(guò)實(shí)施該系統前后的系統風(fēng)量變化計算節約的空調能耗比例。新風(fēng)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(fēng)量的有限改變不會(huì )大幅影響新風(fēng)量負荷占空調冷負荷的比例。且真實(shí)的熱空氣進(jìn)入房間后會(huì )額外增加空調能耗，因此，該簡(jiǎn)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(kāi)窗行為而節約的空調能耗比例， ；ηnew為新風(fēng)量部分占空調冷負荷的比例， ；Grw為實(shí)施空調與窗戶(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統后每年病房空調系統總新風(fēng)量，m3；Go為通過(guò)開(kāi)窗戶(hù)流通的空氣量，m3/s；T為開(kāi)空調時(shí)開(kāi)窗時(shí)長(cháng)，h；N為房間數，個(gè)；Gr為一個(gè)房間的新風(fēng)換氣量，m3/s；D為開(kāi)空調時(shí)長(cháng)，s；Kw為有開(kāi)窗現象的病房比例， 。

為便于研究窗戶(hù)流通的空氣量，將一個(gè)開(kāi)窗的房間簡(jiǎn)化為單側開(kāi)口箱體。通過(guò)窗戶(hù)的單側通風(fēng)量為熱壓和風(fēng)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(chǎn)生的壓差。風(fēng)壓是指室內外風(fēng)速作用下產(chǎn)生的壓差，假設窗戶(hù)為單開(kāi)口自然通風(fēng)，且為穩態(tài)流動(dòng)。單側通風(fēng)量計算公式[14]為：

式中：Gh為熱壓作用下的自然通風(fēng)量，m3/s；Cd為系數，取0.61；A為窗戶(hù)開(kāi)啟面積，m2；H為開(kāi)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(xué)溫度，K；Gw為風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)量，m3/s；Aeff為有效開(kāi)口面積，m2；U為開(kāi)口處的風(fēng)速，m/s。

2.3綜合發(fā)電和樓頂遮陽(yáng)的屋頂光伏系統

太陽(yáng)能光伏板是常見(jiàn)的分布式可再生能源。通過(guò)增加發(fā)電途徑，可以改善能源供應，降低能源成本。通常該技術(shù)措施的節能效果是根據光伏發(fā)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(yáng)能光伏板鋪設方案，可以達到發(fā)電和樓頂遮陽(yáng)的雙重效果。

在屋頂，光伏板對太陽(yáng)輻射進(jìn)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(fēng)層中空氣對流運動(dòng)也能帶走部分熱量，減少到達屋頂的熱流量，為簡(jiǎn)化計算，忽略不計。因遮陽(yáng)減少的能耗比例計算公式為：

式中：q1為采取遮陽(yáng)措施前單位面積因太陽(yáng)輻射產(chǎn)生從室外到室內的熱流量，W/m2；q2為采取遮陽(yáng)措施后單位面積因太陽(yáng)輻射產(chǎn)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(guò)光伏板發(fā)電產(chǎn)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(fā)電量，kW·h；Ipv為單位光伏板的額定發(fā)電功率，kW/m2；S為屋頂可鋪設光伏板面積，m2；p為光伏板發(fā)電效率， ；T為年太陽(yáng)能可利用小時(shí)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(shí)計算焓值可根據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)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(kāi)機時(shí)臥室和客廳開(kāi)啟空調的平均溫23.35℃[15]。假設用戶(hù)設定空調溫度ti遵循正態(tài)分布，取N(23,22)，取值區間為(15℃,35℃)。

開(kāi)窗行為是個(gè)體不確定行為，在空調房間的開(kāi)窗行為是一種特定情景的開(kāi)窗行為[16]。夏熱冬冷地區夏季空調開(kāi)啟時(shí)窗戶(hù)開(kāi)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(kāi)窗時(shí)長(cháng)為開(kāi)空調時(shí)長(cháng)的一半。單間病房新風(fēng)量Gr取0.0556m3/s。窗戶(hù)開(kāi)啟面積A取1.2m×0.6m，開(kāi)口的高度H取1.2m，有效開(kāi)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(kāi)口處的風(fēng)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(fā)電功率Ipv取1kW/m2，屋頂可鋪設光伏板面積S取2000m2，光伏板發(fā)電效率p取15.4 ，年太陽(yáng)能可利用小時(shí)數T取2200h。

