【专栏】基于能耗监管平台数据的医院建筑双指标评价体系研究
医院作为公共机构中一种特殊的建筑类型，由于在运行模式与服务对象方面的特殊性，具有能源消耗大、对环境品质要求高的特点。医院建筑的人员密集、用能设备多、用能时间长等原因导致医院建筑能耗处于各类公共建筑能耗的前列，是一般公共建筑的1.6～2倍。据预测，到2020年我国城市化率将达到60%左右，届时对公共设施的需求尤其是医疗卫生的需求更大。但目前绝大多数医院很难准确地得到电、气、水等能耗的分项分类监测和计量结果，致使各专业主管部门在制订节能降耗目标、编制相关工作计划时缺乏有效的建筑能耗数据支撑。因此，我国各级医院管理部门都在大力推动医院能耗监管平台的建设，实现医院能耗的精细化管理。2014年5月，原国家卫生和计划生育委员会与住房和城乡建设部联合启动了全国医院建筑能耗监管系统建设试点工作，并下发了《医院建筑能耗监管系统建设技术导则（试行）》，为医院建立能耗监管平台、实施能耗精细化管理提供了依据。
目前，原国家卫生和计划生育委员会直属的44家医院已完成了医院能耗监管平台的建立，各医院能耗监管平台可实现对医院的二级、三级能耗计量，已具备能耗监测的功能。随着能耗数据的不断累积，能耗数据如何使用、如何通过监测数据建立起能耗指标体系并推动能耗精细化管理和医院节能改造成为医院能耗监管平台使用的重要难题。本文将针对医院能耗监管平台数据的应用及医院门诊建筑能耗指标的建立进行研究。
1.1 医院能耗监管平台功能
目前，我国医院能耗监管平台建设的主要依据为《医院建筑能耗监管系统建设技术导则（试行）》，该平台主要用于对医院建筑设施能耗的计量、数据分析、数据统计、节能分析及节能指标管理，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额等制度，促使医院提高节能运行管理水平，提高资源利用效率。
1.2 医院能耗监管平台数据的使用
医院能耗监管平台收集到的数据量庞大，需要对其进行各种处理才能使其充分发挥作用。对数据进行相应处理后，不仅能够直观地描述医院的用能情况，还可以让院方发现问题。但目前我国医院能耗监管平台在数据使用上还仅仅停留在能耗同比、环比，计算单位面积能耗、单位人员能耗等最基本的应用层面上，未对能耗监测数据进行深入的挖掘。
对数据的深层次分析是一项专业性较强的工作，同样的数据，不同的人会从不同的角度得出不同的结论。数据分析的专业性、深度，决定了院方能否准确地发现隐藏在数据后面的各种问题。但是，一些医院能耗监管系统的数据并未被充分利用，也是一种浪费。
2.1 我国医院常用能耗指标
在我国建筑用能评价方面，目前的研究对象主要是针对建筑总能耗或整个建筑的各种分项能耗，评价主要有2类：一类是通过与建筑自身历史能耗数据相对比，从而判定当前用能情况是否正常；另一类是与样本建筑用能情况相比较，从而对建筑用能进行评价。针对医院建筑，由于其影响能耗的参数较多，因此，医院能耗指标有以下几种：
1）单位建筑面积能耗（总能耗/总建筑面积）；
2）单位床位能耗（总能耗/实际开放床位数）；
3）单位业务量能耗（总能耗/综合业务量，其中综合业务量＝住院床日数+门急诊人次/3）；
4）单位GDP能耗（总能耗/总收入）。
从能耗指标来看，我国医院能耗指标目前还只停留在单位能耗指标上，通过同比和环比的方式判断能源利用情况。该指标体系只能简单了解医院建筑能耗情况，无法对能耗情况进行深入分析和研究。
2.2 国外医院能耗评价指标
目前，国外针对医院能耗的评价体系也在研究中，且几乎无一例外地重视定量评价和支撑计算工具的开发。如针对医院建筑设定的能耗目标，英国政府提出的平均水平为标准煤67.59kg/（m2·a），先进水平为54.69 kg/（m2·a），新建医院建筑能耗不能大于56.41kg/（m2·a）。
