寒冷地區三甲醫院建筑能耗評價指標研究

石 媛，閆增峰，劉加平

(西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

隨著社會經濟的發展、醫療技術水平的提高，人們對醫療效率、質量、環境需求的增長，醫院的規模不斷壯大，功能日趨復雜.醫院服務由過去單純的治療向醫療環境的舒適度、醫院的人文管理和服務等更高的要求轉變，這使醫院逐步更新診斷設備、不斷完善醫院功能、逐漸提高建設標準，醫院的能耗因此也不斷攀升，其建筑能耗是其他公建能耗的1.6～2倍[1].

國外學者通常采用單位體積能耗、單位面積能耗、單位床位能耗以及單位診療人數能耗作為衡量指標[2-4]，國內目前衡量醫院能耗指標主要有單位面積能耗、單位床位能耗、單位床位日能耗、單位門診人次能耗等.這種衡量指標，依據醫院的參數中的級別、床位數、門診量等信息，具有一定的參考意義和價值.

單位建筑面積能耗是最常用的能效指標，國內大量學者對不同地區不同類型醫院的能耗進行了統計并對此指標進行計算.夏熱冬冷地區部分醫院單位建筑面積能耗范圍為12.53～150.14 kgce/(m2·a)以及26.1～266. 5kWh/(m2·a)[5-8].寒冷地區部分醫院能耗范圍為22.65～102.43 kgce/(m2·a)以及92.4～627.41 kWh/(m2·a)[9-11].不同地區、不同醫院類型，能耗差距較大.

杜然等[12]對通過對能耗與各指標的相關性分析，認為指標的可信度方面，單位床位數指標>單位住院量指標>單位建筑面積指標>單位門診量指標，考慮到床位數統計較為方便可靠，因此，利用單位床位數能耗指標評價醫院能耗更為合理.劉朝陽等[13]通過對武漢市部分三甲醫院分析指標中可信度：床位數>門診量>建筑面積，并指出單獨使用一個評價指標具有局限性.李陽[14]在對綜合醫院空調系統節能設計時，采用每門診人次能耗作為指標.俞衛剛和沈晉明[15](2013)認為單位建筑面積指標無法反應醫院真正能耗水平，通過聚類分析認為采用人均門急診能耗費用能客觀的評價醫院的能耗水平.田偉等[16]在對上海市幾家醫院進行節能改造時采用上海市衛生局提出的“床日能耗量”為能耗指標.劉敏燕和劉飄[17]利用數理統計方法分析上海市33家三甲醫院近5年與能耗相關的數據，提出用單位醫療量的能耗密度指標.魏崢等[18]借鑒英國能耗基準采用“單位體積”能耗指標，以考慮層高的影響.

通過文獻分析發現，能耗差距較大的原因，除了醫院本身的地域、類型、節能做法外，統計時采取的統計方法(標準煤or等效電)，統計的能源類型(電能+燃料or所有能源)，甚至不同能源在折算等效電時的系數不同地區都是不同的，這導致了在進行不同醫院的能效比較時存在一定的難度，評價缺乏嚴謹性.并且不同角度的評價指標較多，不同的學者認為各指標的可信度不同.產生此種現象的因素，除了本身指標的局限性外，不同氣候區、不同種類(綜合/專科)、不同級別的醫院的不同部門，使用統一的評價指標體系也是不合理的.需要對大量的醫院數據進行研究，從中找到更為合理的評價指標體系.目前通常采用一定的評價指標對醫院的能效進行橫向比較或對節能改造前后的能耗進行對比.但在新建醫院及醫院擴建的規劃設計時，缺乏詳細及全面的指標體系對能耗進行預測，只使用本地區的定額作為部分成本的預測.本文通過對樣本醫院的能耗及能耗相關因素進行研究，發現目前能耗評價指標存在的局限性，以期望建立更多元的評價指標體系，能更真實深入的反應醫院的建筑能耗用于能耗評價，并可作為醫院新建及擴建規劃設計時的能耗預測參數.

1 醫院樣本描述

我國《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-2016)(以下簡稱熱工規范)從建筑熱工設計的角度，對氣候進行劃分，劃分為五個氣候分區，即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區、溫和地區[19].其中，寒冷地區包括天津、山東、寧夏全境；北京、河北、山西、陜西大部；遼寧南部；甘肅中、東部；河南、安徽、江蘇北部的部分地區以及新疆、西藏南部.本文的研究樣本選取寒冷地區包括北京、天津、山東三個地區共32家三級甲等醫院.收集了其基礎數據和2014、2015、2016三年的能耗數據，醫院就診人數、建筑空間、外圍護結構等影響能耗的信息，足夠支撐論文分析需要.