經(jīng)計算，采取以上節能措施后，全年預計可減少用電256萬(wàn)kW·h，折合節省標煤315t，減少CO2排放量873t，說(shuō)明節能措施具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)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(jìn)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(jiàn)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(kāi)窗行為控制占3 ，說(shuō)明空調溫度控制起了重要作用?？照{溫度控制和光伏板綜合節能措施可在已建成醫院進(jìn)行局部改造，開(kāi)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(jiǎn)化和估計?，F對部分數據作敏感性分析：

.       對用戶(hù)降低空調設定溫度或提前開(kāi)啟空調的行為進(jìn)行分析時(shí)，取空調設定溫度為正態(tài)分布N(23,22)。當標準差和均值分別變化時(shí)，室內設定溫度概率分布見(jiàn)圖3。

當標準差變化為1、2、2.5時(shí)，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(shí)，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(lái)的影響較大。根據日常經(jīng)驗，僅有20 的人將空調調至25℃是較為保守的估計，此時(shí)節約空調能耗比例仍然較高。

2）對空調開(kāi)啟時(shí)開(kāi)啟窗戶(hù)的行為進(jìn)行分析時(shí)，開(kāi)窗的病房比例、通風(fēng)面積、室內外溫差均取值一定。當開(kāi)窗病房比例為11 、通風(fēng)面積取0.64m2、室內外溫差取5℃時(shí)，節約空調能耗比例為3.34 ，此數據為綜合各種開(kāi)窗情況的平均情況。當開(kāi)窗的病房比例從8 變化到10 時(shí)，節約空調能耗比例從2.41 變化到3.01 。當通風(fēng)面積從50 變化到80 時(shí)，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(shí)，節約空調能耗比例為2.97 ?？芍_(kāi)窗的病房比例和通風(fēng)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(lèi)耗能設備能耗數據進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對采集數據進(jìn)行統計和分析。能夠合理的確定各科室建筑能耗經(jīng)濟指標及績(jì)效考核指標，發(fā)現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動(dòng)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(gè)用能環(huán)節進(jìn)行實(shí)時(shí)監測；

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

③　區域能效比：實(shí)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(shí)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(jìn)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(gè)科室能耗對比，實(shí)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(jìn)行綜合的分析、統計、打印和查詢(xún)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(yíng)管理部門(mén)提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時(shí)查詢(xún)，并根據采集數據進(jìn)行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進(jìn)行報警，提高系統信息化、自動(dòng)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(guò)感應控制做到人來(lái)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(shí)現場(chǎng)景控制、時(shí)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(xiàn)電源、開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器、IP網(wǎng)關(guān)、耦合器、干接點(diǎn)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(chǎng)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(jīng)過(guò)可以設定紅外感應控制亮燈，人離開(kāi)后在設定的時(shí)間內熄燈，智能面板等手動(dòng)控制設備，可實(shí)現自動(dòng)控制、現場(chǎng)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(guò)管理病房?jì)葴囟?，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(hù)聯(lián)動(dòng)控制系統通過(guò)控制和減少人的開(kāi)窗行為，可以降低醫院能耗3 ；屋頂光伏系統可以實(shí)現綜合發(fā)電和樓頂遮陽(yáng)，從而降低醫院能耗7 。

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

4）室內設定溫度對能耗的影響顯著(zhù)，空調溫度設為25℃時(shí)節約空調能耗比例達到9.1 ；開(kāi)窗的病房比例和通風(fēng)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(hù)的互動(dòng)。在接下來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步研究智能設備管理和智慧醫療在能源系統中的應用。

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