淺談智慧醫院能源管理系統平臺的建設思考與實踐

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著物聯網、大數據、云計算以及移動互聯網技術的應用，醫院診療系統信息化建設發展迅速，但醫院后勤保障體系信息化建設相對滯后?，F有的醫院后勤保障體系信息化建設方案更多傾向于數字化與信息化建設，缺乏對信息的綜合處理、深度挖掘與聯動應用。智慧醫院能源管理系統著眼于能源一體化管理，包含能源經濟性管理和安全性管理兩方面內涵。能源經濟性管理從能源分類分項管理、能效提升、能源結構優化著手，逐步調整醫院用能結構，從而提升用能效率，降低用能費用。能源安全性管理主要包括微電網電能質量管理和電氣安全管理。通過能源物聯網、建筑物聯網、設備物聯網三大系統建設，形成醫院后勤一體化綜合運營保障系統。

關鍵詞：能源物聯網 能源 能耗 能效 安全用電

1前言

醫院建筑屬于大型公共建筑[1]，具有每天開放、能耗高、連續運行等特征。建筑結構較為復雜，技術要求較高，一般包括急診部、門診部、住院部、醫技科室以及后勤保障、行政管理、院內生活用房等7大功能區域。醫院建筑主要實現診療與后勤保障兩大功能[2-3]。后勤保障部門往往根據醫院建筑所涉及的建筑結構、水電氣熱暖、信息通訊、樓宇智控、景觀道路、裝飾裝修等公共系統，以及醫用保障所涉及的氣體系統、物流傳輸系統、機械停車系統、凈化層流系統、放射防護系統、醫療信息化系統、大型醫療設備系統等各專業系統組成不同的運行維護科室、班組，進而形成完整的醫院后勤運營保障體系。在醫院后勤運營保障各項工作中，醫院能源管理是順利、實現各項診療目標的重要前提。以瑞安市人民醫院為例，分析能源管理現存問題，介紹能源管理系統建設具體實踐。

2醫院能源管理現狀

2.1 能耗高，管理基礎弱

根據國家衛生健康委規劃與信息司統計數據，全國近2 200多所三級醫院，約230萬張床位，年均能耗達6 650萬噸標煤，折算電能約540億度；能源結構圖中電能消耗占比非常大，一般在70%左右，甚至更高；能耗水平基本保持15%以上的年增長率，新建分院、大樓等是導致能耗費用大幅上升的重要原因之一。和國內其他南方地區醫院相似，瑞安市人民醫院能源結構中電能所占比重達80%；瑞祥新院區投入運營不到1年，全院能耗費用從不到2 000萬元升至2 700萬元。由于歷史原因，醫院在能源結構設計、能耗設備管理、能效水平提升以及用能安全監測等方面，信息管理凌亂與信息孤島現象嚴重，也缺乏行之有效的手段；能源數據多數采用人工收集的方式采集，數據的及時性、準確性以及電子化存儲受到制約；無法實現國家要求的能耗分類分項計量；不能進行能源、能耗與能效的信息采集與數據分析處理，以及以安全用電為主的用能安全管理；難以按照科室、樓層計量以致不能準確考核科室能耗成本，影響定額能耗管理及獎懲等控制手段。

2.2面積大，死角多

醫院目前新老院區有歷年形成各類建筑（群）18座，雖然70多位后勤人員辛勤努力，但也難以進行方方面面的巡視檢查，存在一些管理死角，以及空調供應過剩、用能不平衡等能源浪費現象。

2.3用電多，保障少

目前，國家電網一般只負責用電單位電力設施產權分界點（變壓器）以外部分，不負責低壓側部分，如配電設施、電氣設備、線纜電路等。醫院低壓側電力電能質量缺乏有效監測、警示及應急聯動。

2.4有標準，難考核

醫院建有能源管理制度，但缺乏客觀考核指標，考核難以量化，節能與能源管理制度往往流于形式或與實際情況脫節。

2.5信息化程度低

近年來，醫院信息化建設尤其是診療信息化建設發展很快，后勤運營保障體系的信息化建設卻相對滯后[4]。作為后勤保障工作的重要環節，存量能源綜合管理難以匹配快速發展的診療信息化速度。