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 相關性分析方法

對于變量間的相關關系可以通過相關性分析來研究.相關性分析是指對兩個或多個存在一定聯系的變量借助統計分析指標進行分析，從而衡量變量之間的密切程度.相關系數是用來測量變量間線性相關程度大小最常見的統計分析指標，兩個變量x和y的總體相關系數可以表示為

(1)

式中，cov(X,Y)是變量X和Y的協方差，var(X)和var(Y)分別是變量X和Y的方差.

Pearson相關系數是一種線性相關系數，是反映兩個變量之間線性相關程度的統計量，在指標相關性分中得到廣泛的應用.對于變量X和Y，的一組樣本(Xi，Yi)，i=1，2，….

求取Pearson相關系數的公式如下：

(2)

Pearson相關系數ρ的取值范圍在-1～1之間，當ρ>0時，表明兩變量之間存在正相關，即兩變量的變化方向一致.當ρ<0時，表明兩變量之間存在負相關，即兩變量的變化方向相反.|ρ|越接近1表明兩變量之間相關程度越高，越接近0表明兩變量相關程度越低.

2.1.2 醫院建筑能耗評價指標體系

(1)分區域能耗分析法——適用于醫院內部分析及同類區域橫向對比

在對樣本的32家醫院進行分析時，通過對各功能區域的空間特點、設備特點、人流量等進行全面的分析后，建議在醫院內部的能耗分析或同區域能耗比較時采用分區域、多角度的分析方法.

單位建筑面積能耗是最常見的分析方法，在評價體系中占有重要的位置.對于結構形式單一、設備簡單、房間面積較小，能耗影響因素較少的空間，面積能耗分析是適用的.如住院部的標準病區，以及門急診區域的普通診室.單位門急診人次能耗指標屬于人流量能耗分析法，對于如門診大廳、候診大廳等面積較大、層高較高而無特殊大型設備的空間，由于人流量的多少，直接影響了能耗的大小，此時可以采用人流量能耗分析法.隨著醫療技術的發展，醫療設備越來越復雜，醫技部門的規模不斷擴大，能耗比例不斷提高，大型的醫療設施、設備成為耗能的主要因素，采用面積能耗與人流量能耗并不能準確反映此區域的能耗情況，因此，應將大型設備的能耗單獨統計(表1).

表1 分區域能耗分析

(2)醫療量能耗分析法——適用于地區能耗定額的確立

目前國內外的能源統計與折算方法主要有兩種：當量熱值法(“熱量法”)和等價值法(折合成標煤).等效電法把各種形式的能源統一轉換為等效電力，然后按照電力來統計、核算能源數量.電力是高品位能源，把各種形式的能源統一轉換為電力，進行統計、分析和評價更為合理.因醫院的能耗主要為電能消耗和燃料消耗，本文統計分析的能耗為電能和燃氣的等效電(折算系數采用江億和楊秀(2010)[20]提出的標準(7.133 kWh/m3))之和.

如前文所述，采用床位日能耗量與醫療量能耗，這種用醫療量來分析能耗的方法在進行能耗定額的確定時，因其綜合考慮了醫院的門急診以及住院人次，具有一定的適用性.在新建醫院進行能耗成本預算時，可以根據地區規定的能耗定額進行能耗預算，而含有門急診人次和住院人次的醫療量來制定的定額，更能綜合考慮以兩種人流量為主要因素的能耗成本的數量標準.

(3)經濟指標分析法——適用于能耗預測及節能評價

在對樣本的相關性分析時，隨著樣本的增加，收入和支出的與指標的相關性較小，但在分類統計時，收入與支出的相關性凸顯出來，這個敏感因素值得關注.從整體角度來看，醫院的經濟指標與醫院的能耗具有一定的關系，需要進一步研究.根據醫院數年的支出數據與能耗，在確定兩者之間的關系后，并預測醫院的收入、支出走勢，可對能耗進行預測.在同一地區、同一類型、同一級別的醫院進行對比時，通過醫院之間支出與能耗的關系，分析不同醫院之間的能耗，進行節能評價.

2.2 數據來源

綜合醫院17家，建筑面積7～27萬m2，開放床位數700～2 500余張，門診量50～300萬余人次/年.專科醫院15家，建筑面積3～18萬m2，開放床位數60～2 000余張，門診量10～300萬余人次/年.能耗統計采取2014—2016年三年的能耗數據.

