针对医院的分时分区节能系统设计研究

摘要：医院建筑作为最为复杂而特殊的建筑类型之一，其能源系统的设计直接关系到医疗服务的高效运行和资源利用的可持续性。通过深入研究医院内不同区域在不同时间段的能源需求模式，提出基于分时分区的医院能源系统设计与优化策略；通过对供暖系统的具体案例进行分析，探究传统供能方式可能导致的能源浪费和不必要的运营成本增加的问题。因此，引入分时分区的概念，旨在通过为医院的不同区域提供定制化的能源供应，显著提高整体能源利用效率，同时降低运营成本，达到环保节能的目的。

关键词：智慧医院；分时分区；能源管理；医院建筑；环保节能

0 引言

医院建筑作为一种独特而复杂的建筑类型，其运营效率和可持续性的关键在于其能源系统，医院每年在能耗上的占比均会超过其他类型建筑^[1-5]。通过深入研究医院内各方面的能源动态，特别关注不同时间和区域框架内的多样化能源需求，提出一种创新的医院能源系统设计与优化战略——分时分区能源管控。通过对医院供暖系统相关案例的深入分析，揭示传统能源供应系统的缺陷，强调潜在的能源浪费和不必要的运营支出。引入分时分区的相关概念，旨在为医院不同时段不同区域提供定制化的能源供应，从而显著提高整体能源利用效率，降低运营成本^[6]，引导医院后勤朝着环境可持续和能源高效的实践迈进。

1 医院用能分析

医院建筑作为公共建筑中的用能大户，能耗密度仅低于商场，并且呈逐年增长的趋势。一般情况下，医院的门诊和急诊楼的能耗密度相对较低，住院楼能耗密度显著高于其他区域。这种差异主要源于不同建筑区域的功能和使用频率。医院中各个科室对冷热的需求不同，传统的能源供应方式无法精确满足这些差异化的需求，造成了大量的能源浪费^[7]。

为分析医院用能概况，选取了2017年武汉地区某三家大型（建筑面积均超过20 000m²）综合性三甲医院的用能数据，这三家大型的三甲医院数据可以较好地代表现行供暖模式的能耗情况，揭示医院能耗的普遍特点和差异，从而为优化能源使用效率提供针对性的建议。三家医院分别用A、B、C表示^[13]，医院总体用能信息见表1。

传统的医院能源系统往往采用统一的供能方式，忽视了医院内不同时间、不同区域的能源使用差异。由表1可知，空调采暖与照明在医院用能系统中所占比最高，“一刀切”的供能方式可能导致能源浪费和运营成本增加。为了提高能源利用效率和降低运营成本，医院建筑需要采用更为精细化和定制化的能源管理策略，以适应不同时段和区域的具体需求。分时分区的能源系统设计指在不同时间段为医院的不同区域提供定制化的能源供应，其在空调采暖与室内照明方面能够显著提高能源使用效率，降低运营成本，减少环境影响。此外，这种设计还能够提高系统的灵活性和适应性，以更好地应对紧急情况和需求变化。

以医院供暖系统为例，其复杂性在于医院不同区域存在不同的供暖需求模式。一方面，医院部分区域（如ICU病房区）需要全天候连续供暖，以确保24小时连续温度适宜的环境；另一方面，医院也存在需要间歇性供暖的区域（如手术室或检验实验室），这种不同供暖需求导致了一些潜在的问题，增加了不必要的运营成本。

医院不同供暖区域分类见表2。

表2体现了医院不同建筑类型的供暖使用时间及特殊情况，说明医院的供暖需求存在多样性和复杂性。例如，病房楼和应急服务中心需要24小时持续供暖，行政办公楼和医学研究中心则仅需要在正常工作时间内供暖。此外，某些建筑如门诊大楼和行政办公楼在节假日关闭，不需要供暖。在这种差异化的供暖需求下，采用传统的统一供暖方式必然会导致能源浪费。

