物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)院照明系統(tǒng)節(jié)能改造

陸 齊，陳 瑾

(無錫市人民醫(yī)院，江蘇 無錫 214023)

引言

醫(yī)院照明系統(tǒng)在醫(yī)院運行中有至關(guān)重要的作用，在智能照明系統(tǒng)普及之前，醫(yī)院的照明均采用手工控制開關(guān)的方式，設(shè)計粗糙且需人及時開關(guān)才能滿足照明需求，經(jīng)常出現(xiàn)忘記開關(guān)，導(dǎo)致電力資源浪費的現(xiàn)象。且手工控制的照明系統(tǒng)不能根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境調(diào)節(jié)光照度，照明環(huán)境舒適度不高且容易造成電能的浪費。智能化照明系統(tǒng)的使用在保證照明質(zhì)量的同時提高了醫(yī)院照明系統(tǒng)的管理能力。

1 醫(yī)院照明系統(tǒng)智能化改造的必要性

1.1 智能化建設(shè)對醫(yī)院建設(shè)運行的必要性

隨著信息時代的到來，各類智能化軟件系統(tǒng)在醫(yī)院建設(shè)運營和管理中發(fā)揮重要作用。醫(yī)院內(nèi)患者就診過程信息化、建筑設(shè)備智能化、醫(yī)療設(shè)備智能化等運用不僅提高了醫(yī)院的運營效率，降低了人力成本，也有效地降低了醫(yī)院建筑設(shè)備的能耗。運用智能化軟件直觀地展現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)部能耗運行情況有助于實現(xiàn)醫(yī)院能源管理的精細(xì)化。同時，智慧軟件提供的遠(yuǎn)程查閱和操作系統(tǒng)提高了工作管理的效率，使管理更加便捷、可靠。

1.2 醫(yī)院照明系統(tǒng)智能化改造對醫(yī)院節(jié)能運行的意義

為響應(yīng)國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的號召，醫(yī)院作為社會上能耗需求的重要機構(gòu)，節(jié)能改造有至關(guān)重要的意義。由于醫(yī)院24 h運營的性質(zhì)及其醫(yī)療急救的功能性，醫(yī)院公共區(qū)域節(jié)能改造在醫(yī)院節(jié)能策略的實施效果上有非常顯著的成效。照明系統(tǒng)的節(jié)能改造能改善醫(yī)療環(huán)境，提高醫(yī)患就診舒適度和滿意度。

2 智能照明的控制方案應(yīng)用

2.1 智能照明方案設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的普及，智能化逐漸滲進(jìn)醫(yī)院項目的改造。本項目的智能照明系統(tǒng)采用分布式LonWorks現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為現(xiàn)場設(shè)備通訊的傳輸通道，運用分布式無主站點的點對點對等結(jié)構(gòu)、各節(jié)點地位對等，部分節(jié)點故障不會影響整個系統(tǒng)癱瘓，提升了系統(tǒng)的傳輸速度和抗干擾性[1]。本系統(tǒng)以綠色照明節(jié)能運行為目標(biāo)，采用分布式集中控制系統(tǒng)將照明系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，利用LonWorks控制總線和LonMarker軟件、組態(tài)軟件遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場傳感器調(diào)節(jié)燈光的開關(guān)及情況，方便管理者實時掌握系統(tǒng)的運營情況。

醫(yī)院的照明設(shè)計對不同的場所有不同需求，例如手術(shù)室和治療室的光照度比候診大廳的過道和走廊的光照度需求要精密一些，控制方案也需要不同的配置，照明系統(tǒng)通過在各區(qū)域回路的不同亮暗設(shè)置，在給用戶提供舒適照明環(huán)境的同時根據(jù)照度需求關(guān)閉不需要的燈光節(jié)約能源?！夺t(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[3]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對醫(yī)院建筑不同區(qū)域的照度標(biāo)準(zhǔn)值及照明功率密度限值都有相關(guān)規(guī)定，在對醫(yī)院照明系統(tǒng)改造的同時需滿足以下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體要求見表1。

表1 醫(yī)院建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值

為提供舒適的照明環(huán)境并兼顧醫(yī)院節(jié)能運行的目標(biāo)，本次設(shè)計重點對門診樓的掛號大廳、候診室、走道等公共區(qū)域進(jìn)行智能照明方案設(shè)計，并針對不同地區(qū)的環(huán)境特點配置相應(yīng)的照明控制方案，進(jìn)行分區(qū)域或分時段動態(tài)調(diào)整。醫(yī)院其他區(qū)域如病房、手術(shù)室、化驗室、護(hù)士站燈主要是給工作人員辦公的場所，室內(nèi)的燈光控制主要根據(jù)《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[3]采用不同照度的燈具進(jìn)行恒光控制。

