省級醫院建筑節能監測系統研究

姚慶梅，賈燕，張永堅，汪明，趙國玉

（1.山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南250101）

0 引言

隨著我國醫療事業的不斷發展，醫院建筑面積不斷增加，醫院建筑能耗增長問題日益嚴重［1－3］。相關統計數據分析表明，醫院作為我國公共建筑的重要組成部分，具有較大的節能潛力，是建筑節能工作開展的重要領域［4－6］。醫院建筑的能源消耗存在著缺乏準確、可用數據的問題，導致醫院節能管理和改造工作難以有效開展。為此，山東省住房和城鄉建設廳、山東省財政廳已聯合下發《山東省公共建筑節能監測系統項目管理辦法》和《山東省公共建筑節能改造試點示范項目管理辦法》，提出將醫院作為節能監測的重點［7］。與此同時，山東省住房和城鄉建設廳開展節約型醫院試點示范工作，專項推動醫院建筑節能監測平臺建設，首批試點示范醫院已全面啟動。

根據目前山東省示范規模，全省有近百所醫院進行試點，若每所醫院建立節能監管平臺的費用約在200～300萬之間，全省將在其上花費上億元經費。若不從頂層設計，在全省范圍內建立統一的醫院節能監測系統，如此巨大的試點花費將會形成近百個“數據孤島”，只能產生局部有限的作用。因此，文章旨在建立一個全省醫院建筑節能監測系統，對全省醫院運行能耗數據進行統一的統計分析和處理，將使數據的價值和實用性成倍提升。該系統不僅可以提高各平臺建設的投資效益，還能以準確有效的綜合統計分析對比信息，指導各醫院降低運行能耗。該系統的應用，將完善醫院建筑節能監測信息網絡，有效緩解我省醫院建筑節能工作中無準確、有效數據的局面，有助于了解全省醫院建筑能耗的現狀和節能潛力，為全省醫院節能提供數據支持和決策依據，對醫院的能效管理和節能改造起到積極的推動作用。

1 省級醫院建筑節能監測系統整體構架理念

根據建筑的使用功能和用能特點，國家機關辦公建筑和大型公共建筑可分為辦公建筑、商場建筑、賓館飯店建筑、文化教育建筑、醫療衛生建筑和體育建筑等八類［8］，其中醫院建筑與其它七類公共建筑在用能方面具有顯著區別。因為醫院建筑是一個較大而且功能較復雜的建筑群，不同于飯店賓館及商場這樣單棟或少數幾棟的通用公共建筑，若采用同樣方式對整個醫院總能耗進行監測和分析，將不能對整個醫院內的每棟建筑做出準確評價，不僅會使數據得不到有效利用，而且還會造成系統資源的浪費。針對這種情況，依據規范［9］，文章提出了一種省級醫院節能監測系統方案，該系統由建筑物節能監測子系統、市級數據中心和省級數據中心構成（如圖1所示）。系統中的數據采集裝置將數據上傳至建筑物能耗監測子系統進行處理，然后將數據上傳至市級數據中心進一步匯總處理，最終上傳至省級數據中心進行存儲及展示。

每所醫院的建筑節能監測平臺框架見圖1中虛線框所示。參照國家標準和規范［10－11］，設計方案中將醫院院區內建筑按使用功能分為門診類、住院類、醫技類、醫療綜合類、后勤保障和辦公類等六種類型。在用能方面首先分析用能特點，然后將其細化和分類。例如醫院用電，設計方案中將醫院用電劃分為醫療用電和輔助用電兩種類型：（1）醫療用電主要包括門診、住院、醫技和醫療綜合等建筑的照明插座、空調用電、醫療設備用電（特殊用電）和動力用電四個分項；（2）輔助用電主要包括后勤保障和辦公等建筑的照明插座、空調用電、動力用電和特殊用電等。

在數據采集中，照明插座用電主要采集功能區域的照明、插座等室內設備用電數據；空調用電采集空調、采暖服務的設備用電數據；動力用電采集各種動力服務（包括電梯、非空調區域通風、生活熱水、自來水加壓、排污等）的設備（不包括空調采暖系統設備）用電數據；特殊用電采集那些不屬于建筑物常規功能的用電設備的耗電量（其中，特殊用電的特點是能耗密度高、占總能耗比重大的用電區域及設備）［12］。醫院院區內將采集的每棟建筑的分類分項能耗數據上傳至該醫院建筑節能監測平臺，經該平臺對數據分類匯總處理后上傳至省級醫院建筑節能監測系統。

