針對醫(yī)院的分時分區(qū)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：醫(yī)院建筑作為最為復(fù)雜而特殊的建筑類型之一，其能源系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到醫(yī)療服務(wù)的高效運行和資源利用的可持續(xù)性。通過深入研究醫(yī)院內(nèi)不同區(qū)域在不同時間段的能源需求模式，提出基于分時分區(qū)的醫(yī)院能源系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化策略；通過對供暖系統(tǒng)的具體案例進行分析，探究傳統(tǒng)供能方式可能導(dǎo)致的能源浪費和不必要的運營成本增加的問題。因此，引入分時分區(qū)的概念，旨在通過為醫(yī)院的不同區(qū)域提供定制化的能源供應(yīng)，顯著提高整體能源利用效率，同時降低運營成本，達到環(huán)保節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：智慧醫(yī)院；分時分區(qū)；能源管理；醫(yī)院建筑；環(huán)保節(jié)能

0 引言

醫(yī)院建筑作為一種獨特而復(fù)雜的建筑類型，其運營效率和可持續(xù)性的關(guān)鍵在于其能源系統(tǒng)，醫(yī)院每年在能耗上的占比均會超過其他類型建筑^[1-5]。通過深入研究醫(yī)院內(nèi)各方面的能源動態(tài)，特別關(guān)注不同時間和區(qū)域框架內(nèi)的多樣化能源需求，提出一種創(chuàng)新的醫(yī)院能源系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化戰(zhàn)略——分時分區(qū)能源管控。通過對醫(yī)院供暖系統(tǒng)相關(guān)案例的深入分析，揭示傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)的缺陷，強調(diào)潛在的能源浪費和不必要的運營支出。引入分時分區(qū)的相關(guān)概念，旨在為醫(yī)院不同時段不同區(qū)域提供定制化的能源供應(yīng)，從而顯著提高整體能源利用效率，降低運營成本^[6]，引導(dǎo)醫(yī)院后勤朝著環(huán)境可持續(xù)和能源高效的實踐邁進。

1 醫(yī)院用能分析

醫(yī)院建筑作為公共建筑中的用能大戶，能耗密度僅低于商場，并且呈逐年增長的趨勢。一般情況下，醫(yī)院的門診和急診樓的能耗密度相對較低，住院樓能耗密度顯著高于其他區(qū)域。這種差異主要源于不同建筑區(qū)域的功能和使用頻率。醫(yī)院中各個科室對冷熱的需求不同，傳統(tǒng)的能源供應(yīng)方式無法精確滿足這些差異化的需求，造成了大量的能源浪費^[7]。

為分析醫(yī)院用能概況，選取了2017年武漢地區(qū)某三家大型（建筑面積均超過20 000m²）綜合性三甲醫(yī)院的用能數(shù)據(jù)，這三家大型的三甲醫(yī)院數(shù)據(jù)可以較好地代表現(xiàn)行供暖模式的能耗情況，揭示醫(yī)院能耗的普遍特點和差異，從而為優(yōu)化能源使用效率提供針對性的建議。三家醫(yī)院分別用A、B、C表示^[13]，醫(yī)院總體用能信息見表1。

傳統(tǒng)的醫(yī)院能源系統(tǒng)往往采用統(tǒng)一的供能方式，忽視了醫(yī)院內(nèi)不同時間、不同區(qū)域的能源使用差異。由表1可知，空調(diào)采暖與照明在醫(yī)院用能系統(tǒng)中所占比最高，“一刀切”的供能方式可能導(dǎo)致能源浪費和運營成本增加。為了提高能源利用效率和降低運營成本，醫(yī)院建筑需要采用更為精細化和定制化的能源管理策略，以適應(yīng)不同時段和區(qū)域的具體需求。分時分區(qū)的能源系統(tǒng)設(shè)計指在不同時間段為醫(yī)院的不同區(qū)域提供定制化的能源供應(yīng)，其在空調(diào)采暖與室內(nèi)照明方面能夠顯著提高能源使用效率，降低運營成本，減少環(huán)境影響。此外，這種設(shè)計還能夠提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，以更好地應(yīng)對緊急情況和需求變化。