本次設(shè)計主要對醫(yī)院門診、醫(yī)技等公共區(qū)域的照明進(jìn)行不同的方案配置，各場所針對不同的場景對燈光和環(huán)境進(jìn)行互動控制，包括白天工作模式、午休模式、晚上模式等照明控制方案，同時將照明的燈具設(shè)置為基本照明、補充照明和應(yīng)急照明，具體控制方案如下：

(1)白天工作模式。根據(jù)場所的日光照度，用光照度檢測探頭與日光照明相結(jié)合的模式，當(dāng)日光漸暗至一定照度時，光照感應(yīng)控制自動啟動，增開燈光；當(dāng)自然光漸亮至一定照度時，光照感應(yīng)控制自動將過亮的照明關(guān)閉，保留部分燈光以保持適當(dāng)?shù)恼斩取?/p>

(2)午休模式。關(guān)閉大部分基本照明的燈光，根據(jù)場所人員活動情況，采用紅外動靜探頭，當(dāng)探頭檢測到人員活動記錄，則人來燈亮，人走燈滅，隨走隨關(guān)，根據(jù)各場所的照度需求開啟補充照明。

(3)深夜模式。深夜時間人較少除應(yīng)急照明外其余燈光皆關(guān)閉，智能控制放到手動模式，可根據(jù)場所實際情況開/關(guān)燈，進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)。

(4)采用定時啟停控制與各場景控制模式相結(jié)合的方式。為保障醫(yī)院運行過程中的照明需求，同時兼顧節(jié)能管理的要求，通過智能時鐘根據(jù)不同的運營時間控制定時器切換不同的場景模式，達(dá)到最大的節(jié)能效果。

光照度檢測控制照明模式與紅外檢測控制模式根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整場所燈光亮度的照明效果圖如圖1所示。在靠近天井的走廊和向陽窗戶附近由于日光充足，可以利用自然光減少人工照明；而陰天或室內(nèi)靠里面的角落，自然光線不足無法達(dá)到光照度要求時，開啟人工照明來保證照明的質(zhì)量。

圖1 智能照明的兩種控制模式效果圖Fig.1 Effect diagram of two control modes for intelligent lighting

根據(jù)實際情況，對醫(yī)院公共區(qū)域的走廊、過道、候診大廳等照明運行情況制定工作日運行時間任務(wù)，見表2。

表2 醫(yī)院公共區(qū)域照明系統(tǒng)工作日運行時間任務(wù)表

該任務(wù)表的具體運行時間會根據(jù)國家法定假日進(jìn)行調(diào)整，12：00—13：30為午休時間段，18：00—次日7：00是門診夜休時間段，保留應(yīng)急照明，現(xiàn)場開關(guān)取消遠(yuǎn)程控制，可根據(jù)實際情況現(xiàn)場開啟。根據(jù)照明任務(wù)表設(shè)計的照明系統(tǒng)軟件運行界面如圖2所示。

圖2 定時啟停配置運行界面圖Fig.2 Timed start stop configuration operation interface diagram

2.2 智能照明系統(tǒng)的控制原理

本次智能照明系統(tǒng)設(shè)計采用基于PID[4]控制的DDC[5]閉環(huán)控制方式。根據(jù)設(shè)定的光照度與實際光照度的偏差調(diào)節(jié)現(xiàn)場的照明光照度，使用光照度檢測，結(jié)合智能控制器的控制模塊，使用邏輯運算，用繼電器控制現(xiàn)場照明設(shè)備。當(dāng)現(xiàn)場的光照度低于實際需要設(shè)定值時，系統(tǒng)通過DDC控制器比對、計算，觸發(fā)繼電器增加照明設(shè)備。反之，當(dāng)現(xiàn)場的光照度高于實際需要設(shè)定的光照度時，DDC控制器就會根據(jù)光照度補償差量關(guān)閉照明設(shè)備。

DDC控制器的核心是比例-積分-微分(PID)控制算法，帶PID控制的DDC控制器的控制原理框圖如圖3所示。它的數(shù)學(xué)模型為：

圖3 基于PID控制的照明系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Control block diagram of lighting system based on PID control

e(t)=r(t)-b(t)

(1)

式中，r(t)表示給定信號，即輸入至控制系統(tǒng)的設(shè)定的光照度值對應(yīng)的電壓值；b(t)表示主反饋，即由現(xiàn)場采集的光照度值轉(zhuǎn)換的電壓信號；e(t)表示誤差，即設(shè)定值與現(xiàn)場反饋值之間的誤差值。

