省级医院建筑节能监测系统研究

姚庆梅，贾燕，张永坚，汪明，赵国玉

（1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南250101）

0 引言

随着我国医疗事业的不断发展，医院建筑面积不断增加，医院建筑能耗增长问题日益严重［1－3］。相关统计数据分析表明，医院作为我国公共建筑的重要组成部分，具有较大的节能潜力，是建筑节能工作开展的重要领域［4－6］。医院建筑的能源消耗存在着缺乏准确、可用数据的问题，导致医院节能管理和改造工作难以有效开展。为此，山东省住房和城乡建设厅、山东省财政厅已联合下发《山东省公共建筑节能监测系统项目管理办法》和《山东省公共建筑节能改造试点示范项目管理办法》，提出将医院作为节能监测的重点［7］。与此同时，山东省住房和城乡建设厅开展节约型医院试点示范工作，专项推动医院建筑节能监测平台建设，首批试点示范医院已全面启动。

根据目前山东省示范规模，全省有近百所医院进行试点，若每所医院建立节能监管平台的费用约在200～300万之间，全省将在其上花费上亿元经费。若不从顶层设计，在全省范围内建立统一的医院节能监测系统，如此巨大的试点花费将会形成近百个“数据孤岛”，只能产生局部有限的作用。因此，文章旨在建立一个全省医院建筑节能监测系统，对全省医院运行能耗数据进行统一的统计分析和处理，将使数据的价值和实用性成倍提升。该系统不仅可以提高各平台建设的投资效益，还能以准确有效的综合统计分析对比信息，指导各医院降低运行能耗。该系统的应用，将完善医院建筑节能监测信息网络，有效缓解我省医院建筑节能工作中无准确、有效数据的局面，有助于了解全省医院建筑能耗的现状和节能潜力，为全省医院节能提供数据支持和决策依据，对医院的能效管理和节能改造起到积极的推动作用。

1 省级医院建筑节能监测系统整体构架理念

根据建筑的使用功能和用能特点，国家机关办公建筑和大型公共建筑可分为办公建筑、商场建筑、宾馆饭店建筑、文化教育建筑、医疗卫生建筑和体育建筑等八类［8］，其中医院建筑与其它七类公共建筑在用能方面具有显著区别。因为医院建筑是一个较大而且功能较复杂的建筑群，不同于饭店宾馆及商场这样单栋或少数几栋的通用公共建筑，若采用同样方式对整个医院总能耗进行监测和分析，将不能对整个医院内的每栋建筑做出准确评价，不仅会使数据得不到有效利用，而且还会造成系统资源的浪费。针对这种情况，依据规范［9］，文章提出了一种省级医院节能监测系统方案，该系统由建筑物节能监测子系统、市级数据中心和省级数据中心构成（如图1所示）。系统中的数据采集装置将数据上传至建筑物能耗监测子系统进行处理，然后将数据上传至市级数据中心进一步汇总处理，最终上传至省级数据中心进行存储及展示。

每所医院的建筑节能监测平台框架见图1中虚线框所示。参照国家标准和规范［10－11］，设计方案中将医院院区内建筑按使用功能分为门诊类、住院类、医技类、医疗综合类、后勤保障和办公类等六种类型。在用能方面首先分析用能特点，然后将其细化和分类。例如医院用电，设计方案中将医院用电划分为医疗用电和辅助用电两种类型：（1）医疗用电主要包括门诊、住院、医技和医疗综合等建筑的照明插座、空调用电、医疗设备用电（特殊用电）和动力用电四个分项；（2）辅助用电主要包括后勤保障和办公等建筑的照明插座、空调用电、动力用电和特殊用电等。

在数据采集中，照明插座用电主要采集功能区域的照明、插座等室内设备用电数据；空调用电采集空调、采暖服务的设备用电数据；动力用电采集各种动力服务（包括电梯、非空调区域通风、生活热水、自来水加压、排污等）的设备（不包括空调采暖系统设备）用电数据；特殊用电采集那些不属于建筑物常规功能的用电设备的耗电量（其中，特殊用电的特点是能耗密度高、占总能耗比重大的用电区域及设备）［12］。医院院区内将采集的每栋建筑的分类分项能耗数据上传至该医院建筑节能监测平台，经该平台对数据分类汇总处理后上传至省级医院建筑节能监测系统。

