王 永 軍

(山東省建筑設計研究院有限公司,山東 濟南 250001)

0 引 言

醫(yī)院建筑是綜合性極強的建筑,通常包括病房、門診、醫(yī)技、急診等各個部分。一般綜合型醫(yī)院包括十幾個科室,每個科室設備又不完全一樣,醫(yī)療工藝差別甚大,對電氣節(jié)能有不同的設計要求。醫(yī)院的冷、熱、電負荷、生活用水等負荷需求大,從近幾年工程實際運行能耗進行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)醫(yī)院的電能消耗、新風送排風系統(tǒng)耗能比其他民用建筑耗能要大得多[1-2]。因此根據(jù)醫(yī)院建筑的能耗特點,從電力監(jiān)控系統(tǒng)、設備節(jié)能控制、能耗監(jiān)測等方面對電氣節(jié)能設計進行分析,并采取必要的節(jié)能措施。

1 醫(yī)院建筑電力監(jiān)控系統(tǒng)

隨著電網(wǎng)技術的不斷成熟,變配電所向著集成化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展,電力監(jiān)控技術在變配電站上得到廣泛應用。

1.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)的配置及功能

1.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)結構配置

某項目采用電力監(jiān)控技術對變配電所進行管理,監(jiān)控主機位于病房樓10 kV開關站內(nèi)。通信管理機和通信屏安裝在分變電所內(nèi),每個分變電所均設置監(jiān)控后臺。管理機與站內(nèi)微機綜合保護、變壓器溫度控制儀、多功能智能儀表、直流屏等設備進行通信聯(lián)絡,將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心內(nèi)的監(jiān)控主機,分析、采集、處理各類數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,發(fā)布執(zhí)行命令。

電力監(jiān)控系統(tǒng)由站控層、通信管理層和間隔層3部分組成。站控層集中管理變配電站內(nèi)各種設備;分析、采集、處理現(xiàn)場數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,發(fā)布執(zhí)行命令。通信管理層監(jiān)控子站內(nèi)通過通信管理機采集系統(tǒng)內(nèi)各個智能設備的數(shù)據(jù)。通信管理機分別與上、下一級監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊,且采集站內(nèi)微機綜合保護、直流屏、多功能儀表、變壓器溫度控制儀數(shù)據(jù)等上傳監(jiān)控主機。微機綜合保護、智能多功能儀表、變壓器溫度控制儀、直流屏等組成監(jiān)控系統(tǒng)間隔層,利用RS-485通信接口,采用屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸導線,實現(xiàn)上、下一級數(shù)據(jù)通信傳輸[3-4]。

1.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能。

(1)數(shù)據(jù)采集和管理功能。監(jiān)控系統(tǒng)利用RS-485通信接口進行通信,隨時和定時采集系統(tǒng)內(nèi)的模擬量、開關量、脈沖量的數(shù)據(jù),保證測量的數(shù)據(jù)準確性、可靠型和及時性。

(2)運行管理功能。系統(tǒng)能夠準確地監(jiān)視電網(wǎng)的各個運行時段的運行狀態(tài),管理人員不僅能夠獲取設備的狀況,是否存在設備故障,進而分析、判斷故障原因,為設備維護提供幫助。同時為醫(yī)院各個科室管理人員提供必要的數(shù)據(jù),為制定決策提供幫助。

(3)系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)處理功能、安全保護功能、圖形顯示功能、自診斷功能,對系統(tǒng)存在的問題能夠及時處理。

1.2 變配電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

(1)集中式監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測功能:對高壓配電系統(tǒng)監(jiān)測功能,包括電壓、相電流、頻率、功率因數(shù)、功率、斷路器狀態(tài)信號、電能、彈簧儲能狀態(tài)信號;可檢測低壓配電系統(tǒng)的參數(shù)和信號,包括進線柜、聯(lián)絡柜以及所有萬能式斷路器饋出回路的三相電壓、電流等;無功補償柜,其他饋出回路電流;無功補償柜接觸器通/斷狀態(tài)信號。

(2)對變壓器的監(jiān)測:可檢測變壓器的溫度信號、超溫報警信號。

(3)對直流屏的監(jiān)測,包括電源電壓、電流,合閘電源電壓、電流,控制電源電壓、電流,充電機運行狀態(tài)/故障報警信號。

(4)對發(fā)電機應急電源系統(tǒng)的監(jiān)測:可檢測發(fā)電機應急電源系統(tǒng)的進線以及饋出回路的三相電壓、三相電流等;發(fā)電機應急電源系統(tǒng)的所有斷路器運行、故障脫扣狀態(tài)信號。

