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楼宇自控系统在医院建筑的应用
发布时间:2017-04-20 浏览次数:

本文以某医院的楼控设计方案为例,针对医院建筑的特点,阐述了其楼宇自控系统的方案设计、系统配置、系统功能及运行的经济及节能分析。

  概述

某医院门、急诊及病房楼由地下一层、地上十三层构成,建筑物总高度为 49.45m,总建筑面积为42868.3m2,其中地上建筑面积 39745.5m2,地下建筑面积 3122.8m2。整个建筑按楼层和东西部划分功能区域,其中地上 1~5 层为门、急诊各科室,手术室,ICU 病房及医院办公区域,6~13 层为普通及干部病房。

医院建筑的使用特点与一般的大楼有很多不同之处,本项目的使用特点为时间性强、人员流动率高,因此应根据人员流量,门、急诊时间及诊室分布等情况来调节相应机电设备的启停。

医院大楼内根据功能不同分为公共区、手术区、病房区、洁净区等,不同区域的空气流向应分开,以防止交叉感染,因此应对空调、通风系统分区域设计 ;楼宇自控系统也应分区控制以满足医患对楼内温度、湿度、通风等环境条件的要求,降低患者因空气不洁而被感染的几率,缩短治疗周期,提高治愈率。

此外,楼宇自控系统平台还可实现与消防报警系统、智能照明系统、安防系统、停车场管理系统等的接口的连接和联动。

  设计思路

本项目的楼宇自控系统设计主要遵循舒适、节能、安全可靠、开放、高效的设计原则:

◆ 根据季节、人员和空气流动情况的变化,对空调通风系统进行高精度的控制和调节,从而提供舒适的温度、湿度,满足使用需求 ;

◆ 在满足舒适性的前提下,通过合理组织设备运行,自动高效地控制设备能耗,能够降低运行成本和设备管理成本,提高管理效率 ;

◆ 通过对机电设备的实时检测、异常报警和及时处理,使大楼具备预防机电设备突发故障的有效方法,以确保设备和财产安全;

◆ 系统结构是开放式的,支持 BACnetLonWorks  RS485 等总线方式,便于今后接入其他系统 ;

  ◆ 通过对设备运行状况的监测、诊断和记录,及早发现和排除故障,及时发出维护和保养通知,保证设备始终以良好的状态工作,可靠运行。

  系统结构

在本工程中,楼宇自控系统可实现对冷热源系统、空调及送排风系统、变配电设备,以及照明、给排水、医疗气体监视和电梯等系统的自动监测或控制,并同时收集、记录、保存及管理有关系统的重要信息及数据。

(1)管理网(MLN)

系统的图形工作站可以进入以太网进行数据管理,实现区域性数据联网,提高管理水平。

(2)自控网(ALN)

每台现场控制器 DDC 可以通过 Peer to Peer 网络(同层总线共享无主从方式)连接多达100ALN控制器,速率可达到115.2kbps

(3)楼层网(FLN)

每台模块化可编程控制器的 LAN 网可连接多达 216 个独立式或非独立式单元控制模块(PXMTX-IO ),为系统扩展及组建大型集散系统提供方便。

  系统监控内容

本项目楼宇自控系统的监控对象包括 :冷源系统、热交换系统、空调机组、新风机组、送排风系统、给排水系统、医疗气体监视系统、风机盘管、照明系统。通过集成方式实现监控的系统包括 :冷水机组、电梯系统、变配电系统、柴油发电系统、智能照明系统、安防系统(监控、报警及出入口控制系统)、停车场管理系统。

  系统软件功能

(1)控制软件

网络控制器及直接数字式控制器能实现的标准及完备的控制模式包括 :两态控制、比例控制、比例加积分控制、比例加微积分控制、控制回路的自动调节。

(2)节能软件

可在系统内自动运作而不需要操作人员介入的软件程序包括 :每日 / 每年的预定时间表、假期的安排表、临时操控安排表、最佳启 / 停控制、夜间设定点自动调节控制、焓值切换、用电量高峰期的限制、温度设定点的重置、制冷机的组合及次序控制。

