绿色智慧医院综合能源管理方案

01引言 医院的运营发展过程中，离不开用能设备安全可靠运行，同时为创建绿色智慧医院，现有的设施设备在安全性、稳定性、能源使用效率方面越来越无法满足医院快速发展的需求。对此，如何科学合理地使用和管理能源成为医院亟待解决的问题。医院若能够建设安全高效的用能设备，使用现代化智慧能源管理系统，利用科学技术进行管理，势必利于提升能源管理效率，并确保机电运维安全、稳定及高效。 02方案概况 对原有蒸汽锅炉、水冷式离心机机及螺杆机、冷水机组对应水泵、冷却塔、水处理、照明及建筑维护改造，实现设施设备能效提升。综合能源管理平台建设，以科室为单位对各类能源进行计量统计，对用能异常进行报警并生成工单进行及时处置，尽可能地避免电器老化或不良用能习惯导致的用能安全事故或能源浪费。通过能源管理平台自带的算法，根据各种参数模拟各种应用场景，在上万个控制策略中匹配最优用能路径，实现能源最大程度的节约。最后对整体设施设备制定合理的运维计划，使设备始终保持在最优状态。通过总体设计和规划，取得了良好的效果，有效实现医院机电设备的智慧绿色运营。本文重点讲述综合能源管理平台在节能管理方面的先进性，对设备改造和机电运维仅做简单描述。 03设备改造 对原有蒸汽锅炉进行改造，选用节能热水型锅炉，工艺消毒及食堂处就近配置蒸汽发生器，降低换热及传输过程的能量损失。使用多机头磁悬浮离心机技术替换原有水冷式离心机机及螺杆机，可以实现制冷负荷2%~100%无极调节，优化机组能耗，提高整体能效比。拆除原冷水机组对应水泵，根据优化后图纸实际需求更新全新水泵，使用变频控制技术选用流量扬程合适的水泵改变原有部分负荷工况“大马拉小车”大流量小温差运行工况。改造原有冷却塔，新增冷却塔均水器和变流量喷嘴，应用冷却塔群变流量技术，增加全自动加药系统，能提升空调换热效率，减少能源消耗，延长设备使用寿命，降低运行成本，对建筑照明及围护不达标的建筑进行节能改造。 04绿色智慧能源管理平台方案 4.1主要实现功能 充分利用现有的设备，提供真正实用的集控制、优化（节能）、与能效审计于一体的新一代中央空调控制系统，具体如下：在动力中心安装新的工作站（建议采用高清大屏幕显示器）；建立工作站与现有控制系统的双向通讯；安装室外温湿度测点；增加冷水机组电动控制阀门；增加管道温度、压力传感器；为水泵组和冷却塔组安装智能电表；将水泵变频器、新增传感器和电表连入现有控制网络或直接连到工作站；在工作站上安装先进能源中心控制软件（以下简称“先控 软件”）实现；所有冷机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风机等的全自动节能运行（包括供水温度调节，水泵台数与转速调节等），设备及管网实现3D模拟技术，实时展现设备及管网运行状态，比BIM技术更直观形象，并更具先进性；重点区域的实时热力图；辅助中央空调的能耗统计。[1] 4.2先进控制系统技术特点 4.2.1能源中心的运行与末端负荷紧密联系 中央空调的负荷随着季节、天气、时间等因素的变化而动态变化。传统做法从总管的温差和压差以及流量判断空调的负荷需求。这些方法与建筑物真实的负荷需求间没有量化的联系，与末端用户的感受也没有必然联系，也不能给出负荷在未来的变化趋势，不能给出建筑物对制冷/热的响应能力，也不能给出量化的估算和对未来的预测。 空调系统服务的是建筑物中的人，而不是空调循环水的温度或某个空调设备。如果能源中心不能利用室内温湿度的实时信息准确计算末端的制冷/热需求和冷/热响应特性会导致整个空调系统或多或少处于“盲控”状态，无可避免地造成空调“过供应”。这部分的能耗损失约为5~8%。[2] 先进控制系统采用短期负荷和远期负荷相结合的负荷预测方法。首先采用统计回归方法建立建筑物的热响应模型f描述某个时段内各种影响因子（比如天气、时间段、制冷/热量）与该时段内室内平均温度变化间的统计关系。