2.3 智能照明系統(tǒng)的硬件選擇

本方案采用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)開展系統(tǒng)設(shè)計，在硬件設(shè)計方面，主要分為I/O設(shè)備層和控制層。I/O設(shè)備層主要包括智能終端節(jié)點，如光控開關(guān)量控制器、聲控開關(guān)量控制器等作為執(zhí)行器使用，可以執(zhí)行上層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的各項指令?？刂茖又饕↙onWorks節(jié)點控制器，用于對智能終端節(jié)點數(shù)據(jù)量包括運行數(shù)據(jù)、報警信息、設(shè)備狀態(tài)、人工遠(yuǎn)程控制記錄等的采集、模式轉(zhuǎn)換和上傳。

在管理層上面，LonWorks網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)絡(luò)接口、上位機和各種LON網(wǎng)絡(luò)接口等，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測上傳到上位機和給下位機下達(dá)控制指令。以DDC[5]為核心構(gòu)建的智能照明控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 智能照明網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Intelligent lighting network diagram

在硬件主接線圖設(shè)計完好之后，就要挑選適合本方案的現(xiàn)場設(shè)備，主要包括現(xiàn)場控制器、傳感器、變送器等，根據(jù)現(xiàn)場層設(shè)備的需求，現(xiàn)場層設(shè)備選型主要考慮以下幾個方面的影響因素：

(1)現(xiàn)場電源電路安全。為保障照明系統(tǒng)的安全運行，系統(tǒng)對現(xiàn)場電路加裝了過電壓、欠電壓報警裝置，并通過組態(tài)控制軟件實時反饋現(xiàn)場電路的電壓情況，以保證供電線路的安全質(zhì)量運行。

(2)現(xiàn)場控制器的控制范圍。為減少現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的總線的阻塞，加快系統(tǒng)的運行速度，并且確保當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，有工作能力的DDC控制器對同組的設(shè)備仍能單獨服務(wù)運行，用一個DDC控制器接收同一層面設(shè)備的輸入輸出信號。同時必須選擇配套的傳感器與變送器把現(xiàn)場采集到的電量和非電量信號轉(zhuǎn)換為DDC控制器可以接受的信號。

(3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。在照明配電柜里控制采集器與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過通信接口與專用控制器進(jìn)行通信。為保證控制效果，配電柜內(nèi)需增加光電隔離和繼電器等進(jìn)行實施，將采集到的數(shù)據(jù)記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，與共享數(shù)據(jù)庫形成關(guān)聯(lián)，形成集成系統(tǒng)總數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)集成的方案運行和系統(tǒng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

(4)照明控制柜的控制相關(guān)參數(shù)配置。運用與現(xiàn)場控制模式配套的照明控制軟件來控制該系統(tǒng)的運行情況。為保證控制效果，照明控制柜內(nèi)的控制模式需與實際設(shè)置模式相符，才能保證現(xiàn)場的信號準(zhǔn)確地反饋到智能控制系統(tǒng)的上位機內(nèi)。

智能照明的典型控制功能模塊主要有以下幾個方面的選擇：

(1)節(jié)能燈調(diào)光控制器。通過電子整流器對節(jié)能燈調(diào)光，輸出調(diào)壓信號。

(2)場景控制模塊。與時鐘模塊結(jié)合，根據(jù)醫(yī)院的運營時間啟用定時啟停模塊設(shè)置工作日、夜晚、午休不同的場景，通過按鍵切換不同場景。對門診樓和醫(yī)技樓隨上下班時間調(diào)整燈光開關(guān)或亮度，上班時間放開權(quán)限，夜晚或休息日則根據(jù)實際需要改為手動控制。

(3)紅外傳感器。對人體紅外線進(jìn)行檢測以達(dá)到對燈光的控制，如人來燈亮、人走燈滅。

(4)光亮照度傳感器。根據(jù)室內(nèi)和室外光線的強弱和醫(yī)院建筑照明的標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整光線，如過亮關(guān)掉、過暗打開等。

在本方案中所用到的控制器是HW-BA5200系列DDC控制器，采用LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，主要用于智能照明系統(tǒng)各種信號的采集以及控制，可提供實時時鐘輸出以及日程表控制輸出，對外提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量的實時時鐘接口及日程表控制輸出口接口，對改造中的573個照明點位設(shè)計了25個子網(wǎng)，控制器設(shè)置在每個子網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)布線簡單、配置靈活、使用和維護(hù)簡單、可靠性高，并支持自由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可完成對各個場景照明控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號及模擬量信號的采集和控制。

