樓宇自控系統在醫院建筑中的應用

文｜中國通廣電子公司 叢培勝 盧佳童

◆ 根據季節、人員和空氣流動情況的變化，對空調通風系統進行高精度的控制和調節，從而提供舒適的溫度、濕度，滿足使用需求；

◆ 在滿足舒適性的前提下，通過合理組織設備運行，自動高效地控制設備能耗，能夠降低運行成本和設備管理成本，提高管理效率；

◆ 通過對機電設備的實時檢測、異常報警和及時處理，使大樓具備預防機電設備突發故障的有效方法，以確保設備和財產安全；

◆ 系統結構是開放式的，支持BACnet、LonWorks和RS485等總線方式，便于今后接入其他系統；

◆ 通過對設備運行狀況的監測、診斷和記錄，及早發現和排除故障，及時發出維護和保養通知，保證設備始終以良好的狀態工作，可靠運行。

1 概述

某醫院門、急診及病房樓由地下一層、地上十三層構成，建筑物總高度為49.45m，總建筑面積為42868.3m2，其中地上建筑面積39745.5m2，地下建筑面積3122.8m2。整個建筑按樓層和東西部劃分功能區域，其中地上1～5層為門、急診各科室，手術室，ICU病房及醫院辦公區域，6～13層為普通及干部病房。

醫院建筑的使用特點與一般的大樓有很多不同之處，本項目的使用特點為時間性強、人員流動率高，因此應根據人員流量，門、急診時間及診室分布等情況來調節相應機電設備的啟停。

醫院大樓內根據功能不同分為公共區、手術區、病房區、潔凈區等，不同區域的空氣流向應分開，以防止交叉感染，因此應對空調、通風系統分區域設計；樓宇自控系統也應分區控制以滿足醫患對樓內溫度、濕度、通風等環境條件的要求，降低患者因空氣不潔而被感染的幾率，縮短治療周期，提高治愈率。

此外，樓宇自控系統平臺還可實現與消防報警系統、智能照明系統、安防系統、停車場管理系統等的接口的連接和聯動。

2 設計思路

本項目的樓宇自控系統設計主要遵循舒適、節能、安全可靠、開放、高效的設計原則：

3 系統結構

在本工程中，樓宇自控系統可實現對冷熱源系統、空調及送排風系統、變配電設備，以及照明、給排水、醫療氣體監視和電梯等系統的自動監測或控制，并同時收集、記錄、保存及管理有關系統的重要信息及數據。

（1）管理網（MLN）

系統的圖形工作站可以進入以太網進行數據管理，實現區域性數據聯網，提高管理水平。

（2）自控網（ALN）

每臺現場控制器DDC可以通過Peer to Peer網絡（同層總線共享無主從方式）連接多達100臺ALN控制器，速率可達到115.2kbps。

（3）樓層網（FLN）

每臺模塊化可編程控制器的LAN網可連接多達216個獨立式或非獨立式單元控制模塊（PXM、TX-IO等），為系統擴展及組建大型集散系統提供方便。

4 系統監控內容

本項目樓宇自控系統的監控對象包括：冷源系統、熱交換系統、空調機組、新風機組、送排風系統、給排水系統、醫療氣體監視系統、風機盤管、照明系統。通過集成方式實現監控的系統包括：冷水機組、電梯系統、變配電系統、柴油發電系統、智能照明系統、安防系統（監控、報警及出入口控制系統）、停車場管理系統。

5 系統軟件功能

（1）控制軟件

網絡控制器及直接數字式控制器能實現的標準及完備的控制模式包括：兩態控制、比例控制、比例加積分控制、比例加微積分控制、控制回路的自動調節。

（2）節能軟件

可在系統內自動運作而不需要操作人員介入的軟件程序包括：每日/每年的預定時間表、假期的安排表、臨時操控安排表、最佳啟/停控制、夜間設定點自動調節控制、焓值切換、用電量高峰期的限制、溫度設定點的重置、制冷機的組合及次序控制。

（3）報警管理

報警的管理包括監察、緩沖、儲存及將報警顯示在操作站上。所有的報警均應顯示相關報警監控點的詳細資料，包括報警發生的時間及日期。報警應根據嚴重性分級，以便更有效及快速地處理嚴重的報警。用戶可以自行設定不同的報警嚴重性級別。