根据该模型求取逆函数f-1，该函数描述了在当前影响因子（比如天气、时间段）情况下给定时间段内要求室内温度变化给定的幅度需要多少制冷/热量。有了逆函数f-1，可以直接利用建筑物室内平均温湿度数据、相关影响因子、以及期望的室内温度，计算出未来一个时间段内（未来半小时）的负荷需求作为短期负荷预测。与此同时采用时序数据聚类的方法从历史数据中获得负荷变化的几种典型模式。从典型模式中获得与当前天气、节假日等条件最接近的24小时负荷变化模式，作为远期（未来24小时）负荷预测。近期预测可以利用更多的已知条件（例如当前时间点供回水温度，当前室外温湿度等）获得更准确的估计而远期预测可以在大的时间跨度上反映负荷的变化趋势或模式。用这种方法获得的量化预报数据为模型预测控制提供了最重要的输入条件。 直接关联末端的负荷计算方法在减少过度制冷/热的同时还能减小末端温湿度的波动范围。 4.2.2采用计算机解决节能运行面临的各种复杂问题 由于能源中心运行过程中可能面临各种不同的情况，人工设计群控系统的控制逻辑与策略在很多情况下是一项艰巨的任务。我们实际上是追求“在未来一个时间窗口内，以最低的总能源费用运行各类设备满足末端负荷需求”这个控制目标。传统做法通常会考虑几种策略的运用，但是这些策略本身往往会造成能耗成本的“此消彼长”（例如降低冷却水温度有利于冷机效率提高，但是会增大冷却塔风机的能耗），需要量化依据和数学优化方法进行策略间的平衡从而获得最大的节能收益。由于普通的控制系统不能提供这种决策支持，普遍的做法是选择看上去总是“不错”的少数几种策略或策略组合。这种静态的可以几页纸描述的节能策略实际上是技术能力受限情况下的无奈 妥协。本项目采用的特殊冷机可能超出传统节能策略的适用范围，导致控制系统不能投用或者不能充分发挥冷机的性能。 传统运行方式在大多数时间段采用的是相对固定和机械的设定，以简单的策略应付不断变化的使用环境，以大的制冷/热量“富余”应付一天中不同时段的制冷需求。这种“省心”的做法导致了能源的浪费。为能源中心制定经济合理的运行计划需要了解当前负荷情况、用户侧对制冷/热的响应能力、负荷在未来的变化趋势、各种设备目前的出力能力、效率曲线等，并在此基础上从大量可行方案中优选出最佳方案。上一代群控系统并不能实时提供所需的决策支持信息，实际上也没有对上述信息即使是最粗略的汇总，完全人工运行更不能提供。缺乏必要的决策支持信息，节能工作必然带有盲目性。 实际上在不同工况下实现前述节能目标可以采用的“候选”手段和“候选”途径绝不止于少数几种，甚至需要根据当前情况从成千上万的运行策略中选择最优方案。先进控制系统实时汇总能源中心的各项数据，采用计算机的强大计算能力在短时间内比较成千上万种运行方案，从中选出能够在未来数小时内实现最经济运行的控制方案（比如自动发现特定天气和负荷情况下变频冷却塔的最优化运行方案），并根据最新情况不断重复这一过程。采用机器而不是人解决了能源中心节能运行面临的各种复杂问题。这种计算智能的威力可以从“阿拉法狗”战胜人类围棋大师中窥见一斑。 从系统组成上看，传统的节能控制系统通常会采用常规群控+专家系统方式组建。优化（节能）功能与控制功能是分开实现的，容易造成两个模块间由于安全约束和接口方面的差异造成冲突，而常规群控也可能会采用“笨”办法实现专家系统的“聪明”主意，造成节能收益的损失。先控系统本身是一套优化控制系统，优化（节能）和控制功能在计算智能解决最优化控制问题的同时一起实现了，保证了发出的所有指令“聪明”而且安全可行。 不仅如此，计算智能技术还为先控系统提供了一项额外的“福利”：配置时间比常规系统缩短了90%！ 4.2.3对设备维护提供决策支持 能源中心每年的设备维保是一笔不小的开支，甚至超过年能耗成 本的10%，维护的好坏也直接关系到系统的能效水平。