1.3 監(jiān)控微機保護的配置及功能

1.3.1 10 kV進線、母聯(lián)保護

每回進線配置一臺微機綜合保護裝置,實現(xiàn)以下功能。

(1)保護功能,系統(tǒng)具有過流、速斷欠壓、過壓、接地故障等保護功能。

(2)監(jiān)控功能,能夠實現(xiàn)高壓開關柜手車、彈簀儲能等信號狀態(tài)的監(jiān)控功能,監(jiān)控事故、預告信號報警。

(3)測量功能,系統(tǒng)具有三相及單相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能計量、頻率及諧波等測量功能。

1.3.2 10 kV變壓器、電容柜、PT柜饋線保護

出線回路設置微機綜合保護裝置,實現(xiàn)以下功能。

(1)保護功能,系統(tǒng)具有過流、速斷欠壓、過壓、接地故障、變壓器及溫度保護等功能。

(2)監(jiān)控功能,能夠實現(xiàn)高壓開關柜手車、彈簀儲能等信號狀態(tài)的監(jiān)控功能,監(jiān)控事故,預告信號報警。

(3)測量功能,系統(tǒng)具有三相及單相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能計量、頻率及諧波等測量功能。

1.3.3 與其他系統(tǒng)接口

系統(tǒng)能夠提供標準的通信協(xié)議,與其他監(jiān)控系統(tǒng)進行通信,采用多種通信介質和通信接口。同時系統(tǒng)還具有網(wǎng)絡擴展功能。在保持監(jiān)控界面不變的前提下,只增加有關的硬件、監(jiān)控計算機站點、新的監(jiān)控界面即可實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展。

綜上所述,通過運用電力監(jiān)控系統(tǒng)和智能型多功能儀表,能夠準確分析系統(tǒng)內(nèi)的各項功能、數(shù)據(jù)和性能指標,達到節(jié)約能源的目的。

2 醫(yī)院建筑設備節(jié)能控制

2.1 制冷機房系統(tǒng)設計

醫(yī)院建筑制冷系統(tǒng)將整個空調(diào)系統(tǒng)制冷機組、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔、熱水循環(huán)泵等設備通過網(wǎng)絡設備連成一體系統(tǒng),并根據(jù)不同工藝設備,采用不同的網(wǎng)絡化專用節(jié)能控制器,形成“網(wǎng)絡化強弱電一體”節(jié)能控制管理系統(tǒng)。

通過網(wǎng)絡化節(jié)能控制器通信接口,方便、靈活的遠程節(jié)能控制空調(diào)設備同時可與樓控BA系統(tǒng)或其他智能化系統(tǒng)進行通信,實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)精細化節(jié)能控制。

2.2 智能控制器控制原理

(1)冷水機組。通過對空調(diào)系統(tǒng)冷凍水供、回水溫度、壓力、流量以及環(huán)境溫/濕度的采集,智能控制器計算空調(diào)實際負荷,從而確定冷凍機組啟停臺數(shù)。當空調(diào)負荷超出機組負荷時,啟動另一合機組;當空調(diào)負荷低于機組負荷時,自動關閉另一臺機組。當空調(diào)主機處于關閉狀態(tài)時,主機供水閥門自動關閉。

(2)冷凍水循環(huán)泵。當溫度、制冷負荷改變時,各回路供回水溫度、溫差、壓差和流量也要變化。智能控制器對實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)進行采集、分析。計算出負荷末端的制冷量,以及各供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值?？刂破饕源苏{(diào)節(jié)冷凍循環(huán)泵的輸出功率,改變其流量,使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行參數(shù)始終處于最優(yōu)值。

(3)冷卻水循環(huán)泵。智能控制器通過對實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)采集,計算出主機最佳熱轉換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度,調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔風機的輸出功率,對冷卻水的流量和冷卻塔風機的風量實時動態(tài)調(diào)節(jié),使冷卻水的進、出口溫度達到智能控制器給出的計算值,從而保證中央空調(diào)冷凍主機在最佳轉換率狀態(tài)下運行。

(4)冷卻塔風機。通過冷卻塔風機對系統(tǒng)內(nèi)的冷卻供、回水溫度的采集,與設定值比較,決定冷卻塔風機的運行臺數(shù)。同時自動調(diào)節(jié)冷卻塔風機的風量。當冷卻水回水溫度超出冷卻塔設置值時,啟動另一臺冷卻塔風機;當冷卻水回水溫度低于冷卻塔控制設置的啟停溫度時,關閉另一臺冷卻塔風機。當冷卻塔風機停止運行時,相應的旁路電動調(diào)節(jié)閥關閉,同時對流入冷卻塔的水量進行控制。

2.3 空調(diào)機組系統(tǒng)設計

空調(diào)機組包含新風機及空調(diào)風機,其智能控制箱內(nèi)置智能控制器。采集現(xiàn)場管路上的送、回風溫、濕度,室外環(huán)境溫、濕度及室內(nèi)CO2濃度,與設定值進行比較,通過控制風機及電動調(diào)節(jié)閥,控制室內(nèi)的溫度、濕度。

