浅谈能耗监管系统在既有综合医院的建设与应用

0前言

当今，发展的需求和能源制约的矛盾唤醒和强化了人们的能源危机意识，寻找提高能源利用效率的解决之道成为小到家庭，大到企业与政府等全社会的共同责任。而医院作为社会性服务单位，同时医院建筑又是能耗密度的公共建筑之一，合理用能、优化能源使用效率，是一种社会责任，也是建设节约型医院的重要举措。合理用能的前提是了解医院本身的用能特点及所处的行业水平，在此基础上利用管理和技术手段执行节能措施，并在执行后对效果进行论证和反馈，建立起能源管理的“策划－实施－检查－处置（Plan-Do-Check-Act，PDCA）"运行模式。这是一项系统性工程，一般通过整体规划、分步实施的方式逐步完善，而建设能耗监管系统就是整个能源管理体系的重要实施环节，是实现能源管控。根据“十二五"规划，国家要求广东省“十二五"期间单位GDP能耗下降18%。广州医科大学附属第五医院（下称“广医五院"）作为广州市耗能单位需要承担一定的节能减排任务。因此,在2016年医院实行了节能工作的试点，建立了全院能耗监管系统。

1医院能源管理概况

1.1能源消耗状况

以2014年能耗结构为例，广医五院使用的能源有电、水、天然气和燃料。其中电能费用占比高，为84.37%，其次为水10.22%，天然气（主要用于食堂）2.79%，柴油汽油2.62%。

1.2能源计量情况

经历了58年的变迁，本着合理利用的原则，医院一直沿用建院初期绝大部分的建筑和能源供应系统。虽然在全院范围内实现了一和二级计量，但大多采用非智能表进行监测，并派专人按月进行抄表统计能耗数据，以纸质文档进行存单，抄表是以核算医院能耗成本为目的，因此没有能源的分析和数据共享。

1.3管理制度情况

医院下设节能管理办公室，以完成每年的节能指标为主。在全院范围内开展节能宣传活动，并通过技术节能手段实现节能降耗。

1.4节能改造落实

医院对节能工作高度重视，近年来也开展了一系列节能改造工作，包括LED节能灯具更换、太阳能数码复叠热泵系统改造、更换医院节水型器具等，大多属于市场中常用的技术节能措施，但对于节能的投入产出比、节能效果的验证以及用能是否合理等仍处于黑盒状态。

2能源管理系统建设

2.1设计思路

基于广医五院能源管理现状、建筑年代久远的情况，可供安装智能仪表的条件十分有限。在能耗计量出是否有必要覆盖，与简约设计能否实现既定目标之间，需要考虑合适的平衡点。能源管理系统建设的目标分为三个方面：一是推行各类建筑节能措施；二是优化能源管理方式；三是全员参与节能，实行科室考核。以此目标为导向，安全生产为前提，结合现有条件对系统进行建设是基本原则。根据三大目标分别采取以下技术路线：

第一，了解能耗特点。根据原有能耗结构，监测电能，点位覆盖以统计分项能耗为主，其他类型能耗功能区域清晰即可，便于建立医院能耗模型，定量分析医院的能耗水平。

第二，设备监测。能源消耗大的区域为节能关注对象，针对空调、水泵、电梯、大型设备等可单独计量，这些设备数量不多但能耗占比高，通过计量可分析设备使用效率。

第三，区别科室考核。门急诊医技位置用电方式混杂，计量总量结合用能人数分摊科室能耗，不改变原有供电回路；住院楼病区划分清楚，每个病区独立计量核算。

2.2系统架构

系统从逻辑维度来看分为感知层、采集层、应用层三个层次，如图1所示。

1.感知层系统

感知层是能耗数据的直接来源，完成电、水、气能耗数据的计量、本地存储和接口传输，其点位覆盖根据设计目标的三大技术路线执行。根据每个能耗采集点的实际安装条件对设备的安装方式进行区别性的选型，以及对现有线路、管道进行必要的改造。

2.采集层系统

采集层作为应用层与感知层的中间连接部分，负责把现场分散的数据按照一定的格式传输到应用层，同时可以缓存至少30天的数据。由两层通讯网络组成，是以太网，二是现场数据总线，例如RS485或M-BUS。

3.应用层系统

应用层采用数据仓库技术将采集的数据按模型分别抽取建立数据仓库，并通过可视化技术将能耗数据用各种图表展示。它是一个软件系统，运行在服务器中。建立不同的数据模型，如区域、建筑类型、科室、分类分项、设备等。其原理如图2所示。

数据层：确立模型的数据源，一部分是传感器采集的能耗数据，另一部分是HIS系统抽取的业务数据，还有部分数据需要手工录入。

模型层：定制医院管理需求，选择不同的能耗模型组合。

工具层：以监和管为，用模块式功能工具搭建关注界面，满足用户使用要求。

业务层：根据医院管理特点，提炼出相关业务，包括能耗指标、设备效率、科室考核、能源地图等。服务层：系统通过后台专业人员定期提供的有偿服务。

2.3核心技术

完成医院能耗监管系统的关键技术分为三大点：大数据自动化处理技术、智能网关采集技术、基于采集量编码的数据挖掘分析技术。

1.大数据自动化处理

海量数据预处理技术：通过对传感数据进行预处理可以有效去除明显的错误和冗余的数据，清洗所选数据中的有用部分。

数据存储技术：数据存储于大量网络节点上，为了减小数据批量同步迁移时对网络带宽资源的占用，采用智能网关进行就近存储，将传输负载均衡化。

数据索引技术：大数据包括时态流数据和空间流数据，对于时态流数据，主要查询类型为间隔查询，采用B-Tree、Bitmap索引等。对于空间流数据，常用查询操作是寻找某个区域内所有符合某个条件的对象，采用多维索引技术，在有限存储空间里建立优索引，使系统满足效率要求。