过去由于设备制造商和常规群控系统不能为设备提供健康状况的量化评估，导致设备维护缺乏针对性和后效检验，而运行人员也不能在第一时间检测出设备性能的退化（相同型号设备的效率差别可能超过20%）并及时作出调整（例如启用高效设备并对设备进行维护）。由于缺乏运行数据对运行事故的分析也无从谈起。先进控制系统从第三方的角度为设备维护提供决策支持，有助于从设备维护方面提高能源中心的能效水平。 能源管理系统主要由监控层、通讯层、现场设备层组成。监控层是重要的监控单元，包括综合能耗管理系统、服务器等设备，是实现有关运行数据采集的计算分析层；通讯层是对数据分析处理的环节， 包括对有关信号数据的强化等，确保有关数据能够可靠传递；现场设备层，该层主要设备由智能电力仪表、智能水表、智能流量计、各种传感器等祖成，是采集数据的基础层。具体如图6所示。 4.2.4能源碳追踪系统 本项目建立变配电监测系统，电能消耗可直接通过接口对接接入云平台，用水、冷热量、用气量等需要配置采集终端，接入能源碳追踪系统。 能源碳追踪系统分别根据不同区域的多功能电表、远传水表、冷热量表、空压流量表，并且以每区域为单位统计机组设备的用能分项占比，支持查询功能。 整个能源碳追踪系统由管理中心、主干管通信网络、数据采集箱、智能电表、远传水表、冷热源量表、气体流量表等组成。通过主干管通信网络将智能电表，远传水表，冷热量表、气体流量表的数据转化为碳排放量集中在智慧医院低碳云平台上展示，可追踪碳排放足迹，根据单产品碳排放指标进行碳排放的集中管理。 4.2.5用能在线分析 以日、月、年形式分析企业每条支路的用能趋势，并以曲线图的形式展示，如负荷、功率因素、电流、电压日、月、年趋势曲线等； 统计分析企业每条支路的电能质量，如电压偏差、三相不平衡、谐波畸变率等情况。 安全用能告警统计分析，针对用户在用能过程中，发生故障，系统会第一时间进行报警，定位故障位置、故障原因，可精确的进行分析处理，使用能更安全可靠。 05难点与解决 智慧绿色医院建设方案完成后，及时进行项目方案论证，在项目方案论证过程中遇到了一些困难，首要的问题设施改造的安全性和工期问题，弱电工程项目是重要一环，对工程项目的整体质量具有直接影响，弱电系统建设具有一定复杂性，涉及的弱电线路改造较多，这就增加了实际工程建设难度。与此同时，从既有建筑的实际情况来看，存在弱电系统中的连线端子接头短路、虚焊、断路、线缆标记不清楚等问题，一些弱电标志也很难厘清，这又加大了工程建设阶段的弱电处理；在控制系统之间的互联建设，要求各控制系统之间及与各硬件 之间是互控、信息共享、联动的控制，特别是新建系统与部分原有系统之间的通讯。但实际情况是各种管理信息资源网络的互联技术规则不统一、接口不明确，使得原弱电系统根本调不出系统整体功能效果，这也是亟待解决的困难。 为了有效应对弱电项目的施工困难，制定了排除法逐一梳理的计划，对现有弱电线路有效梳理和排摸，更新弱电图纸，对不需要弱电线路进行标记，解决弱电线路混乱的问题；在系统互联建设上，通过公司的一站式平台及先进控制系统将这些系统实现了整合运行，提前了解各类通讯协议，涉及付费类的还需要提前进行价格谈判，尽量避免实施过程中的不确定因素，做好充分的准备工作。 06结论 综上所述，本次医院绿色智慧医院方案制定过程中，深入结合了医院实际情况，对能源管理进行了综合规划，以设备改造为基础，以能耗监测计量分析为手段，以智慧化能源管理平台为中心，且在数据呈现上分为饼图、柱状图等，可以让管理者一目了然，从而提升能源管理决策的制定效率。从能源审计的角度，智慧化的管理模式利于医院节省大量的能源损耗，帮助医院节省更多成本开销，对于促进医院的发展具有重要意义，为国家“3060”战略的实现做贡献。另外，在医院的后勤工作中，可以借助现代化手机APP软件进行查询医院生产运行中所消耗的电费、水费等，对于保障医院后勤工作的质量也给予了莫大的帮助，推动医院的与时俱进发展。