基于大數(shù)據(jù)的醫(yī)療建筑用電分析

陳杰甫

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

醫(yī)療建筑配電設(shè)計(jì)過程中，需要了解醫(yī)療建筑的用電負(fù)荷情況，以便于合理選擇配電容量和配電系統(tǒng)。目前，在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員往往根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參考手冊(cè)配置變壓器；在施工圖階段，根據(jù)用電負(fù)荷計(jì)算選擇配電容量。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療建筑內(nèi)的用電設(shè)備也發(fā)生了很大變化。需要了解醫(yī)療建筑長(zhǎng)時(shí)間用電負(fù)荷情況，更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。本文在10棟醫(yī)療建筑1年每小時(shí)采集的電能數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用tableau大數(shù)據(jù)處理工具，分析這些醫(yī)療建筑1年內(nèi)的電耗特點(diǎn)及趨勢(shì)，得出一些結(jié)論，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 計(jì)算負(fù)荷與小時(shí)用電量的關(guān)系

1.1 計(jì)算負(fù)荷

計(jì)算負(fù)荷是供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性資料，負(fù)荷計(jì)算用于選擇和校驗(yàn)導(dǎo)體、保護(hù)裝置、補(bǔ)償裝置、電壓降等。

通常所說的計(jì)算負(fù)荷即為最大負(fù)荷或需要負(fù)荷。計(jì)算負(fù)荷是用電設(shè)備的等效負(fù)荷，是指用電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)與等效負(fù)荷產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等，產(chǎn)生的最大溫升與等效負(fù)荷產(chǎn)生的最高溫升相等。從滿足發(fā)熱的條件來(lái)選擇用電設(shè)備，用以計(jì)算的負(fù)荷功率或負(fù)荷電流稱為“計(jì)算負(fù)荷”。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電手冊(cè)(第四版)》，計(jì)算負(fù)荷對(duì)較小截面導(dǎo)線通常取“半小時(shí)最大負(fù)荷”；對(duì)較大截面電纜，宜取1h計(jì)算負(fù)荷；對(duì)母線槽和變壓器，宜取2h計(jì)算負(fù)荷。常用的負(fù)荷計(jì)算方法有單位指標(biāo)法、需要系數(shù)法、利用系數(shù)法，其中單位指標(biāo)法比較適合設(shè)計(jì)前期的負(fù)荷估算。

計(jì)算負(fù)荷(Pc)和年最大負(fù)荷(Pmax)的關(guān)系為：Pc=Pmax。

1.2 小時(shí)用電量

用電量W=P×t，小時(shí)用電量W1h=Pav×1h，Pav為小時(shí)平均有功功率，Pav數(shù)值上等于W1h。也就是說，每小時(shí)的用電量與每小時(shí)的平均有功功率數(shù)值相同，每小時(shí)的單位用電量指標(biāo)與每小時(shí)的平均有功功率數(shù)值相同。若可以采樣到建筑物每小時(shí)的用電量，就可以得出該建筑物單位面積的每小時(shí)平均有功功率。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電手冊(cè)(第四版)》，有功計(jì)算功率Pc即最大負(fù)荷或需要負(fù)荷有功功率，出現(xiàn)在日負(fù)荷逐點(diǎn)曲線和梯形曲線的最高點(diǎn)。日負(fù)荷曲線即采用小時(shí)平均有功功率數(shù)值繪制，擬合出負(fù)荷曲線，詳見圖1。

圖1 日負(fù)荷逐點(diǎn)曲線和梯形曲線

由圖1可知，小時(shí)平均有功功率數(shù)值可近似等于計(jì)算負(fù)荷。因?yàn)槊啃r(shí)的單位用電量指標(biāo)與每小時(shí)的平均有功功率數(shù)值相同，每小時(shí)的單位用電量指標(biāo)與單位面積計(jì)算負(fù)荷數(shù)值相同。通過分析單位用電量指標(biāo)，可以推算出計(jì)算負(fù)荷指標(biāo)。

