醫(yī)院能源監(jiān)管系統(tǒng)設計與調(diào)試

姚杰

摘要：本文以醫(yī)院能源監(jiān)管系統(tǒng)為研究對象，采用智能化技術組建數(shù)據(jù)庫、構建智能化的能耗信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對醫(yī)院的能源利用狀況進行實時、準確的動態(tài)監(jiān)管。具體而言，該系統(tǒng)建設的主要功能是對醫(yī)院的能源消耗進行采集、上報、匯總與分析，并生成動態(tài)的數(shù)據(jù)和報表曲線，以及利用分析后的數(shù)據(jù)幫助醫(yī)院科學的利用能源，實現(xiàn)節(jié)能目標。

關鍵詞：醫(yī)院;能源監(jiān)管系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫;智能樓宇

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0148-03

1 醫(yī)院能源監(jiān)管系統(tǒng)的需求分析與建設目標

醫(yī)院建筑是高能源消耗場所，從改善病人就診環(huán)境、提高醫(yī)院內(nèi)部管理技術手段考慮，醫(yī)院建筑對空調(diào)、供熱設備的自控、計算機網(wǎng)絡等諸方面都提出了更高的要求。隨著醫(yī)院提供完善的、高質(zhì)量的服務，賦予其更多的則是對能源的更多需求，有資料表明，醫(yī)院的能耗是一般公共建筑的1.6-2倍，因此近年來醫(yī)院的能源管理與節(jié)能改造等日益受到重視，也是醫(yī)院降低能耗，減低運營成本的必由之路[1]-[2]。以綜合性三甲醫(yī)院為例分析，其日常能耗以電力需求最大，主要用于照明、電梯、空調(diào)和通風設備等;其次醫(yī)院還以燃氣（油）等作為主要能源，用于供應蒸汽、熱水、消毒、洗滌、廚房等;醫(yī)院各類醫(yī)用設備要求隨時能為病人提供檢查、運送和治療服務。綜上所述，醫(yī)院能耗有既間歇又連續(xù)的特點，各類設備使用要求多樣，同時能源負荷變動量大，運行時間長并要求控制靈活，能源供應不能間斷，需要完善的整體自控系統(tǒng)、能源檢測和管理系統(tǒng)，以期實現(xiàn)有效控制、檢測和節(jié)約能源，降低運行成本。

能源監(jiān)管系統(tǒng)建設目標如下：

（1）按照國家衛(wèi)計委和住建部印發(fā)的《醫(yī)院建筑能耗監(jiān)管系統(tǒng)試點建設實施方案》、《醫(yī)院建筑能耗監(jiān)管系統(tǒng)建設技術導則》和《醫(yī)院建筑能耗監(jiān)管系統(tǒng)運行管理技術導則》要求，建設一套醫(yī)院建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和透傳功能，完成我院能耗數(shù)據(jù)上傳給省、部級能源監(jiān)管中心的要求。同時輔助我院能源管理部門提高管理水平，進一步做好節(jié)能減排工作[3]-[4]。（2）完成對全院所有建筑物的電、冷/暖、水的計量全覆蓋，對醫(yī)院蒸汽、天然氣的一、二級計量，共計1975個采集點。（3）完成醫(yī)院能源監(jiān)控中心及附屬設施安裝工程，實現(xiàn)對全院各類能耗、重點能耗設備、機電系統(tǒng)、科室、護理單元的數(shù)據(jù)收集、分析、挖掘、優(yōu)化和持續(xù)管理。優(yōu)化主要能源使用和機電設備系統(tǒng)的運營方式，降低醫(yī)院的能源需量等級。（4）進一步完善醫(yī)院能源管理部門的管理流程和制度，培訓醫(yī)院專職能源管理人員，實現(xiàn)對系統(tǒng)的日常使用和維護;借助友好人機交互方式，讓運維人員能快速完成對能耗數(shù)據(jù)的查詢、錄入、對比、統(tǒng)計等常用操作。

2 系統(tǒng)組成與架構

醫(yī)院建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)針對醫(yī)院特點，應用信息化技術搭建的面向管理層的節(jié)能管理平臺，通過對各分類、分項能耗數(shù)據(jù)的合理采集，準確地掌握不同醫(yī)療功能的建筑和重點區(qū)域的能耗，有效指導醫(yī)院能源管理，同時為高能耗醫(yī)院建筑的節(jié)能改造和能源審計提供科學依據(jù)。

