智慧医院背景下的能源管理系统与效用分析

李 瑾

（中国中医科学院广安门医院，北京 100053）

医院大楼是具有全天候开放、高能耗、连续运行等特点的大型公共建筑.医院后勤部门为医院的高效运行起保障作用.医院后勤部门通常以公共系统为基础组成不同的运维部门和团队，进而形成完整的医院后勤运营保障体系.其中的公共系统基础包括：建筑结构、水、电、供暖、信息通信、建筑智能控制、景观道路、装修维护、供气系统、物流传输系统、涉及医疗安全性的机械停车系统、净化层流系统、辐射防护系统、医疗信息系统、大型医疗设备系统等专业系统.

在医院后勤系统的各类任务中，医院能源管理是顺利有效地实现后勤体系科学化发展的重要前提.但医院能源管理信息化领域基础薄弱，重视程度不够的问题始终存在.卫健委于2019年3月18日发布的《医院智能服务分类评估标准体系（试行）》旨在指导医院不断加强信息建设，并根据需求提供智能服务，建设智慧医院.当前，医院能源管理智慧化发展迅猛，合理的智慧能源管理系统建设有助于促进智慧医院整体协同发展.

1 智慧医院研究概况

智慧医院是基于涵盖整个医院业务流程的信息技术，利用互联网、物联网、云计算和人工智能等信息技术来实现医院管理各项信息的自动感知、智能处理和智能管理，以及实现医院运作与服务管理移动化、智能化和个性化，最终达到改善服务流程，重塑运营模式，提高运营效率以及提高精细模块管理水平的目标.

智慧医院规划和建设的目标是建立一个基于“物联网+互联网+信息平台+人工智能”的智能医院管理系统，进行智能服务、智能管理与控制、智能运营、智能安全等领域的总体规划，并分步实施；基于信息数据有序推进，实现精确服务、精细管理、闭环管理和智能管理控制；在应用系统逐步涵盖业务场景的同时，建设医院数据中心，朝着智能化的方向逐步发展；实现医院服务流程和个模块运作管理的优化，基本控制的细化、自动化和决策支持的智能化，使管理更轻松智能，使服务更便捷，并使操作更安全.

现有相关研究文献比较丰富，从不同角度、不同关注点进行智慧医院的理论和应用研究.李琨等［1］基于物联网在智慧医院精细化管理的应用方面，探讨物联网技术在医院物资保障管理中的应用；徐海峰［2］提出智慧医院的顶层设计的科学规划，实现医院“安全、舒适、可持续”的目标；刘同柱等［3］基于客户需求、服务过程、人工智能与信息技术、基础环境、组织文化5个关键环节，阐述智慧医院建设标准的主要框架和内容；计虹和王梦莹［4］则认为，信息技术与现代医院管理制度融合，以智慧管理评测为抓手，优化工作流程，可以提升医院精细化管理水平.吴震天等［5］提出智慧医院应以患者的客观需求为突破口，增强基础保障，提高医疗质量，优化医疗流程，改善就医体验，提升运营管理，促进学科建设，实现医疗卫生机构协同发展.魏明月等［6］认为智能医院可以实现对管理指标的基准分析，对数据进行全面统计分析，并基于此进行科学决策，为实现医院权限的集中化、标准化，基于过程的全面管理提供便利.张苏徽和赵建明［7］认为智慧医院的构建可以响应国家“节能减排”和“物联网+智能能源”的政策方针，实现合理的能源规划和医院技术改造升级，为下一步节能积累关键数据.金光波等［8］发现智能医院下的能源管理可以从能源的分类，能效改进和能源结构优化开始，并逐步调整医院的能源结构，从而提高能源使用效率并降低能源成本.

智慧医院通过建立基于互联网生态的智能化医院，不断优化患者服务体验，提高医院运营效率.充分利用信息技术、人工智能等技术，大力推进智能医院建设，从集成平台、互联互通、大数据等多个方面完成医院内外智能一体化的建设.这些研究发现通过建设智能医院，在优化资源分配、创新服务模式、提高运营效率和降低运作成本方面取得了显著改善.通过积极发展智慧医院的建设，医院运营的综合水平可以得到提高.

2 医院能源管理研究概况

能源管理是对能源生产、分配、转换和消耗的整个过程，进行科学规划、组织、检查、控制和监督的总称.医院能源管理有利于降低能源消耗，提高医院能源利用效率，优化运营和管理水平.目前国内医院能源管理研究主要体现在医院节能改造和节能技术的案例研究中.近年来，关于医院能源管理和医院能耗指标的研究已开始受到关注.现阶段，我国对医院能源管理的研究主要集中在经济发达地区，医院的节能改造研究主要集中在热力系统的节能研究上.但其实，欠发达地区医院的管理水平较低，能源管理潜力也很大.而且，当前大多数能耗统计仅涵盖单个医院，并且单个医院建筑物和部门的能耗无法清楚地计算和评估.