2.4 智能照明系統(tǒng)的軟件實施

在系統(tǒng)硬件設(shè)計完成之后，運用LonMarker軟件對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行集成和控制。LonMaker是LonWorks現(xiàn)場總線的集成開發(fā)工具軟件，采用基于PLUGIN技術(shù)的配置程序，可通過圖形化的界面對現(xiàn)場進(jìn)行工程方案設(shè)計和調(diào)試，所以網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計是通過網(wǎng)絡(luò)變量的參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)的。在底層的物理電路和硬件設(shè)備選擇設(shè)置好之后，通過LonMaker軟件可以創(chuàng)建需要連接的網(wǎng)絡(luò)，連接DDC節(jié)點，進(jìn)行具體的功能模塊設(shè)置。系統(tǒng)單模塊照明結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 單模塊照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of single module lighting system

在LonMaker軟件設(shè)計開發(fā)好智能照明的網(wǎng)絡(luò)配置后，將開發(fā)好的程序下載到HW-5000系列的現(xiàn)場控制芯片中，開啟各類場景模式，根據(jù)智能照明系統(tǒng)的設(shè)置方案啟動。為滿足照度需求，光照度傳感器運用調(diào)光模塊，輸入的電壓信號與輸出傳感器的光照度是線性對應(yīng)，根據(jù)實際光照度的大小實時調(diào)節(jié)人工照明。經(jīng)LonWorks網(wǎng)絡(luò)連接，照明系統(tǒng)的控制可以實現(xiàn)APP遠(yuǎn)程，管理人員可以直觀地看到每個區(qū)域照明系統(tǒng)運行的實況，并可以根據(jù)實際情況遠(yuǎn)程開關(guān)照明設(shè)備。

在對控制器下載好程序后運用組態(tài)軟件開發(fā)對應(yīng)場景的應(yīng)用界面，采用基于C/S架構(gòu)的監(jiān)控軟件，畫面直觀、可操作性強，可直接監(jiān)測各個區(qū)域的照明情況，并統(tǒng)計出每個模式下的照明能耗情況，實現(xiàn)實時監(jiān)控及遠(yuǎn)程操作功能。

3 醫(yī)院智能照明系統(tǒng)改造方案的效果分析

在國家節(jié)能減排的號召下，公立醫(yī)院能耗考核指標(biāo)逐漸嚴(yán)格。而醫(yī)院的運行需考慮醫(yī)療急救、患者治療監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備操作需求、患者治療滿意度等多方面因素。因此，在醫(yī)院的醫(yī)療工作場所照明需非常穩(wěn)定且符合國家規(guī)范和醫(yī)療需求，降低醫(yī)院非醫(yī)療場所的公共區(qū)域能耗對醫(yī)院節(jié)能減排措施的實行有非常重要的意義。

該項目改造完成后，根據(jù)《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50411—2019)、《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[6，7]，醫(yī)院委托相關(guān)檢測單位對改造的場所進(jìn)行了光照度測試，大部分測試結(jié)果均符合《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034—2013)[2]，對個別偏低偏高的點位也進(jìn)行了整改，調(diào)整了照明工具的功率。同時，醫(yī)院對掛號大廳、門診樓和醫(yī)技樓候診室、走廊、過道等醫(yī)療公共區(qū)域的照明能耗進(jìn)行統(tǒng)計和對比，發(fā)現(xiàn)醫(yī)療公共區(qū)域的照明能耗降低了約39.3%，改造前后能耗對比具體情況見表3。

表3 醫(yī)院改造前后公共區(qū)域能耗對比

4 結(jié)論

由于醫(yī)院的運營性質(zhì)以及對患者舒適度的考慮，醫(yī)院的建筑能耗一直比其他大部分企業(yè)的建筑能耗高。在我國醫(yī)院的能源消耗中電力消耗占比最高，而照明用電約占電力消耗中的20%，因此降低醫(yī)院的照明系統(tǒng)能耗對醫(yī)院的環(huán)保、舒適運行有重要意義[8]。本文詳細(xì)地闡述了在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)院智能照明系統(tǒng)的運行情況，該系統(tǒng)利用光照度和紅外傳感器對比監(jiān)測，在保證照明質(zhì)量的情況下實時調(diào)節(jié)人工照明，改造后的公共區(qū)域用電能耗降低了39.3%，實現(xiàn)醫(yī)院部分公共區(qū)域照明系統(tǒng)的智能化和節(jié)能運行。