醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造與節(jié)能優(yōu)化案例分析

文_顏敏俊 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬同仁醫(yī)院

上海市近年建筑能耗以每年10%左右的速度遞增，其中綜合醫(yī)院建筑能耗普遍高于其他公共建筑，同時相比于其他公共建筑，醫(yī)院建筑的用能結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

信息技術(shù)在醫(yī)院能源管理中具有重要地位，特別是近年來物聯(lián)網(wǎng)等新型信息的相關(guān)應(yīng)用，為醫(yī)院能源管理提供了大數(shù)據(jù)支持。如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提升醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化管理水平，實現(xiàn)醫(yī)院節(jié)能降耗，提高醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)用能過程的經(jīng)濟性和環(huán)境性是當(dāng)前醫(yī)院能源管理中的熱點問題。

本文以上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬同仁醫(yī)院（仙霞路院區(qū)）（以下簡稱“同仁醫(yī)院”）的空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀為例，分析了醫(yī)院的主要用能特征，提出醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造方案，基于數(shù)據(jù)分析提出空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略，并對優(yōu)化控制策略的節(jié)能效果進行分析，為醫(yī)院暖通空調(diào)的物聯(lián)網(wǎng)改造和優(yōu)化控制策略提供參考。

1 空調(diào)系統(tǒng)物用能現(xiàn)狀

同仁醫(yī)院是一所集醫(yī)療、保健、科研、教學(xué)、信息管理、健康教育六大功能于一體的三級綜合性醫(yī)院。根據(jù)2019年醫(yī)院能源審計報告，醫(yī)院的主要能源消耗為暖通空調(diào)系統(tǒng)，其能耗占比為44%；其次為照明插座系統(tǒng)，能耗占比為34%；動力系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，能耗占比為22%。

住院樓、綜合樓采用2 臺離心機和1 臺螺桿機，門急診樓空調(diào)冷熱源采用4 臺開利的螺桿式風(fēng)冷熱泵機組，配套6臺循環(huán)水泵。行政樓空調(diào)冷熱源采用3 臺開利的螺桿式風(fēng)冷熱泵機組，配套5 臺循環(huán)水泵?，F(xiàn)場安裝變頻器，并實施遠(yuǎn)程操控。開啟臺數(shù)與主機開啟對應(yīng)，具體設(shè)備參數(shù)如表1、表2 和表3 所示。

表1 住院樓和綜合樓空調(diào)系統(tǒng)冷源機組配置表

表2 門急診樓中央空調(diào)主機參數(shù)表

表3 行政樓中央空調(diào)主機參數(shù)表

2 空調(diào)系統(tǒng)存在問題及解決思路

2.1 存在問題

目前，住院樓和綜合樓制冷系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、手術(shù)室冷暖兩用熱泵系統(tǒng)，門急診樓和行政樓冷暖兩用熱泵系統(tǒng)，門急診樓和傳染病樓分體空調(diào)以及空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)，均為各自獨立的系統(tǒng)；不僅由各崗位分開管控，而且部分系統(tǒng)屬于不同的外委單位管控；各空調(diào)系統(tǒng)不能集中遠(yuǎn)程管控；醫(yī)院空調(diào)箱和新風(fēng)系統(tǒng)不能與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動聯(lián)控；醫(yī)院的客戶端溫/濕度和室外的溫/濕度，沒有裝設(shè)實時的數(shù)據(jù)采集傳感器，各中央空調(diào)系統(tǒng)不能根據(jù)需求實時調(diào)節(jié)。

2.2 解決思路

建立中央監(jiān)控室，實現(xiàn)全院所有空調(diào)系統(tǒng)（含中央空調(diào)冷暖系統(tǒng)、分體空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)箱與新風(fēng)系統(tǒng)）的集中統(tǒng)一管控；實現(xiàn)全院所有空調(diào)系統(tǒng)的主要運行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測；實現(xiàn)全院所有空調(diào)系統(tǒng)的主機、水泵、冷卻塔、風(fēng)機等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；實現(xiàn)空調(diào)箱和新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)動聯(lián)控。