以醫(yī)院供暖系統(tǒng)為例，其復(fù)雜性在于醫(yī)院不同區(qū)域存在不同的供暖需求模式。一方面，醫(yī)院部分區(qū)域（如ICU病房區(qū)）需要全天候連續(xù)供暖，以確保24小時連續(xù)溫度適宜的環(huán)境；另一方面，醫(yī)院也存在需要間歇性供暖的區(qū)域（如手術(shù)室或檢驗實驗室），這種不同供暖需求導(dǎo)致了一些潛在的問題，增加了不必要的運營成本。

醫(yī)院不同供暖區(qū)域分類見表2。

表2體現(xiàn)了醫(yī)院不同建筑類型的供暖使用時間及特殊情況，說明醫(yī)院的供暖需求存在多樣性和復(fù)雜性。例如，病房樓和應(yīng)急服務(wù)中心需要24小時持續(xù)供暖，行政辦公樓和醫(yī)學(xué)研究中心則僅需要在正常工作時間內(nèi)供暖。此外，某些建筑如門診大樓和行政辦公樓在節(jié)假日關(guān)閉，不需要供暖。在這種差異化的供暖需求下，采用傳統(tǒng)的統(tǒng)一供暖方式必然會導(dǎo)致能源浪費。

實施分時分區(qū)的供暖系統(tǒng)是指依據(jù)各區(qū)域功能、使用頻率和時間段的特定需求，將醫(yī)院劃分為多個供暖區(qū)域，并采用動態(tài)時間調(diào)度，如在夜間降低非關(guān)鍵區(qū)域的供暖，節(jié)假日自動調(diào)整供暖計劃，利用先進的溫控算法和預(yù)測性控制來優(yōu)化溫度管理水平。此外，通過與醫(yī)院的其他設(shè)施管理系統(tǒng)集成，可確保能源有效使用，減少能源消耗，降低運營成本。例如，夜間可以減少或關(guān)閉行政區(qū)域的供暖，將能源集中用于病房樓和應(yīng)急服務(wù)中心。同時，節(jié)假日供暖模式可以自動調(diào)整，以滿足某些區(qū)域的供暖需求。

2 分時分區(qū)節(jié)能設(shè)計

在醫(yī)院的分時分區(qū)能源系統(tǒng)設(shè)計中，核心技術(shù)包括智能控制系統(tǒng)、能源優(yōu)化與調(diào)度、區(qū)域劃分與監(jiān)控，以及節(jié)能建筑設(shè)計。智能控制系統(tǒng)是通過運用先進的算法，如PID控制、模糊邏輯和機器學(xué)習(xí)，對溫度和能源需求進行精確調(diào)控，同時通過集成軟件平臺實時監(jiān)控各區(qū)域能源利用情況^[9]。能源優(yōu)化與調(diào)度是利用數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測對能源需求進行前瞻性管理，根據(jù)醫(yī)院運行模式自動調(diào)整能源分配。區(qū)域劃分與監(jiān)控是基于建筑布局和功能需求，為每個區(qū)域的能源設(shè)備安裝獨立的傳感器和控制器，以實現(xiàn)精細化管理。節(jié)能建筑設(shè)計是應(yīng)用高效的建筑材料和設(shè)計，減少能源損失，并充分考慮自然光利用、隔熱和通風(fēng)效果。

在控制原理方面，反饋控制機制指實時數(shù)據(jù)（溫度、濕度、能源使用量）調(diào)整能源輸出，并使用閉環(huán)控制系統(tǒng)自動糾正偏差，以保持已設(shè)定的環(huán)境條件。預(yù)測性調(diào)整是指結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報，提前預(yù)測能源需求變化，并相應(yīng)調(diào)整供暖、制冷和照明系統(tǒng)。區(qū)域自適應(yīng)控制指根據(jù)各區(qū)域的實際使用情況和占用模式自動調(diào)整能源供應(yīng)，尤其在低使用時段（如夜間或節(jié)假日）減少能源供應(yīng)以節(jié)約能源。此外，用戶界面是指支持遠程控制和監(jiān)控，以快速響應(yīng)突發(fā)情況。綜上所述，分時分區(qū)能源系統(tǒng)不僅能夠降低成本，提高醫(yī)院的能源利用效率，還可確保醫(yī)療環(huán)境的舒適性和安全性。

