智慧配电能源管理平台对医疗建筑的节能改进和能源智慧管理的作用
1医院能耗特性分析
医院建筑的能耗总量因医院类型、等级、地理位置等因素而不同，但具体的医院在功能和能源结构确定后，通常有着较稳定的能耗[11]。本文以华南地区某综合医院为例分析医院的能源消耗情况。
广州市番禺区某医院是一所大型综合公立医院，占地14.7万m2，有建筑楼8栋，总建筑面积23.5万m2，实际开放床位1479张，2020年总诊疗达176.8万人次。该医院能源消耗的类主要为电能消耗和燃料消耗。2020年度用电量达2489万kW·h，天然气消费量3068m3，汽油消费量59656L，柴油消费量240L，全院年能源消费量折算标煤3152t标准煤，电能消费占医院总能消耗的97.07%。医院电能消费可分为医疗设备和后勤服务设备，其中后勤服务设备包括暖通空调、照明系统、电梯、安防、办公用电等。该医院地处南亚热带，气候分区属于夏热冬暖，冬季无供暖需求，空调系统主要用于夏季供冷。
根据使用目的，医院空调可分为舒适性空调和工艺性空调[12]。舒适性空调主要为室内人员提供舒适环境，包括病房、办公室等公共活动区域。工艺性空调应用在对空气质量有严格要求的空间，包括手术室、麻醉科等区域。医院空调系统耗能量前五的区域见图1，分别是病房（含办公室区域）、手术室和麻醉科、门诊、消毒供应中心、急诊。其中病房（含办公室区域）占空调系统用能的35.8%，大大高于手术室等区域。
图1医院空调系统年度耗能排名前五的区域
此外，医院的能源均为外部购置，成本居高不下。医院的能源供应结构较为单一，电能100%由市电供应，不利于医院能源系统安全。根据绿色医院建筑的建设理念，需要符合低碳环保的要求。
2医院节能措施建模
由医院能耗特性分析可知，医院能源系统节能应从减少能源消耗和改善能源供应结构着手。以电能为主的能源消费中，空调能耗占能耗的大部分。其中，医院工艺性空调需要为诊疗服务提供支撑，不适宜进行大幅度改造。医院舒适性空调中，病房（含办公室区域）应作为重点节能对象。在日常实践中发现，病房和办公室区域，人为不节能行为会造成空调非必要的能耗。例如，在病房区域，部分病人节能意识差，将空调温度调至很低；部分病人担心室内空气流通状况不佳，在空调运行期间将窗户打开通风；办公区域，办公室人员时常有下班忘记关空调等现象。医院人员构成复杂，节能理念难以统一，靠制度约束人的行为不可控因素过多。因此，考虑基于智慧医院管理的智能楼宇建设，构建空调监控系统、空调与窗户联动控制系统模型，同时挖掘医院可再生能源资源的潜力，构建屋顶光伏系统模型。
2.1空调智慧监控系统
结合国务院执行公共建筑空调温度控制标准的通知和夏季病房内病人舒适性要求，空调系统设定的温度取27℃较为适宜[13]，而现实中，用户多将病房空调设定温度远低于27℃。因此，在考虑用户偏好的前提下，通过空调智慧监控系统对病房内空调温度范围进行调控，空调智慧监控系统设定如下：
（1）实时采集室内、室外气温；
（2）规定空调设定温度*低值；
（3）病房内用户输入自己的偏好温度；
（4）当外界气温高于(+3)℃时，病房空调开启，且温度设定为；
（5）当用户输入的偏好温度低于时，病房空调自动设定为。
模型假设用户用能行为与监控系统逻辑一致，倾向于在外界气温高于用户的偏好温度3℃时开启空调。南方地区除夏季持续高温外，过渡季节气温较多处于25～30℃间，因此该系统能有效监控病房内空调开启次数和设定温度。根据Meteonorm软件导出的广州市2020年全年8785h气象数据，广州市全年有1444h≥30℃，3122h≥27℃，4185h≥25℃。若用户偏好温度为22℃，则与设定温度*低值27℃相比，全年空调开启时长相差巨大。用户偏好温度较低，令室内外温差加大，从而增加空调运行能耗。计算能耗改变比例时，可以假设外界环境除气温以外的因素不变，将空调系统能耗简化为室内外空气焓差。在改善空调开启时长和空气焓差共同作用下，节约的能耗计算如下：
式中：t为每年因空调温度控制而节约的空调能耗比例，%；0为病房空调能耗占医院总体空调能耗比例，%；为未实施节能措施前每年病房空调系统能耗，kW·h；rt为实施节能措施后每年病房空调系统能耗，kW·h；为每年室外气温≥(+3)℃的时间，h；为每年室外气温≥(+3)℃的时间，h；w为室外空气逐时比焓，kJ/kg；n为室内空气逐时比焓，kJ/kg；为在(1,2)温度区间空调温度设定的取值概率。
2.2空调与窗户联动控制系统
当开启空调房间的窗户打开时，在热压和风压的作用下，室内冷空气≥出，室外热空气进入，使房间的冷负荷增加。结合医院“智慧管理”的精细化管理，加强医院设备在线管理，可建设空调系统与窗户联动控制系统，监控窗户启闭状态，当空调运行和窗户开启2个条件同时满足时，通过能源管理系统关闭房间空调，由此调节病房内空调用能行为。为简化计算，忽略冷热空气焓差，假设从窗户进入的是与室内新风温度相同的冷空气，通过实施该系统前后的系统风量变化计算节约的空调能耗比例。新风量能耗只占空调能耗的一部分，但在外界条件不变的情况下，新风量的有限改变不会大幅影响新风量负荷占空调冷负荷的比例。且真实的热空气进入房间后会额外增加空调能耗，因此，该简化不影响措施的能耗节约比例计算。节约的能耗计算如下：