增設(shè)醫(yī)院的需求端溫/濕度、室外的溫/濕度的傳感器和無線傳輸設(shè)備，實現(xiàn)各中央空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)需求的實時調(diào)節(jié)。

建立中央控制系統(tǒng)，通過云計算實現(xiàn)所有空調(diào)系統(tǒng)的自動化無人值守控制，無需人員操作，僅需定期巡檢和在故障時操作，大幅減少現(xiàn)有操作人員的工作量。

實現(xiàn)各主要參數(shù)的遠(yuǎn)程抄表、自動抄表和統(tǒng)計分析，減少崗位人員抄表工作量。

通過全院各中央空調(diào)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)-水-電全面調(diào)適，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的快速反應(yīng)，增強醫(yī)院保障末端需求的能力。

通過全院各中央空調(diào)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)-水-電全面調(diào)適，減少不必要的浪費，大幅節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的整體能耗。

3 醫(yī)院主要建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造方案

3.1 具體改造版塊

為提升醫(yī)院暖通系統(tǒng)的智能化管理水平，提升異常使用響應(yīng)效率，同仁醫(yī)院結(jié)合暖通空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的配置和現(xiàn)狀，重點對住院樓、綜合樓、門急診樓和行政樓的空調(diào)系統(tǒng)進行物聯(lián)網(wǎng)改造工作。在住院樓、綜合樓、門急診樓和行政樓原有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)施的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套智能化控制系統(tǒng)。

3.2 改造方案的主要技術(shù)特點

①多種控制方式：本地控制、遠(yuǎn)程遙控、自動控制。②豐富的控制策略：溫度自適應(yīng)控制、分時段控制。③用能監(jiān)測與統(tǒng)計：對空調(diào)的電壓、電流、功率、電量等參數(shù)進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。④無線傳輸：所有現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)全部采用無線傳輸，免去繁雜的布線，避免破壞現(xiàn)有裝修。⑤B/S 系統(tǒng)架構(gòu)平臺：本系統(tǒng)采用基于WOT 技術(shù)的B/S 系統(tǒng)架構(gòu)平臺作為能耗管理及控制平。⑥多終端訪問及控制：本系統(tǒng)支持多終端接入，電腦端、平板端、智能手機端等都可訪問本系統(tǒng)，且支持瀏覽器和專有程序訪問及控制。

3.3 設(shè)計方案內(nèi)容介紹

系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)分析功能的基本能力，包括建立組織結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型，并以此為基礎(chǔ)進行設(shè)備的耗能統(tǒng)計能力和分析能力，可提供多維度的用水分析模型來適應(yīng)不同的需求。實現(xiàn)主機、循環(huán)泵、冷卻塔等設(shè)備的遠(yuǎn)程無人值守運行控制。一方面可以通過現(xiàn)場設(shè)備的傳感器和控制器，實時掌握系統(tǒng)中建筑設(shè)備的運行情況和工作模式；另一方面，還可以通過平臺系統(tǒng)中的控制程序，實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行。當(dāng)系統(tǒng)中的某個設(shè)備發(fā)生故障報警信息時，系統(tǒng)將對暖通空調(diào)等相關(guān)設(shè)備和數(shù)據(jù)進行主動式提示，及時通過PC 端或移動端向管理人員發(fā)送異常數(shù)據(jù)信息，提醒管理人員及時查看處理。

該系統(tǒng)還增設(shè)室外溫/濕度傳感器，可實時監(jiān)測氣溫變化情況，反饋給控制平臺，實現(xiàn)需求的實時調(diào)節(jié)。同時還在主要管路上增設(shè)水溫、壓力傳感器，以及一次冷凍水泵的變頻控制柜，將現(xiàn)有冷卻水泵和二次冷凍水泵變頻柜接入智能管控平臺。這些與風(fēng)機和新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機等設(shè)備實現(xiàn)綜合管控，根據(jù)系統(tǒng)冷量負(fù)荷計算，控制機組啟停和變頻控制，控制水泵和冷卻塔的啟停和變頻控制，實現(xiàn)智能化控制、遠(yuǎn)程動態(tài)聯(lián)動運行。具備目標(biāo)設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)優(yōu)化、負(fù)荷調(diào)節(jié)自動最優(yōu)化管理功能?，F(xiàn)場改造加裝設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息查詢分別見圖1 圖2 所示，移動客戶端查詢醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運行信息見圖3 所示。