3能源物聯網建設

瑞安市人民醫院后勤建設始終跟隨現代醫院模式變革的發展趨勢，以保障醫院診療活動無障礙實現為目標，從醫院管理體系化出發，總結醫院從信息化到數字化、智能化的發展規律，運用物聯網、人工智能、大數據等技術手段，采用平臺建設＋服務運營模式，從能源物聯網建設入手，將醫院后勤一體化綜合運營保障體系建設的創新理念付諸實施，已投入使用的醫院能源管理系統運行效果良好。醫院能源包括電、水、氣、熱、油等，用能環境相對復雜，不同功能區域需求不盡相同，且耗能設備種類多樣，建筑能源相關的數據采集、統計與管理工作量很大。醫院能源物聯網建設可以在保證安全性、一定的舒適性以及必要的便利性前提下，實現能源優化、能耗降低、能效提升三重目標。醫院能源物聯網系統包括覆蓋與典型覆蓋相結合并逐漸達到基本覆蓋的智能終端、先進的通訊傳輸模塊以及覆蓋全院的能源管理平臺等。該系統以覆蓋各能源點的低壓側智能終端等智慧端口為支撐并完成數據采集，按序梯次構成醫院能源物聯網。

3.1感知層

低壓側智慧端口與端點應用，保證了醫院能源消耗與能源質量、能源安全數據采集的及時性、準確性。低壓側智慧終端采用了邊緣計算與節點終結的設計理念，實現剩余電流、三相不平衡和缺相告警等功能。

3.2 網絡層

以485總線、網絡線和電力線載波等有線傳輸技術為基礎，結合Lora、4G等無線傳輸技術，充分利用現有網絡條件，構建覆蓋全院的數據傳輸網絡。工業級數據網關提供數據的采集、分析、存儲與轉發。異常數據包過濾、數據集中轉發的設計大大降低了云平臺在數據采集與前處理過程中對系統資源的占用。

3.3 應用層

醫院能源管理系統集數據采集、傳輸、分析與處理功能于一體。數據采集傳輸是能源大數據的基礎。通過數據的分析與處理，提煉數據的價值并形成有效管理手段是能源管理的核心。通過對醫院能源大數據分析，提示醫院存量能源使用過程中在能耗與能效方面的可優化空間，形成存量能耗曲線，與優化后的節能曲線相比較，得出客觀可靠的效益分析報告，提高能效，降低能耗；根據醫院用能結構與負荷曲線形成醫院綜合能源站建設依據，通過清潔能源與新能源利用，改善醫院能源結構。

4智慧醫院能源管理系統

4.1 能源管理系統功能

智慧醫院能源管理系統將醫療行業的“互聯網＋醫療”模式，充分結合醫療衛生主管部門與住建部關于綠色醫院用能標準、醫院用戶需求以及能源管理部門要求，采集分析能源、能耗、能效數據，監測以電能質量、用電安全相關指標以及其他用能指標，并與國家能源政策與用能模式改革有機結合?？鐚W科、跨行業的科技與專業協作與新技術應用，奠定了未來“萬物互聯”的智能化醫院后勤管理新模式。智慧醫院能源管理系統目前包含能耗管理子系統、安全用電管理子系統以及若干與醫院能源、能耗、能效相關子系統，如智能照明管理子系統、中央空調運行優化管理子系統等。

4.1.1能源管理系統功能能耗管理子系統。該系統通過能源分類分項計量與智慧端口應用，可以實現：（1）按照分類、分項原則，進行醫院能源結構分析與能源賬單分析。（2）通過分類分項能耗實時監測、趨勢跟蹤與對比，總結醫院用能規律，提供用能負荷錯峰管理依據，縮短異常能耗發現、定位與處理時間，減少能源浪費。（3）按照醫院管理中信息、物資、設備、人員、資金等五大范疇，空間上七大功能區域以及流程與診療需要相適應的思路，在醫院能源管理系統建設中，創新性應用醫院能耗八大率概念，將床位數、住院率、總收入、人員比、設備量、投資額、均攤數以及建筑面積等與能源管理相結合[5]，形成特色的醫院能源管理考核指標。（4）利用科室排名、定額管理、超額告警等管理工具提升能源管理水平。

4.1.2 安全用電管理子系統。該系統提供電能質量、安全警示與應急聯動功能，提高用電管理水平，促進醫院采取有效手段改善電能質量、排查用電安全隱患，減少甚至杜絕因電能質量與安全用電隱患導致的設備效能降低、壽命削減以及電氣火災事故等。