2.3.1 新風機系統(tǒng)控制

(1)工作原理:具有節(jié)能程控功能的智能控制模塊,根據(jù)采集到的CO2濃度,與系統(tǒng)控制模塊設定值比較。當CO2濃度高于設定值時,開啟新風機對室內(nèi)進行換新風,同時根據(jù)實際溫/濕度值,動態(tài)調(diào)節(jié)風機送風量,使送風溫度和濕度保持在需要的范圍內(nèi)。

(2)連鎖及保護:新風機停止運行,風閥、電動調(diào)節(jié)閥同時關閉,送風機啟動,風閥、電動調(diào)節(jié)閥同時打開,過濾器兩側安裝有壓差傳感器,當壓差值高于設定值時發(fā)出報警。新風機箱內(nèi)設有防凍開關,在冬季溫度低于設定值時報警并關閉新風閥,停止風機運行。

(3)溫/濕度調(diào)節(jié):送風溫度自動控制,控制水量調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)水量閥的開度保證送風溫度為設定值;自動檢測室內(nèi)濕度,當濕度過低時自動開啟加濕器進行加濕,當濕度過高時自動進行除濕工作。

2.3.2 組合式空調(diào)機組系統(tǒng)控制工作原理

具有節(jié)能程序控制功能的智能控制模塊根據(jù)變送器所檢測的溫度、濕度與控制器上的設定值比較,冷、熱水閥的動作是根據(jù)比較結果結合所檢測的溫/濕度輸出相應電壓信號進行控制。根據(jù)采集到的室內(nèi)CO2濃度與設定值進行比,當實際值大于設定值時,新風閥開度開大,回風閥相應開度減小;反之新風閥開度減小,回風閥相應開度開大。

2.4 風機盤管系統(tǒng)節(jié)能設計

末端房間內(nèi)配置室內(nèi)空調(diào)控制器,根據(jù)采集的空調(diào)室內(nèi)溫度、調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)、室外濕度、室內(nèi)人員情況等因素,進行智能優(yōu)化來控制調(diào)節(jié)閥的開度和風機的轉速來實現(xiàn)溫度控制。

當房間無人時,風機盤管低速運行;當檢測到人員進入房間時,自動開啟風機盤管,實現(xiàn)人性化管理。室內(nèi)空調(diào)控制器可以安裝在房間任何合適方便的位置,由通信總線控制。

2.5 車庫CO風機智能管理系統(tǒng)

送(排)風機由車庫CO風機控制器控制,車庫CO風機控制器裝在車庫CO風機控制箱內(nèi),可遠程啟停送、排風機。誘導風機由車庫CO采集控制器控制,自動模式時,車庫CO采集控制器根據(jù)檢測到的CO濃度發(fā)出控制命令,自動啟停風機;手動模式時,可以手動啟停風機。車庫CO采集控制器通過有線或無線方式與主控制器連接,當車庫CO風機控制器監(jiān)測車庫CO采集控制器啟動誘導風機超過設定時間,CO濃度仍未達標,開啟送、排風機。車庫CO風機控制器與上位機進行連接,可遠程啟停風機,具有運行模式設定、參數(shù)修改等功能?？稍O定送(排)風機的工作時間,定時補充新風。當控制器檢測到環(huán)境溫度過高,自動停止誘導風機運行。當控制器檢測到區(qū)域內(nèi)CO濃度超標,自動發(fā)出聲光報警。

2.6 環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)

室內(nèi)綜合數(shù)據(jù)探測器,室外環(huán)境探測器用于智能檢測室內(nèi)、外空氣綜合指數(shù)的檢測。室內(nèi)環(huán)境探測器可以實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括PM2.5、PM10、CO、CO2、溫/濕度、甲醛;室外環(huán)境探測器可以實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風速、風向、燥聲、光照、PM2.5,可以在小型氣象站顯示屏上顯示所有參數(shù)。環(huán)境數(shù)據(jù)探測器具備聯(lián)網(wǎng)接口,可通過手機APP藍牙連接檢測模塊讀取實時數(shù)據(jù)。

通過對以上建筑設備智能控制,可以有效降低能耗,各子系統(tǒng)均可以自成一套獨立系統(tǒng),也可以共用一套監(jiān)控計算機管理系統(tǒng)。

3 醫(yī)院建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)

醫(yī)院建筑能耗與其他建筑相比,具有能耗高、持續(xù)能耗長特點。醫(yī)院建筑消耗的能源主要有燃氣、電、水、燃料、供熱、供冷和可再生能源等幾大類型。其中電能耗包括照明、插座、采暖空調(diào)、動力用電和其他特除用電設備等。