薛志峰和江忆［9］研究了北京一些大型公共建筑的能耗状况和节能潜力，发现医院具有巨大的节能潜力.闫石等［10］基于医院能耗监测系统的运行，提高了医院能源利用效率，优化了医院运营和管理，总结了其节能管理的经验.为我国医院能源管理提供了可行路径.崔俊奎等［11］对北京一家专科医院进行了能耗诊断和节能潜力分析，展示了医院能耗方面的问题，提出了有针对性的改造措施，并分析了改造效果.张建波等［12］对医院建筑能耗进行了调查，介绍了各种医院建筑的基本概况，分析了其能耗问题，并提出了一些降低能耗的可行方法、技术和管理措施，并给出了一些能源管理建议.路宾等［13］对上海市多家医院进行了能耗调查，总结了上海市医院建筑的能耗状况和特点，对医院建筑中的问题进行了诊断和分析，提出了医院建筑物的主要节能策略和改造方法.陆诤岚和常艳新［14］对30家医院能耗影响因素的分析表明，门诊人数对医院整体能耗的影响较大，对高级医院的病床占用率有较大的影响.也影响到医院的综合能耗，大功率医疗设备对医院的综合能耗影响不大.

卢志强等［15］使用SPSS软件对22家医院建筑能耗的影响因素进行了研究.分析结果表明，供热系统的热源形式对单位建筑面积年能耗的影响最大.林爱麟［16］发现医院冬季取暖具有很大的节能潜力.在医院不同功能建筑物的能耗中，门诊和急诊建筑物的年能耗密度最小，住院建筑物，卫生中心和胸腔中心的年能耗密度较高.沈晋明和俞卫刚［17］讨论了不同类型的空调系统在医院建筑中的适应性，并分析和总结了医院建筑节能的基本思想.田伟等［18］介绍了3家甲级医院的能源系统改造案例，分析了能源系统改造的效果，总结了存在的问题和经验，为医院的能源系统改造提供了参考.张秋艳等［19］通过测试上海一家医院的污水使用情况，探索了在医院建筑中使用污水源热泵的可行性；张秋丹和张芹芹［20］分析了太阳能空气源热泵热水机组系统的工作原理，对医院使用该设备的可靠性和经济性做出了论证.秦颖颖［21］以北京一家医院为例.针对医院能源管理中出现的实际问题，提出并论证了节能改造措施的四个方面.

3 智慧医院背景下的能源管理系统

智慧医院的能源管理模式旨在收集，统计和分析整个医院的电力、水和其他能源的使用.重点监控模块负责计量建筑物各层，每个部门或重点区域的分设计量，而一般监控模块则负责对建筑物的总能耗进行计量.同时，应将能源管理模块的所有数据与可视化平台无缝集成，并在可视化管理模型中直观显示整个医院的能耗分布和能耗警报.使医院中分类能耗（设备、建筑物、医疗、照明等）的变化实现可视化，并通过智慧医院能源管理系统使得综合能耗监测仪器和区域的能耗得以直观呈现，最终实现能耗与医院环境的联动管理.

3.1 基于智慧医院的能源管理系统架构

医院智能能源管理系统总体架构采用分层的部署组织结构，根据数据收集，网络传输和管理平台的不同部署位置，将其分为三层结构［8］.分层架构设计确保了系统的稳定性和可靠性，并且可以灵活配置每层的布局，从而使系统的管理模式更适用于医院内不同种类的能源的使用.

1）数据采集层.数据采集层是系统的基础层，是控制能源系统的管理平台的基础.数据采集层包括多种终端设备，应具有高速、高精度采集的特点；具有远程传输、自诊断、自恢复能力；支持常见的通信协议.

2）网络传输层.网络传输层是系统的连接层.网络传输层将数据采集层的各种设备有机结合起来，将数据传输到管理平台；管理平台通过网络传输向现场执行器发出指令，实现能源系统的自动控制.

3）管理平台层.管理平台层是系统的大脑.通过设定的控制策略，管理平台层可以通过网络传输对数据采集层进行智能控制，使能源使用系统能够自主高效运行.此外，可以基于管理平台层建立能源使用预警机制，确保医院能源的安全合理使用.