如圖1所示，醫(yī)院建筑能源監(jiān)管系統(tǒng)由計量裝置、數(shù)據(jù)網(wǎng)關、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中轉站、數(shù)據(jù)服務器、管理軟件等組成。醫(yī)院將根據(jù)自身能源管理職能分工設置醫(yī)院能源監(jiān)管中心，預留接口至省、部級數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術，具備能耗數(shù)據(jù)實時采集和通訊、遠程傳輸、自動分類統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、指標比對、圖表顯示、報表管理、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)上傳等功能;滿足醫(yī)院能源監(jiān)管內(nèi)容及要求。通過醫(yī)院局域網(wǎng)將各樓網(wǎng)關轉發(fā)的數(shù)據(jù)收集入數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)服務器，然后通過數(shù)據(jù)挖掘和計算整理，將能耗公示數(shù)據(jù)導入能耗公示服務器中，此時各類型用戶可通過軟件或者網(wǎng)頁訪問能耗公示服務器，獲知能耗信息。監(jiān)管中心獲取能源監(jiān)測范圍內(nèi)院區(qū)建筑的能耗數(shù)據(jù)或第三方樓宇自控、設備管理系統(tǒng)轉發(fā)的能耗相關數(shù)據(jù)。

采用清華大學建筑節(jié)能研究中心和同方泰德聯(lián)合開發(fā)的能源監(jiān)管軟件平臺EMS建筑節(jié)能管理平臺軟件。EMS建筑節(jié)能管理平臺后臺軟件包括：

（1）通訊系統(tǒng)軟件：用于獲取數(shù)據(jù)采集器采集的計量儀表原始數(shù)據(jù)或下一級數(shù)據(jù)中心轉發(fā)的處理后的能耗數(shù)據(jù)。（2）計算軟件：原始數(shù)據(jù)采集的頻率一般為1～15分鐘，對原始數(shù)據(jù)進行分精度整理，形成整點數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)單調(diào)性檢查。（3）支路能耗計算軟件：將累計值轉換為實際能耗;單相表處理;數(shù)據(jù)完整性處理;（4）分項能耗計算軟件：將支路能耗轉化為分項能耗：EMS建筑節(jié)能管理平臺WEB服務器軟件。基于B/S架構的服務器端軟件，功能包括能耗公示、橫向比較;多建筑的一級分項能耗演示、橫向比較;能耗圖形和報表。運行管理子系統(tǒng)安裝于能源監(jiān)管中心工作站。用于監(jiān)管中心運行維護人員對EMS建筑節(jié)能管理平臺運行情況進行監(jiān)管。

3 系統(tǒng)關鍵硬件設計

3.1 三相電子式智能電能表

三相電子式智能電能表主要計量低壓網(wǎng)絡的三相有功電表，并且使用RS485通訊功能，方便了用戶進行用電監(jiān)測、集抄和管理。三相電子式智能電能表具有精度高、體積小、安裝方便等特性。可靈活的安裝到配電箱中，可以測量電壓、電流。功率等電量以及無功電量的計量、實現(xiàn)了對不同區(qū)域和不同負荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。儀表需安裝在干燥、通風良好并遠離熱源和強電（磁）場的地方。設備間的間距要便于其拆卸、接線、配置和維護。電流輸入線用大于2.5mm2多股阻燃銅線，電壓輸入線、電源線用1.5mm2多股線，RS485通信用1.0mm2屏蔽雙絞線。儀表電壓輸入回路和工作電源回路必須接入合適的保險絲，并提供一個CT短接盒，儀表電流輸入不連接時，須保證CT不開路。智能儀表主端子“V+”和“V-”為供電電源接入端，三相三線接線時，接點Vn和V2須外部短接在一起，電流過大須接入互感器，從而得到感應電流，經(jīng)過電表設置的互感比，還原線路電流，避免燒壞電表。

