基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)新方法及應(yīng)用

王杭兵，樓冬冬，陳岳天，孫國(guó)建

0 引 言

醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)是醫(yī)療環(huán)境保障的重要環(huán)節(jié)，適度和平穩(wěn)的室內(nèi)環(huán)境溫度有利于患者治療與康復(fù)［1］。由于在大、中型醫(yī)院建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)用電約占醫(yī)院全年用電的50%，故以往對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的研究多集中在其運(yùn)行能耗和節(jié)能措施上，而對(duì)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)用戶需求的特殊性關(guān)注較少［2－4］。與其他場(chǎng)所的舒適性空調(diào)系統(tǒng)相比，除了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)用戶溫度的平穩(wěn)性更加重要。準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，是大型醫(yī)院提高中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行水平和量化管理工作中亟需解決的問題，而目前缺少對(duì)醫(yī)院空調(diào)運(yùn)行的狀況評(píng)價(jià)的有效方法。

由于末端用戶的室內(nèi)溫度和平穩(wěn)性決定了用戶對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的滿意程度，僅根據(jù)中央空調(diào)機(jī)房的運(yùn)行數(shù)據(jù)不能客觀反映系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平，且還要從末端用戶的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。利用近年逐步建立起來的中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，使這種基于用戶狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的定量分析成為可能［5－6］。本文提出一種評(píng)價(jià)空調(diào)運(yùn)行狀況新方法，通過驗(yàn)證醫(yī)院中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)以完善中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)方法。

1 資料與方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇 良好的醫(yī)院中央空調(diào)能夠?yàn)槟┒颂峁┖愣ǖ念A(yù)期溫度，即用戶的控制目標(biāo)溫度ts，若第i個(gè)時(shí)刻用戶的實(shí)際溫度為ti，則兩者的偏差Δti=ti－ts是容易想到直接的評(píng)價(jià)指標(biāo)。顯然Δti=ti－ts趨于0，即為理想的空調(diào)運(yùn)行狀況?？紤]到用戶的溫度隨時(shí)間變化，瞬時(shí)的數(shù)據(jù)可能會(huì)受到隨機(jī)因素的影響(例如人員的進(jìn)出)，因此可進(jìn)一步采用一段時(shí)間內(nèi)的平均溫度偏差，計(jì)算公式:

其中n是這該段時(shí)間內(nèi)等間隔的溫度采樣次數(shù)。

平均溫度偏差的缺點(diǎn)在于不能體現(xiàn)溫度在設(shè)定值附近上下波動(dòng)的幅度。為克服這一缺陷，需采用均方根溫差來衡量溫度變化的幅度，公式如下:

另外一方面，空調(diào)系統(tǒng)末端用戶的溫度變化不僅受中央空調(diào)系統(tǒng)的控制，而且與室外環(huán)境溫度的變化(外部擾動(dòng))、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻和熱惰性(傳遞函數(shù))、用戶室內(nèi)的熱源和室內(nèi)人員的行為(內(nèi)部擾動(dòng))等因素有關(guān)。因此，單純根據(jù)空調(diào)用戶的溫度波動(dòng)衡量中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量并不合理。考慮到中央空調(diào)系統(tǒng)主要是在室外環(huán)境溫度不滿足舒適性條件的情況下運(yùn)行，中央空調(diào)系統(tǒng)需在室外溫度變化的情況下使末端用戶的溫度在保持設(shè)定值附近。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)抵御環(huán)境溫度變化的能力具有重要意義。最理想的情況是當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，末端用戶的溫度仍能保持恒定;而最差的情況是末端用戶的溫度隨著室外環(huán)境的溫度等幅波動(dòng)。用戶室內(nèi)溫度受室外溫度的影響程度可以用2個(gè)時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)ρ和方差比γ來衡量。若第i個(gè)室外溫度為toi，則

1.2 室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建 確定相關(guān)系數(shù)ρ和方差比γ的溫度數(shù)據(jù)由室內(nèi)外溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)通過中央空調(diào)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)獲取。系統(tǒng)包括了通過RS485總線連接的一個(gè)室外百葉箱中的溫濕度傳感器和若干個(gè)末端用戶溫濕度傳感器、前端數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和監(jiān)控工作站。為保證溫、濕度的測(cè)量精度，系統(tǒng)中采用了預(yù)校準(zhǔn)的高精度數(shù)字式溫濕度一體化傳感器。見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)中室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)Figure 1 The transducer of indoor and outdoor temperature monitoring system based on IOT