3.2 基于智慧医院的能源管理系统架构的效用

1）实现能源设备设施智能化管理.通过引入智慧医院能源管理系统，可以建立医院能源相关设备台账，全程跟踪能源相关设备的使用寿命和状态，确保设备安全；监测医院能源和设备设施的能耗和工作状况，并提出节能改造方向；对设备设施事故进行记录和分析，提出预防方案，实现能源设备设施智能化管理，避免类似事故再次发生.

2）实现子系统的智能控制.将不同的能源系统接入后台，根据各子系统的运行特点建立相应的控制逻辑关系，实现子系统的智能供电.例如，现场控制照明系统，实现照明的精细化能源管理和智能节能控制；对配电系统进行分类，对子项目进行测量和监控，实现子系统的智能控制，降低人工成本，确保用电安全.

3）做到对能源数据的有效分析.智慧医院能源管理系统通过对医院能源数据的统计，分析和比较，可以建立能源消耗曲线，并探索优化空间；制定单位能耗指标，指导建立医院能耗评估体系.建立能耗宣传和能源审计机制，加强医院节能管理工作.通过系统对能源数据的有效分析，取缔高污染，低效率，高成本的能源消耗，提高医院能源利用率.

4）建立流程化管理模式.智慧医院能源管理系统利用其数据处理和分析功能全面监控医院能源消耗情况，建立流程化管理模式，制定运行维护计划，对设备进行自动检查，减少管理人员的重复工作；通过累积的运行和维护记录计划和保障措施，以流程化的高效模式提供专业的解决方案.

4 智慧医院能源管理系统的应用——以A医院为例

4.1 A医院能源能耗分析与存在问题

A医院的标准煤耗采用《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2020）的标准换算系数折算成标准煤.换算系数表见表1.根据表中换算系数，计算各类能源消耗量，得到2017—2020年能源消耗总量.A医院2017年能源消耗总量为4 120.23 t标准煤，2018年能源消费总量为4 315.26 t标准煤，比2017年能源消费总量平均水平高4.73%.2019年能源消费总量为4 557.23 t标准煤，与2018年能源消费总量相比，同比增长5.61%.2020年能源消费总量4 922.62 t标准煤，比2019年同比增长8.02%，能源消费总量逐年增加.我们不禁想到，随着医疗行业的快速发展，能源管理理论不断涌现.作为医院后勤运行保障的水、电、热、汽油、天然气的消耗，如何逐年减少，是亟待解决的问题.此外，2017年、2018年、2019年和2020年能源支出总额分别约为1361、1563、1711、1727万元，能源消费支出逐年增加.

表1为A医院2017—2020年水、电、热力、汽油、天然气的年支出情况，根据5种医院主要能耗的年平均支出可以发现：用电支出所占的比重最大，为57.52%，占到了总支出的一半以上；热力支出占26.62%，居于第2位；用水支出为12.78%，低于电和燃气.根据四年各项能源需求支出情况来看，用电需求支出呈现波动的趋势，且需求最高峰和需求低峰差距较大，而用水需求四年波动不大，热力需求支出则呈现逐年上升的趋势，用电量的变化直接影响总能耗，因此采取措施减少电耗是A医院能源管理工作的重点.

表1 A医院2017—2020年水、电、热力、汽油、天然气年支出Tab.1 Annual expenditure of water，electricity，heat，gasoline and natural gas of Hospital A from 2017 to 2020

A医院能源管理存在以下问题：①能耗高，管理基础弱.A医院能源结构中电能所占比重达57.52%.由于历史原因，医院在能源结构设计、耗能设备管理、能效提升和能源安全监控等方面还存在信息孤岛、信息管理混乱的现象，缺乏有效的方法；很难按照部门和楼层来衡量，因此准确评估部门能源消耗成本存在困难，影响能源消耗定额管理过程.②面积大，盲点多.A医院进行全面检查非常困难，存在管理盲点、空调供电过度、能耗不平衡等问题.③用电多，保障少.国家电网通常只负责电力用户电力设施分界点（变压器）以外的部分，而不负责低压侧的配电设施、电气设备、电缆线路等部分.A医院低压侧电能质量缺乏有效监测和应急联动.④有标准，难以评估.A医院基础能源管理体系缺乏客观评价指标，评价难以量化.节能和能源管理系统往往与实际情况不符.⑤信息化程度低.近年来，包括A医院能源管理在内的后勤保障系统信息化建设相对缓慢.

4.2 A医院能源管理子系统

为了解决A医院在能源管理方面的不足，可以建设智慧医院能源管理系统，从而提高A医院能源管理水准.该系统将医疗行业的“智慧医院”思维与医疗卫生部门和能源绿色使用标准、医院用户的需求和能源管理部门的需求相结合，对能源消耗和能效数据进行采集和分析，并监控电能质量和电力安全，实时统计其他能源利用指标，有机结合国家能源政策和能源利用方式改革.能耗管理系统、安全用电管理系统，以及与医院能效相关的若干子系统组成了智慧医院能源管理系统.本部分介绍智能医院能源管理系统的四个主要应用方向.

