医院空调系统物联网改造与节能优化案例分析

文_颜敏俊 上海交通大学医学院附属同仁医院

上海市近年建筑能耗以每年10%左右的速度递增，其中综合医院建筑能耗普遍高于其他公共建筑，同时相比于其他公共建筑，医院建筑的用能结构也更为复杂。

信息技术在医院能源管理中具有重要地位，特别是近年来物联网等新型信息的相关应用，为医院能源管理提供了大数据支持。如何利用物联网技术，提升医院空调系统的精细化管理水平，实现医院节能降耗，提高医院暖通空调系统用能过程的经济性和环境性是当前医院能源管理中的热点问题。

本文以上海交通大学医学院附属同仁医院（仙霞路院区）（以下简称“同仁医院”）的空调系统现状为例，分析了医院的主要用能特征，提出医院空调系统物联网改造方案，基于数据分析提出空调系统的优化控制策略，并对优化控制策略的节能效果进行分析，为医院暖通空调的物联网改造和优化控制策略提供参考。

1 空调系统物用能现状

同仁医院是一所集医疗、保健、科研、教学、信息管理、健康教育六大功能于一体的三级综合性医院。根据2019年医院能源审计报告，医院的主要能源消耗为暖通空调系统，其能耗占比为44%；其次为照明插座系统，能耗占比为34%；动力系统等其他系统，能耗占比为22%。

住院楼、综合楼采用2 台离心机和1 台螺杆机，门急诊楼空调冷热源采用4 台开利的螺杆式风冷热泵机组，配套6台循环水泵。行政楼空调冷热源采用3 台开利的螺杆式风冷热泵机组，配套5 台循环水泵。现场安装变频器，并实施远程操控。开启台数与主机开启对应，具体设备参数如表1、表2 和表3 所示。

表1 住院楼和综合楼空调系统冷源机组配置表

表2 门急诊楼中央空调主机参数表

表3 行政楼中央空调主机参数表

2 空调系统存在问题及解决思路

2.1 存在问题

目前，住院楼和综合楼制冷系统、采暖系统、手术室冷暖两用热泵系统，门急诊楼和行政楼冷暖两用热泵系统，门急诊楼和传染病楼分体空调以及空调新风系统，均为各自独立的系统；不仅由各岗位分开管控，而且部分系统属于不同的外委单位管控；各空调系统不能集中远程管控；医院空调箱和新风系统不能与空调系统联动联控；医院的客户端温/湿度和室外的温/湿度，没有装设实时的数据采集传感器，各中央空调系统不能根据需求实时调节。

2.2 解决思路

建立中央监控室，实现全院所有空调系统（含中央空调冷暖系统、分体空调系统、空调箱与新风系统）的集中统一管控；实现全院所有空调系统的主要运行参数的远程监测；实现全院所有空调系统的主机、水泵、冷却塔、风机等设备的远程控制；实现空调箱和新风系统与空调系统的联动联控。

增设医院的需求端温/湿度、室外的温/湿度的传感器和无线传输设备，实现各中央空调系统根据需求的实时调节。

建立中央控制系统，通过云计算实现所有空调系统的自动化无人值守控制，无需人员操作，仅需定期巡检和在故障时操作，大幅减少现有操作人员的工作量。

实现各主要参数的远程抄表、自动抄表和统计分析，减少岗位人员抄表工作量。

通过全院各中央空调空调系统的风-水-电全面调适，实现空调系统的快速反应，增强医院保障末端需求的能力。

通过全院各中央空调空调系统的风-水-电全面调适，减少不必要的浪费，大幅节省空调系统的整体能耗。

3 医院主要建筑暖通空调系统物联网改造方案

3.1 具体改造版块

为提升医院暖通系统的智能化管理水平，提升异常使用响应效率，同仁医院结合暖通空调系统相关设备的配置和现状，重点对住院楼、综合楼、门急诊楼和行政楼的空调系统进行物联网改造工作。在住院楼、综合楼、门急诊楼和行政楼原有空调系统设施的基础上开发了一套智能化控制系统。