3.2 智能電力監(jiān)控儀

智能監(jiān)控儀采用32位浮點雙核硬件平臺、實時操作系統(tǒng)、16位模數(shù)轉換器以及高精度電能計量等技術，產(chǎn)品滿足GB/T17215.322以及GB/T 19862-2005標準以及IEC61000-4-30標準要求。能夠滿足高、中、低壓高精度電能計量要求、電能質(zhì)量檢測分析、電力開關檢測與控制等多方面的應用要求，主要適用于變電柜的總計量中。L，N分別代表給裝置供電的交流電源的火線和零線，如果是直流電源供電，直流電源正極接L/DC+端子，電源負極接N/DC-端子。測量回路中，Ua，Ub，Uc，Un分別代表三相電源A相、B相、C相及中線電壓接入點。Ia，Ib，Ic分別代表三相電源電流接入點，箭頭方向指向端子代表該相電流流向監(jiān)控儀，相反則表示電流流出監(jiān)控儀。智能監(jiān)控儀有兩路串口通訊和一路以太網(wǎng)通訊，本項目采用的是RS485通訊。

3.3 超聲波冷熱量表

冷熱量表用于測量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放（或吸收）熱能力的計量儀表，冷熱量表主要由計算器、配對溫度傳感器、流量傳感器等部件組成。超聲波冷熱量表主要是應用超聲波技術測量管道內(nèi)流量信息的冷熱量表，具有綜合使用成本低、計量可靠性好、管道不堵塞、不磨損，計量精確，維修方便等特點。

3.4 能耗采集器

能耗采集器也叫數(shù)據(jù)采集器，該設備是能耗采集系統(tǒng)的一部分，負責從計量儀表中獲取和存儲能耗數(shù)據(jù)和運行參數(shù)數(shù)據(jù)，并以基于IP協(xié)議承載的有線或無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的設備。本論文使用的是一款高性能的能耗采集設備。該采集器有兩種型號，分別可采集64個和32個計量表具，根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，使用不同的采集器，從而節(jié)省資源。保證設備的良好通風，避免放置在有腐蝕性或爆炸性氣體或煙霧的區(qū)域，建議將設備的通風口向上放置，以保證良好的散熱。在安裝、維修和操作設備時一定要注意防止靜電。

該采集器的設計易于安裝，通過35mm導軌安裝到機柜或配電箱中，只要將該采集器卡到導軌上就行了。采集器采用直流供電，使用開關電源，將220v交流電轉換為24v直流電，注意電源極性，錯誤接線將導致數(shù)據(jù)無法上傳。通訊配線連接到設備的RS485-A端和RS485-B端，如果在一個端子中插入多根導線，確保將線擰在一起后再插入端子。采用屏蔽電纜作為通訊線將有助于減少通訊總線所受的電磁干擾，增強通訊穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)的調(diào)試及其數(shù)據(jù)分析

4.1 能耗計量儀表的調(diào)試

能耗計量儀表的調(diào)試，本文主要以三相電子式智能電表的調(diào)試工作為例，其他能耗計量儀表的調(diào)試工作相同，便不做贅述。三相智能式電表的調(diào)試，主要的設置工作為：

（1）設置波特率，設置為能耗采集器相同的波特率9600。（2）設置Modbus地址，Modbus地址是唯一的，為了是明確終端設備在能耗采集器中位置，這個位置是唯一的。經(jīng)過萬用表，一般通過的電壓在5v左右，如果沒有則電路可能虛接，在端子處檢測，恢復到正常，再接入到總線中，總線中電壓應該在4v左右。這里我們使用的是Modbus Poll軟件發(fā)送數(shù)據(jù)到三相電子式智能電表查看它反饋的數(shù)據(jù)，從而確認了能耗計量儀表能否正常運轉。該軟件相當于采集器的一個仿真，主要測試能耗計量儀表是否正常，如若正常就反饋一些報文到電腦上，顯示一些數(shù)據(jù)。（3）設置奇偶校驗位，設置為偶校驗，通過總線將儀表連接到外科樓，負一樓的強電井中的能耗采集器中。

4.2 能耗采集器的調(diào)試

本文中使用的是能耗采集器所對應的網(wǎng)關配置軟件，通過網(wǎng)線接口接到交換機中，能耗采集器接入到交換機，從而設置其網(wǎng)關和添加儀表。

4.2.1 設置網(wǎng)關

（1）新建網(wǎng)關配置，“新建”選擇網(wǎng)關，DL645，便生成了初始配置;（2）打開配置文件，選擇保存位置和更改配置文件名;（3）保存網(wǎng)關配置;（4）編輯配置，修改配置信息;（5）添加模塊，編輯儀表配置，沒有配置文件的，可在官方網(wǎng)站下載相對應的網(wǎng)關配置文件，找到儀表對應的型號，顯示儀表的ID。