3 研究結果

3.1 指標相關性檢驗

為了討論評價醫院基礎參數與能耗評價指標的相關性，對包括建筑面積、門急診人次、住院人次、手術人次、平均住院天數、開放床位數、收入、支出這八個變量與能耗指標的關系使用SPSS軟件進行Pearson相關性分析.

3.1.1 變量與總能耗的相關性

表2 變量與總能耗的相關性P值

注：*.在0.05水平(雙側)上顯著相關.

**.在0.01水平(雙側)上顯著相關.

從表2中可以看出，所有樣本醫院建筑面積、開放床位數P值>0.5，門急診人次接近0.5，說明醫院的能耗與建筑面積、開放床位數、門急診人次相關性較大，這也印證了運用單位建筑面積能耗、單位開放床位數能耗、單位門急診量能耗作為評價指標具有指導意義.并在此樣本中P值建筑面積>開放床位數>門急診人次，說明建筑面積與能耗的相關性最大.

在分類統計中，綜合醫院能耗與支出的相關性最高，其次是收入>建筑面積>手術人次>開放床位數>門急診人次，說明經濟指標中的收入、支出具有一定的敏感性.并且除了建筑面積外，手術人次的相關性較高，可能由于三甲綜合醫院的手術類型多、數量大，因而影響能耗的權重較高.

專科醫院的能耗與住院人次的相關性最高，其次是支出>建筑面積>收入>開放床位數.說明在樣本中，住院人次因醫院的專業科室的不同，如樣本醫院中有安定醫院、中醫醫院、腫瘤醫院等，住院人次相對于門急診更大，主要影響了能耗.收入、支出這種經濟指標排在前列，說明有一定的敏感性.

3.1.2 變量與單位建筑面積能耗的相關性

表3 變量與單位建筑面積能耗的相關性(P值)

注：*.在0.05水平(雙側)上顯著相關.

**.在0.01水平(雙側)上顯著相關.

從表3中可以看出，所有樣本醫院單位建筑面積能耗與收入和支出的相關性相對較高，與其他的參數相關性都較小.分類統計時，綜合醫院中單位建筑面積能耗與支出的相關性最高，其次是開放床位數，但相差較大，敏感性并不明顯；專科醫院中單位建筑面積能耗與支出相關性最高，其次是收入，與其他參數的相關性都較小.收入、支出這類經濟指標與此指標相關性較高，說明經濟因素的敏感性.醫院的收入與醫療量有關，支出與成本有關，進而與能耗有關，而其他參數，對其影響甚微，可以忽略，符合實際.

在單位建筑面積能耗中，只有分綜合與專科醫院進行統計時支出的P值大于0.5，但在所有醫院統計中，沒有P值大于0.5，這可能與在分類統計時樣本的數量較少有關.并且從表中可以看出，除了前述的相關性較大的因素外，顯著相關的因素較少，并且P值都較小，說明以面積為單位的能耗指標與面積的相關性并沒有很高，并且不能與醫院的其他參數發生關系，是較為單一的指標.

3.1.3 變量與單位開放床位數能耗的相關性

表4 變量與單位開放床位數能耗的相關性(P值)

注：*.在0.05水平(雙側)上顯著相關.

**.在0.01水平(雙側)上顯著相關.

從表4中可以看出，所有樣本醫院單位開放床位數能耗與開放床位數相關性最高，其次是支出>收入>平均住院天數，開放床位數與此指標顯著相關，符合實際.分類統計時，綜合醫院中單位開放床位數能耗與支出的相關性最高，其次是收入，與其他指標相關性都較小；專科醫院中單位開放床位數能耗與支出的相關性最高，其次是收入、開放床位數.

在所有醫院統計中，開放床位數的P值最高，但并沒有大于0.5.綜合醫院中，收入和支出的P值大于0.5；專科醫院中，收入、支出和開放床位數的P值大于0.5.說明收入與支出越高，單位開放床位數能耗越高，但隨著樣本數的增多，收入與支出的影響越來越小，床位數的影響越來越大.說明床位數對以單位開放床位數能耗為角度的統計有意義，但相關性并沒有預期大.并且在分類統計時，開放床位數影響并不明顯，說明此指標具有一定的不確定性.

3.1.4 變量與單位門急診人次能耗的相關性

表5 變量與單位門急診人次能耗的相關性(P值)

注：*.在0.05水平(雙側)上顯著相關.