3.1 醫(yī)院能耗監(jiān)測設計策略

3.1.1 醫(yī)院的設計安全性和可行性

(1)照明、插座、動力、空調(diào)和其他特殊設備用電四個用電分項計量。

(2)冷凍泵、冷卻泵、冷凍機組、冷卻塔、熱水循環(huán)泵、電鍋爐、大醫(yī)療設備和其他設備的計量。

(3)實現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)和建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)接口共享。

3.1.2 醫(yī)院的設計規(guī)劃性和全面性

作為醫(yī)院智能化大平臺的子系統(tǒng)應明確能耗核算單元劃分和考核原則,合理細化智能化系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和計量方式。

3.2 用電分項計量關鍵點

3.2.1 照明插座用電

醫(yī)院醫(yī)療場所的插座用電原則上屬于醫(yī)療動力范疇,因此照明和插座宜分開計量,將插座歸類動力(醫(yī)療動力)分項。公共區(qū)域照明用電是指醫(yī)院急診大廳、門診大廳、住院大廳、醫(yī)療街和公共走廊等公共區(qū)域的照明;室外照明是指醫(yī)院景觀、庭院和道路的照明。

3.2.2 空調(diào)用電

醫(yī)院的空調(diào)用電包括冷熱站(冷熱源系統(tǒng))、空調(diào)末端、凈化系統(tǒng)和大型獨立空調(diào)4個分項。冷熱站用電設備主要指冷水機組及冷、熱循環(huán)泵等。空調(diào)末端包括空氣處理機、送排風機、新風(換氣)機、分體空調(diào)和風機盤管等。若風機盤管不能單獨計量時,也可歸類在照明和插座子項中。凈化系統(tǒng)指凈化空調(diào)機組、凈化新風、排風機組等。

3.2.3 動力用電

醫(yī)院的動力用電包含醫(yī)療動力、電梯、水泵和風機用電4個分項。醫(yī)療動力是指診斷、治療和輔助類醫(yī)療設備,包括X射線診斷、超聲設備、功能檢查、檢驗設備、核醫(yī)學設備、放射治療設備、透析治療設備、急救設備、高壓氧艙、消毒滅菌設備、中心吸引及供氧系統(tǒng)等設備。

3.2.4 特殊區(qū)域用電

醫(yī)院的特殊區(qū)域用電指數(shù)據(jù)中心、洗衣房、廚房和污水處理站等用電?；谏鲜?個用電分項的準確采集,通過能耗監(jiān)測系統(tǒng),達到節(jié)約能源的目的。

3.2.5 大型醫(yī)療設備系統(tǒng)化節(jié)能

大型醫(yī)療設備系統(tǒng)化用電為設備本身用電和其環(huán)境空調(diào)用電之和。醫(yī)院大型醫(yī)療設備配置率較高的為醫(yī)用核磁共振成像設備、X線電子計算機斷層掃描裝置(CT)、數(shù)字減影血管造影X線機(DSA)這三類大型醫(yī)療設備,設備本身用電量不到總用電量的5%,但其使用效率普遍較高。

大型醫(yī)療設備節(jié)能關鍵是系統(tǒng)化節(jié)能意識,使設備和環(huán)境空調(diào)之間形成溫/濕度的耦合,實現(xiàn)同步運行,提升空調(diào)節(jié)能能力。

3.3 能耗數(shù)據(jù)梳理和核算

為了使能耗數(shù)據(jù)準確,在各分類分項能耗完成采集后,進行數(shù)據(jù)采集完整性和準確性的校驗。核算醫(yī)院總能耗,需核算4個用電分項能耗數(shù)據(jù)之和與變配電所計量表數(shù)值的匹配度。醫(yī)院用電總能耗包括照明插座、動力用電、特殊區(qū)域用電和空調(diào)用電和,其采集的總能耗數(shù)值應與變配電多功能表進行對比,并保持一致。實際工程選計量表須兼容,從電流、電壓、計費、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波等方面相匹配。

綜上,醫(yī)院能耗監(jiān)測系統(tǒng)能提高醫(yī)院管理水平,是對能耗數(shù)據(jù)收集和整理分析的必備手段。

4 結 語

通過對各種用電設備的運行數(shù)據(jù)分析,結合醫(yī)院各個部門的能耗指標,將節(jié)能理念和措施充分發(fā)揮作用。本文在醫(yī)院建筑電氣設計中具體從電力監(jiān)測系統(tǒng)、設備節(jié)能控制、能耗監(jiān)測系統(tǒng)方面將節(jié)能理念和措施有機結合,大大降低醫(yī)院的日常能耗,延長各設備的使用壽命,提高醫(yī)院的經(jīng)濟效益和管理水平。