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浅谈智慧医院能源管理系统平台的建设思考与实践

更新时间:2023-06-30  |  点击率:372

王丹丹

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801


摘要:随着物联网、大数据、云计算以及移动互联网技术的应用,医院诊疗系统信息化建设发展迅速,但医院后勤保障体系信息化建设相对滞后。现有的医院后勤保障体系信息化建设方案更多倾向于数字化与信息化建设,缺乏对信息的综合处理、深度挖掘与联动应用。智慧医院能源管理系统着眼于能源一体化管理,包含能源经济性管理和安全性管理两方面内涵。能源经济性管理从能源分类分项管理、能效提升、能源结构优化着手,逐步调整医院用能结构,从而提升用能效率,降低用能费用。能源安全性管理主要包括微电网电能质量管理和电气安全管理。通过能源物联网、建筑物联网、设备物联网三大系统建设,形成医院后勤一体化综合运营保障系统。


关键词:能源物联网 能源 能耗 能效 安全用电


1前言


医院建筑属于大型公共建筑[1],具有每天开放、能耗高、连续运行等特征。建筑结构较为复杂,技术要求较高,一般包括急诊部、门诊部、住院部、医技科室以及后勤保障、行政管理、院内生活用房等7大功能区域。医院建筑主要实现诊疗与后勤保障两大功能[2-3]。后勤保障部门往往根据医院建筑所涉及的建筑结构、水电气热暖、信息通讯、楼宇智控、景观道路、装饰装修等公共系统,以及医用保障所涉及的气体系统、物流传输系统、机械停车系统、净化层流系统、放射防护系统、医疗信息化系统、大型医疗设备系统等各专业系统组成不同的运行维护科室、班组,进而形成完整的医院后勤运营保障体系。在医院后勤运营保障各项工作中,医院能源管理是顺利、实现各项诊疗目标的重要前提。以瑞安市人民医院为例,分析能源管理现存问题,介绍能源管理系统建设具体实践。


2医院能源管理现状


2.1 能耗高,管理基础弱


根据国家卫生健康委规划与信息司统计数据,全国近2 200多所三级医院,约230万张床位,年均能耗达6 650万吨标煤,折算电能约540亿度;能源结构图中电能消耗占比非常大,一般在70%左右,甚至更高;能耗水平基本保持15%以上的年增长率,新建分院、大楼等是导致能耗费用大幅上升的重要原因之一。和国内其他南方地区医院相似,瑞安市人民医院能源结构中电能所占比重达80%;瑞祥新院区投入运营不到1年,全院能耗费用从不到2 000万元升至2 700万元。由于历史原因,医院在能源结构设计、能耗设备管理、能效水平提升以及用能安全监测等方面,信息管理凌乱与信息孤岛现象严重,也缺乏行之有效的手段;能源数据多数采用人工收集的方式采集,数据的及时性、准确性以及电子化存储受到制约;无法实现国家要求的能耗分类分项计量;不能进行能源、能耗与能效的信息采集与数据分析处理,以及以安全用电为主的用能安全管理;难以按照科室、楼层计量以致不能准确考核科室能耗成本,影响定额能耗管理及奖惩等控制手段。


2.2面积大,死角多


医院目前新老院区有历年形成各类建筑(群)18座,虽然70多位后勤人员辛勤努力,但也难以进行方方面面的巡视检查,存在一些管理死角,以及空调供应过剩、用能不平衡等能源浪费现象。


2.3用电多,保障少


目前,国家电网一般只负责用电单位电力设施产权分界点(变压器)以外部分,不负责低压侧部分,如配电设施、电气设备、线缆电路等。医院低压侧电力电能质量缺乏有效监测、警示及应急联动。


2.4有标准,难考核


医院建有能源管理制度,但缺乏客观考核指标,考核难以量化,节能与能源管理制度往往流于形式或与实际情况脱节。


2.5信息化程度低


近年来,医院信息化建设尤其是诊疗信息化建设发展很快,后勤运营保障体系的信息化建设却相对滞后[4]。作为后勤保障工作的重要环节,存量能源综合管理难以匹配快速发展的诊疗信息化速度。