式中：w为每年因控制开窗行为而节约的空调能耗比例，%；new为新风量部分占空调冷负荷的比例，%；rw为实施空调与窗户联动控制系统后每年病房空调系统总新风量，m3；o为通过开窗户流通的空气量，m3/s；为开空调时开窗时长，h；为房间数，个；r为一个房间的新风换气量，m3/s；为开空调时长，s；w为有开窗现象的病房比例，%。
为便于研究窗户流通的空气量，将一个开窗的房间简化为单侧开口箱体。通过窗户的单侧通风量为热压和风压作用下的流通量。热压是指因室内外温度不同造成室内外空气密度差而产生的压差。风压是指室内外风速作用下产生的压差，假设窗户为单开口自然通风，且为稳态流动。单侧通风量计算公式[14]为：
式中：h为热压作用下的自然通风量，m3/s；d为系数，取0.61；为窗户开启面积，m2；为开口高度，m；驻为室内外空气温度差，K；为室内外空气平均热力学温度，K；w为风压作用下的自然通风量，m3/s；eff为有效开口面积，m2；为开口处的风速，m/s。
2.3综合发电和楼顶遮阳的屋顶光伏系统
太阳能光伏板是常见的分布式可再生能源。通过增加发电途径，可以改善能源供应，降低能源成本。通常该技术措施的节能效果是根据光伏发电量估算，而光伏板对于建筑的影响则被忽略。根据对设备设施的智慧管理与规划，设计屋顶太阳能光伏板铺设方案，可以达到发电和楼顶遮阳的双重效果。
在屋顶，光伏板对太阳辐射进行直接遮挡，相当于增加了热阻，减少到达室内的热流量。光伏板架空通风层中空气对流运动也能带走部分热量，减少到达屋顶的热流量，为简化计算，忽略不计。因遮阳减少的能耗比例计算公式为：
式中：1为采取遮阳措施前单位面积因太阳辐射产生从室外到室内的热流量，W/m2；2为采取遮阳措施后单位面积因太阳辐射产生从室外到室内的热流量，W/m2；o为屋面总热阻，m2·K/W；驻为光伏板附加的热阻，m2·K/W；为屋顶房间数量占全部房间的比例，%。
通过光伏板发电产生的电量计算公式为：
式中：pv为光伏板年发电量，kW·h；pv为单位光伏板的额定发电功率，kW/m2；为屋顶可铺设光伏板面积，m2；为光伏板发电效率，%；为年太阳能可利用小时数，h。
由式(10)～式(13)，则该项措施每年可节省空调能耗比例为：
综合以上节能措施，共节约能耗比例为：
3节能效果与敏感性分析
广州地区夏季室外空气逐时计算焓值可根据GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》查得。医院空调系统设定的特定温度取27℃，室内相对湿度取60%。据调查统计，广州地区典型的家庭情景里开机时卧室和客厅开启空调的平均温度为23.35℃[15]。假设用户设定空调温度遵循正态分布，取N(23,22)，取值区间为(15℃,35℃)。
开窗行为是个体不确定行为，在空调房间的开窗行为是一种特定情景的开窗行为[16]。夏热冬冷地区夏季空调开启时窗户开启率有11.1%[17]，可认为此行为规律在夏热冬暖地区适用。取开窗时长为开空调时长的一半。单间病房新风量r取0.0556m3/s。窗户开启面积取1.2m伊0.6m，开口的高度取1.2m，有效开口面积eff取窗口面积的一半。室内外空气温度差驻取5K，室内外空气平均温度取302.5K，开口处的风速取2m/s。
根据夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准，屋顶热阻o取0.91m·2K/W，驻取0.3m·2K/W。取14%，COP取3.5。单位光伏板的额定发电功率pv取1kW/m2，屋顶可铺设光伏板面积取2000m2，光伏板发电效率取15.4%，年太阳能可利用小时数取2200h。
经计算，采取以上节能措施后，全年预计可减少用电256万kW·h，折合节省标煤315t，减少CO2排放量873t，说明节能措施具有良好的经济效℃和环境效℃。
各项节能措施从设备的智慧管理、人的行为控制和可再生能源利用等方面进行节能，节能效果各有不同。采取节能措施后，医院能耗比例见图2。由图可看出，节能措施共节约医院能耗22.47%。其中，空调温度控制占12%，光伏板综合节能占7%，开窗行为控制占3%，说明空调温度控制起了重要作用。空调温度控制和光伏板综合节能措施可在已建成医院进行局部改造，开窗行为控制需要加强医院运行管理。
参考文献
[1]中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告2020[J].建筑节能(中英文),2021,49(2):1-6.
[2]路宾,曹勇,宋业辉,等.上海医院建筑用能状况分析与节能诊断[J].暖通空调,2009,39(4):61-64.
[4]吴叠恩，陈建基，李盛佳，郭幸.基于智慧能源管理的医院节能措施分析.
[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
审核编辑 黄宇
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