通过对国外先进评价指标的研究，发现德国、英国等发达国家多采用制定平均值和指导值的方式来评价医院建筑能耗。因此，我国可参照欧美国家的方法，充分利用我国正在建设的能耗监管平台，并对平台数据进行深入研究，制定出适用于我国医院建筑及建筑群的能耗评价体系。
3.1 德国能耗指标体系
德国有非常全面的建筑节能指标，这得益于其非常健全的法律体系。相关法律基础包括：《德国民法典》（BGB）、《建筑节能法规》（EnEV）、《建筑工程承包、发包条例》（VOB）等。技术基础包括《供热设备法规》、VOB标准、DIN 标准和VDI标准等。
德国建设部与德国工程师协会共同制定并发布的VDI3807《建筑能源消耗的特征数值》系列标准对建筑能耗进行了管理和评定，由VDI3807-1，VDI3807-2，VDI3807-3，VDI3807-4四部分标准文件组成。针对建筑整体能耗，VDI3807-2首次提出平均值和指导值的概念。
平均值，区别于传统意义理解的算术平均值，利用数学统计的方法，建立建筑能耗频数分布模型，在该模型中，平均值为对应的分布最密集的区域。相较于算术平均值容易受到异常点的干扰，具体数值会朝异常值方向偏移，该指标更具代表性（见图1）。指导值，为建筑节能的目标值，在该建筑能耗分布模型中，对应为能耗处于较低的25%区域内建筑的算术平均值。
图1 建筑能耗频数分布模型和平均值的定义
3.2 德国能耗指标方法的可行性分析
从德国VDI3807体系的制定方法可以看出，该体系通过对大量数据进行频数分析，获取出现频数最高的能耗区间，并以该区间的算术平均值作为能耗评价的基准值，该做法可避免异常值的干扰，使指标更加科学、合理，而“前1/4分位值”作为指导值也是国际通用的指标制定方式，因此，可参考该方法制定医院建筑的能耗指标。
虽然德国VDI3807体系的方法是可行的，但使用该方法进行能耗指标的开发还存在2个问题：一个是医院分类问题，另一个是我国地域辽阔的问题。
德国VDI3807体系指标的确定是以医院为单位的，且以床位数进行了医院的分类，分别制定各类别医院的能耗指标。而我国医院大部分为有多栋建筑的综合建筑群，且医院功能、医院特点、建筑面积存在相当大的差距，无法进行简单分类，因此，即使获得大量的医院能耗及相关因素数据，依然很难进行医院分类。
我国地域辽阔，医院作为各个地区必需的公共建筑遍布全国各地，而地域差异导致了用能方式、能源种类、用能特点等多方面差异，因此，即使获取了能耗数据也无法简单按照德国VDI3807体系方法制定能耗指标。
综上，虽然德国的能耗指标制定方法具有科学性，但无法直接将其照搬到我国医院能耗指标的开发上。
通过对医院能耗监管平台的数据分析，若将该方法应用到单一类型建筑中，可建立针对单栋医院建筑的能耗指标。目前医院能耗监管平台可实现对单栋医院建筑的能耗监测，获取逐日能耗值，长时间监测可获得大量能耗数据，为建立能耗指标提供数据基础。因此，本文采用德国VDI3807体系方法开发单栋医院建筑能耗评价指标体系。
3.3 能耗指标的开发
单栋医院建筑虽然不涉及建筑的分类，但由于其受使用规律、室外天气、人员情况等因素的影响，依然需按重要影响因素进行分类，再制定相关的指标体系。
在深入研究德国、英国等发达国家的能耗指标体系后发现：针对单栋医院建筑制定能耗指标体系，除了建立具体能耗数据指标（平均值、指导值）外，还可设置时间指标。时间指标是指制定超过某个高能耗指标值（如“后1/4分位值”）的天数。笔者重点分析了医院建筑高能耗出现的原因，通过调查发现可归结为２类，即异常天气和用能不善。当异常天气出现时，为保障室内舒适度和满足就医要求，整体能耗会有所增加；而运行管理不善会导致能耗浪费，使能耗数据出现异常。因此，通过大数据分析，考虑异常天气的出现频数，制定时间指标，规定高能耗日期出现的天数，能减少不必要的能源浪费。制定时间指标将是节能投入产出比最高的手段。