省级医院节能监测系统直接接入省公共建筑节能监测数据中心，与省数据中心的通信采用中心内联通道。这样既可在保持原有监测系统结构的前提下充分利用医院能耗监测数据，又能有效地提高运行效率，避免了资源的浪费，同时保证了全省节能监测系统的整体安全性。省数据中心与市数据中心之间通信通道采用VPN硬件设备连接，在公网上建立VPN虚拟专用通道，通过电子身份认证建立起通信连接，定时传输数据。

图1 省级医院建筑节能监测系统方案图

2 省级医院建筑节能监测系统软件设计

2.1 省级医院建筑节能监测系统软件设计构架

省级医院建筑节能监测系统负责全省各医院建筑节能监测平台上报的能耗数据的汇总、统计、分析、展示和发布，其系统软件架构如图2所示。整个医院建筑节能监测系统由表现层、应用层及信息资源与数据层构成，在软件编制时，统筹考虑标准和规范要求，并嵌入安全保障模块，达到系统的规范、统一、安全、高效的要求。系统软件采用B／S结构，平台使用Windows Server 2003或Windows Server 2008操作系统，采用 Microsoft.Net Framework 3.5为底层基础类库，使用面向对象的C＃语言编写程序。数据库系统采用SQL Server 2008企业版。整个系统采用分布式数据库，授权数据也是分布式，同时具有分级授权功能。

图2 省级医院建筑节能监测系统软件架构图

省级医院建筑节能监测系统的表现层实现权限管理，主要针对不同用户（如系统开发管理人员、医院管理人员等）授予相应查看或修改信息的权限。而应用层按功能可分数据及消息管理、分析展示和后台管理为三大板块。其中，数据及消息管理板块由数据接收、数据处理、数据上报、消息管理等模块组成。省级医院建筑节能监测系统接收省内各医院建筑节能监测子系统发送的建筑能耗数据。数据接收子系统主要包括数据接收、数据解包、数据校验、数据处理和存储、发送反馈结果等功能。各医院节能监测子系统与省医院节能监测系统数据接收工作流程如图3所示。

图3中的数据接收方式为被动接收，采用基于SOAP传输协议的Web Services技术实现。数据成功接收后，向下级数据中心返回接收成功的消息，并进行数据校验。数据校验包括数据格式校验以及数据内容校验两个方面工作。其中，数据格式校验主要对上传的建筑与能耗信息进行XML Schema校验，校验其是否符合《数据上传XML格式文档》中建筑与能耗信息XML格式的规定；数据内容校验则对上传的建筑与能耗数据的规范性及合理性进行检测与分析。校验成功后进行数据处理，对上传的建筑与能耗信息的XML数据进行解析以及数据存储至数据库，并调用数据分析功能对上传数据进行统计分析，生成数据仓库记录。如失败则结束本次接收操作。为了确保数据安全，系统对接收到的建筑和能耗数据以及附件进行备份，防止数据丢失和被误操作。所有操作都记入操作日志，便于系统寻根溯源。

数据处理子系统是医院建筑节能监测系统中十分重要组成部分，它对数据接收模块接收的数据包进行校验和解析，规范化采集时间，根据配电支路安装仪表的情况构造用能模型。在此基础上，根据用能模型对原始采集数据进行拆分计算得到分项能耗数据，并将原始能耗数据和分项能耗数据保存到数据库中。省级医院建筑节能监测系统通过数据上报子系统定时调度任务，自动地从数据库中提取能耗分项数据，合并整理打包后发送到省级建筑能耗监测系统的数据中心。