省級醫院節能監測系統直接接入省公共建筑節能監測數據中心，與省數據中心的通信采用中心內聯通道。這樣既可在保持原有監測系統結構的前提下充分利用醫院能耗監測數據，又能有效地提高運行效率，避免了資源的浪費，同時保證了全省節能監測系統的整體安全性。省數據中心與市數據中心之間通信通道采用VPN硬件設備連接，在公網上建立VPN虛擬專用通道，通過電子身份認證建立起通信連接，定時傳輸數據。

圖1 省級醫院建筑節能監測系統方案圖

2 省級醫院建筑節能監測系統軟件設計

2.1 省級醫院建筑節能監測系統軟件設計構架

省級醫院建筑節能監測系統負責全省各醫院建筑節能監測平臺上報的能耗數據的匯總、統計、分析、展示和發布，其系統軟件架構如圖2所示。整個醫院建筑節能監測系統由表現層、應用層及信息資源與數據層構成，在軟件編制時，統籌考慮標準和規范要求，并嵌入安全保障模塊，達到系統的規范、統一、安全、高效的要求。系統軟件采用B／S結構，平臺使用Windows Server 2003或Windows Server 2008操作系統，采用 Microsoft.Net Framework 3.5為底層基礎類庫，使用面向對象的C＃語言編寫程序。數據庫系統采用SQL Server 2008企業版。整個系統采用分布式數據庫，授權數據也是分布式，同時具有分級授權功能。

圖2 省級醫院建筑節能監測系統軟件架構圖

省級醫院建筑節能監測系統的表現層實現權限管理，主要針對不同用戶（如系統開發管理人員、醫院管理人員等）授予相應查看或修改信息的權限。而應用層按功能可分數據及消息管理、分析展示和后臺管理為三大板塊。其中，數據及消息管理板塊由數據接收、數據處理、數據上報、消息管理等模塊組成。省級醫院建筑節能監測系統接收省內各醫院建筑節能監測子系統發送的建筑能耗數據。數據接收子系統主要包括數據接收、數據解包、數據校驗、數據處理和存儲、發送反饋結果等功能。各醫院節能監測子系統與省醫院節能監測系統數據接收工作流程如圖3所示。

圖3中的數據接收方式為被動接收，采用基于SOAP傳輸協議的Web Services技術實現。數據成功接收后，向下級數據中心返回接收成功的消息，并進行數據校驗。數據校驗包括數據格式校驗以及數據內容校驗兩個方面工作。其中，數據格式校驗主要對上傳的建筑與能耗信息進行XML Schema校驗，校驗其是否符合《數據上傳XML格式文檔》中建筑與能耗信息XML格式的規定；數據內容校驗則對上傳的建筑與能耗數據的規范性及合理性進行檢測與分析。校驗成功后進行數據處理，對上傳的建筑與能耗信息的XML數據進行解析以及數據存儲至數據庫，并調用數據分析功能對上傳數據進行統計分析，生成數據倉庫記錄。如失敗則結束本次接收操作。為了確保數據安全，系統對接收到的建筑和能耗數據以及附件進行備份，防止數據丟失和被誤操作。所有操作都記入操作日志，便于系統尋根溯源。

數據處理子系統是醫院建筑節能監測系統中十分重要組成部分，它對數據接收模塊接收的數據包進行校驗和解析，規范化采集時間，根據配電支路安裝儀表的情況構造用能模型。在此基礎上，根據用能模型對原始采集數據進行拆分計算得到分項能耗數據，并將原始能耗數據和分項能耗數據保存到數據庫中。省級醫院建筑節能監測系統通過數據上報子系統定時調度任務，自動地從數據庫中提取能耗分項數據，合并整理打包后發送到省級建筑能耗監測系統的數據中心。

2.2 省級醫院建筑節能監測子系統構架及各模塊功能

數據分析展示子系統處于省級醫院建筑節能監測系統的應用層，是應用層重要組成模塊。它對經過數據處理后的分類分項能耗數據進行分析匯總和整合，通過靜態表格或動態圖表方式將能耗數據展示出來，為節能運行、節能改造、信息服務和制定政策提供信息服務。根據實際需求，文章所設計研發的分析展示子系統主要由信息發布、能耗詳覽、能耗分析、醫院信息、數據報表、系統管理、數據挖掘和運行日志等八個功能模塊構成（如圖4所示）。

（1）信息發布

信息發布模塊中主要提供能耗總覽功能，在能耗總覽中可以查看醫院能耗排名、建筑物信息統計、各醫院建筑及分項總能耗和單位面積能耗、所有醫院建筑及不同建筑總能耗和單位面積能耗的信息。該功能主要以動態柱狀圖及折線圖等形式實現，展示各市總能耗的匯總情況。其中，柱狀圖分為對總能耗、總電耗、動力用電、空調用電、特殊用電和照明插座用電等能耗數據匯總展示。折線圖則對全省以及各地市的醫院根據建筑類型的能耗數據進行分類顯示。

