浅谈寒冷地区医院配电能效平台设计与能耗测量

浅谈寒冷地区医院配电能效平台设计与能耗测量

摘要:能耗分析是建筑节能的必要环节。对于医疗用建筑来说，其功能复杂，环境要求严格，相对于其他公共建筑，医疗建筑的能耗要高得多。目前，专门针对医疗建筑能耗指标的研究相对较少。文中通过对山东省某医院用能现状进行调研，对医疗建筑中各类用能指标及占比进行了分析，说明了医疗建筑能耗的主要影响因素，对于发现医院建筑的节能潜力，开展节能工作具有重要意义。

关键词：医院建筑；分项能耗；能源审计

0引言

近几年，全社会建筑面积总量在不断增加，建筑业总产值高速增长，平均年涨幅保持在14.3%左右。据统计，我国的高能耗建筑在既有建筑中占据95%的比例。根据统计数据，山东地区医院在2010～2014年期间，增幅达34%,小型的乡镇医院逐步发展为体量较大的大型医院，如图1所示。建筑面积的增加必然带动能耗的增长，建筑能耗强度持续增大，建筑面积持续增加，长此以往，能源和发展就会形成深层次的矛盾，严重制约国家能源调整。能耗的增加，很大程度上与设备运行耗能大、人员密集等因素密切相关，而这些又是医院建筑的显著特点，因此在大型公共建筑中，医疗建筑能耗尤为突出。

图1山东省医疗卫生机构数

医院是治疗疾病和恢复体质的场所，其空间构造、内外环境质量、用能特点等与一般的公共建筑有很大的不同，加之疾病的变异和多样性，人员在建筑内停留的不定时性，使医疗建筑成为公共建筑中功能复杂多样、综合性能强的特殊建筑。医疗建筑能耗仍有可能继续有所上升l²),因此医院的建筑节能问题引起了国内外学者一系列的相关研究和分析，医院节能工作的顺利开展，离不开医院用能模式的分析和能耗定额的确定。

为了加强医院建筑行业节能管理，明确其能耗消费领域，结合对山东地区某大型医院的能源审计，分析能源流向，并给出了能耗消费状况及相关的节能建议。

1山东省大型医院建筑的能源审计分析

能源审计是具备相关资质的审计单位对建筑所做的能耗统计及分析，在整个审计过程及后续数据处理阶段，遵循国家现行法律法规、行业标准，通过对实际用能单位的检测、统计、计量给出能源消耗水平及相应的节能建议。

文中以山东省沂水中心医院为例，对其进行能源审计，以此为例分析医院建筑中用能不合理的地方，以便进一步开展节能工作。在文中将该建筑物称之为A建筑。医院内各单体建筑早建于1988年，后经过多次改造和扩建，晚建于2012年，建筑面积达141427m。

1.1医院建筑的能耗构成

医疗建筑能源类型繁多，用能系统多样，使用时间不一致，因此熟悉医疗建筑能耗分布情况，是医院建筑节能的基础。不论是公共建筑的研究，还是只是针对医疗建筑的研究，在进行数据整理过程中，按能源种类分为电耗(照明系统、办公设备、电梯、空调通风设备、给排水系统、医疗设备、消毒洗衣)、天然气耗量(卫生热水、采暖、空调系统、消毒洗衣)、油耗。

在进行能耗分析的过程中，为了更直观地比较各类能耗之间的所占比重，通过将热水、天然气、油耗等折算为电力，即等效电法来显示各项能耗指标。

1.2热力能耗分析

该医院冬季供暖采用2种热源：一是燃气锅炉产生85/60℃热水，末端通过散热器采暖；二是通过溴化锂吸收式制冷机制备热水，通过中央空调系统为房间提供必要的热量，这一部分承担剩下的所有供暖区域的采暖。总采暖面积为11197m²。根据医院提供的天然气消耗清单，除去用于消毒热水等非供暖的消耗外，将用于热力部分的天然气耗量折算为电力，系数为7.156kWh/m³,仅热力部分的能耗指标为74.3kWh/(m²·a),如表1所示。