2.1 控制原理分析

醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)的分時分區(qū)控制是基于不同區(qū)域（如病房、手術(shù)室、等候區(qū)）采集的數(shù)據(jù)以及時間的差異來進行溫控管理，在醫(yī)院的各區(qū)域安裝溫度傳感器，在空調(diào)系統(tǒng)的分支管道上安裝電動控制閥門。在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄈ鐧C房、技術(shù)控制中心等核心區(qū)域）部署中央控制系統(tǒng)，以管理所有設(shè)備^[10]。例如，采集病房患者在院時間段數(shù)據(jù)并據(jù)此進行空調(diào)調(diào)節(jié)，夜間可能降低設(shè)定溫度以適應(yīng)靜態(tài)環(huán)境，手術(shù)室則需保持恒定和精確的溫度控制以符合嚴格的醫(yī)療標(biāo)準^[11]。對于等候區(qū)和公共空間，可以在人流較少的時段適當(dāng)降低空調(diào)運行頻率，以節(jié)約能源。通過在不同區(qū)域和時間段設(shè)定不同的控制溫度，并根據(jù)室內(nèi)溫度反饋進行精細調(diào)節(jié)，醫(yī)院建筑節(jié)能系統(tǒng)不僅能滿足各區(qū)域特定時段的冷熱需求，還能避免非使用時間的能源浪費，實現(xiàn)按需供冷暖。此外，系統(tǒng)還可根據(jù)室外溫度變化自動調(diào)節(jié)空調(diào)輸出和風(fēng)量，確保合理且高效的空調(diào)使用，從而達到節(jié)能的目的。區(qū)域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

（1）上位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于整個架構(gòu)的最上層，通過站內(nèi)光纖連接到三個主采集箱。上位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)整體的數(shù)據(jù)監(jiān)測、集成和控制。

（2）主采集箱。 該系統(tǒng)共有三個主采集箱，它們通過站內(nèi)光纖與上位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。主采集箱是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵節(jié)點，負責(zé)與上位系統(tǒng)通信并協(xié)調(diào)分采集箱的工作。

（3）分采集箱。 每個主采集箱連接若干個分采集箱，采用GPRS無線通信連接。分采集箱位于醫(yī)院內(nèi)不同的區(qū)域，負責(zé)實時采集該區(qū)域的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給主采集箱。

（4）控制閥。每個分采集箱內(nèi)設(shè)有多個控制閥，通過485通信協(xié)議與分采集箱相連接。這些控制閥負責(zé)調(diào)節(jié)相應(yīng)區(qū)域的供暖系統(tǒng)，根據(jù)主采集箱的指令實現(xiàn)對溫度的精準控制。

該系統(tǒng)架構(gòu)通過光纖和GPRS的組合，實現(xiàn)了上位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與各個分區(qū)之間的高效通信，同時通過485通信控制實現(xiàn)了對具體設(shè)備的精細化控制。整個系統(tǒng)架構(gòu)旨在確保數(shù)據(jù)的快速傳遞和實時控制，以實現(xiàn)醫(yī)院分時分區(qū)能源系統(tǒng)設(shè)計的高效運行^[14]。

2.2 分時分區(qū)調(diào)控方案

考慮到醫(yī)院建筑的熱惰性，以醫(yī)院行政辦公區(qū)為例，在夜間或節(jié)假日辦公區(qū)無人時，通過減小閥門開度來降低流量，如當(dāng)日18：00至次日6：00，行政辦公區(qū)可降低流量，以確保室內(nèi)管網(wǎng)不會因溫度過低而凍結(jié)。對醫(yī)院不同的區(qū)域定制不同的分時分區(qū)能源管理方式，分時段和分節(jié)假日的控制策略總覽表見表3。

（1）預(yù)設(shè)時間區(qū)域，定義各個區(qū)域的時間表。基于建筑自動化系統(tǒng)，通過設(shè)定不同區(qū)域（如病房、手術(shù)室、候診區(qū)等）在不同時間段的操作模式，可以預(yù)先編程特定的供暖或供冷策略，確保能源供應(yīng)與實際需求相匹配。

（2）設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率，定期進行能源消耗分析。利用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)測能耗量，并記錄數(shù)據(jù)，以供后續(xù)分析。通過收集的數(shù)據(jù)可以分析能源使用模式，識別節(jié)能潛力，以及評估供暖系統(tǒng)的效率，為決策提供依據(jù)。