3能源物联网建设


瑞安市人民医院后勤建设始终跟随现代医院模式变革的发展趋势,以保障医院诊疗活动无障碍实现为目标,从医院管理体系化出发,总结医院从信息化到数字化、智能化的发展规律,运用物联网、人工智能、大数据等技术手段,采用平台建设+服务运营模式,从能源物联网建设入手,将医院后勤一体化综合运营保障体系建设的创新理念付诸实施,已投入使用的医院能源管理系统运行效果良好。医院能源包括电、水、气、热、油等,用能环境相对复杂,不同功能区域需求不尽相同,且耗能设备种类多样,建筑能源相关的数据采集、统计与管理工作量很大。医院能源物联网建设可以在保证安全性、一定的舒适性以及必要的便利性前提下,实现能源优化、能耗降低、能效提升三重目标。医院能源物联网系统包括覆盖与典型覆盖相结合并逐渐达到基本覆盖的智能终端、先进的通讯传输模块以及覆盖全院的能源管理平台等。该系统以覆盖各能源点的低压侧智能终端等智慧端口为支撑并完成数据采集,按序梯次构成医院能源物联网。


3.1感知层


低压侧智慧端口与端点应用,保证了医院能源消耗与能源质量、能源安全数据采集的及时性、准确性。低压侧智慧终端采用了边缘计算与节点终结的设计理念,实现剩余电流、三相不平衡和缺相告警等功能。


3.2 网络层


以485总线、网络线和电力线载波等有线传输技术为基础,结合Lora、4G等无线传输技术,充分利用现有网络条件,构建覆盖全院的数据传输网络。工业级数据网关提供数据的采集、分析、存储与转发。异常数据包过滤、数据集中转发的设计大大降低了云平台在数据采集与前处理过程中对系统资源的占用。


3.3 应用层


医院能源管理系统集数据采集、传输、分析与处理功能于一体。数据采集传输是能源大数据的基础。通过数据的分析与处理,提炼数据的价值并形成有效管理手段是能源管理的核心。通过对医院能源大数据分析,提示医院存量能源使用过程中在能耗与能效方面的可优化空间,形成存量能耗曲线,与优化后的节能曲线相比较,得出客观可靠的效益分析报告,提高能效,降低能耗;根据医院用能结构与负荷曲线形成医院综合能源站建设依据,通过清洁能源与新能源利用,改善医院能源结构。


4智慧医院能源管理系统


4.1 能源管理系统功能


智慧医院能源管理系统将医疗行业的“互联网+医疗"模式,充分结合医疗卫生主管部门与住建部关于绿色医院用能标准、医院用户需求以及能源管理部门要求,采集分析能源、能耗、能效数据,监测以电能质量、用电安全相关指标以及其他用能指标,并与国家能源政策与用能模式改革有机结合。跨学科、跨行业的科技与专业协作与新技术应用,奠定了未来“万物互联"的智能化医院后勤管理新模式。智慧医院能源管理系统目前包含能耗管理子系统、安全用电管理子系统以及若干与医院能源、能耗、能效相关子系统,如智能照明管理子系统、中央空调运行优化管理子系统等。


4.1.1能源管理系统功能能耗管理子系统。该系统通过能源分类分项计量与智慧端口应用,可以实现:(1)按照分类、分项原则,进行医院能源结构分析与能源账单分析。(2)通过分类分项能耗实时监测、趋势跟踪与对比,总结医院用能规律,提供用能负荷错峰管理依据,缩短异常能耗发现、定位与处理时间,减少能源浪费。(3)按照医院管理中信息、物资、设备、人员、资金等五大范畴,空间上七大功能区域以及流程与诊疗需要相适应的思路,在医院能源管理系统建设中,创新性应用医院能耗八大率概念,将床位数、住院率、总收入、人员比、设备量、投资额、均摊数以及建筑面积等与能源管理相结合[5],形成特色的医院能源管理考核指标。(4)利用科室排名、定额管理、超额告警等管理工具提升能源管理水平。


