醫(yī)院型智慧能源場景能耗分析與改進策略研究

呂寶龍 鄭承新 李鎮(zhèn)東 趙鴻飛

（1、武漢光谷綠動能源有限公司，湖北 武漢 430073 2、國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

以醫(yī)院為場景的智慧能源系統(tǒng)通常以分布式能源為主要形式。分布式能源站不但能夠提供電、熱、冷、汽、水“一籃子”的能源解決方案，而且能夠通過融合先進的感知、通訊、運行優(yōu)化及控制技術(shù)，實現(xiàn)能耗和能效提升[1]。分布式能源能夠從源側(cè)以及源荷互動的角度優(yōu)化建筑能耗。同時在建筑領(lǐng)域，近年來我國的建筑節(jié)能政策、相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，不論是新建的民用建筑工程還是建筑節(jié)能環(huán)保的改造工程均有較高的能耗質(zhì)量[2]。

湖北省某新建醫(yī)院采用了分布式能源站作為能源解決方案，19 年底完成整體搬遷后，19～20 年冬季的供暖出現(xiàn)了能耗過大的問題，本文嘗試從建筑節(jié)能理論和醫(yī)院建筑設(shè)計材料以及醫(yī)院所屬能源站的實際運行數(shù)據(jù)入手，對該建筑的整體能耗進行分析，同時結(jié)合能源站工況尋優(yōu)軟件，分析找尋能耗偏高原因并給出運行指導(dǎo)。

1 醫(yī)院（用戶側(cè)）用能分析

本節(jié)基于醫(yī)院現(xiàn)場的用能現(xiàn)狀和能源站運行數(shù)據(jù)，從環(huán)境溫度、通風(fēng)（含新風(fēng)系統(tǒng)）量、用能習(xí)慣等方面，對醫(yī)院熱負荷偏高的現(xiàn)象給出分析。

1.1 環(huán)境溫度分析

根據(jù)傳熱學(xué)原理，換熱量與室內(nèi)外溫差成正比，其中維持合理的室內(nèi)溫度是供熱效果的核心指標。根據(jù)《城市集中供熱管理辦法》規(guī)定第二十三條：用戶室內(nèi)采暖溫度為18℃±2℃，且不低于16℃。此處我們選取醫(yī)院的室內(nèi)溫度為18℃進行分析。

同時，從中央氣象臺獲取當?shù)氐奶鞖鈿v史數(shù)據(jù)如下：

表1 當?shù)厥覂?nèi)外溫度表

從數(shù)據(jù)可知，20 年冬季的氣溫較19 年低是導(dǎo)致熱負荷升高的原因之一。由于19 年和20 年的平均風(fēng)速值近似相等，空氣流速對對流換熱系數(shù)的影響可忽略。由此可知其他條件不變，由于氣溫差異導(dǎo)致20 年12 月的冬季熱負荷比19 年同期升高16.2%。

1.2 通風(fēng)量（含新風(fēng)系統(tǒng)）分析

根據(jù)樓宇傳熱計算的習(xí)慣，按照換熱方式和換熱系數(shù)不同，將換熱量進行拆分計算：

【總傳熱量】=【外墻傳熱量】+【外窗傳熱量】+【屋頂傳熱量】+【滲透傳熱量】

由于門窗通風(fēng)、新風(fēng)系統(tǒng)均是將戶外的空氣進入室內(nèi)，從而帶來散熱損失，他們直接影響【滲透傳熱量】。同時根據(jù)有關(guān)規(guī)定，公共場所需保持開窗通風(fēng)，其中帶有新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的有關(guān)建筑建議保持全開狀態(tài)，下文將基于此對其影響進行計算分析。

1.2.1 新風(fēng)系統(tǒng)能量計算

對于醫(yī)院，新風(fēng)系統(tǒng)- 空調(diào)系統(tǒng)的耗能占整個樓宇25%-50%（甚至更高）。根據(jù)設(shè)計圖紙中的新風(fēng)系統(tǒng)選型、空氣參數(shù)等數(shù)據(jù)，可得到20 年12 月，新院區(qū)新風(fēng)系統(tǒng)的實際制熱功率，以及在19 年同期的環(huán)境條件下，同等建筑的新風(fēng)系統(tǒng)制熱功率。