2.智能网关

智能网关是物联网万物连接，对于不同的感知层设备的数据和参数都能通过现场总线到达智能网关，并经过它内部A8的高速处理器进行校验、错误及异常处理、数据打包解包、数据加密解密、数据重传处理等多个模块的处理，形成可以在IP网上传递的分组，然后上传到服务器和主站系统。

3.基于采集量编码的数据挖掘

大数据的能耗监管系统通过智能仪表完成能耗相关数据的采集，采集量主要包括电参量数据、水信号数据、气信号数据、温湿度等环境数据等，相关数据经由智能网关进行汇总、压缩和加密处理后上传至服务器端。为保证能耗数据可通过平台自动识别和处理，保证数据得到有效的管理和支持查询服务，实现数据组织、存储及交换的一致性，本项目对每个采集量进行统一编码，由采集量编码和时间戳组成一个能耗信息点，通过系统对海量能耗数据信息点进行集中统计和分析处理，生成能源评估报告，为节能整改提供数据支撑和决策辅助。

3、系统在医院节能管理中的应用

在建设期间明确了系统的实现目标后，按照日常管理需求，搭建各展现页面。功能包括能耗的整体概览、科室能耗考核、能耗指标对比、设备能效比及相关性分析、能源的流向分析、深度下钻的分项分析、能耗异常告警以及报表等。系统自2016年11月投入试运行后，配备能耗监管系统专职人员维护和使用，按照PDCA循环运行模式对医院能源进行管理。

3.1数据分析阶段（Plan）

医院的能耗中电力占比高，根据系统数据对电分项详细分析显示，如(图3)，空调用电占将近50%，其次为照明插座（主要为科室用电和办公用电）和特殊用电（包含了信息机房、大型医用设备、厨房等），动力用电主要是通用的水泵、电梯、通风机等，占比小。由此医院在管理中，首先节能管理的在空调用电和照明插座用电中。

医院在以往的能源管理中未对各科室用能按实际使用量进行考核，“大锅饭"的形式进行管理，虽然一直宣传节约能源，但是仍常有不良的用能习惯。从门诊部分科室连续3日的电用能曲线（图4），可以看出6月30日和7月1日晚间出现照明插座负荷并基本保持不变，说明门诊结束后有部分用电设备未关闭电源。

广州属海洋性亚热带季风气候，每年夏季7、8、9月的空调制冷需求量剧增，因此能耗也较大，医院在系统的报警设置中设置了能耗超标报警阈值，系统在2017年6月份统计总用电量同比16年增加1.53%，并发出三级报警通知，7月总用电同比16年增加1.77%，连续超标后系统发出二级报警通知。经过详细分析发现，空调用电中分体空调的增幅较大，并结合医院设备保养记录了解到，分体空调的上一次清洗时间在2015年10月份。

3.2节能执行阶段（Do）

由于医院对各临床科室的用能成本核算，一直以用能人数均摊的方式，与科室实际用电量无关，造成医务人员节能意识不强。通过系统的应用，医院自2017年3月开始尝试利用系统将分布的电能消耗分摊到各个科室/护理单元，打破“大锅饭"现象带来的影响。系统每月生成报表，以科室实际用能量考核成本，并定期发布能耗公示以及排名，使各科室之间形成对比。

在发现壁挂式空调能耗高并长时间未清洗后，安排了班组人员8月5日和6日对全院300台空调集中排查清洗。进行清洗时，发现室内机的过滤网上堆积了很多的灰尘，将滤网拆下后用清水冲洗并风干后恢复安装。

3.3指标考核阶段（Check）

通过科室能耗考核增强了全院医护人员的节能意识，办公区内形成了人走灯关、下班关机的习惯。从系统中发现，夜间无业务的科室，其出现夜间用电负荷的情况大有减少；至2017年12月，能耗异常报警数量从473条（3月）减少至229条（12月）。

在空调室内机过滤网清洗后，8月的电总能耗同比2016年下降17.87%，环比7月电能耗下降15.04%。取得了较好的节能效果。

3.4数据复核再循环（Action）

通过系统的分析和简单的行为节能，首先解决了大部分的能源浪费问题。通过2017年的能耗数据了解医院的能耗水平后，需要从每一个细分项完善系统的报警设置，进行更精细化的划分维度，从而可以更地发现和定位不合理用能的设备、人员、部门等。从电分项中的子项特殊用电分析，饭堂及水泵用能属于特殊用电、动力用电中较高水平，同时这些设备使用年限较长，设备利用率较低，是下一步分析和节能的考虑对象。医院的节能管理工作进入下一个动态循环中。

4安科瑞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

4.4.1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中心及其他设备通信，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。

4.4.2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。

4.4.3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。

4.4.4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。

4.4.5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。

4.4.6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。

4.4.7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。

4.4.8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。

4.4.9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。

4.4.10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。

4.4.11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。对于医院的精密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。

4.4.12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。

4.4.13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。

4.5相关平台部署硬件选型清单

4.5.1电力监控系统硬件配置

5结束语

在短期内，对系统运用形成的运行模式已初见成效，由于历史数据累计时间短，目前未针对技术节能进行实施和验证。实际应用中，在复核阶段医院已进一步挖掘了医院的优化用能潜力，例如食堂改造的节能潜力，将会在日后的节能工作计划中，分别从技术方案、经济效益、环境效益三方面计算改造的具体参数和预计节能效果。综合考虑可行性和经济性，在节能工作执行后，继续利用系统进行验证，并持续根据PDCA循环管理模式不断的优化医院能源使用。