2 用電數(shù)據(jù)處理

通過收集上海市2015年10棟醫(yī)療建筑，筆者整理了365天每小時(shí)采樣的87 600條數(shù)據(jù)。通過均值插入法甄別無(wú)效數(shù)據(jù)，修正明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。運(yùn)用Tableau工具，主要關(guān)注每小時(shí)的單位面積用電量指標(biāo)的時(shí)間分布情況，對(duì)比10棟醫(yī)療建筑的小時(shí)、日、月單位面積用電指標(biāo)。

Tableau是一款大數(shù)據(jù)分析軟件，通過數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，結(jié)合數(shù)據(jù)操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并生成可視化的圖表直接展現(xiàn)出想得到的通過數(shù)據(jù)分析出來(lái)的信息。

3 用電數(shù)據(jù)分析

(1)分析10棟醫(yī)療建筑年度電能指標(biāo)及單位面積指標(biāo)，詳見表1。

10棟醫(yī)療建筑年度電能指標(biāo)及面積指標(biāo) 表1

通過表1可以看出，10棟醫(yī)療建筑年度單位面積電能指標(biāo)差異較大，最大值約為最小值的5倍。由于每棟醫(yī)療建筑的框架結(jié)構(gòu)各具特色，室內(nèi)所安裝的空調(diào)系統(tǒng)的型號(hào)、電氣設(shè)備、照明、醫(yī)療設(shè)備等的特性不同，上述數(shù)據(jù)也不同。醫(yī)療建筑物單位面積電能指標(biāo)大部分?jǐn)?shù)值分布范圍為100～200kWh/m2。建筑面積的差異，與單位面積電能指標(biāo)沒有明顯的相關(guān)性。

此外，技術(shù)設(shè)備、舒適程度、醫(yī)院內(nèi)部和外部的環(huán)境條件，都會(huì)影響到電能耗。不同醫(yī)療建筑單位面積能耗指標(biāo)也會(huì)有差異。比如表2所示，不同國(guó)家醫(yī)療建筑的單位面積電能耗指標(biāo)差異也較大。

不同國(guó)家的醫(yī)療建筑耗電量 表2

上海地區(qū)的10棟醫(yī)療建筑的總單位面積年耗電量指標(biāo)為62.5kWh/m2。和上述國(guó)家對(duì)比，還處于較低水平。

(2)分析每個(gè)月份單位面積用電指標(biāo)，詳見圖2。

圖2 10棟醫(yī)療建筑月份單位面積電能指標(biāo)對(duì)比圖

從圖2可以看出，盡管有個(gè)別建筑物用電情況較為平緩，月份差距較小，大部分醫(yī)療建筑月份單位面積電能指標(biāo)趨勢(shì)趨同。大部分醫(yī)療建筑用電峰值出現(xiàn)在8月，用電低谷出現(xiàn)在4月份。

(3)分析每天的單位面積用電指標(biāo)，詳見圖3。

圖3 10棟醫(yī)療建筑每天的單位面積電能指標(biāo)對(duì)比圖

從圖3可以看出，每天的單位面積用電指標(biāo)變化較大，但基本趨勢(shì)趨同，每年的1、2月份和7、8月份較高，4、5月份最低。這和上海地區(qū)處于氣候特點(diǎn)有關(guān)，屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季空調(diào)運(yùn)行約4個(gè)月(6月～10月初)，冬季空調(diào)運(yùn)行約3個(gè)月(12月～3月初)。氣候變化是用電負(fù)荷變化的主要因素。

(4)分析每天的單位面積用電指標(biāo)，詳見圖4。

圖4 10棟醫(yī)療建筑小時(shí)單位面積電能指標(biāo)對(duì)比圖

通過前面分析得知，每小時(shí)的單位用電量指標(biāo)與單位面積計(jì)算負(fù)荷數(shù)值相同。也就是說，圖4上的每棟醫(yī)療建筑最大數(shù)值可以看作單位面積計(jì)算負(fù)荷數(shù)值。

從圖4可以看出，大部分時(shí)段小時(shí)單位面積用電量指標(biāo)分布在0.03～0.06kWh之間，醫(yī)療建筑單位面積計(jì)算負(fù)荷在60～100W/m2之間。

4 結(jié)束語(yǔ)