实施分时分区的供暖系统是指依据各区域功能、使用频率和时间段的特定需求，将医院划分为多个供暖区域，并采用动态时间调度，如在夜间降低非关键区域的供暖，节假日自动调整供暖计划，利用先进的温控算法和预测性控制来优化温度管理水平。此外，通过与医院的其他设施管理系统集成，可确保能源有效使用，减少能源消耗，降低运营成本。例如，夜间可以减少或关闭行政区域的供暖，将能源集中用于病房楼和应急服务中心。同时，节假日供暖模式可以自动调整，以满足某些区域的供暖需求。

2 分时分区节能设计

在医院的分时分区能源系统设计中，核心技术包括智能控制系统、能源优化与调度、区域划分与监控，以及节能建筑设计。智能控制系统是通过运用先进的算法，如PID控制、模糊逻辑和机器学习，对温度和能源需求进行精确调控，同时通过集成软件平台实时监控各区域能源利用情况^[9]。能源优化与调度是利用数据分析和模型预测对能源需求进行前瞻性管理，根据医院运行模式自动调整能源分配。区域划分与监控是基于建筑布局和功能需求，为每个区域的能源设备安装独立的传感器和控制器，以实现精细化管理。节能建筑设计是应用高效的建筑材料和设计，减少能源损失，并充分考虑自然光利用、隔热和通风效果。

在控制原理方面，反馈控制机制指实时数据（温度、湿度、能源使用量）调整能源输出，并使用闭环控制系统自动纠正偏差，以保持已设定的环境条件。预测性调整是指结合历史数据和天气预报，提前预测能源需求变化，并相应调整供暖、制冷和照明系统。区域自适应控制指根据各区域的实际使用情况和占用模式自动调整能源供应，尤其在低使用时段（如夜间或节假日）减少能源供应以节约能源。此外，用户界面是指支持远程控制和监控，以快速响应突发情况。综上所述，分时分区能源系统不仅能够降低成本，提高医院的能源利用效率，还可确保医疗环境的舒适性和安全性。

2.1 控制原理分析

医院空调系统的分时分区控制是基于不同区域（如病房、手术室、等候区）采集的数据以及时间的差异来进行温控管理，在医院的各区域安装温度传感器，在空调系统的分支管道上安装电动控制阀门。在适当的位置（如机房、技术控制中心等核心区域）部署中央控制系统，以管理所有设备^[10]。例如，采集病房患者在院时间段数据并据此进行空调调节，夜间可能降低设定温度以适应静态环境，手术室则需保持恒定和精确的温度控制以符合严格的医疗标准^[11]。对于等候区和公共空间，可以在人流较少的时段适当降低空调运行频率，以节约能源。通过在不同区域和时间段设定不同的控制温度，并根据室内温度反馈进行精细调节，医院建筑节能系统不仅能满足各区域特定时段的冷热需求，还能避免非使用时间的能源浪费，实现按需供冷暖。此外，系统还可根据室外温度变化自动调节空调输出和风量，确保合理且高效的空调使用，从而达到节能的目的。区域数据采集系统拓扑图如图1所示。

（1）上位数据采集系统。该系统位于整个架构的最上层，通过站内光纤连接到三个主采集箱。上位数据采集系统负责整体的数据监测、集成和控制。

（2）主采集箱。 该系统共有三个主采集箱，它们通过站内光纤与上位数据采集系统相连。主采集箱是数据采集的关键节点，负责与上位系统通信并协调分采集箱的工作。

（3）分采集箱。 每个主采集箱连接若干个分采集箱，采用GPRS无线通信连接。分采集箱位于医院内不同的区域，负责实时采集该区域的温度、湿度等数据，并将这些数据传输给主采集箱。

（4）控制阀。每个分采集箱内设有多个控制阀，通过485通信协议与分采集箱相连接。这些控制阀负责调节相应区域的供暖系统，根据主采集箱的指令实现对温度的精准控制。

该系统架构通过光纤和GPRS的组合，实现了上位数据采集系统与各个分区之间的高效通信，同时通过485通信控制实现了对具体设备的精细化控制。整个系统架构旨在确保数据的快速传递和实时控制，以实现医院分时分区能源系统设计的高效运行^[14]。