4.1.3 智能照明管理子系統。該系統與新型LED節能燈相結合，提升照明質量，降低維護成本，提高綜合效益，提升管理水平。瑞安市人民醫院智能照明管理子系統針對不同應用場景設計了不同的智能照明管理策略，在改善現有照度基礎上，能夠合理管理燈具開關時間，減少能源浪費，降低燈具開關人力管理成本。門診、住院、急診等不同功能區域的照明控制策略設計時，綜合考慮了自然光照、建筑采光、工作時間、人流量24小時分布特征等因素。門診照明以時間管理為主；住院照明以時間管理為主，輔以感應控制；急診照明則以光照度感應控制為主。

4.1.4 中央空調管理子系統。通過對中央空調系統的智能化改造，根據室內外溫度、峰谷平電價、設備運行效率以及供回水溫度等關鍵因子，通過模糊算法計算優冷熱生產與供應策略，按需供冷，提高綜合節能率。

4.2 能源管理系統應用分析

4.2.1 節能增效的基礎。通過能源大數據分析，發現醫院異常用能、低效用能、能源損耗、能源浪費等環節，形成針對性節能整改建議，達到提升能效、節能減排的效果。

4.2.2 安全用電。及時發現過壓、過負荷、諧波、缺相、漏電、三相不平衡、線溫過高以及功率因數低等電能質量與安全隱患，及時預警，為醫院提供優質安全的用電環境。

4.2.3 分布式供能基礎。清潔能源與新能源應用是醫院能源結構優化的主要途徑，冷熱電三聯供等分布式供能模式在大型公共建筑應用逐漸增多并成為重要供能方式。醫院能源物聯網系統積累的能源大數據為醫院綜合能源站建設提供能耗負荷分析。準確的用戶負荷基線是決定分布式供能項目成敗的關鍵因素，為醫院分布式供能奠定基礎。醫院分布式綜合能源站的建設還可以取代柴油機作為應急發電/儲備電站，為醫院提供用能保障，減少因柴油機維護帶來的高額運行成本與柴油管理帶來的安全隱患。

能源管理系統建設、綜合供能與節能改造、安全用電服務等提供了現代能源整合服務模式下醫院后勤管理的新思路。

5安科瑞AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺充分結合《醫療建筑電氣設計規范》《綠色醫院建筑評價標準》、《醫院建筑能耗監管系統建設技術導則》等行業規范、根據醫院用戶需求以及能源管理部門要求，采集分析能源、能耗、能效數據，監測以電能質量、智慧用電相關指標以及其他用能指標，并與國家能源政策與用能模式改革結合。能夠輔助醫院后勤管理人員進行能源供應系統及設備的運行管理工作，幫助醫院管理層實時掌握醫院的能耗情況，為醫院能源信息化建設和節能管理提供了良好的技術平臺。

5.2平臺組成

安科瑞醫院能源管理系統建立基于云平臺的“監、控、維”一體化的能源管理系統，從數據采集、設備控制、數據分析、異常預警、運維派單、系統架構和綜合數據服務等方面的設計，幫助醫院后勤管理部門了解醫院能源運行情況，關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，提高運維效率。它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所運維云平臺，配電房綜合監控系統，能耗管理系統，智能照明控制系統，智慧消防平臺，電氣火災監控系統，消防設備電源監控系統，防火門監控系統，消防應急照明和疏散指示系統，充電樁管理系統，電能質量治理解決方案，醫療隔離電源解決方案。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1醫院電力監控解決方案

電力監控系統實現對變壓器、柴油發電機、斷路器以及其它重要設備進行監視、測量、記錄、報警等功能，并與保護設備和遠方控制中心及其他設備通信，實時掌握供電系統運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫院供電可靠性。

電力監控系統主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況。同時對醫院重要設備如柴油發電機、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統狀態進行監測。

5.4.2醫院變電所運維云平臺解決方案

AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力傳感器、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術，通過智能網關采集現場數據并存儲在本地，再定時向云平臺推送數據。平臺采集的數據包括變電所回路電氣參數和變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到指定人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷并做消缺處理。