（2）能耗詳覽

能耗詳覽模塊則提供醫院能耗和建筑物能耗信息。該功能實現對各醫院及醫院建筑物的總能耗、單位面積能耗、人均能耗、照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電等數據按日、月、年進行查詢，并以表格、棒圖及折線圖形式展現出來。尤其是各醫院能耗指標、建筑物用能比例排名、不同功能建筑不同日期總能耗、單位面積總能耗等信息為建筑節能提供了決策參考和依據。

（3）能耗分析

能耗分析模塊提供醫院能耗的橫向／縱向分析和建筑物能耗的橫向／縱向分析，為節能改造和建筑節能提供數據參考和決策依據。其中，醫院能耗的橫向分析功能可實現針對同一所醫院的不同建筑類型、對比類別及能耗分項，按時間刻度，選擇日、月、年等不同日期，進行能耗對比；而醫院能耗的縱向分析功能可選擇兩所不同的醫院，根據建筑類型、對比類別及能耗分項，按不同時間粒度進行能耗對比。建筑物能耗的橫向分析則對兩所不同的醫院，根據建筑類型、對比類別及能耗分項；建筑物能耗的縱向分析對不同醫院的不同建筑物，根據對比類別、能耗分項進行能耗對比。

圖4 醫院建筑節能監測分析展示子系統功能架構圖

（4）醫院信息

醫院信息則主要處理醫院基本信息和醫院內建筑物的基本信息。其中，醫院基本信息可以查看醫院名稱、編碼、別名、描述、經度、緯度及醫院人數信息和能耗價格信息。如果是管理員進入，默認加載所有的醫院信息，如果操作員進入，加載所有其所擁有權限的醫院。而建筑物基本信息可以查看建筑名稱、編碼、年代、功能、層數和面積等詳細信息及附加信息。如果是管理員進入，默認加載所有的醫院的建筑物信息，如果操作員進入，加載所有其所擁有權限的醫院下的建筑物。

除以上四大模塊外，分析展示子系統還有數據報表、系統管理、數據挖掘、運行日志等功能。數據報表實現匯總各醫院在某個時間段內（按日、月、年劃分）各時間段的能耗數據匯總查詢。系統管理主要用于用戶管理、角色管理、節點管理、臨界值管理、節點分配和手動匯總數據等用途。其中，節點管理可以查看系統的節點名稱和編號等信息，并可以進行修改和刪除操作。

臨界值管理可以查看各醫院每棟建筑物的基本信息以及能夠對建筑用電各分項臨界值進行設定。數據挖掘的功能是對監測建筑的能耗數據進行數據挖掘分析，該模塊為預留模塊。運行日志包含數據接收日志、數據發送日志、數據處理日志和異常數據日志，用于實現對當前數據的發送、接收和處理日志進行瀏覽，查看顯示建筑物異常信息匯總，以便用戶及時收到下轄各建筑物的實時情況。

2.3 省級醫院建筑分類編碼設計

節能監測系統中，能耗數據的采集、傳輸和存儲均以一棟建筑為基本單位，每棟建筑物均需配唯一編碼作為建筑物身份標識。因此，建筑物編碼在系統實現過程中非常重要，它要求以極短的字段包含盡可能多的建筑物信息（如建筑物所處地市、建筑物所屬醫院、建筑物類別等信息）。編碼不僅要滿足節能監測系統需求而且必須滿足在全省范圍內的統一及建筑物編碼的唯一性。

為實現對醫院建筑物編碼，首先根據醫院建筑規模、建筑功能和建筑用能特點等信息在建筑基本信息上增加附加項（見表1）；其次，根據規范和標準對醫院建筑物按5類細則進行編碼，設計建筑物編碼由13位符號組成，其中包括行政區劃代碼編碼、建筑類別編碼、建筑識別編碼、建筑分類編碼和分類建筑識別編碼（見表2）。若某一項目無須使用某編碼時，則用相應位數的“0”代替。建筑編碼為E；第12、13位數編碼為分類建筑識別編碼，用2位阿拉伯數字表示。編碼應由建筑所在地的縣市建設行政主管部門統一規定，確保每棟醫院建筑編碼的唯一性。例如濟南市交通醫院醫院節點編碼為370100E002，該醫院的住院部2建筑物編碼為370100E002B02。

表1 醫院建筑分類編碼及附加信息表

表2 醫院建筑物編碼表

該編碼設計時充分考慮了建筑類型、建筑特征、建筑用能設備、建筑能耗特征和使用管理特征等信息，便于建筑分類及分類建筑的能耗數據處理，并且平滑實現了醫院建筑應用分類編碼與公共建筑中的醫療衛生建筑大類編碼的兩級編碼的關聯與融合。