4.1.2 安全用电管理子系统。该系统提供电能质量、安全警示与应急联动功能,提高用电管理水平,促进医院采取有效手段改善电能质量、排查用电安全隐患,减少甚至杜绝因电能质量与安全用电隐患导致的设备效能降低、寿命削减以及电气火灾事故等。


4.1.3 智能照明管理子系统。该系统与新型LED节能灯相结合,提升照明质量,降低维护成本,提高综合效益,提升管理水平。瑞安市人民医院智能照明管理子系统针对不同应用场景设计了不同的智能照明管理策略,在改善现有照度基础上,能够合理管理灯具开关时间,减少能源浪费,降低灯具开关人力管理成本。门诊、住院、急诊等不同功能区域的照明控制策略设计时,综合考虑了自然光照、建筑采光、工作时间、人流量24小时分布特征等因素。门诊照明以时间管理为主;住院照明以时间管理为主,辅以感应控制;急诊照明则以光照度感应控制为主。


4.1.4 中央空调管理子系统。通过对中央空调系统的智能化改造,根据室内外温度、峰谷平电价、设备运行效率以及供回水温度等关键因子,通过模糊算法计算优冷热生产与供应策略,按需供冷,提高综合节能率。


4.2 能源管理系统应用分析


4.2.1 节能增效的基础。通过能源大数据分析,发现医院异常用能、低效用能、能源损耗、能源浪费等环节,形成针对性节能整改建议,达到提升能效、节能减排的效果。


4.2.2 安全用电。及时发现过压、过负荷、谐波、缺相、漏电、三相不平衡、线温过高以及功率因数低等电能质量与安全隐患,及时预警,为医院提供优质安全的用电环境。


4.2.3 分布式供能基础。清洁能源与新能源应用是医院能源结构优化的主要途径,冷热电三联供等分布式供能模式在大型公共建筑应用逐渐增多并成为重要供能方式。医院能源物联网系统积累的能源大数据为医院综合能源站建设提供能耗负荷分析。准确的用户负荷基线是决定分布式供能项目成败的关键因素,为医院分布式供能奠定基础。医院分布式综合能源站的建设还可以取代柴油机作为应急发电/储备电站,为医院提供用能保障,减少因柴油机维护带来的高额运行成本与柴油管理带来的安全隐患。


能源管理系统建设、综合供能与节能改造、安全用电服务等提供了现代能源整合服务模式下医院后勤管理的新思路。


5安科瑞AcrelEMS-MED医院能源管理平台


5.1平台概述


AcrelEMS-MED医院能源管理平台充分结合《医疗建筑电气设计规范》《绿色医院建筑评价标准》、《医院建筑能耗监管系统建设技术导则》等行业规范、根据医院用户需求以及能源管理部门要求,采集分析能源、能耗、能效数据,监测以电能质量、智慧用电相关指标以及其他用能指标,并与国家能源政策与用能模式改革结合。能够辅助医院后勤管理人员进行能源供应系统及设备的运行管理工作,帮助医院管理层实时掌握医院的能耗情况,为医院能源信息化建设和节能管理提供了良好的技术平台。


5.2平台组成


安科瑞医院能源管理系统建立基于云平台的“监、控、维"一体化的能源管理系统,从数据采集、设备控制、数据分析、异常预警、运维派单、系统架构和综合数据服务等方面的设计,帮助医院后勤管理部门了解医院能源运行情况,关注消防和电气安全,及时预警异常情况,提高运维效率。它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所运维云平台,配电房综合监控系统,能耗管理系统,智能照明控制系统,智慧消防平台,电气火灾监控系统,消防设备电源监控系统,防火门监控系统,消防应急照明和疏散指示系统,充电桩管理系统,电能质量治理解决方案,医疗隔离电源解决方案。