（4）監控點歷史紀錄及動態趨勢記錄

①監控點歷史記錄

樓宇自控系統內所有監控點的歷史都自動存放在相關的網絡控制器內。模擬量輸入監控點應該每半小時取樣本一次，過去24小時的記錄應隨時可以被用戶提出來分析研究。

②動態趨勢記錄

用戶可根據需要將動向趨勢軟件應用在系統內任何的監控點，并可自行選擇抽取樣本的時間（一分鐘一次至兩小時一次可選）。每個網絡控制器最少可以儲存5000個樣本資料。

（5）累積記錄

每個網絡控制器均可進行下列累積記錄：

◆ 運行累積記錄，如水泵的運行累積時間記錄；

◆ 模擬量及脈沖累積記錄，如用電量記錄；

◆ 發生事項的累積記錄，如水泵、風機啟/停累積次數記錄。

若累積值超過用戶所定下的限額，系統將自動把用戶指定的警告信息發放出來。

6 系統采取的節能措施及效果

本項目選用的樓宇自控系統具有良好的節能管理功能，系統正常運行后帶來了顯著的節能效益：能源得到了充分合理的使用，不必要能源消耗得到削減，能源費以最經濟的方式開支，實現了15%～20%的能源節約。

本項目主要通過以下三個方面實現節能：

◆ 操作和管理成本的有效控制；

◆ 能源的獲取和使用的管理，即根據本地區電力部門所采用的峰值和非峰值不同計費方式的政策，在用電期內對機電設備的耗電情況進行判斷，適時完成對超額用電設備的卸載，以避免在用電峰值階段承擔高額的電費；

◆ 其他一系列降低能源消耗的措施和方法。

（1）照明系統的節能控制

照明系統能耗很大，在本項目中照明系統的耗電量約占總用電量的30%，僅次于冷凍站及空調系統的耗電量（40%）。樓宇自控系統通過事先在操作站的日歷上確定程序，并配以相應的傳感器，區分“工作”與“非工作”、“有人”與“無人”時間，用程序設定相應回路的開/關燈時間。

本項目對所有公共區域的照明進行控制。經過3個月的試運行，醫院管理方提供的統計數據顯示，照明系統的用電量比未采用BAS時減少了30%以上，取得了非常可觀的經濟效益。

（2）空調與冷熱源系統的節能控制

空調與冷熱源的能耗在本項目能耗中占比最大，針對其采取的具體節能措施如下：

◆ 縮短冷凍機等冷熱源設備的運行時間，減少、降低運行臺數與輸出功率，避免出現設備無功運行的情況，使冷熱源系統處于最佳節能運行狀態；

◆ 在空氣處理過程中，避免冷熱量相互抵消；采用變新回風的方法，最大限度利用新風；

◆ 利用變風量與變水量等控制技術，實現水泵與風機的最佳狀態點控制和最佳啟停時間控制，降低能耗；

◆ 對非連續工作的空調對象，通過工作與非工作時間的設定值和控制目標值的自動調整實現節能控制；

◆ 利用采用自適應控制與模糊控制等原理的高級控制軟件實現室內溫濕度設定值的自動調整，提高控制精度，以達到節能的目的。

（3）室內溫度浮動（新風補償）控制

采用室外新風溫度補償調節策略，隨著室外空氣溫度的變化，適當提高夏季室內空氣溫度和降低冬季的室內空氣溫度，為室內提供健康、舒適的動態熱環境，同時為空調制冷系統帶來顯著的節能效果。

室外新風溫度補償調節方式的節能效果如表1所示。

表1 室外新風溫度補償調節方式節能效果表

（4）空調系統與冷凍站聯機節能優化控制

本項目空調制冷設備的容量配置是按最大負荷需求選擇的。然而設備一年中處于最大負荷狀態下的時間是很少的，當空調負荷變小時，冷水機組應隨之進行調節，才能既滿足空調需求又降低運行能耗。

將空調機組與冷凍站結合起來考慮其聯機運行節能方案，為冷凍站提供量調節和質調節綜合節能控制方案。

7 針對醫院特殊需求的控制措施

（1）不同區域的分區控制

本項目的公共區、手術區、病房區、潔凈區，以及同一樓層的南、北區對空調系統的需求各不相同，本項目的空調系統采用了按樓層分南區、北區控制的模式，不但滿足了各區域對空調的要求，還實現了節能。

本項目共有8個手術室，各手術室對溫濕度及空氣潔凈度有嚴格的要求，且使用率高，因此采取了單獨設置手術室潔凈空調系統，即手術室潔凈空調系統與公共區、病房區的空調系統分開設置的模式。