2.2 分时分区调控方案

考虑到医院建筑的热惰性，以医院行政办公区为例，在夜间或节假日办公区无人时，通过减小阀门开度来降低流量，如当日18：00至次日6：00，行政办公区可降低流量，以确保室内管网不会因温度过低而冻结。对医院不同的区域定制不同的分时分区能源管理方式，分时段和分节假日的控制策略总览表见表3。

（1）预设时间区域，定义各个区域的时间表。基于建筑自动化系统，通过设定不同区域（如病房、手术室、候诊区等）在不同时间段的操作模式，可以预先编程特定的供暖或供冷策略，确保能源供应与实际需求相匹配。

（2）设置数据采集频率，定期进行能源消耗分析。利用传感器和数据采集系统，持续监测能耗量，并记录数据，以供后续分析。通过收集的数据可以分析能源使用模式，识别节能潜力，以及评估供暖系统的效率，为决策提供依据。

（3）基于人工智能算法优化分时分区策略。人工智能算法，如机器学习和模式识别，能够从历史数据中学习并预测未来的能源需求，进而自动优化控制策略。系统可自动调整供暖或冷却的输出，以提高能源使用的效率和反应性，确保在需求变化时能即时调整供应。

（4）允许管理员手动干预调整参数。某些情况下需要人工干预，如特殊天气条件或临时活动时，允许人工干预实时响应突发事件。管理员可以通过控制界面手动覆盖自动设置，提供灵活性，确保在所有情况下均可维持室内舒适性和能源效率。

3 能耗数据分析

3.1 建筑物供暖面积指标法

以武汉市某医院行政办公区为例，进行全年能耗计算及采用分时供暖后能耗计算，从而得出全年节能总量。

（1）现行供暖方法能耗计算。现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为建筑物全年供暖总能耗，单位GJ；qf为建筑物单位面积供暖热指标，医院供暖面积热指标通常取70W/m²；F为供暖建筑物的建筑面积，数值为5000m²；N为供暖期天数，武汉市具体为121d；h1为工作日每日工时，取9h；式中3.6×10^-6为1h=3600s，并将J换算成GJ；Φ为温差修正系数，公式如下

Φ=（ti-ti2）/（ti-to）（2）

式中，ti为供暖室内温度，取10℃；to为供暖期室外日平均温度，武汉市取5℃；ti2为供暖室内设置温度，取16℃。

将需要冬季供暖的建筑物总面积代入式（1）。按现行传统供暖方法全年总能耗，公式如下

Q′n=2023.8GJ（3）

（2）采用分时供暖建筑物能耗计算。按照医院行政办公区供暖年能耗计算，公式如下

Qnf=Φ×qf×F×（N-30）×h×3.6×10^-6（4）

式中，数值30为供暖期天数中剔除的节假日；Qnf为医院行政办公区供暖年能耗，单位GJ；h为工作日每日工时，取9h。

按上述方法计算各类建筑分时供暖年能耗，公式如下

Qnf=509.6GJ（5）

通过对比两种能耗数据可知，采用分时供暖能耗最多同比降低74%。

3.2 eQUEST建筑能耗模拟

为演示分时分区调控策略给医院带来的节能效果，通过eQUEST能耗模拟软件对建筑体进行模拟，以基础的U型建筑为例，气象参数采用武汉市典型气象年数据。对照项全区域默认能耗；实验项在不同区域设定了不同的用能时间，对临床区域、实验室、走廊、电机室等区域分别代入了不同的供电时间段，如电机室全时段供电，走廊18：00后时间段停止供电等。未进行分时分区管控能耗如图2所示，制定分时分区管控能耗如图3所示。

