建筑設備智能管控系統及其在醫院建筑的應用

何影 易檢長* 任中俊

1 深圳市紫衡技術有限公司

2 廣東省建筑設備智慧控制與運維工程技術研究中心

隨著建筑規模的不斷擴大，建筑物內暖通空調，給水排水，供配電，照明，電梯及自動扶梯等建筑設備的數量也迅猛增加，建筑平均能耗強度日益增長成為了人們關注的焦點，節能顯得越來越重要，因此對建筑物內建筑設備的控制和運行維護提出了更高的要求。對于公共建筑中的醫院建筑，據統計截至2018 年11月底，2018 年我國醫療衛生總投資額為 5.8 萬億，五年復合增長率為 13.21%。同年醫院數量 32476 個（公立 12072 個、民營 20404 個），相當 2014 年增長27%。醫院建筑面積 48524 萬m2，相比 2014 年增加12372 萬m2，增長34%。在醫院建設投入持續增長的背景下，醫院建筑設備普遍現狀和需求表現為“ 三高”、“二多”和“一降低”?！?三高”是指安全運行要求高，全年全季不間斷，受故障影響大。品質要求高，需及時響應臨床和病人的服務要求。運維成本高，后勤人力、能源、設備三個核心成本占到運營總成本的80%以上?！岸唷笔侵负笄趯I多，醫院后勤涉及電、水、空調等多個專業。外包人員多，大量服務外包，溝通監管難度大?！耙唤档汀笔侵羔t改取消藥品加成，直接降低醫院收入約15%，運營壓力突顯。為了提升醫院建筑設備能效水平與運行管理水平，降低初投資成本和建筑設備運行與維護的各項成本，本文提出了一種新型建筑設備智能管控系統。

1 建筑設備監控系統標準建設與應用現狀

國內對智能建筑的研究起步于 20 世紀 80 年代末，直到20 世紀90 年代初智能建筑這一概念開始被越來越多的人們認識和接受，從1995 年上海市首先頒布了國內智能建筑設計的第一個標準《智能建筑設計標準》D BJ08-47-95 開始，國內各科研機構和高等院校陸陸續續發布了與建筑設備監控系統的相關了國家、行業及地方標準[1]。

如2008 年1月發布的行業標準《民用建筑電氣設計規范》J GJ 16-2008，提出了建筑設備監控系統的概念，即“ 是將建筑物（群）內的電力，照明，空調，給排水等機電設備或系統進行集中監視，控制和管理的綜合系統。”并明確了監控范圍包括暖通空調，給水排水，供配電，照明，電梯及自動扶梯等建筑設備[2]。

2014 年6月發布的行業標準《建筑設備監控系統工程技術規范》JGJ 334-2014 對民用建筑中建筑設備監控系統工程的設計、施工、調試、檢測、驗收與運行維護進行規定，并在功能設計章節增加能耗監測內容[3]。

2014 年8月發布的國家標準《傳染病醫院建筑設計規范》G B50849-2014，規定了醫院智能化系統的設計內容應包括建筑設備監控系統。并特別提出對于負壓病房的空調設備，應采用自動控制方式，并應監視污染區及半污染區的壓差。與負壓病房相鄰、相通的緩沖走廊壓差應保持5 Pa～10 Pa[4]。

2014 年11月發布的北京地方標準《公共建筑設備運行節能監控技術規程》D B11/T 1131-2014，對暖通空調、給水排水、供配電、照明、電梯及自動扶梯等建筑設備的監控管理與節能運行進行了規定[5]。

2015 年3月發布的國家標準《智能建筑設計標準》G B 50314-2015，提出智能化系統工程的設計要素宜包括建筑設備管理系統，其中建筑設備管理系統宜包括建筑設備監控系統，建筑能效監管系統以及需納入管理的其他業務設施系統等[6]。

2017 年4月發布的行業標準《建筑智能化系統運行維護技術規范》J GJT 417-2017，對建筑設備監控系統系統運行、系統維護、系統維修及系統優化進行規定，并指出其運維對象宜包括暖通空調，變配電，公共照明，給水排水，電梯及自動扶梯及能耗監測系統[7]。