(3)报警管理

报警的管理包括监察、缓冲、储存及将报警显示在操作站上。所有的报警均应显示相关报警监控点的详细资料,包括报警发生的时间及日期。报警应根据严重性分级,以便更有效及快速地处理严重的报警。用户可以自行设定不同的报警严重性级别。

(4)监控点历史纪录及动态趋势记录

①监控点历史记录

楼宇自控系统内所有监控点的历史都自动存放在相关的网络控制器内。模拟量输入监控点应该每半小时取样本一次,过去 24 小时的记录应随时可以被用户提出来分析研究。

②动态趋势记录

用户可根据需要将动向趋势软件应用在系统内任何的监控点,并可自行选择抽取样本的时间(一分钟一次至两小时一次可选)。每个网络控制器最少可以储存 5000 个样本资料。

(5)累积记录

每个网络控制器均可进行下列累积记录 

◆ 运行累积记录,如水泵的运行累积时间记录 ;

◆ 模拟量及脉冲累积记录,如用电量记录 ;

◆ 发生事项的累积记录,如水泵、风机启 / 停累积次数记录。

若累积值超过用户所定下的限额,系统将自动把用户指定的警告信息发放出来。page

  系统采取的节能措施及效果

本项目选用的楼宇自控系统具有良好的节能管理功能,系统正常运行后带来了显著的节能效益 :能源得到了充分合理的使用,不必要能源消耗得到削减,能源费以最经济的方式开支,实现了 15%~20% 的能源节约。

本项目主要通过以下三个方面实现节能 

◆ 操作和管理成本的有效控制 ;

◆ 能源的获取和使用的管理,即根据本地区电力部门所采用的峰值和非峰值不同计费方式的政策,在用电期内对机电设备的耗电情况进行判断,适时完成对超额用电设备的卸载,以避免在用电峰值阶段承担高额的电费 ;

◆ 其他一系列降低能源消耗的措施和方法。

(1)照明系统的节能控制

照明系统能耗很大,在本项目中照明系统的耗电量约占总用电量的 30%,仅次于冷冻站及空调系统的耗电量(40%)。楼宇自控系统通过事先在操作站的日历上确定程序,并配以相应的传感器,区分工作非工作有人无人时间,用程序设定相应回路的开 / 关灯时间。

本项目对所有公共区域的照明进行控制。经过 3 个月的试运行,医院管理方提供的统计数据显示,照明系统的用电量比未采用BAS时减少了30% 以上,取得了非常可观的经济效益。

(2)空调与冷热源系统的节能控制

空调与冷热源的能耗在本项目能耗中占比最大,针对其采取的具体节能措施如下 

◆ 缩短冷冻机等冷热源设备的运行时间,减少、降低运行台数与输出功率,避免出现设备无功运行的情况,使冷热源系统处于最佳节能运行状态 ;

◆ 在空气处理过程中,避免冷热量相互抵消 ;采用变新回风的方法,最大限度利用新风 ;

◆ 利用变风量与变水量等控制技术,实现水泵与风机的最佳状态点控制和最佳启停时间控制,降低能耗 ;

◆ 对非连续工作的空调对象,通过工作与非工作时间的设定值和控制目标值的自动调整实现节能控制 ;

◆ 利用采用自适应控制与模糊控制等原理的高级控制软件实现室内温湿度设定值的自动调整,提高控制精度,以达到节能的目的。

(3)室内温度浮动(新风补偿)控制

采用室外新风温度补偿调节策略,随着室外空气温度的变化,适当提高夏季室内空气温度和降低冬季的室内空气温度,为室内提供健康、舒适的动态热环境,同时为空调制冷系统带来显著的节能效果。

(4)空调系统与冷冻站联机节能优化控制

本项目空调制冷设备的容量配置是按最大负荷需求选择的。然而设备一年中处于最大负荷状态下的时间是很少的,当空调负荷变小时,冷水机组应随之进行调节,才能既满足空调需求又降低运行能耗。

将空调机组与冷冻站结合起来考虑其联机运行节能方案,为冷冻站提供量调节和质调节综合节能控制方案。

  针对医院特殊需求的控制措施

(1)不同区域的分区控制

本项目的公共区、手术区、病房区、洁净区,以及同一楼层的南、北区对空调系统的需求各不相同,本项目的空调系统采用了按楼层分南区、北区控制的模式,不但满足了各区域对空调的要求,还实现了节能。