2.2 省级医院建筑节能监测子系统构架及各模块功能

数据分析展示子系统处于省级医院建筑节能监测系统的应用层，是应用层重要组成模块。它对经过数据处理后的分类分项能耗数据进行分析汇总和整合，通过静态表格或动态图表方式将能耗数据展示出来，为节能运行、节能改造、信息服务和制定政策提供信息服务。根据实际需求，文章所设计研发的分析展示子系统主要由信息发布、能耗详览、能耗分析、医院信息、数据报表、系统管理、数据挖掘和运行日志等八个功能模块构成（如图4所示）。

（1）信息发布

信息发布模块中主要提供能耗总览功能，在能耗总览中可以查看医院能耗排名、建筑物信息统计、各医院建筑及分项总能耗和单位面积能耗、所有医院建筑及不同建筑总能耗和单位面积能耗的信息。该功能主要以动态柱状图及折线图等形式实现，展示各市总能耗的汇总情况。其中，柱状图分为对总能耗、总电耗、动力用电、空调用电、特殊用电和照明插座用电等能耗数据汇总展示。折线图则对全省以及各地市的医院根据建筑类型的能耗数据进行分类显示。

（2）能耗详览

能耗详览模块则提供医院能耗和建筑物能耗信息。该功能实现对各医院及医院建筑物的总能耗、单位面积能耗、人均能耗、照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电等数据按日、月、年进行查询，并以表格、棒图及折线图形式展现出来。尤其是各医院能耗指标、建筑物用能比例排名、不同功能建筑不同日期总能耗、单位面积总能耗等信息为建筑节能提供了决策参考和依据。

（3）能耗分析

能耗分析模块提供医院能耗的横向／纵向分析和建筑物能耗的横向／纵向分析，为节能改造和建筑节能提供数据参考和决策依据。其中，医院能耗的横向分析功能可实现针对同一所医院的不同建筑类型、对比类别及能耗分项，按时间刻度，选择日、月、年等不同日期，进行能耗对比；而医院能耗的纵向分析功能可选择两所不同的医院，根据建筑类型、对比类别及能耗分项，按不同时间粒度进行能耗对比。建筑物能耗的横向分析则对两所不同的医院，根据建筑类型、对比类别及能耗分项；建筑物能耗的纵向分析对不同医院的不同建筑物，根据对比类别、能耗分项进行能耗对比。

图4 医院建筑节能监测分析展示子系统功能架构图

（4）医院信息

医院信息则主要处理医院基本信息和医院内建筑物的基本信息。其中，医院基本信息可以查看医院名称、编码、别名、描述、经度、纬度及医院人数信息和能耗价格信息。如果是管理员进入，默认加载所有的医院信息，如果操作员进入，加载所有其所拥有权限的医院。而建筑物基本信息可以查看建筑名称、编码、年代、功能、层数和面积等详细信息及附加信息。如果是管理员进入，默认加载所有的医院的建筑物信息，如果操作员进入，加载所有其所拥有权限的医院下的建筑物。

除以上四大模块外，分析展示子系统还有数据报表、系统管理、数据挖掘、运行日志等功能。数据报表实现汇总各医院在某个时间段内（按日、月、年划分）各时间段的能耗数据汇总查询。系统管理主要用于用户管理、角色管理、节点管理、临界值管理、节点分配和手动汇总数据等用途。其中，节点管理可以查看系统的节点名称和编号等信息，并可以进行修改和删除操作。

临界值管理可以查看各医院每栋建筑物的基本信息以及能够对建筑用电各分项临界值进行设定。数据挖掘的功能是对监测建筑的能耗数据进行数据挖掘分析，该模块为预留模块。运行日志包含数据接收日志、数据发送日志、数据处理日志和异常数据日志，用于实现对当前数据的发送、接收和处理日志进行浏览，查看显示建筑物异常信息汇总，以便用户及时收到下辖各建筑物的实时情况。