2018 年4月發布的《全國醫院信息化建設標準與規范（試行）》，明確了醫院信息化建設的基本內容和建設要求，并重點介紹了大數據技術、云計算技術、人工智能技術及物聯網技術在醫院信息化建設中的應用[8]。

可見，不管是針對所有公共建筑還是專門的醫院建筑，應用建筑設備監控系統來實現建筑設備的智慧控制與運維已經是不可阻擋的大趨勢。

但在2018 年11月～2019 年11月，通過對深圳市、廣州市兩地部分醫院建筑設備監控系統進行獨立調查，結論與1997 年北京工業大學和 2013 年清華大學調查結果基本保持一致，只有不到 20%的建筑設備監控系統運行較好，有50%的建筑設備監控系統沒有發揮作用，或只發揮了很少作用。一方面是因為 2014年以前的建筑設備監控系統，由于國內沒有一個統一驗收檢測的標準，驗收測試一般以采用設備廠家標準為基本依據，幾乎就是安裝完不調試，不啟用，物業對這方面的要求也不重視。另一方面是部分醫院建設的建筑設備監控系統，功能龐大，涵蓋醫院后勤系統的能源管理、運維、安防、消防、門禁、醫廢、運送、采購等功能，建設成本高、難統籌協調、華而不實。

2 新型建筑設備智能管控系統簡介

新型建筑設備智能管控系統，只聚焦建筑物內的建筑設備。其研發是基于目前先進的移動互聯網技術、物聯網技術和大數據技術，針對建筑設備不同的監測與控制要求編制特定的應用控制軟件，采用嵌入式技術進行實時監測、控制與運行維護，將建筑能效監管、建筑設備監控、建筑設備運維管理及后勤信息管理等功能集成為一體，組成一體化的新型建筑設備智能管控裝置，完成對建筑設備能效的遠程監測、建筑設備的就地控制、運行維護，并可通過專用網絡連接至集中管理平臺，組成分布智能式管控系統。

新型建筑設備智能管控平臺以專門開發的項目前期故障預測引擎、項目中期SOD 智能優化控制引擎和項目后期循證運營為核心。

項目前期故障預測引擎是對建筑能耗情況、建筑設備運行狀態進行實時采集、預測診斷與計算建筑能耗和建筑設備的“ 綜合預防值”，根據“ 綜合預防值”在實際能耗異?；蛟O備故障之前預測或指示潛在異?；蚬收?，并給出相應的預防性維護建議和報警，為建筑業主或現場運維人員提供較好的維護時機，同時通過對預防性維護措施進行過程跟蹤，對預防性維護績效評估與結果反饋分析總結，形成閉環反饋機制[9]。

項目中期 SOD 智能優化控制引擎相當于為建筑采用的中央空調系統裝上一個智能“ 大腦”，從平衡系統各個關聯設備間的能效關系出發，將中央空調系統作為一個整體來考慮，以整個系統綜合能耗最低及能效最高為控制優化目標，通過采集系統運行參數，動態建立系統設備能耗模型及冷源系統能效模型，對系統進行聯合優化計算，尋優求解出在保證室內環境舒適度需求的情況下，實現各設備最優運行工況時系統能耗最低綜合能效最高，從而實現“ 系統”層次的節能優化控制。從而解決常見系統有“ 骨”無“ 腦”，節能效果不佳等問題[10]。

項目后期循證運營其核心思想在于遵循最佳證據，旨在突破傳統以規范為依據，依靠個人經驗和主觀臆斷的運營方式，走向以建筑建成效果和建筑設備實際運營效果為目標，重視積累和循環應用證據的運營模式，從而確保運營決策有理可依，可據可查。

3 新型建筑設備智能管控系統的構成

新型建筑設備智能管控系統由建筑能效監管系統、建筑設備監控系統、建筑設備運維管理系統及信息管理系統組成，其系統架構圖如圖1 所示：

圖1 建筑設備智能管控系統組織架構圖

3.1 建筑能效監管系統組成及功能

建筑能效監管系統主要由現場安裝的能耗計量裝置，環境參數采集裝置，數據采集器及交換機等硬件及相應的應用軟件組成。通過實時采集能耗數據，如電、水、天燃氣及冷熱量等，環境參數數據如溫度、濕度及CO2濃度等，通過有線或無線的方式傳到至建筑能效監管系統數據中心。