通过eQUEST模拟同一医院在现行能源设计与分时分区节能设计下的两种情况，通过对比可以看出使用了分时分区能源管控的模型耗能较低，未进行分时分区的建筑能耗每个月都明显高于分时分区的建筑能耗，统计得出模拟建筑在两种能源管理下年总能耗分别为8490.0kW·h、4446.5kW·h，采用分时分区节能管理系统可为医院降低约50%的能耗。

4 结语

本文深入研究医院能源系统的设计与优化，特别关注医院内不同区域在不同时间段的能源需求模式。通过精细的分时分区设计，旨在提高整体能源利用效率、降低运营成本，并实现环保节能的目标。本文首先分析了医院建筑能耗的特征和问题，分析了传统“一刀切”的供能方式可能导致的能源浪费和运营成本增加。随后，以医院供暖系统为例，详细探讨了分时分区设计的实施原理和优势，引入智能控制系统、能源优化与调度、区域划分与监控，以及节能建筑设计核心技术。通过分析医院各区域的供暖需求，提出了分时分区控制方案，强调了预设时间区域、数据采集、人工智能算法优化和管理员手动干预的重要性。最后，通过实际案例计算与软件模拟，探究分时分区供暖对医院能耗的显著降低效果。

本文为医院能源系统设计提供了有力的理论支持和实践参考，为实现医疗服务的高效运行、资源的可持续利用及绿色医院的构建奠定了坚实基础。通过引入分时分区的创新概念，为医院能源管理领域的未来研究提供了有益的思路。

参考文献

[1]董美智，杨震.北京市医院用能情况分析及节能降碳措施建议[J].节能与环保，2023（10）：19-23.

[2]宋骏行，李昂，肖鹰，等.医院后勤智慧能源管理平台建设与应用[J].中国卫生信息管理杂志，2023，20（4）：622-628.

[3]唐荣高，周全.基于数据挖掘技术的医院智慧能源管理平台设计与应用[J].中国医疗设备，2023，38（8）：86-91，111.

[4]史世军.医院建设视域下发展利用新能源可行性的统计分析[J].太阳能学报，2023，44（6）：543.

[5]吴叠恩，陈建基，李盛佳，等.基于智慧能源管理的医院节能措施分析[J].能源研究与管理，2023，15（1）：167-172.

[6]刘捷云，鄢剑鸣，林贤东，等.医院建筑电气设备选型与节能研究[J].科技创新与应用，2022，12（34）：99-102.

[7]谭福太，林海，郭幸，等.公立医院智慧能源系统建设与实践[J].科技创新与应用，2022，12（29）：150-153.

[8]陈兰.双碳背景下医院后勤综合能源管理研究[J].江苏卫生事业管理，2022，33（9）：1243-1247.

[9]张鹏，汪海龙，王月，等.医院电气能源管理与节能措施分析[J].城市建筑空间，2022，29（S1）：128-129.

[10]张权，陈戎，汪红梅.医院能源管理的创新实践[J].中国医院建筑与装备，2022，23（5）：63-68.

[11]程子伟.基于分散式布局医院的能源管控方法探索与实践[J].上海节能，2022（4）：439-445.

[12]徐萌.数据驱动的医院建筑能耗预测研究[D].合肥：安徽工业大学，2022.

[13]徐杰.基于软件模拟的武汉建筑能耗预测研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[14]狄丰伟，梁兵兵.供热系统分时分区节能应用[C].供热工程建设与高效运行研讨会论文集，2022.

收稿日期：2024-07-01

作者简介：

武超（1987—），男，高级工程师，研究方向：项目管理、智能建造。

刘丹（1979—），男，高级工程师，研究方向：项目管理、人工智能。

张浩（1985—），男，高级工程师，研究方向：建筑工程。

欧阳明勇（1989—），男，高级工程师，研究方向：智能建造。

赵偲羽（2000—），女，助理工程师，研究方向：光电信息、人工智能。

段增科（通信作者）（1996—），男，助理工程师，研究方向：建筑工程。