表2 新風(fēng)系統(tǒng)能耗表

由表可知，20 年12 月在新風(fēng)系統(tǒng)全開的情況下，單機制冷功率近似等于額定功率，驗證了該估算方式的可行性。同時比19 年的氣象條件，同樣在新風(fēng)系統(tǒng)全開的情況下，20 年的新風(fēng)熱負荷提高了25.9%。

1.2.2 通風(fēng)量影響分析

通過測試房間的溫度和建筑供暖能耗，定量分析了開窗造成的熱損失大小，利用示蹤氣體法得到了不同窗戶開度下房間的通風(fēng)換氣次數(shù)[4]。所測試的7 個小區(qū)的開窗熱損失最高達到0.05GJ/(m2·a)，占建筑耗熱量的15 %左右，開窗熱損失量超過了其他熱損失環(huán)節(jié)。

醫(yī)院從2020 年11 月供暖開始，收疫情政策的影響門窗開啟，同時許多通道封閉措施不嚴等現(xiàn)象導(dǎo)致采暖熱損失增大，估計建筑耗熱量損失增加10%以上。

1.3 用能習(xí)慣分析

本文選取并采集了醫(yī)院能源站12 月21 日的運行數(shù)據(jù)，作為典型日數(shù)據(jù)，并對比參考能源站“可行性研究報告”中的設(shè)計參數(shù)，對醫(yī)院- 能源站的系統(tǒng)進行分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總、清洗、計算，得到醫(yī)院的典型日實際負荷曲線與設(shè)計熱負荷曲線。

圖1 熱負荷負荷曲線對比

12 月21 日醫(yī)院的實際日熱負荷總量：231.35GJ，同時，設(shè)計報告中院冬季典型日熱負荷總量：279.36GJ，二者量級一致。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)：實際熱負荷在日內(nèi)的峰谷差距不明顯，日內(nèi)最高10.6Gj/h，最低9.1 Gj/h，即工作時間負荷與夜間負荷基本相同。

為驗證此現(xiàn)象，從能源站DCS 系統(tǒng)中截取12 月6 日（星期日）和12 月15 日（星期二），此時能源站采暖出水溫度均設(shè)定在55℃左右，通過觀察回水溫度，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院供暖曲線平滑，工作日下班時段采暖負荷下降不明顯。

分析原因，可能是醫(yī)院的住院負載較門診偏高，同時非工作時間，有人忘記關(guān)閉空調(diào)，導(dǎo)致熱量無差別浪費。

綜上所述，通過分析醫(yī)院2020 年的用能現(xiàn)狀和能源站運行數(shù)據(jù)，嚴寒天氣、不良的用能習(xí)慣共同造成醫(yī)院熱負荷偏高的現(xiàn)象。

2 分布式能源站系統(tǒng)運行策略尋優(yōu)

本節(jié)從能源站運行尋優(yōu)的角度，利用工況尋優(yōu)系統(tǒng)，對其運行參數(shù)進行優(yōu)化分析，挖掘其能耗、經(jīng)濟性空間，對能源站的后續(xù)運行提供指導(dǎo)。

2.1 能源站設(shè)備介紹

能源站包含800kw燃氣內(nèi)燃機2 臺、煙氣熱水型溴化鋰2臺（與燃機一拖一部署，額定制冷功率930kw、制熱功率800kw）、900RT 電制冷4 臺、3.5mw 燃氣真空供熱鍋爐2 臺、2.8mw 燃氣真空熱水鍋爐1 臺、2t/h 燃氣蒸汽鍋爐2 臺、156kwp屋頂光伏。能夠為用戶提供電、熱、冷、熱水、蒸汽等多類型能源。能源站供熱設(shè)備于2020 年11 月投運供暖，內(nèi)燃機及發(fā)電機組于2020 年12 月正式供電。