為了使各手術室始終處于受控狀態，本項目設置了值班風機，對處于非工作狀態的手術室僅開啟值班風機以維持手術室的壓力梯度。在這種形式的系統下可以方便地調節各個房間的溫濕度，且不同壓力級別的設置相互間不會產生影響，可以很好地實現對各手術室的壓力控制。

潔凈空調系統除了監測常規空調機組的相關狀態和對空調機組進行控制外，還應對新風初效過濾器堵塞報警、中效過濾器堵塞報警、高效過濾器堵塞報警、手術室溫濕度、手術室微正壓情況進行實時監測，并在出現報警時及時處理。

（2）病房區特殊溫濕度要求及相應解決方案

項目調試過程中，筆者在和院方的交流中了解到，合適的空調對于治療和調養有促進作用，甚至在一些場合是重要的治療方法，然而不同的患者對于空調的要求往往差異很大。

由于各種病房對溫度要求的區別較大，并且病人對環境的要求也不一樣；筆者在對病房空調控制進行設計的時候，根據實際使用情況對空調進行了分區，在使用功能相近的區域采用閉環控制算法，滿足區域內普通病人的需要，而對有特殊需要的病人，則利用室內的加熱或局部加濕等手段滿足其需要。

（3）空氣過濾措施

本項目采用了3級空氣過濾，即初效、中效和高效過濾。

由于細菌不能夠獨立存活，必須依附在較大的浮游顆粒上，因此對這些載有微生物的粒子進行過濾就可以達到除去細菌的目的。使用過濾器過濾空氣就是除去這些細菌最為經濟和有效的方法。

（4）手術室的正壓控制措施

在本項目中，為了維持手術室的無菌狀態，需要在手術室控制設計中考慮正壓問題。

在本項目的調試過程中，正壓的作用體現在以下三個方面：

◆ 在門窗關閉的情況下，防止潔凈室外的污染由縫隙滲入到潔凈室內；

◆ 在門開啟的瞬間保證有足夠的氣流向外流動，減少門開啟或人進入瞬間的干擾氣流；

◆ 保證潔凈區域內氣流流向的合理、有序與氣流流量的充足。

本項目在調試和試運行過程中，將緩沖間與負壓隔離病房的最小靜壓差設定為8Pa，病室與衛生間的最小靜壓差設定為4Pa，醫務人員工作走廊與緩沖間及清潔區與半污染區之間的最小靜壓差設定為4Pa，得到了比較好的效果，同時也得到了院方的認可。

8 結束語

本項目樓宇自控系統對樓內的機電設備及醫用氣體監測系統等進行分散控制和集中監視、管理，實現了控制、監測和管理的一體化，從而提供了一個舒適、安全的生活和工作環境；通過優化控制提高了管理水平，達到了節約能源和人工成本的目的，并方便地實現了物業管理自動化。

樓宇自控系統經過3個月的試運行，達到了滿足醫院特殊需求、實現系統節能、實現物業管理現代化的目標。

（1）滿足了醫院的特殊需求

本項目的樓宇自控系統滿足了醫院的特殊需求，保證了樓內環境滿足各種功能分區的要求。

系統通過對樓內冷熱源、空調系統的分區控制，溫、濕度的自動調節，對新風量的控制，以及對供排水、照明等的合理設計，保證樓中各個區域的環境和功能滿足要求；根據治療、康復等要求設定環境參數，根據醫院醫療活動的日程安排自動設定設備控制策略，使設備運行數量與環境控制要求相匹配。

（2）實現了系統節能

根據為本項目設計的最佳能源供應方案，系統采取了優化運行方式，實現了節能運營，從而降低了運行費用。

（3）實現了物業管理現代化

樓宇自控系統實現了現代化的物業管理，包括管理功能、顯示功能、設備操作功能、實時控制功能、統計分析功能及故障診斷功能等，降低了人工管理成本，延長了設備的使用壽命。

1 《智能建筑設計標準》（GB/T 50314-2006）

2 胡崇岳.智能建筑自動化技術.機械工業出版社，1999

3 董春橋.智能建筑自控網絡.清華大學出版社，2008

4 杜明芳.智能建筑系統集成.中國建筑工業出版社，2009

5 陸偉良.實用樓宇管理自動化控制工程.東南大學出版社，2008

6 趙哲身.智能建筑控制與節能.中國電力出版社，2007

7 西門子樓宇科技有限公司.APOGEE頂峰系統設計手冊.2009

8 西門子樓宇科技有限公司.暖通空調控制產品簡明應用手冊.2009