（3）基于人工智能算法優(yōu)化分時分區(qū)策略。人工智能算法，如機器學(xué)習(xí)和模式識別，能夠從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并預(yù)測未來的能源需求，進而自動優(yōu)化控制策略。系統(tǒng)可自動調(diào)整供暖或冷卻的輸出，以提高能源使用的效率和反應(yīng)性，確保在需求變化時能即時調(diào)整供應(yīng)。

（4）允許管理員手動干預(yù)調(diào)整參數(shù)。某些情況下需要人工干預(yù)，如特殊天氣條件或臨時活動時，允許人工干預(yù)實時響應(yīng)突發(fā)事件。管理員可以通過控制界面手動覆蓋自動設(shè)置，提供靈活性，確保在所有情況下均可維持室內(nèi)舒適性和能源效率。

3 能耗數(shù)據(jù)分析

3.1 建筑物供暖面積指標(biāo)法

以武漢市某醫(yī)院行政辦公區(qū)為例，進行全年能耗計算及采用分時供暖后能耗計算，從而得出全年節(jié)能總量。

（1）現(xiàn)行供暖方法能耗計算?，F(xiàn)行供暖方法年度能耗，公式如下

Q′n=Φ×qf×F×N×24×3.6×10^-6（1）

式中，Q′n為建筑物全年供暖總能耗，單位GJ；qf為建筑物單位面積供暖熱指標(biāo)，醫(yī)院供暖面積熱指標(biāo)通常取70W/m²；F為供暖建筑物的建筑面積，數(shù)值為5000m²；N為供暖期天數(shù)，武漢市具體為121d；h1為工作日每日工時，取9h；式中3.6×10^-6為1h=3600s，并將J換算成GJ；Φ為溫差修正系數(shù)，公式如下

Φ=（ti-ti2）/（ti-to）（2）

式中，ti為供暖室內(nèi)溫度，取10℃；to為供暖期室外日平均溫度，武漢市取5℃；ti2為供暖室內(nèi)設(shè)置溫度，取16℃。

將需要冬季供暖的建筑物總面積代入式（1）。按現(xiàn)行傳統(tǒng)供暖方法全年總能耗，公式如下

Q′n=2023.8GJ（3）

（2）采用分時供暖建筑物能耗計算。按照醫(yī)院行政辦公區(qū)供暖年能耗計算，公式如下

Qnf=Φ×qf×F×（N-30）×h×3.6×10^-6（4）

式中，數(shù)值30為供暖期天數(shù)中剔除的節(jié)假日；Qnf為醫(yī)院行政辦公區(qū)供暖年能耗，單位GJ；h為工作日每日工時，取9h。

按上述方法計算各類建筑分時供暖年能耗，公式如下

Qnf=509.6GJ（5）

通過對比兩種能耗數(shù)據(jù)可知，采用分時供暖能耗最多同比降低74%。

3.2 eQUEST建筑能耗模擬

為演示分時分區(qū)調(diào)控策略給醫(yī)院帶來的節(jié)能效果，通過eQUEST能耗模擬軟件對建筑體進行模擬，以基礎(chǔ)的U型建筑為例，氣象參數(shù)采用武漢市典型氣象年數(shù)據(jù)。對照項全區(qū)域默認能耗；實驗項在不同區(qū)域設(shè)定了不同的用能時間，對臨床區(qū)域、實驗室、走廊、電機室等區(qū)域分別代入了不同的供電時間段，如電機室全時段供電，走廊18：00后時間段停止供電等。未進行分時分區(qū)管控能耗如圖2所示，制定分時分區(qū)管控能耗如圖3所示。

通過eQUEST模擬同一醫(yī)院在現(xiàn)行能源設(shè)計與分時分區(qū)節(jié)能設(shè)計下的兩種情況，通過對比可以看出使用了分時分區(qū)能源管控的模型耗能較低，未進行分時分區(qū)的建筑能耗每個月都明顯高于分時分區(qū)的建筑能耗，統(tǒng)計得出模擬建筑在兩種能源管理下年總能耗分別為8490.0kW·h、4446.5kW·h，采用分時分區(qū)節(jié)能管理系統(tǒng)可為醫(yī)院降低約50%的能耗。