3 省級醫院建筑節能監測系統的應用

在醫院建筑編碼中，第1至6位數編碼按原導則為建筑所在地的行政區劃代碼，編碼區分到市、縣（市），例如，濟南市編碼為370100，青島市編碼為370200；第7位數編碼為建筑類別編碼，參照大型公共建筑分類編碼，醫院建筑屬于“醫療衛生建筑”分類，用1位大寫英文字母E表示；第8至10位數編碼為醫院識別編碼，用3位阿拉伯數字表示，例如，千佛山醫院編碼為001，山東省中醫院編碼為002，交通醫院編碼為003。前10位為醫院節點編碼，確保山東省內所有醫院都有唯一的識別編碼。第11位數編碼為醫院建筑分類編碼，采用表1所示的1位大寫英文字母如門診類建筑編碼為A，后勤保障

文章所設計研發的醫院建筑節能監測系統從2012年開始作為山東省專項推動醫院建筑節能監管平臺建設的重要組成部分在山東省投入使用，系統運行良好，穩定可靠，可自動采集、存儲和分析各醫院能耗監測平臺上傳的監測數據和建筑物基礎信息，為我省醫院的節能管理和節能改造提供了決策依據，2013年通過項目驗收。該系統實際運行界面如圖5、6所示。其中，圖5給出了山東省醫院全部建筑和不同類建筑一天24 h的總電耗情況；圖6給出了建筑物基本信息，包含建筑年代、建筑層數、采暖面積及建筑外圍護結構等信息。

圖5 山東省醫院建筑某日總電耗展示圖

4 結語

圖6 建筑物基本信息界面圖

開展建筑節能降耗，推進節約型醫院建設離不開醫院建筑能耗監管平臺。文章遵循頂層設計的思想，結合醫院節能監管和節能改造需求，設計了省級醫院建筑節能監測系統方案，開發實現了包含數據接收、數據處理、數據上報、數據分析、數據展示、用戶權限管理、醫院信息管理、建筑物信息管理、數據倉儲等功能的醫院建筑節能監測系統。該系統實現了對不同類型醫院建筑的分項用電用水等重點能耗進行數據采集、統計、分析與展示，使得各醫院建筑能耗管理變得有數據可參考，為全省醫院節能減排工作提供了決策參考依據。

醫院是建筑節能工作的重點領域，今后將會有越來越多的醫院建立能耗監管平臺并與省醫院建筑節能監測系統聯網。因此，仍需進一步拓展和完善系統功能，強化數據的準確性和可靠性，以數據分析應用為目標，加強數據深度挖掘、多維度分析研究和能力建設，為建筑節能各項工作提供既實用又有效的數據支持。

［1］徐琳，王震，張林華.呼和浩特市某大型公共建筑能源消耗分析［J］.山東建筑大學學報，2012，27（2）：203－207.

［2］房勤英，李媛媛，葛玉全.現代建筑節能理論研究進展［J］.山東建筑大學學報，2013，28（4）：358－362.

［3］張文捷，楊昌松.談綠色醫院的節能降耗工作［J］.江蘇衛生事業管理，2013，24（6）：221－222.

［4］和衛彥，李興盛，楊濤.綜合性醫院建筑的節能探討［J］.粉煤灰綜合利用，2011，24（2）：49－51.

［5］戴明浪，王莉莉.淺談醫院的能耗管理［J］.中國醫療設備，2013，28（11）：112－113.

［6］陳勇，單剛.加強醫院節能降耗管理的體會與實踐［J］.贛南醫學院學報，2013，33（5）：755.

［7］山東省住房和城鄉建設廳、山東省財政廳.關于印發《山東省公共建筑節能監測系統項目管理辦法》和《山東省公共建筑節能改造試點示范項目管理辦法》的通知［EB／OL］.山東建筑節能與建設科技網，（2013－7－5）［2014－3－15］.

［8］深圳市建筑科學研究院、住房和城鄉建設部信息中心.建科［2008］114號國家機關建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集導則［S］.北京：住房與城鄉建設部，2008.

［9］DBJ／T 14—071—2010，公共建筑節能監測系統技術規范［S］.濟南：山東省住房和城鄉建設廳，2010.

［10］JB 110—2008，綜合醫院建設標準［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［11］JGJ49—88，綜合醫院建筑設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，1989.

［12］張永堅，聶玉慶，賈魯峰.公共建筑能耗監測系統設計與標準化集成［C］.工程設計與計算機技術：第十五屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2010.