針對醫院的分時分區節能系統設計研究

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

關鍵詞：智慧醫院；分時分區；能源管理；醫院建筑；環保節能

0 引言

醫院建筑作為一種獨特而復雜的建筑類型，其運營效率和可持續性的關鍵在于其能源系統，醫院每年在能耗上的占比均會超過其他類型建筑^[1-5]。通過深入研究醫院內各方面的能源動態，特別關注不同時間和區域框架內的多樣化能源需求，提出一種創新的醫院能源系統設計與優化戰略——分時分區能源管控。通過對醫院供暖系統相關案例的深入分析，揭示傳統能源供應系統的缺陷，強調潛在的能源浪費和不必要的運營支出。引入分時分區的相關概念，旨在為醫院不同時段不同區域提供定制化的能源供應，從而顯著提高整體能源利用效率，降低運營成本^[6]，引導醫院后勤朝著環境可持續和能源高效的實踐邁進。

1 醫院用能分析

醫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域。這種差異主要源于不同建筑區域的功能和使用頻率。醫院中各個科室對冷熱的需求不同，傳統的能源供應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]。

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

傳統的醫院能源系統往往采用統一的供能方式，忽視了醫院內不同時間、不同區域的能源使用差異。由表1可知，空調采暖與照明在醫院用能系統中所占比最高，“一刀切”的供能方式可能導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，以適應不同時段和區域的具體需求。分時分區的能源系統設計指在不同時間段為醫院的不同區域提供定制化的能源供應，其在空調采暖與室內照明方面能夠顯著提高能源使用效率，降低運營成本，減少環境影響。此外，這種設計還能夠提高系統的靈活性和適應性，以更好地應對緊急情況和需求變化。

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

醫院不同供暖區域分類見表2。

表2體現了醫院不同建筑類型的供暖使用時間及特殊情況，說明醫院的供暖需求存在多樣性和復雜性。例如，病房樓和應急服務中心需要24小時持續供暖，行政辦公樓和醫學研究中心則僅需要在正常工作時間內供暖。此外，某些建筑如門診大樓和行政辦公樓在節假日關閉，不需要供暖。在這種差異化的供暖需求下，采用傳統的統一供暖方式必然會導致能源浪費。

實施分時分區的供暖系統是指依據各區域功能、使用頻率和時間段的特定需求，將醫院劃分為多個供暖區域，并采用動態時間調度，如在夜間降低非關鍵區域的供暖，節假日自動調整供暖計劃，利用先進的溫控算法和預測性控制來優化溫度管理水平。此外，通過與醫院的其他設施管理系統集成，可確保能源有效使用，減少能源消耗，降低運營成本。例如，夜間可以減少或關閉行政區域的供暖，將能源集中用于病房樓和應急服務中心。同時，節假日供暖模式可以自動調整，以滿足某些區域的供暖需求。

2 分時分區節能設計

在醫院的分時分區能源系統設計中，核心技術包括智能控制系統、能源優化與調度、區域劃分與監控，以及節能建筑設計。智能控制系統是通過運用先進的算法，如PID控制、模糊邏輯和機器學習，對溫度和能源需求進行精確調控，同時通過集成軟件平臺實時監控各區域能源利用情況^[9]。能源優化與調度是利用數據分析和模型預測對能源需求進行前瞻性管理，根據醫院運行模式自動調整能源分配。區域劃分與監控是基于建筑布局和功能需求，為每個區域的能源設備安裝獨立的傳感器和控制器，以實現精細化管理。節能建筑設計是應用高效的建筑材料和設計，減少能源損失，并充分考慮自然光利用、隔熱和通風效果。

在控制原理方面，反饋控制機制指實時數據（溫度、濕度、能源使用量）調整能源輸出，并使用閉環控制系統自動糾正偏差，以保持已設定的環境條件。預測性調整是指結合歷史數據和天氣預報，提前預測能源需求變化，并相應調整供暖、制冷和照明系統。區域自適應控制指根據各區域的實際使用情況和占用模式自動調整能源供應，尤其在低使用時段（如夜間或節假日）減少能源供應以節約能源。此外，用戶界面是指支持遠程控制和監控，以快速響應突發情況。綜上所述，分時分區能源系統不僅能夠降低成本，提高醫院的能源利用效率，還可確保醫療環境的舒適性和安全性。

2.1 控制原理分析

醫院空調系統的分時分區控制是基于不同區域（如病房、手術室、等候區）采集的數據以及時間的差異來進行溫控管理，在醫院的各區域安裝溫度傳感器，在空調系統的分支管道上安裝電動控制閥門。在適當的位置（如機房、技術控制中心等核心區域）部署中央控制系統，以管理所有設備^[10]。例如，采集病房患者在院時間段數據并據此進行空調調節，夜間可能降低設定溫度以適應靜態環境，手術室則需保持恒定和精確的溫度控制以符合嚴格的醫療標準^[11]。對于等候區和公共空間，可以在人流較少的時段適當降低空調運行頻率，以節約能源。通過在不同區域和時間段設定不同的控制溫度，并根據室內溫度反饋進行精細調節，醫院建筑節能系統不僅能滿足各區域特定時段的冷熱需求，還能避免非使用時間的能源浪費，實現按需供冷暖。此外，系統還可根據室外溫度變化自動調節空調輸出和風量，確保合理且高效的空調使用，從而達到節能的目的。區域數據采集系統拓撲圖如圖1所示。