圖1 冷凍機房數(shù)據(jù)采集器改造

圖2 管路傳感器數(shù)據(jù)采集器改造

圖3 移動客戶端查詢醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運行信息

3.4 暖通空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢

實現(xiàn)醫(yī)院暖通空調(diào)的全方位管理?？筛鶕?jù)實際暖通需求設(shè)定各區(qū)域暖通空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)，并通過項目全生命周期管理，實現(xiàn)醫(yī)院暖通空調(diào)設(shè)備可持續(xù)、可追溯的精細(xì)化管理。

實時診斷暖通空調(diào)設(shè)備狀況。系統(tǒng)通過動態(tài)可視化進行展示，可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，快速響應(yīng)暖通空調(diào)設(shè)備異常情況，并給予管理人員不同的決策建議，及時解決設(shè)備異常問題。

有效挖掘醫(yī)院節(jié)能潛力。通過大量的暖通空調(diào)數(shù)據(jù)支撐，可科學(xué)地對醫(yī)院關(guān)鍵區(qū)域的暖通空調(diào)設(shè)備情況進行分析，提升醫(yī)院自查、自控的高效管理水平。

4 無線物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的“靶向”節(jié)能

大數(shù)據(jù)和云計算解決節(jié)能運行面臨的各種復(fù)雜問題，云服務(wù)器的能源中心可能涉及不同規(guī)格、不同能源類型的冷機、多臺變頻水泵和冷卻塔。這些設(shè)備不同的運行組合對能源中心的運行能耗有很大影響，靠人工決策能夠?qū)崿F(xiàn)的節(jié)能量有限。同時，天氣、空調(diào)負(fù)荷等對空調(diào)能耗起決定作用的因素不斷變化，傳統(tǒng)做法是在大多數(shù)時間段采用相對機械的設(shè)定，以傳統(tǒng)簡單的策略應(yīng)對使用環(huán)境，以大的制冷“富余”應(yīng)對一天中不同時段的制冷需求，這種“省心”的做法導(dǎo)致了能源的極大浪費。

無線物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)為能源中心制定經(jīng)濟、合理的運行計劃，需要了解當(dāng)前負(fù)荷情況、用戶側(cè)對制冷/熱的響應(yīng)能力、負(fù)荷在未來的變化趨勢、各種設(shè)備目前的出力能力、效率曲線等，并在此基礎(chǔ)上從大量可行方案中優(yōu)選出最佳方案。

5 結(jié)語

目前，物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)院中的應(yīng)用還存在一些問題：①物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)外網(wǎng)安全存在一定隱患。②物聯(lián)網(wǎng)沒有形成完整的體系，基本呈現(xiàn)孤島狀態(tài)，不能真正實現(xiàn)萬物互連互通。未來是一個物聯(lián)網(wǎng)的時代，而5G 網(wǎng)絡(luò)能推動物聯(lián)網(wǎng)時代更快地到來。5G 網(wǎng)絡(luò)具備更加強大的通訊功能和帶寬能力，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的高速穩(wěn)定、覆蓋面廣等需求。使設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能工業(yè)以及智慧城市更快更好地呈現(xiàn)在我們面前。

在物聯(lián)網(wǎng)和智慧醫(yī)院的背景下，通過對醫(yī)院暖通系統(tǒng)的智慧化改造，實現(xiàn)“智慧節(jié)能”是降低醫(yī)院總體能耗的重要舉措，可為醫(yī)院后勤管理人員提供智慧化的空調(diào)系統(tǒng)管理方式，并為管理人員后期開展節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持。通過優(yōu)化冷凍水出水溫度和適當(dāng)關(guān)閉風(fēng)冷熱泵機組的夜間運行，冷凍站和熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗分別降低11.8%和3%。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，醫(yī)院智慧暖通空調(diào)管理系統(tǒng)將在醫(yī)院節(jié)能降耗中發(fā)揮越來越重要的作用。