本项目共有 8 个手术室,各手术室对温湿度及空气洁净度有严格的要求,且使用率高,因此采取了单独设置手术室洁净空调系统,即手术室洁净空调系统与公共区、病房区的空调系统分开设置的模式。

为了使各手术室始终处于受控状态,本项目设置了值班风机,对处于非工作状态的手术室仅开启值班风机以维持手术室的压力梯度。在这种形式的系统下可以方便地调节各个房间的温湿度,且不同压力级别的设置相互间不会产生影响,可以很好地实现对各手术室的压力控制。

洁净空调系统除了监测常规空调机组的相关状态和对空调机组进行控制外,还应对新风初效过滤器堵塞报警、中效过滤器堵塞报警、高效过滤器堵塞报警、手术室温湿度、手术室微正压情况进行实时监测,并在出现报警时及时处理。

(2)病房区特殊温湿度要求及相应解决方案

项目调试过程中,笔者在和院方的交流中了解到,合适的空调对于治疗和调养有促进作用,甚至在一些场合是重要的治疗方法,然而不同的患者对于空调的要求往往差异很大。

由于各种病房对温度要求的区别较大,并且病人对环境的要求也不一样 ;笔者在对病房空调控制进行设计的时候,根据实际使用情况对空调进行了分区,在使用功能相近的区域采用闭环控制算法,满足区域内普通病人的需要,而对有特殊需要的病人,则利用室内的加热或局部加湿等手段满足其需要。

(3)空气过滤措施

本项目采用了 3 级空气过滤,即初效、中效和高效过滤。

由于细菌不能够独立存活,必须依附在较大的浮游颗粒上,因此对这些载有微生物的粒子进行过滤就可以达到除去细菌的目的。使用过滤器过滤空气就是除去这些细菌最为经济和有效的方法。

(4)手术室的正压控制措施

在本项目中,为了维持手术室的无菌状态,需要在手术室控制设计中考虑正压问题。在本项目的调试过程中,正压的作用体现在以下三个方面 

◆ 在门窗关闭的情况下,防止洁净室外的污染由缝隙渗入到洁净室内 ;

◆ 在门开启的瞬间保证有足够的气流向外流动,减少门开启或人进入瞬间的干扰气流 ;

◆ 保证洁净区域内气流流向的合理、有序与气流流量的充足。

本项目在调试和试运行过程中,将缓冲间与负压隔离病房的最小静压差设定为 8Pa,病室与卫生间的最小静压差设定为 4Pa,医务人员工作走廊与缓冲间及清洁区与半污染区之间的最小静压差设定为 4Pa,得到了比较好的效果,同时也得到了院方的认可。

  结束语

本项目楼宇自控系统对楼内的机电设备及医用气体监测系统等进行分散控制和集中监视、管理,实现了控制、监测和管理的一体化,从而提供了一个舒适、安全的生活和工作环境 ;通过优化控制提高了管理水平,达到了节约能源和人工成本的目的,并方便地实现了物业管理自动化。楼宇自控系统经过 3 个月的试运行,达到了满足医院特殊需求、实现系统节能、实现物业管理现代化的目标。

(1)满足了医院的特殊需求

本项目的楼宇自控系统满足了医院的特殊需求,保证了楼内环境满足各种功能分区的要求。系统通过对楼内冷热源、空调系统的分区控制,温、湿度的自动调节,对新风量的控制,以及对供排水、照明等的合理设计,保证楼中各个区域的环境和功能满足要求 ;根据治疗、康复等要求设定环境参数,根据医院医疗活动的日程安排自动设定设备控制策略,使设备运行数量与环境控制要求相匹配。

(2)实现了系统节能

根据为本项目设计的最佳能源供应方案,系统采取了优化运行方式,实现了节能运营,从而降低了运行费用。

(3)实现了物业管理现代化

楼宇自控系统实现了现代化的物业管理,包括管理功能、显示功能、设备操作功能、实时控制功能、统计分析功能及故障诊断功能等,降低了人工管理成本,延长了设备的使用寿命。

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