4.2.2 設置采集器

（1）新建采集器配置，選擇“采集器”，顯示初始設置，選擇保存。（2）打開配置，更改配置文件的名字，便于查找，然后編輯配置，更改全局配置。（3）設置總線參數(shù)，選擇645總線協(xié)議標準，設置波特率，更新周期，總線數(shù)據(jù)位，總線校驗位，總線停止位。（4）總線下面添加表具，本文只是使用Modbus協(xié)議的儀表，最后生成配置文件。

4.2.3 下載配置

將配置好的網(wǎng)關，通過串口，輸入到采集器中。選擇電腦中的com口，在軟件中“主頁”界面開始下載配置，在設置采集器中的設置，選擇網(wǎng)關使用的協(xié)議，本文使用的是Modbus協(xié)議，這樣就可以設置好能耗采集器。

4.3 終端數(shù)據(jù)的采集及其分析

4.3.1 能源數(shù)據(jù)分析報表服務

能源數(shù)據(jù)分析報表根據(jù)醫(yī)院日常運營管理需求，每個月根據(jù)系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)為醫(yī)院提供能源分析報表。該服務是借助實時監(jiān)測的大部分運行能耗數(shù)據(jù)，使醫(yī)院能耗管理人員能實時掌握能源系統(tǒng)運行情況，對運行做出合理的調(diào)整策略。幫助建筑用戶實現(xiàn)能源系統(tǒng)由粗放型管理轉變?yōu)榫毿汀⒖茖W化管理。幫助建筑用戶實現(xiàn)對能源系統(tǒng)的低效率、準故障運行的診斷、提高能源系統(tǒng)的運行可靠;持續(xù)性地為建筑用戶提供建筑能源系統(tǒng)最優(yōu)運行策略。

4.3.2 全面能源數(shù)據(jù)分析報告服務

全面能源數(shù)據(jù)分析報告服務每兩個月對能源數(shù)據(jù)進行初步分析，找出解決問題的行動方案，同時出具用能漏洞分析及設備升級改造報告。對能源數(shù)據(jù)進行深入分析挖掘，找出設備運行的最優(yōu)方案，同時出具有詳細數(shù)據(jù)支撐的用能分析及系統(tǒng)升級改造報告。該服務根據(jù)能耗的實時使用情況對該建筑的月能耗進行分項分區(qū)域?qū)Ρ确治觯ぷ鲿r段與非工作時段的對比，并按照用能評分標準進行評分，最后由智能專家系統(tǒng)給出建筑用能診斷。專家組再根據(jù)這些信息給出建筑節(jié)能建議。

能源數(shù)據(jù)分析報告對接入醫(yī)院能耗監(jiān)測平臺的所有建筑，月度和年度自動對建筑物能耗運行情況進行智能診斷，并生成全面的能耗數(shù)據(jù)分析報告，診斷內(nèi)容如下：（1）建筑能耗評價;（2）建筑單位平米能耗與其他同類型建筑的對比;（3）建筑工作時間段與非工作時間段對比圖;（4）建筑各重點用能區(qū)域月能耗與去年、上月同期對比;（5）建筑分項月能耗與去年、上月同期對比;（6）智能能耗診斷意見;（7）可加入專家診斷。

5 結語

本系統(tǒng)搭建完成后，利用本系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)分析，通過開展能源審計，對醫(yī)院的能源消耗、管理水平、能效指標、財務過程、綜合利用、環(huán)境效果進行核查、測試、診斷、咨詢、對標和評價，有利于院方排查節(jié)能障礙和費能原因，挖掘節(jié)能潛力，提出整改措施，制定節(jié)能方案。協(xié)助院方制定節(jié)能規(guī)劃，在開展能源審計的基礎上，進一步明確節(jié)能目標，突出工作重點，完善節(jié)能工作保障措施，為下一步醫(yī)院建立能源管理體系做一定的指導工作并提出改進建議，推動醫(yī)院全面節(jié)能降耗。

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