表1医院天然气消耗清单

天然气用于生产消毒、生活热水，其日用量根据调研结果，分别为680m³、320m³；另外，医院现有一双效蒸汽吸收式制冷机，蒸汽由消耗天然气产生，根据医院提供的天然气消费账单，将锅炉用天然气与制冷机用天然气分开统计，月消耗数据。如图2所示。

图2医院逐月天然气耗量趋势图

日常使用天然气进行必要的生活热水及消毒用水的生产，热水的产生一部分是有双效蒸汽制冷机获得，因此，制冷机用气是存在的，另外，可以看出在6～9月以及12月到次年3月份出现2个用气高峰，这两个高峰期的出现，是由于蒸汽溴化锂制冷机的使用造成的。锅炉用气量仅在冬季12~3月出现一个高峰，这是因为承担了部分冬季采暖负荷造成的。

1.3电耗分析

由于医院设备对电力的要求不同，该院配备6台变压器，分别负责不同的区域供电。结合医院提供的电耗账单，得到医院1a的电力消耗情况，如图3所示。

图3医院逐月耗电量趋势图

年总电量为12212999kWh,电力消耗随医疗设备的启用时间密切相关，跟据月消耗电量趋势图，在7~9月以及12月至次年2月这段时期出现用电量高峰，主要是因为夏季及冬季空调的使用相关。

1.4油耗分析

主要为医院公务用车及救护车的消耗量，据统计共17辆车，救护车的数量为5台。根据提供的油费账单，得到油耗数据，按系数折合为电力，其油耗指标为6.45kWh/(m²-a)。

图4医院逐月油耗趋势图

2能源结构分析

2.1能耗指标

经调研数据统计分析，引入等效电法，将各能耗数据分列如表2所示。按能源种类分为电耗、天然气、油耗这3类，可以看出电耗所占的比重总能耗为162.74kWh/(m²-a),建筑能耗很高。

表2医院能耗指标

2.2电耗结构分析

根据医院内医用设备、办公设备等使用情况，将建筑电耗进行细致划分，研究影响电力消耗的主要因素，先将其分为9类，分别为照明、办公设备、电梯、空调设备、供暖设备、给排水设备、医疗设备、消毒洗衣、饮用热水。

数据分析表明，在诸多用电分项中，空调设备的用电量占总用电的42.3%,其次为医疗设备用电和消毒洗衣用电，分别占15.4%和11.7%,其较高的用电量与床位数及病房使用率密切相关。医院的特殊性，使得消毒用电及生活热水用电有所增加，如图5所示。

图5分项电耗示意图

2.3天然气耗量结构分析

天然气消耗占单位建筑能耗的43%,对医院用天然气的单位进行了调研，发现天然气主要流向4个方面，分别为卫生热水用气、供暖用气、制冷机用气、消毒热水用气，其各部分所占比例如下，空调制冷机用气量占65%,为主要用气单位，如图6所示。

空调制冷65%

图6天然气消耗结构分析

3节能建议

能耗数据分析是进行节能量计算、节能潜力分析、开展节能工作的重要依据，是提高能源利用率、节能减排的重要手段。通过对该大型三级甲等医院的能耗数据的分析，发现其电力消耗仍占建筑能源消耗的主要部分，而且不管在电力消耗还是天然气耗量中，空调系统的能源消耗占比重，为降低能耗，有如下建议：

（1）在新建建筑过程中，提高围护结构的保温性能，对在节能建筑标准颁布前建成的建筑，逐步进行外围护结构的节能改造，减低围护结构传热系数，减少热损耗。

（2）合理设置室内环境温度，防止因个别病人需求导致夏季空调温度过低、冬季过高的情况的发生，建议夏季空调不低于26℃,冬季≤20℃。

（3）对于医院内部的非节能灯具进行节能改造，加强声光两控的灯具的使用。

（4）注意热回收技术的运用，过度季节尽量使用自然通风的应用。

（5）建立专门的能源管理机构，设立分项计量装置，更有依据地进行电耗的节约。

4 AcrelEMS-MED医院能源管理平台

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

（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。

（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。

（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）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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。