5.3平台拓扑图

5.4平台子系统


5.4.1医院电力监控解决方案


电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能,并与保护设备和远方控制中心及其他设备通信,实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患,快速排除故障,提高医院供电可靠性。


电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所,对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控,对0.4kV出线配置多功能计量仪表,用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。

5.4.2医院变电所运维云平台解决方案

AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力传感器、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术,通过智能网关采集现场数据并存储在本地,再定时向云平台推送数据。平台采集的数据包括变电所回路电气参数和变压器温度、环境温湿度、浸水、烟雾、视频、门禁等信息,有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到人员手机上,并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环,提高运维效率,即时发现运行缺陷并做消缺处理。

5.4.3医院配电房综合监控系统解决方案

Acrel-2000E配电室综合监控系统,可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控,可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制,优化动力环境,避免运行环境的失控导致配电设备运行故障,保证维护人员安全,延长设备使用寿命,实现配电动力环境的分布式远程管理。

5.4.4医院能耗管理系统解决方案


对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量,对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各科室建筑能耗经济指标及绩效考核指标,发现能源使用规律和能源浪费情况,提高人员主动节能的意识。


① 搭建医院智慧能源管理系统的基本框架,对各个用能环节进行实时监测;


② 排碳数据化:通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析(包括水、电、能量),实现低碳办公数据化;


③ 区域能效比:实现建筑单位内区域能耗对比,方便能耗考核;


④ 同期能效比:实现同年、同期、同一区域能耗对比,方便节能数据分析;


⑤ 能耗评估管理:按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标;


⑥ 能耗竞争排名:各个科室能耗对比,实现能耗排名,增强全院工作人员的节能意识;


⑦ 对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能,并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据;


⑧ 能耗数据采集,随时查询,并根据采集数据进行统计分析,监测异常能源用量,对能源智能仪表故障进行报警,提高系统信息化、自动化水平。

5.4.5医院智能照明控制系统解决方案


医院人流比较密集,科室较多,照明用电在医院电能消耗中约占到15%左右。所以合理使用照明控制系统,在提升医生和患者的体验情况下大程度使用自然光照明,通过感应控制做到人来灯亮,人走灯灭或保持地强度照明,尽量解决照明用电。


ASL1000智能照明控制系统可以实现场景控制、时间控制、区域控制、光照度感应控制以及红外感应控制等多种控制方式,能有效避免公共区域的照明浪费,还可以帮助医院管理照明。


系统在配电箱内的模块主要有总线电源、开关驱动器、IP网关、耦合器、干接点输入模块等。这些模块使用35mm标准导轨安装。


安装在控制现场的模块主要有光照度传感器、红外传感器和智能面板。有人经过可以设定红外感应控制亮灯,人离开后在设定的时间内熄灯,智能面板等手动控制设备,可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。

5.4.6医院智慧消防平台解决方案


智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术,将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络,并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位,实时动态采集消防信息,通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防,实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防,到火情报警,再到控制联动,在统一的系统大平台内运行,用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况,并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下,在几秒时间内,相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段,就迅速能够迅速通知到达相关人员。

5.4.7医院电气火灾监控系统解决方案


电气火灾监控系统作为火灾自动报警系统的预警子系统,由电气火灾监控主机、电气火灾监控单元、剩余电流式电气火灾探测器以及测温式电气火灾探测器组成,通过现场总线构成一套完整的预防电气火灾的监控系统,数据可集成至企业消控室监控系统。


  医院电气火灾监控系统以建筑为单位设置,采集数据后上传至值班室监控主机,实现对建筑电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度,异常时实时发出报警信号,关注门诊楼、住院楼、医技楼等区域漏电或者电缆发热等问题。

5.4.8医院消防设备电源监控系统解决方案


医院消防安全非常重要,消防设备比较多,消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常,保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。


消防设备电源监控监控系统采用消防二总线,以建筑为单位设置区域分机采集消防设备电源状态,区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息,以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。