因此，开发数据指标和时间指标的双指标体系，其中数据指标借鉴德国VDI3807方法，建立单栋建筑的平均值和指导值，以评价建筑实际能耗；时间指标采用分析能耗频数的方法，以大于“后1/4分位值”的数据出现的频数作为时间指标，以评价建筑不规范用能的情况。
4.1 医院平台及数据情况
以某医院为例，其能耗监管平台具有独立的展示环境。该医院数据中心配置了1台Web应用服务器（含数据采集功能）、2台存储服务器，计量点位近1500个，智能电表点位超过1000个。该平台可对每栋建筑实施单独的能耗监测，同时可对重点用能设备进行能耗监测。该能耗监管平台数据采集、储存记录完整，适于能耗指标的研究与开发。
4.2 指标体系开发
通过该医院能耗监管平台，可获得该医院门诊楼的逐日电耗数据。通过现场访问，发现该医院日门诊量无明显变化，基本处于饱和状态。该医院属于寒冷气候区，供暖空调系统为双管制风机盘管加新风系统。冬季供暖热源为市政热力，夏季供冷冷源为离心式制冷机组。综上所述，可将日能耗分析分为供冷季、供暖季和过渡季。
通过数据分析发现，日能耗供冷季55～100MW·h，供暖季30～80 MW·h，过渡季27～80MW·h。供冷季由于冷水机组开启，日能耗明显增加，而供暖季由于其热源为市政热力，因此其日能耗与过渡季基本处于同一区间，因此，针对该医院可将供暖季和过渡季数据合并进行分析。过渡季和供暖季门诊楼电耗情况见图2。从图2可以看出：该医院门诊楼电耗在过渡季和供暖季情况基本相同。由于供冷季数据较少，且无法与供暖季和过渡季合并分析，因此本文仅对供暖季和过渡季数据进行分析，并建立能耗指标。
图2 过渡季和供暖季门诊楼电耗情况
该门诊楼在过渡季和供暖季的日能耗主要在35～56MW·h之间，因此，在建立能耗指标时，重点考虑此能耗段内的能耗数据。采用德国VDI3807的理论及方法，建立了各能耗区间频数分布图（见图3）。
图3 能耗区间频数分布
从图3可以看出：该建筑日能耗中位值在45.5～49 MW·h区间内，出现频数为58d，参考德国VDI3807体系，在制定该建筑能耗指标或能耗定额时，取该区间算术平均值，即47.25MW·h作为该建筑在供暖季和过渡季的能耗平均值。“前1/4分位值”在35～38.5MW·h之间，可将此区间算术平均值36.75MW·h作为其指导值。
在建立建筑能耗指标体系时，可根据图3规定时间指标。图3中“后1/4分位值”在52.5～56MW·h区间内，而超过56MW·h的时间为16d，约占样本总量的7.5%，因此，可制定高能耗天数限额，即时间指标。针对该建筑可规定供暖季和过渡季能耗超过56MW·h的时间不超过15d。与此同时，当该建筑日能耗超过56MW·h时应设立报警机制，需管理人员查出高能耗的原因。
1）借鉴德国VDI3807体系能耗指标的方法，建立了某医院门诊楼的能耗指标体系，确定了供暖季和过渡季的平均值和指导值，用于指导和评价其运行情况。
2）对比和分析了我国医院现有的能耗指标与欧美等发达国家能耗指标的优缺点，发现我国现有的医院能耗指标只能简单了解医院建筑能耗情况，无法对能耗情况进行深入分析和评价。
3）提出了时间指标，其作用是针对建筑的高能耗现象进行监测和控制，减少由于人为原因造成的能源过度浪费。
4）以某医院为例进行了案例研究，并以该医院门诊建筑的实际运行数据为基础建立了双指标体系，验证了双指标体系在实际工程中应用的可行性。
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本文刊登在2019年1月《暖通空调》杂志
作者：
中国建筑科学研究院有限公司 刘益民 曹勇 毛晓峰 刘辉 付显涛 李冉
复旦大学附属华山医院 王玉