3.2 改造方案的主要技术特点

①多种控制方式：本地控制、远程遥控、自动控制。②丰富的控制策略：温度自适应控制、分时段控制。③用能监测与统计：对空调的电压、电流、功率、电量等参数进行实时监测与数据统计。④无线传输：所有现场设备的数据全部采用无线传输，免去繁杂的布线，避免破坏现有装修。⑤B/S 系统架构平台：本系统采用基于WOT 技术的B/S 系统架构平台作为能耗管理及控制平。⑥多终端访问及控制：本系统支持多终端接入，电脑端、平板端、智能手机端等都可访问本系统，且支持浏览器和专有程序访问及控制。

3.3 设计方案内容介绍

系统在线数据分析功能的基本能力，包括建立组织结构和设备模型，并以此为基础进行设备的耗能统计能力和分析能力，可提供多维度的用水分析模型来适应不同的需求。实现主机、循环泵、冷却塔等设备的远程无人值守运行控制。一方面可以通过现场设备的传感器和控制器，实时掌握系统中建筑设备的运行情况和工作模式；另一方面，还可以通过平台系统中的控制程序，实现系统自动运行。当系统中的某个设备发生故障报警信息时，系统将对暖通空调等相关设备和数据进行主动式提示，及时通过PC 端或移动端向管理人员发送异常数据信息，提醒管理人员及时查看处理。

该系统还增设室外温/湿度传感器，可实时监测气温变化情况，反馈给控制平台，实现需求的实时调节。同时还在主要管路上增设水温、压力传感器，以及一次冷冻水泵的变频控制柜，将现有冷却水泵和二次冷冻水泵变频柜接入智能管控平台。这些与风机和新风系统的风机等设备实现综合管控，根据系统冷量负荷计算，控制机组启停和变频控制，控制水泵和冷却塔的启停和变频控制，实现智能化控制、远程动态联动运行。具备目标设定、参数设定、系统优化、负荷调节自动最优化管理功能。现场改造加装设备及物联网设备信息查询分别见图1 图2 所示，移动客户端查询医院空调系统设备运行信息见图3 所示。

图1 冷冻机房数据采集器改造

图2 管路传感器数据采集器改造

图3 移动客户端查询医院空调系统设备运行信息

3.4 暖通空调物联网系统的优势

实现医院暖通空调的全方位管理。可根据实际暖通需求设定各区域暖通空调设备的状态，并通过项目全生命周期管理，实现医院暖通空调设备可持续、可追溯的精细化管理。

实时诊断暖通空调设备状况。系统通过动态可视化进行展示，可实现精准定位，快速响应暖通空调设备异常情况，并给予管理人员不同的决策建议，及时解决设备异常问题。

有效挖掘医院节能潜力。通过大量的暖通空调数据支撑，可科学地对医院关键区域的暖通空调设备情况进行分析，提升医院自查、自控的高效管理水平。

4 无线物联网通信系统的“靶向”节能

大数据和云计算解决节能运行面临的各种复杂问题，云服务器的能源中心可能涉及不同规格、不同能源类型的冷机、多台变频水泵和冷却塔。这些设备不同的运行组合对能源中心的运行能耗有很大影响，靠人工决策能够实现的节能量有限。同时，天气、空调负荷等对空调能耗起决定作用的因素不断变化，传统做法是在大多数时间段采用相对机械的设定，以传统简单的策略应对使用环境，以大的制冷“富余”应对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极大浪费。

无线物联网通信系统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。

5 结语

目前，物联网在医院中的应用还存在一些问题：①物联网的内外网安全存在一定隐患。②物联网没有形成完整的体系，基本呈现孤岛状态，不能真正实现万物互连互通。未来是一个物联网的时代，而5G 网络能推动物联网时代更快地到来。5G 网络具备更加强大的通讯功能和带宽能力，能够满足物联网应用中的高速稳定、覆盖面广等需求。使设备联网、智慧医疗、智能工业以及智慧城市更快更好地呈现在我们面前。

在物联网和智慧医院的背景下，通过对医院暖通系统的智慧化改造，实现“智慧节能”是降低医院总体能耗的重要举措，可为医院后勤管理人员提供智慧化的空调系统管理方式，并为管理人员后期开展节能改造提供数据支持。通过优化冷冻水出水温度和适当关闭风冷热泵机组的夜间运行，冷冻站和热泵空调系统的能耗分别降低11.8%和3%。未来，随着物联网的不断普及，医院智慧暖通空调管理系统将在医院节能降耗中发挥越来越重要的作用。