基于物联网数据的医院中央空调系统运行质量评价新方法及应用

王杭兵，楼冬冬，陈岳天，孙国建

0 引 言

医院中央空调系统是医疗环境保障的重要环节，适度和平稳的室内环境温度有利于患者治疗与康复［1］。由于在大、中型医院建筑中，暖通空调系统用电约占医院全年用电的50%，故以往对于中央空调系统运行的研究多集中在其运行能耗和节能措施上，而对医院中央空调系统用户需求的特殊性关注较少［2－4］。与其他场所的舒适性空调系统相比，除了运行的经济性指标外，医院中央空调系统空调用户温度的平稳性更加重要。准确、客观地评价中央空调系统的运行质量，是大型医院提高中央空调系统的运行水平和量化管理工作中亟需解决的问题，而目前缺少对医院空调运行的状况评价的有效方法。

由于末端用户的室内温度和平稳性决定了用户对中央空调系统运行质量的满意程度，仅根据中央空调机房的运行数据不能客观反映系统的运行管理水平，且还要从末端用户的室内环境监测的历史数据来进行分析。利用近年逐步建立起来的中央空调系统物联网，使这种基于用户状态监测数据的定量分析成为可能［5－6］。本文提出一种评价空调运行状况新方法，通过验证医院中央空调物联网获取的数据以完善中央空调系统运行状况评价方法。

1 资料与方法

1.1 评价指标选择 良好的医院中央空调能够为末端提供恒定的预期温度，即用户的控制目标温度ts，若第i个时刻用户的实际温度为ti，则两者的偏差Δti=ti－ts是容易想到直接的评价指标。显然Δti=ti－ts趋于0，即为理想的空调运行状况。考虑到用户的温度随时间变化，瞬时的数据可能会受到随机因素的影响(例如人员的进出)，因此可进一步采用一段时间内的平均温度偏差，计算公式:

其中n是这该段时间内等间隔的温度采样次数。

平均温度偏差的缺点在于不能体现温度在设定值附近上下波动的幅度。为克服这一缺陷，需采用均方根温差来衡量温度变化的幅度，公式如下:

另外一方面，空调系统末端用户的温度变化不仅受中央空调系统的控制，而且与室外环境温度的变化(外部扰动)、建筑围护结构的热阻和热惰性(传递函数)、用户室内的热源和室内人员的行为(内部扰动)等因素有关。因此，单纯根据空调用户的温度波动衡量中央空调系统运行质量并不合理。考虑到中央空调系统主要是在室外环境温度不满足舒适性条件的情况下运行，中央空调系统需在室外温度变化的情况下使末端用户的温度在保持设定值附近。因此，中央空调系统抵御环境温度变化的能力具有重要意义。最理想的情况是当环境温度发生变化时，末端用户的温度仍能保持恒定;而最差的情况是末端用户的温度随着室外环境的温度等幅波动。用户室内温度受室外温度的影响程度可以用2个时间序列的相关系数ρ和方差比γ来衡量。若第i个室外温度为toi，则

1.2 室内外温度数据的监测系统搭建 确定相关系数ρ和方差比γ的温度数据由室内外温度的连续监测通过中央空调系统的物联网获取。系统包括了通过RS485总线连接的一个室外百叶箱中的温湿度传感器和若干个末端用户温湿度传感器、前端数据采集器、网络交换机、数据库服务器和监控工作站。为保证温、湿度的测量精度，系统中采用了预校准的高精度数字式温湿度一体化传感器。见图1。

图1 物联网中室内外温度数据监测系统部分结构Figure 1 The transducer of indoor and outdoor temperature monitoring system based on IOT

1.3 实例分析对比 选取我院同一幢建筑的空调运行期间和空调停运期间1个月的温度数据进行计算，得到该建筑2个期间室内外温度时间序列的相关系数和方差比。其中计算采用的温度数据是该建筑物内各测点温度的平均值。