2.2 尋優(yōu)系統(tǒng)及尋優(yōu)思路介紹

本文所使用的的工況尋優(yōu)系統(tǒng)，是運用機理建模與基于能源站傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的大數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)動態(tài)尋優(yōu)模型的構(gòu)建及在線自演進、自優(yōu)化。同時，運用AI 尋優(yōu)技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性與能耗優(yōu)化提升的動態(tài)尋優(yōu)目標。

尋優(yōu)系統(tǒng)主要分為5 個功能模塊：（按照運行的調(diào)用流程）日前的負荷預(yù)測和生產(chǎn)計劃，實時的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟性評估，利用歷史數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練。5 個模塊組成了一個閉環(huán)，預(yù)測結(jié)果是生產(chǎn)計劃的條件、生產(chǎn)計劃作為調(diào)度指令的參考，實時尋優(yōu)的結(jié)果作為經(jīng)濟性評估的標桿工況，同時經(jīng)濟性結(jié)果是模型訓(xùn)練迭代的目標，模型自演進為后續(xù)的模塊提供更準確的模型，最終形成一個循環(huán)上升的效果。

尋優(yōu)系統(tǒng)平臺使用Orleans 微服務(wù)架構(gòu)、底層Linux 系統(tǒng)、應(yīng)用Docker 容器化部署，與DCS 系統(tǒng)的通訊接口采用Modbus實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和下控，在硬件方面關(guān)鍵設(shè)備的熱備、物理隔離等，共同保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可用、可拓展。

2.3 尋優(yōu)結(jié)果及分析

由于醫(yī)院冬季的典型日電負荷數(shù)據(jù)未采集，所以本文選用設(shè)計電、熱負荷作為邊界條件進行尋優(yōu)計算，按照能源站傳統(tǒng)的“以熱定電”模式進行運行模擬，得到設(shè)備負荷分配指令，作為尋優(yōu)模式的對比。

圖2 用戶冬季典型日電負荷及“以熱定電”工況運行曲線圖

圖3 用戶冬季典型日熱負荷及“以熱定電”工況運行曲線圖

同時，根據(jù)能源站與業(yè)主方、燃氣公司等公司簽訂的采購合同，梳理出能源單價如表3 所示，作為計算的關(guān)鍵邊界條件。

表3 單位能耗及售能價格

將用戶負荷曲線導(dǎo)入計算模型，同時將系統(tǒng)設(shè)置為測試模式進行離線計算，通過工況尋優(yōu)算法計算得到能效最高的設(shè)備出力指令。

圖4 冬季負荷及設(shè)備理想出力圖

圖5 冬季運行成本對比圖

通過對結(jié)果可知，首先，分布式能源站能夠降低系統(tǒng)的運行成本，而運用尋優(yōu)算法可以比“以熱定電”模式進一步節(jié)約運行成本。同時，智能尋優(yōu)對比“以熱定電”模式的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)智能尋優(yōu)的燃機出力很低，并維持在基本出力。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，是當時的燃機價格較高，導(dǎo)致內(nèi)燃機發(fā)電的能效較低，所以尋優(yōu)算法主動降低了燃機的出力。

3 結(jié)論

我國已經(jīng)全面推行綠色建筑理念，通過技術(shù)創(chuàng)新和施工管理的有效結(jié)合，切實提升了建筑的保溫性能、降低了單位供暖能耗[5]。但是不能忽略的是，在實際的生產(chǎn)生活過程中，嚴寒天氣、相關(guān)政策、不良的用能習(xí)慣同樣會造成建筑能耗偏高的現(xiàn)象。

因此，在源側(cè)的供暖單位（如分布式能源站）需要采取合理的運行控制策略，通過融合機器學(xué)習(xí)。人工智能尋優(yōu)等數(shù)字化技術(shù)，控制優(yōu)化供熱量，使其隨著供暖負荷的變化及時調(diào)整，減少過量供熱的情況。同時在用戶側(cè)，尤其是公共場所，如辦公區(qū)、商業(yè)建筑、學(xué)校醫(yī)院等，應(yīng)優(yōu)化能耗管理模式，減少能源的浪費現(xiàn)象，共同推進并實現(xiàn)綠色建筑理念。