1.3 實(shí)例分析對(duì)比 選取我院同一幢建筑的空調(diào)運(yùn)行期間和空調(diào)停運(yùn)期間1個(gè)月的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到該建筑2個(gè)期間室內(nèi)外溫度時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)和方差比。其中計(jì)算采用的溫度數(shù)據(jù)是該建筑物內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的平均值。

2 結(jié) 果

醫(yī)院中央空調(diào)停運(yùn)30d與運(yùn)行30d室內(nèi)溫度的相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間跨度變化見圖2－圖5。對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，盡管2個(gè)時(shí)間段室內(nèi)外溫度的相關(guān)系數(shù)均隨時(shí)間呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，但總體上空調(diào)運(yùn)行期間相關(guān)系數(shù)的平均值為0.305，顯著低于空調(diào)停運(yùn)期間的平均值0.585。這一結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行使得室內(nèi)溫度與室外溫度的相關(guān)性下降，相當(dāng)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)等其他因素的作用，使得室內(nèi)外溫度的平均相關(guān)系數(shù)從1降低到0.585，而空調(diào)系統(tǒng)的作用是將相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步減少到0.305。同樣對(duì)比圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，空調(diào)運(yùn)行期間的方差比平均值為0.100，遠(yuǎn)低于空調(diào)停運(yùn)期間的平均值0.223。表明空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行使得室內(nèi)溫度受到室外溫度影響的幅度降低，相當(dāng)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)等其他因素的作用，使得室內(nèi)外溫度的方差比從1降低到0.223，而空調(diào)系統(tǒng)的作用是將其相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步減少到0.100。

圖2 非空調(diào)期間室內(nèi)外溫度的相關(guān)系數(shù)Figure 2 The correlation coefficient of indoor and outdoor temperature during the non-air conditioning period

圖3 空調(diào)期間室內(nèi)外溫度的相關(guān)系數(shù)Figure 3 The correlation coefficient of the indoor and outdoor temperature during air conditioning period

圖4 非空調(diào)期間室內(nèi)外溫度的方差比Figure 4 The variance ratio of the indoor and outdoor temperature during the non-air conditioning period

圖5 空調(diào)期間室內(nèi)外溫度的方差比Figure 5 The variance ratio of the indoor and outdoor temperature during the air conditioning period

3 討 論

中央空調(diào)系統(tǒng)的作用是使在其運(yùn)行期間空調(diào)用戶室內(nèi)外溫度的相關(guān)系數(shù)和方差比顯著降低，因此可以利用這2個(gè)參數(shù)的降低幅度評(píng)價(jià)其抵御環(huán)境變化的能力，以此表征空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的高低。顯然，空調(diào)系統(tǒng)使得相關(guān)系數(shù)和方差比的降低的幅度越大，說明空調(diào)的運(yùn)行質(zhì)量就越高，反之亦然。

本研究結(jié)果表明文中提出的中央空調(diào)運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法在理論與實(shí)際方面均有效，不僅可應(yīng)用于大型醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，而且可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。相關(guān)系數(shù)與方差比是評(píng)價(jià)方法的關(guān)鍵，而其計(jì)算的依據(jù)是從中央空調(diào)物聯(lián)所獲取的室內(nèi)外溫度，因此溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。但中央空調(diào)運(yùn)行時(shí)相關(guān)系數(shù)和方差比取值方法以保證空調(diào)運(yùn)行狀況，應(yīng)從大量的算例得來。盡管相關(guān)系數(shù)與方差比愈小愈好，但該值的減小顯然是伴隨著中央空調(diào)系統(tǒng)初投資的提高和運(yùn)行費(fèi)用的增加，因此醫(yī)院建筑應(yīng)該確立在一定范圍之內(nèi)。

此外，醫(yī)院建筑的舒適性要求較高，僅用能效指標(biāo)評(píng)價(jià)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)具有片面性，必須結(jié)合反映中央空調(diào)對(duì)末端控制能力的指標(biāo)才更為科學(xué)。兩者的結(jié)合可以給出醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行的方法。該方法所獲得的數(shù)據(jù)來自中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)可與建筑配套建設(shè)。如更準(zhǔn)確地提出量化標(biāo)準(zhǔn)，配合一定的用戶界面，結(jié)合能效指標(biāo)，可成為智能建筑的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)，為建筑物節(jié)能運(yùn)行提供依據(jù)。

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