5.4.3醫院配電房綜合監控系統解決方案

Acrel-2000E配電室綜合監控系統，可實現開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯動控制。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，優化動力環境，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，實現配電動力環境的分布式遠程管理。

5.4.4醫院能耗管理系統解決方案

對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各科室建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

①搭建醫院智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

②排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥能耗競爭排名：各個科室能耗對比，實現能耗排名，增強全院工作人員的節能意識；

⑦對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

5.4.5醫院智能照明控制系統解決方案

醫院人流比較密集，科室較多，照明用電在醫院電能消耗中約占到15%左右。所以合理使用照明控制系統，在提升醫生和患者的體驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控制做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決照明用電。

ASL1000智能照明控制系統可以實現場景控制、時間控制、區域控制、光照度感應控制以及紅外感應控制等多種控制方式，能有效避免公共區域的照明浪費，還可以幫助醫院管理照明。

系統在配電箱內的模塊主要有總線電源、開關驅動器、IP網關、耦合器、干接點輸入模塊等。這些模塊使用35mm標準導軌安裝。

安裝在控制現場的模塊主要有光照度傳感器、紅外傳感器和智能面板。有人經過可以設定紅外感應控制亮燈，人離開后在設定的時間內熄燈，智能面板等手動控制設備，可實現自動控制、現場控制和值班室遠程控制相結合。

5.4.6醫院智慧消防平臺解決方案

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

5.4.7醫院電氣火災監控系統解決方案

電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控系統，數據可集成至企業消控室監控系統。

醫院電氣火災監控系統以建筑為單位設置，采集數據后上傳至值班室監控主機，實現對建筑電氣安全預警?，F場設置的傳感器監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號，關注門診樓、住院樓、醫技樓等區域漏電或者電纜發熱等問題。

5.4.8醫院消防設備電源監控系統解決方案

醫院消防安全非常重要，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

消防設備電源監控監控系統采用消防二總線，以建筑為單位設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。

5.4.9醫院防火門監控系統解決方案

醫院防火門數量比較多，由于部分區域經常有人走動，常開常閉防火門數量都不少，防火門監控系統的作用就是監測防火門開閉狀態，在發生火災后自動關閉常開防火門，防止煙霧擴散。防火門監控系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，用于監測和控制防火門狀態，當防火門發生異常位置信號時，防火門監控器能發出故障報警信號，指示故障報警部位并保存故障報警信息。發生火災時，關閉事故區域所有常開防火門，防止煙霧向安全區域擴散。

5.4.10醫院消防應急照明和疏散指示系統解決方案

醫院人員流動性強，密度大，消防比較復雜，一旦發生火災，疏散指示系統非常重要。消防應急照明和指示系統可以和火災報警系統聯動，提供應急照明和疏散路徑指示，指引人群快速找到疏散出口，并可以一鍵選擇疏散應急預案，提升人員逃生概率。

5.4.11醫院有源諧波治理系統解決方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會產生大量諧波，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于醫院的精密化驗設備可能會產生干擾。

為了消除配電系統諧波對醫院設備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器，濾除電網2~31次諧波干擾。

AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。

5.4.12醫院充電樁系統解決方案

醫院停車場有電動汽車和電動自行車，均需要提供充電樁。充電樁管理系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，解決物業、用電管理部門的充電樁使用、監控問題。電動自行車充電可采用投幣、掃碼充電方式，電動汽車支持IC卡和掃碼充電方式。遠程充電樁系統可實時遠程完成啟動充電、強制停止、單價設置等控制指令，用戶可通過APP、微信、支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；能夠遠程控制，提供財務報表和數據分析等功能。

5.4.13醫院醫療隔離電源解決方案

《民用建筑電氣設計規范》14.7.6.3條明確規定：在電源突然中斷后，重大醫療危險的場所，應采用電力系統不接地（IT系統）的供電方式。同時《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB50333-2002中規定：2類醫療場所在維持患者生命，外科手術和其他位于患者周圍的電氣裝置均應采用醫用IT系統。如：搶救室（門診手術室）、手術室、心臟監控治療室、導管介入室、血管照影檢查室等。

安科瑞電氣股份有限公司的醫療隔離電源解決方案是針對醫療Ⅱ類場所的供電需求而開發設計的，能夠很好的滿足各類手術室和重癥監護室對電源安全性和可靠性的要求，并符合國家相關標準。

審核編輯 黃宇