2 结 果

医院中央空调停运30d与运行30d室内温度的相关系数随时间跨度变化见图2－图5。对比图2和图3发现，尽管2个时间段室内外温度的相关系数均随时间呈现一定的波动，但总体上空调运行期间相关系数的平均值为0.305，显著低于空调停运期间的平均值0.585。这一结果表明，空调系统的运行使得室内温度与室外温度的相关性下降，相当于围护结构等其他因素的作用，使得室内外温度的平均相关系数从1降低到0.585，而空调系统的作用是将相关系数进一步减少到0.305。同样对比图4和图5可发现，空调运行期间的方差比平均值为0.100，远低于空调停运期间的平均值0.223。表明空调系统的运行使得室内温度受到室外温度影响的幅度降低，相当于围护结构等其他因素的作用，使得室内外温度的方差比从1降低到0.223，而空调系统的作用是将其相关系数进一步减少到0.100。

图2 非空调期间室内外温度的相关系数Figure 2 The correlation coefficient of indoor and outdoor temperature during the non-air conditioning period

图3 空调期间室内外温度的相关系数Figure 3 The correlation coefficient of the indoor and outdoor temperature during air conditioning period

图4 非空调期间室内外温度的方差比Figure 4 The variance ratio of the indoor and outdoor temperature during the non-air conditioning period

图5 空调期间室内外温度的方差比Figure 5 The variance ratio of the indoor and outdoor temperature during the air conditioning period

3 讨 论

中央空调系统的作用是使在其运行期间空调用户室内外温度的相关系数和方差比显著降低，因此可以利用这2个参数的降低幅度评价其抵御环境变化的能力，以此表征空调系统运行质量的高低。显然，空调系统使得相关系数和方差比的降低的幅度越大，说明空调的运行质量就越高，反之亦然。

本研究结果表明文中提出的中央空调运行质量的评价方法在理论与实际方面均有效，不仅可应用于大型医院中央空调系统运行状态的评估，而且可作为设计依据。相关系数与方差比是评价方法的关键，而其计算的依据是从中央空调物联所获取的室内外温度，因此温度测量的准确性是评价准确性的基础。但中央空调运行时相关系数和方差比取值方法以保证空调运行状况，应从大量的算例得来。尽管相关系数与方差比愈小愈好，但该值的减小显然是伴随着中央空调系统初投资的提高和运行费用的增加，因此医院建筑应该确立在一定范围之内。

此外，医院建筑的舒适性要求较高，仅用能效指标评价医院中央空调系统具有片面性，必须结合反映中央空调对末端控制能力的指标才更为科学。两者的结合可以给出医院中央空调系统的优化运行的方法。该方法所获得的数据来自中央空调物联网，该系统可与建筑配套建设。如更准确地提出量化标准，配合一定的用户界面，结合能效指标，可成为智能建筑的一个标准子系统，为建筑物节能运行提供依据。

［1］王杭兵．南京军区南京总医院智能化楼宇信息系统的设计与实施［J］．医学研究生学报，2012，25(4):402-405．

［2］沈晋明，马晓琼．医院建筑的特点与节能［J］．暖通空调，2007，37(8):72-78．

［3］周丽萍，刘志新，高 建．上海某大型医院建筑能耗审计和节能措施的分析［J］．工业建筑，2008，38(6):9-11．

［4］任腾飞，张志刚，张丽璐．医院类建筑能耗检测及节能分析［J］．节能技术，2008，26(3):222-225．

［5］杨 刚．物联网理论与技术［M］．北京:科学出版社，2010．

［6］International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of things［R］．Geneva:ITU，2005．

［7］陆 琳．基于热动态检测数据的建筑围护结构热工特性分析［D］．南京:东南大学，2008．

［8］李 根．围护结构整体隔热性能的主动式检测方法［D］．南京:东南大学，2009．

［9］沈意成．自然环境下建筑室内外温度相关性的实验研究［D］．南京:东南大学，2010．

［10］张湘圆．建筑围护结构能耗检测及评价的等耗模型［J］．建筑热能通风空调，2012，31(5):58-61．