**.在0.01水平(雙側)上顯著相關.

從表5中可以看出，所有樣本醫院單位門急診量數能耗與門急診人次相關性最高，其次是平均住院天數、住院人次，說明除門急診人次外，住院人次這類人流量對以人流量為指標的統計指標具有影響，其他參數影響較小，符合實際.在分類統計時，綜合醫院中單位門急診量能耗與住院人次相關性最高，其次是門急診人次、平均住院天數、手術人次；專科醫院中單位門急診量能耗與支出的相關性最高，其次是平均住院天數、收入及門急診人次.

在單位門急診量能耗中，所有醫院統計中，門急診量的P值最高，但并沒有大于0.5，住院人次與平均住院天數對指標有影響，說明門急診與住院人次間可能存在一定的關系相互影響，進而影響門急診的相關性.綜合醫院中，門急診人次、住院人次、平均住院天數的P值大于0.5；專科醫院中，支出、平均住院天數、收入的P值大于0.5.說明以門急診量、住院人次等參數對單位門急診量能耗具有影響，但相關性并沒有預期大.并且收入、支出這類經濟指標具有一定的敏感性，對指標有影響.

從上述對能耗指標的相關性分析可以看出，隨著樣本數的增多，現有能耗評價與醫院單個或部分參數的相關性越來越小，并且出現其他相關性較高的參數，說明醫院能耗是多種因素決定的，用單一的指標來評價具有片面性，并且指標具有不確定性.

究其原因，醫院各區域能耗差距較大，只對醫院的總體耗能情況進行分析，用單一的指標去評價全院的能耗情況，無法體現出醫院內部的耗能特性，無法詳細了解醫院內部不同功能部門的能耗差異，不利于針對部分區域、重點區域或耗能大戶進行節能設計及改造.

3.2 醫院建筑能耗評價指標體系驗證

對樣本中某一綜合醫院，首先根據分區域能耗法，對各區域的能耗進行分別統計，按照本文的分析方法分別進行計算，計算結果較原值普遍偏高，與其他醫院同區域均值對比時，較接近.計算結果如表6所示.

表6 分區域能耗統計

運用醫療量能耗分析法，經過統計與計算，綜合醫院總能耗766.59～5 898.92萬kWh/a，平均值為3 156.84萬kWh/a.單位建筑面積能耗102.66～443.11 kWh/m2·a.

運用經濟指標分析法，對2013～2015年收入

與支出進行統計并通過excel趨勢預測2016年收入與支出，通過SPSS分析收入、支出與總能耗的線性關系，并預測2016年的能耗值.通過與實測值比較，誤差率0.29%，較為合理.計算結果如表7所示.

表7 經濟指標分析法

4 結論與討論

本文通過對北京、天津、山東等寒冷地區32家三級甲等醫院能耗數據進行統計，計算現有能耗指標，并對醫院各參數與指標之間的相關性進行分析，探討現有指標的合理性以及建設新指標的思路，研究結論如下：

(1)醫院參數與能耗指標的相關性結果顯示：醫院的能耗與建筑面積、開放床位數、門急診人次相關性較大.其中，單位面積能耗指標與醫院的其他參數相關性較小，是較為單一的指標；床位數對以單位開放床位數能耗為角度的統計有意義，與其他參數相關性并沒有預期大，該指標具有一定的不確定性；以門急診量、住院人次等參數對單位門急診量能耗具有較大影響.

(2)分別利用分區域能耗分析法、醫療量能耗分析法、經濟指標分析法對研究區醫院建筑能耗評價指標體系進行驗證，結果顯示經濟指標分析法與運行能耗關系較大，且與門診量、住院人次等相關性大，該能耗評價指標比較合理.

(3)醫院運行能耗與建筑設計能耗不是同一概念，但存在一定關聯.本研究說明對醫院建筑空間節能優化設計，有利于降低醫院綜合能耗.

(4)本研究以樣本醫院調研和統計數據為基礎，運用相關性分析方法對醫院建筑能耗評價指標進行了分析和驗證，是具體指向性研究，直接指向樣本醫院所在的寒冷地區，不是分類綜合研究.

醫院能耗是多種因素決定的，用單一的指標來評價具有片面性，要深入了解一個醫院的耗能情況，需要更加全面、詳細的評價指標.采用不同的評價指標體系以適用于不同的統計分析目的，除了可對醫院內部的能耗進行評價，能耗成本的預算，不同醫院之間能耗對比外，還可在新建醫院或醫院擴建時，對能耗進行預測，對建筑空間節能設計具有指導意義.