4 結(jié)語

本文深入研究醫(yī)院能源系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，特別關(guān)注醫(yī)院內(nèi)不同區(qū)域在不同時間段的能源需求模式。通過精細的分時分區(qū)設(shè)計，旨在提高整體能源利用效率、降低運營成本，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。本文首先分析了醫(yī)院建筑能耗的特征和問題，分析了傳統(tǒng)“一刀切”的供能方式可能導(dǎo)致的能源浪費和運營成本增加。隨后，以醫(yī)院供暖系統(tǒng)為例，詳細探討了分時分區(qū)設(shè)計的實施原理和優(yōu)勢，引入智能控制系統(tǒng)、能源優(yōu)化與調(diào)度、區(qū)域劃分與監(jiān)控，以及節(jié)能建筑設(shè)計核心技術(shù)。通過分析醫(yī)院各區(qū)域的供暖需求，提出了分時分區(qū)控制方案，強調(diào)了預(yù)設(shè)時間區(qū)域、數(shù)據(jù)采集、人工智能算法優(yōu)化和管理員手動干預(yù)的重要性。最后，通過實際案例計算與軟件模擬，探究分時分區(qū)供暖對醫(yī)院能耗的顯著降低效果。

本文為醫(yī)院能源系統(tǒng)設(shè)計提供了有力的理論支持和實踐參考，為實現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)的高效運行、資源的可持續(xù)利用及綠色醫(yī)院的構(gòu)建奠定了堅實基礎(chǔ)。通過引入分時分區(qū)的創(chuàng)新概念，為醫(yī)院能源管理領(lǐng)域的未來研究提供了有益的思路。

參考文獻

[1]董美智，楊震.北京市醫(yī)院用能情況分析及節(jié)能降碳措施建議[J].節(jié)能與環(huán)保，2023（10）：19-23.

[2]宋駿行，李昂，肖鷹，等.醫(yī)院后勤智慧能源管理平臺建設(shè)與應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生信息管理雜志，2023，20（4）：622-628.

[3]唐榮高，周全.基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的醫(yī)院智慧能源管理平臺設(shè)計與應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2023，38（8）：86-91，111.

[4]史世軍.醫(yī)院建設(shè)視域下發(fā)展利用新能源可行性的統(tǒng)計分析[J].太陽能學(xué)報，2023，44（6）：543.

[5]吳疊恩，陳建基，李盛佳，等.基于智慧能源管理的醫(yī)院節(jié)能措施分析[J].能源研究與管理，2023，15（1）：167-172.

[6]劉捷云，鄢劍鳴，林賢東，等.醫(yī)院建筑電氣設(shè)備選型與節(jié)能研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（34）：99-102.

[7]譚福太，林海，郭幸，等.公立醫(yī)院智慧能源系統(tǒng)建設(shè)與實踐[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（29）：150-153.

[8]陳蘭.雙碳背景下醫(yī)院后勤綜合能源管理研究[J].江蘇衛(wèi)生事業(yè)管理，2022，33（9）：1243-1247.

[9]張鵬，汪海龍，王月，等.醫(yī)院電氣能源管理與節(jié)能措施分析[J].城市建筑空間，2022，29（S1）：128-129.

[10]張權(quán)，陳戎，汪紅梅.醫(yī)院能源管理的創(chuàng)新實踐[J].中國醫(yī)院建筑與裝備，2022，23（5）：63-68.

[11]程子偉.基于分散式布局醫(yī)院的能源管控方法探索與實踐[J].上海節(jié)能，2022（4）：439-445.

[12]徐萌.數(shù)據(jù)驅(qū)動的醫(yī)院建筑能耗預(yù)測研究[D].合肥：安徽工業(yè)大學(xué)，2022.

[13]徐杰.基于軟件模擬的武漢建筑能耗預(yù)測研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[14]狄豐偉，梁兵兵.供熱系統(tǒng)分時分區(qū)節(jié)能應(yīng)用[C].供熱工程建設(shè)與高效運行研討會論文集，2022.

收稿日期：2024-07-01

作者簡介：

武超（1987—），男，高級工程師，研究方向：項目管理、智能建造。

劉丹（1979—），男，高級工程師，研究方向：項目管理、人工智能。

張浩（1985—），男，高級工程師，研究方向：建筑工程。

歐陽明勇（1989—），男，高級工程師，研究方向：智能建造。

趙偲羽（2000—），女，助理工程師，研究方向：光電信息、人工智能。

段增科（通信作者）（1996—），男，助理工程師，研究方向：建筑工程。