5.4.9医院防火门监控系统解决方案


医院防火门数量比较多,由于部分区域经常有人走动,常开常闭防火门数量都不少,防火门监控系统的作用就是监测防火门开闭状态,在发生火灾后自动关闭常开防火门,防止烟雾扩散。防火门监控系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来,用于监测和控制防火门状态,当防火门发生异常位置信号时,防火门监控器能发出故障报警信号,指示故障报警部位并保存故障报警信息。发生火灾时,关闭事故区域所有常开防火门,防止烟雾向安全区域扩散。


5.4.10医院消防应急照明和疏散指示系统解决方案


医院人员流动性强,密度大,消防比较复杂,一旦发生火灾,疏散指示系统非常重要。消防应急照明和指示系统可以和火灾报警系统联动,提供应急照明和疏散路径指示,指引人群快速找到疏散出口,并可以一键选择疏散应急预案,提升人员逃生概率。

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5.4.11医院有源谐波治理系统解决方案


都是谐波源,比如X光机、CT机等都会产生大量谐波,谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于医院的精密化验设备可能会产生干扰。


为了消除配电系统谐波对医院设备的影响,方案配置AnSinI有源滤波器,滤除电网2~31次谐波干扰。


AnSinI系列有源电力滤波装置,以并联方式接入电网,通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM变流技术,从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统,从而实现谐波治理和无功补偿。

5.4.12医院充电桩系统解决方案


医院停车场有电动汽车和电动自行车,均需要提供充电桩。充电桩管理系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,解决物业、用电管理部门的充电桩使用、监控问题。电动自行车充电可采用投币、扫码充电方式,电动汽车支持IC卡和扫码充电方式。远程充电桩系统可实时远程完成启动充电、强制停止、单价设置等控制指令,用户可通过APP、微信、支付宝小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;能够远程控制,提供财务报表和数据分析等功能。

5.4.13医院医疗隔离电源解决方案


《民用建筑电气设计规范》14.7.6.3条明确规定:在电源突然中断后,重大医疗危险的场所,应采用电力系统不接地(IT系统)的供电方式。同时《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002中规定:2类医疗场所在维持患者生命,外科手术和其他位于患者周围的电气装置均应采用医用IT系统。如:抢救室(门诊手术室)、手术室、心脏监控治疗室、导管介入室、血管照影检查室等。


安科瑞电气股份有限公司的医疗隔离电源解决方案是针对医疗Ⅱ类场所的供电需求而开发设计的,能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求,并符合国家相关标准。

5.5相关平台部署硬件选型清单

5.5.1电力监控系统硬件配置

5.5.2变电所运维云平台硬件配置

5.5.3电房综合监控系统硬件配置方案

5.5.4能耗管理系统硬件配置方案

5.5.5智能照明控制系统硬件配置方案

5.5.6智慧消防平台硬件配置方案

5.5.7电气火灾监控系统硬件配置方案

5.5.8消防设备电源监控系统硬件配置方案

5.5.9防火门监控系统硬件配置方案

5.5.10消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案

5.5.11有源谐波治理系统硬件配置方案

5.5.12充电桩运营收费平台硬件配置方案

5.5.13医疗隔离电源解决方案硬件配置方案

6结束语


基于能源物联网的医院智慧能源管理系统建设可以优化医院能源结构、降低能耗、提升能效,进而提升医院用能管理水平,可以改善大型综合性医院在现有能源供应紧张、价格大幅上涨的大环境下的能源费用支出持续上升状况,加强用能安全、改善医疗环境,在能源费用降低的同时促进医院利润增长。


在能源物联网建设的基础上,发展医院建筑物联网和设备物联网建设,对医院各类基础设施资源管理系统及其空间数据、属性数据与业务数据统一管理,实现基于BIM的资产与设备运维全生命周期管理,使运维管理更加及时、有效、直观和智能,为医院的资源规划及科学调度提供可靠依据。基于医院能源物联网、建筑物联网以及设备物联网的医院后勤一体化综合运营保障体系建设是未来医院后勤管理的发展方向。