4.2.1 能耗管理子系统 通过能源分级统计和智能端口的应用，能耗管理子系统可实现以下功能：①根据分级分项的原则，进行医院能源结构分析和能源账单分析.②通过项目分类、分项能耗实时监测、趋势跟踪对比，总结医院能耗规律，在耗能高峰期前提前做好准备.③及时发现异常情况并准确处置，减少能源费损.④根据医院管理中的信息、物资、设备、人员、资金五个主要类别，综合考虑空间的七大功能区和流程满足诊疗需求的思路，将数量、住院率、总收入、人员比例、设备数量、投资、平均份额和建筑面积与能源管理相结合，形成独特的医院能源管理评估指标.⑤利用部门排名、定额管理、冗余报警等管理工具，提高能源管理水平.

4.2.2 安全用电管理子系统 该系统具备电能质量管理、安全预警管理和应急联动三位一体功效，可以提升医院电力管理水平，推动医院采取相关措施改善电力质量，消除电力安全隐患，减少甚至消除电力质量不佳引起的设备效率低下问题和安全用电隐患，提升设备使用寿命，减少各项事故.

4.2.3 智能照明管理子系统 该系统采用新型高效LED节能灯，可以提升照明亮度，降低用电支出和维护成本，提高整体照明效率.对于不同的应用场景，设计了差异化的智能照明策略.在提高现有亮度的基础上，智能控制合理管理灯具的开关时间，减少能源浪费，降低管理成本.在针对门诊、住院部、急诊室等不同功能区域设计照明控制策略时，综合考虑了自然光、建筑采光、工作时间、24 h人流分布特点等因素.

4.2.4 中央空调管理子系统 通过中央空调系统的智能化改造，根据室内外温度、峰谷价格、设备运行效率、给回水温度等关键因素，通过模糊算法计算出最佳冷量和热量生产能力，优化供应策略，并根据需要供给冷却功能，以提高整体节能率.

4.3 A医院能源管理系统预期效益分析

4.3.1 监测预防保障 建立医院设备使用维修记录电子簿，全程跟踪设备的使用寿命和状态，确保设备在使用时是安全的；监测A医院能源和设备设施的能耗和工作状况，提出节能改造方向；记录设备设施发生的事故，分析并提出预防方案，避免类似事故再次发生.在事故出现后，通过积累的运维记录，提供专业的处置方法措施.

4.3.2 精细化智能管理 后台连入不同的能源系统，根据各子系统的运行特点构建相应的控制逻辑关系，建立运维作业管理流程，实现子系统智能化供给；对设备进行自动化巡检，减少管理人员重复工作；如照明系统的场景控制，以保证照明的精细化能源管理和智能节能控制；对配电系统实行分类分项计量监测，以确保安全用电.

4.3.3 配电安全保障 及时发现潜在的电能质量和安全隐患，例如过压、过载、谐波、缺相、漏电、线路温度高和功率因数低等问题，及时预警，为A医院提供优质安全的用电环境；对配电系统进行分类分项计量与监控，保证用电安全.

4.3.4 节能增效降成本 通过能源大数据分析，系统可发现医院潜在或已经出现的异常能耗、能效使用效率低、能源损失，能源浪费等多个环节；基于大数据分析对比，描绘能耗曲线，探索优化空间；制定各部门能耗指标，指导建立A医院能耗考核体系；建立耗能公布和耗能审计机制，加强A医院节能管理；通过系统分析，停用高污染、低效率的能源系统，提高医院能源利用率，形成有针对性的节能整改建议，以达到提高能源利用效率，降低能源消耗成本的效果.

5 结语

智慧医院能源管理系统是以”智慧医院”为背景借助信息化手段，配合多维度综合管理中心及相应的运维人员，达到医院能源管理工作“全覆盖、全流程、全周期、全闭环”的全面管理，进而协助实现医院后勤管理工作“安全、效率、效益、智能”的终极目标.通过建设此系统可以优化医院的能源结构，降低能耗，提高能源使用效率，从而提高医院的能源管理水平，并可以改善当前能源紧缺环境下大型综合医院的能源支出持续上升的问题，同时加强能源安全，改善医疗环境，在降低能源成本的同时推动医院利润提升.

智慧医院能源管理系统提供的一体化供能与节能改造、安全用电等服务，为现代能源智能集成模式下的医院能源管理提供了新路径，值得国内医院参考推行.