建筑能效監管系統具備表計監測，能耗查詢，能耗報表，定額管理，用能成本及能效分析等功能。

3.2 建筑設備監控系統組成及功能

建筑設備監控系統內安裝有專用控制器，能夠對建筑物內各種建筑設備進行控制，包括暖通空調，給水排水，供配電，照明，電梯及自動扶梯，鍋爐和醫用氣體裝置等。

建筑設備監控裝置主要由專用控制器、顯示屏、配電單元及相應的應用軟件組成，采用嵌入式技術構成強弱電一體化的控制裝置，根據現場實際情況，該裝置既可獨立自動運行也可由系統平臺集中管控?？刂茟密浖墓δ芨采w建筑物內所有建筑設備如空調主機、水泵、冷卻塔及空調末端設備、生活給水排水泵、照明、鍋爐和醫用氣體裝置等，并可根據現場不同要求就地或集中設置運行參數。

建筑設備監控裝置具備能耗統計分析、設備運行參數設置及運行優化控制、故障報警等功能。

3.3 建筑設備運維管理系統功能

為解決國內建筑能效監管系統、建筑設備監控系統“重建設、輕運營”，系統可靠性低，可用性差及運行費用高等問題，通過物聯網（IOT），大數據分析與移動互聯網等先進技術相結合開發了建筑設備運維管理系統。其主要功能包括運營首頁、故障報修、巡檢管理、大數校核、數據分析等。并制定了一套建筑設備運維管理體系標準，管理體系標準主要包括運維管理組織和設備運維標準。運維管理組織采取線上調度監管、線下運維執行的模式來實現一站式運維托管服務，制定的建筑設備運維標準流程包括維修標準流程、保養標準流程、巡檢標準流程、報警標準流程等[11～12]。

3.4 信息管理系統功能

信息管理系統主要功能包括資產管理、用戶管理、圖紙管理及備品備件。其中資產管理包括設備管理及庫存管理，用戶管理包括了用戶列表、角色管理、權限管理。

4 新型建筑設備智能管控系統的應用

將新型建筑設備智能監控系統應用在福建省某三甲醫院，該醫院建筑建筑面積為4.5 萬m2，開放床位1200 張，2018 年位列全國中醫醫院百強第28 位。2018年其基準年能能耗為5533318 kWh，并新增了新型建筑設備智能管控系統4 個子系統，即建筑能效監管系統、建筑設備監控系統、建筑設備運維管理系統及信息管理系統，部分軟件界面如圖2 所示：

圖2 某醫院建筑設備智能管控系統界面

系統運行一年后，根據第三方權威測評機構測評及系統自動統計分析，2 019 年該三甲醫院年節能量為1499083 kWh，年綜合節能率為27.09%。中央空調冷源系統能效系數由3.2 提升為5.1。建筑設備運維響應時間降低38%。醫護人員投訴下降48%。系統聯動，電梯困人平均解救時間下降8 min。

5 結語

建筑設備的管理作為醫院建筑物業管理核心內容，不僅影響著醫院建筑內的人員與設備安全，更是對資產的保值增值有著巨大的影響。建筑業主及物業單位需要面對醫院建筑能源成本高、安全事故責任重大、資產保值增值、服務品質要求不斷提高、設備數量種類繁多及設備管理操作人員招聘難等各方面挑戰，還面對移動互聯網、云計算、大數據、人工智能、物聯網等技術的快速發展應用的機遇，建筑設備的監測、控制及運行維護工作重要性日益突出。

為滿足工程實際的需求，新型建筑設備智能管控系統應運而生，既可大幅提升醫院建筑設備能效水平與綜合能源利用效率，大幅降低建筑設備運行和維護的各項成本,也可提升醫院建筑設備安全管理水平，將以往的事后維護向事前維護與預測性維護轉變，大幅降低建筑設備安全風險。