（1）上位數據采集系統。該系統位于整個架構的最上層，通過站內光纖連接到三個主采集箱。上位數據采集系統負責整體的數據監測、集成和控制。

（2）主采集箱。 該系統共有三個主采集箱，它們通過站內光纖與上位數據采集系統相連。主采集箱是數據采集的關鍵節點，負責與上位系統通信并協調分采集箱的工作。

（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。分采集箱位于醫院內不同的區域，負責實時采集該區域的溫度、濕度等數據，并將這些數據傳輸給主采集箱。

（4）控制閥。每個分采集箱內設有多個控制閥，通過485通信協議與分采集箱相連接。這些控制閥負責調節相應區域的供暖系統，根據主采集箱的指令實現對溫度的精準控制。

該系統架構通過光纖和GPRS的組合，實現了上位數據采集系統與各個分區之間的高效通信，同時通過485通信控制實現了對具體設備的精細化控制。整個系統架構旨在確保數據的快速傳遞和實時控制，以實現醫院分時分區能源系統設計的高效運行^[14]。

2.2 分時分區調控方案

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

（1）預設時間區域，定義各個區域的時間表。基于建筑自動化系統，通過設定不同區域（如病房、手術室、候診區等）在不同時間段的操作模式，可以預先編程特定的供暖或供冷策略，確保能源供應與實際需求相匹配。

（2）設置數據采集頻率，定期進行能源消耗分析。利用傳感器和數據采集系統，持續監測能耗量，并記錄數據，以供后續分析。通過收集的數據可以分析能源使用模式，識別節能潛力，以及評估供暖系統的效率，為決策提供依據。

（3）基于人工智能算法優化分時分區策略。人工智能算法，如機器學習和模式識別，能夠從歷史數據中學習并預測未來的能源需求，進而自動優化控制策略。系統可自動調整供暖或冷卻的輸出，以提高能源使用的效率和反應性，確保在需求變化時能即時調整供應。

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

3 能耗數據分析

3.1 建筑物供暖面積指標法

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

（1）現行供暖方法能耗計算。現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，醫院供暖面積熱指標通常取70W/m²；F為供暖建筑物的建筑面積，數值為5000m²；N為供暖期天數，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，公式如下

Φ=（ti-ti2）/（ti-to）（2）

式中，ti為供暖室內溫度，取10℃；to為供暖期室外日平均溫度，武漢市取5℃；ti2為供暖室內設置溫度，取16℃。

將需要冬季供暖的建筑物總面積代入式（1）。按現行傳統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。按照醫院行政辦公區供暖年能耗計算，公式如下

Qnf=Φ×qf×F×（N-30）×h×3.6×10^-6（4）

式中，數值30為供暖期天數中剔除的節假日；Qnf為醫院行政辦公區供暖年能耗，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據可知，采用分時供暖能耗最多同比降低74%。

3.2 eQUEST建筑能耗模擬

為演示分時分區調控策略給醫院帶來的節能效果，通過eQUEST能耗模擬軟件對建筑體進行模擬，以基礎的U型建筑為例，氣象參數采用武漢市典型氣象年數據。對照項全區域默認能耗；實驗項在不同區域設定了不同的用能時間，對臨床區域、實驗室、走廊、電機室等區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。未進行分時分區管控能耗如圖2所示，制定分時分區管控能耗如圖3所示。

通過eQUEST模擬同一醫院在現行能源設計與分時分區節能設計下的兩種情況，通過對比可以看出使用了分時分區能源管控的模型耗能較低，未進行分時分區的建筑能耗每個月都明顯高于分時分區的建筑能耗，統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，采用分時分區節能管理系統可為醫院降低約50%的能耗。

4 結語

本文深入研究醫院能源系統的設計與優化，特別關注醫院內不同區域在不同時間段的能源需求模式。通過精細的分時分區設計，旨在提高整體能源利用效率、降低運營成本，并實現環保節能的目標。本文首先分析了醫院建筑能耗的特征和問題，分析了傳統“一刀切”的供能方式可能導致的能源浪費和運營成本增加。隨后，以醫院供暖系統為例，詳細探討了分時分區設計的實施原理和優勢，引入智能控制系統、能源優化與調度、區域劃分與監控，以及節能建筑設計核心技術。通過分析醫院各區域的供暖需求，提出了分時分區控制方案，強調了預設時間區域、數據采集、人工智能算法優化和管理員手動干預的重要性。最后，通過實際案例計算與軟件模擬，探究分時分區供暖對醫院能耗的顯著降低效果。

本文為醫院能源系統設計提供了有力的理論支持和實踐參考，為實現醫療服務的高效運行、資源的可持續利用及綠色醫院的構建奠定了堅實基礎。通過引入分時分區的創新概念，為醫院能源管理領域的未來研究提供了有益的思路。

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[14]狄豐偉，梁兵兵.供熱系統分時分區節能應用[C].供熱工程建設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。