2.3 省级医院建筑分类编码设计

节能监测系统中，能耗数据的采集、传输和存储均以一栋建筑为基本单位，每栋建筑物均需配唯一编码作为建筑物身份标识。因此，建筑物编码在系统实现过程中非常重要，它要求以极短的字段包含尽可能多的建筑物信息（如建筑物所处地市、建筑物所属医院、建筑物类别等信息）。编码不仅要满足节能监测系统需求而且必须满足在全省范围内的统一及建筑物编码的唯一性。

为实现对医院建筑物编码，首先根据医院建筑规模、建筑功能和建筑用能特点等信息在建筑基本信息上增加附加项（见表1）；其次，根据规范和标准对医院建筑物按5类细则进行编码，设计建筑物编码由13位符号组成，其中包括行政区划代码编码、建筑类别编码、建筑识别编码、建筑分类编码和分类建筑识别编码（见表2）。若某一项目无须使用某编码时，则用相应位数的“0”代替。建筑编码为E；第12、13位数编码为分类建筑识别编码，用2位阿拉伯数字表示。编码应由建筑所在地的县市建设行政主管部门统一规定，确保每栋医院建筑编码的唯一性。例如济南市交通医院医院节点编码为370100E002，该医院的住院部2建筑物编码为370100E002B02。

表1 医院建筑分类编码及附加信息表

表2 医院建筑物编码表

该编码设计时充分考虑了建筑类型、建筑特征、建筑用能设备、建筑能耗特征和使用管理特征等信息，便于建筑分类及分类建筑的能耗数据处理，并且平滑实现了医院建筑应用分类编码与公共建筑中的医疗卫生建筑大类编码的两级编码的关联与融合。

3 省级医院建筑节能监测系统的应用

在医院建筑编码中，第1至6位数编码按原导则为建筑所在地的行政区划代码，编码区分到市、县（市），例如，济南市编码为370100，青岛市编码为370200；第7位数编码为建筑类别编码，参照大型公共建筑分类编码，医院建筑属于“医疗卫生建筑”分类，用1位大写英文字母E表示；第8至10位数编码为医院识别编码，用3位阿拉伯数字表示，例如，千佛山医院编码为001，山东省中医院编码为002，交通医院编码为003。前10位为医院节点编码，确保山东省内所有医院都有唯一的识别编码。第11位数编码为医院建筑分类编码，采用表1所示的1位大写英文字母如门诊类建筑编码为A，后勤保障

文章所设计研发的医院建筑节能监测系统从2012年开始作为山东省专项推动医院建筑节能监管平台建设的重要组成部分在山东省投入使用，系统运行良好，稳定可靠，可自动采集、存储和分析各医院能耗监测平台上传的监测数据和建筑物基础信息，为我省医院的节能管理和节能改造提供了决策依据，2013年通过项目验收。该系统实际运行界面如图5、6所示。其中，图5给出了山东省医院全部建筑和不同类建筑一天24 h的总电耗情况；图6给出了建筑物基本信息，包含建筑年代、建筑层数、采暖面积及建筑外围护结构等信息。

图5 山东省医院建筑某日总电耗展示图

4 结语

图6 建筑物基本信息界面图

开展建筑节能降耗，推进节约型医院建设离不开医院建筑能耗监管平台。文章遵循顶层设计的思想，结合医院节能监管和节能改造需求，设计了省级医院建筑节能监测系统方案，开发实现了包含数据接收、数据处理、数据上报、数据分析、数据展示、用户权限管理、医院信息管理、建筑物信息管理、数据仓储等功能的医院建筑节能监测系统。该系统实现了对不同类型医院建筑的分项用电用水等重点能耗进行数据采集、统计、分析与展示，使得各医院建筑能耗管理变得有数据可参考，为全省医院节能减排工作提供了决策参考依据。

医院是建筑节能工作的重点领域，今后将会有越来越多的医院建立能耗监管平台并与省医院建筑节能监测系统联网。因此，仍需进一步拓展和完善系统功能，强化数据的准确性和可靠性，以数据分析应用为目标，加强数据深度挖掘、多维度分析研究和能力建设，为建筑节能各项工作提供既实用又有效的数据支持。

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