物聯網環境下醫院照明系統節能改造

陸 齊，陳 瑾

(無錫市人民醫院，江蘇 無錫 214023)

引言

醫院照明系統在醫院運行中有至關重要的作用，在智能照明系統普及之前，醫院的照明均采用手工控制開關的方式，設計粗糙且需人及時開關才能滿足照明需求，經常出現忘記開關，導致電力資源浪費的現象。且手工控制的照明系統不能根據現場實際環境調節光照度，照明環境舒適度不高且容易造成電能的浪費。智能化照明系統的使用在保證照明質量的同時提高了醫院照明系統的管理能力。

1 醫院照明系統智能化改造的必要性

1.1 智能化建設對醫院建設運行的必要性

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

1.2 醫院照明系統智能化改造對醫院節能運行的意義

為響應國家建設資源節約型、環境友好型社會的號召，醫院作為社會上能耗需求的重要機構，節能改造有至關重要的意義。由于醫院24 h運營的性質及其醫療急救的功能性，醫院公共區域節能改造在醫院節能策略的實施效果上有非常顯著的成效。照明系統的節能改造能改善醫療環境，提高醫患就診舒適度和滿意度。

2 智能照明的控制方案應用

2.1 智能照明方案設計

隨著物聯網環境的普及，智能化逐漸滲進醫院項目的改造。本項目的智能照明系統采用分布式LonWorks現場總線控制技術作為現場設備通訊的傳輸通道，運用分布式無主站點的點對點對等結構、各節點地位對等，部分節點故障不會影響整個系統癱瘓，提升了系統的傳輸速度和抗干擾性[1]。本系統以綠色照明節能運行為目標，采用分布式集中控制系統將照明系統進行集中管理，利用LonWorks控制總線和LonMarker軟件、組態軟件遠程控制現場傳感器調節燈光的開關及情況，方便管理者實時掌握系統的運營情況。

醫院的照明設計對不同的場所有不同需求，例如手術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，照明系統通過在各區域回路的不同亮暗設置，在給用戶提供舒適照明環境的同時根據照度需求關閉不需要的燈光節約能源?！夺t療建筑電氣設計規范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)[3]等標準規范對醫院建筑不同區域的照度標準值及照明功率密度限值都有相關規定，在對醫院照明系統改造的同時需滿足以下相關標準，具體要求見表1。

表1 醫院建筑照明標準值

為提供舒適的照明環境并兼顧醫院節能運行的目標，本次設計重點對門診樓的掛號大廳、候診室、走道等公共區域進行智能照明方案設計，并針對不同地區的環境特點配置相應的照明控制方案，進行分區域或分時段動態調整。醫院其他區域如病房、手術室、化驗室、護士站燈主要是給工作人員辦公的場所，室內的燈光控制主要根據《醫療建筑電氣設計規范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)[3]采用不同照度的燈具進行恒光控制。

本次設計主要對醫院門診、醫技等公共區域的照明進行不同的方案配置，各場所針對不同的場景對燈光和環境進行互動控制，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置為基本照明、補充照明和應急照明，具體控制方案如下：

(1)白天工作模式。根據場所的日光照度，用光照度檢測探頭與日光照明相結合的模式，當日光漸暗至一定照度時，光照感應控制自動啟動，增開燈光；當自然光漸亮至一定照度時，光照感應控制自動將過亮的照明關閉，保留部分燈光以保持適當的照度。

(2)午休模式。關閉大部分基本照明的燈光，根據場所人員活動情況，采用紅外動靜探頭，當探頭檢測到人員活動記錄，則人來燈亮，人走燈滅，隨走隨關，根據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急照明外其余燈光皆關閉，智能控制放到手動模式，可根據場所實際情況開/關燈，進入節能狀態。

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

光照度檢測控制照明模式與紅外檢測控制模式根據現場情況調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；而陰天或室內靠里面的角落，自然光線不足無法達到光照度要求時，開啟人工照明來保證照明的質量。

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

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

表2 醫院公共區域照明系統工作日運行時間任務表

該任務表的具體運行時間會根據國家法定假日進行調整，12：00—13：30為午休時間段，18：00—次日7：00是門診夜休時間段，保留應急照明，現場開關取消遠程控制，可根據實際情況現場開啟。根據照明任務表設計的照明系統軟件運行界面如圖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 智能照明系統的控制原理

本次智能照明系統設計采用基于PID[4]控制的DDC[5]閉環控制方式。根據設定的光照度與實際光照度的偏差調節現場的照明光照度，使用光照度檢測，結合智能控制器的控制模塊，使用邏輯運算，用繼電器控制現場照明設備。當現場的光照度低于實際需要設定值時，系統通過DDC控制器比對、計算，觸發繼電器增加照明設備。反之，當現場的光照度高于實際需要設定的光照度時，DDC控制器就會根據光照度補償差量關閉照明設備。

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。它的數學模型為：

圖3 基于PID控制的照明系統控制框圖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，即輸入至控制系統的設定的光照度值對應的電壓值；b(t)表示主反饋，即由現場采集的光照度值轉換的電壓信號；e(t)表示誤差，即設定值與現場反饋值之間的誤差值。

2.3 智能照明系統的硬件選擇

本方案采用LonWorks現場總線技術開展系統設計，在硬件設計方面，主要分為I/O設備層和控制層。I/O設備層主要包括智能終端節點，如光控開關量控制器、聲控開關量控制器等作為執行器使用，可以執行上層網絡下達的各項指令?？刂茖又饕↙onWorks節點控制器，用于對智能終端節點數據量包括運行數據、報警信息、設備狀態、人工遠程控制記錄等的采集、模式轉換和上傳。

在管理層上面，LonWorks網絡主要包括網絡接口、上位機和各種LON網絡接口等，主要負責數據監測上傳到上位機和給下位機下達控制指令。以DDC[5]為核心構建的智能照明控制網絡如圖4所示。

圖4 智能照明網絡圖Fig.4 Intelligent lighting network diagram

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

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

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

(3)數據傳輸的方式。在照明配電柜里控制采集器與現場設備之間的數據轉換，通過通信接口與專用控制器進行通信。為保證控制效果，配電柜內需增加光電隔離和繼電器等進行實施，將采集到的數據記錄存儲在數據庫中，與共享數據庫形成關聯，形成集成系統總數據庫，為系統集成的方案運行和系統維護提供數據支持。

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

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)節能燈調光控制器。通過電子整流器對節能燈調光，輸出調壓信號。

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

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

(4)光亮照度傳感器。根據室內和室外光線的強弱和醫院建筑照明的標準來調整光線，如過亮關掉、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現場總線技術，主要用于智能照明系統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，對外提供標準網絡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個照明點位設計了25個子網，控制器設置在每個子網中，網絡布線簡單、配置靈活、使用和維護簡單、可靠性高，并支持自由拓撲網絡結構，可完成對各個場景照明控制系統的開關量信號及模擬量信號的采集和控制。

2.4 智能照明系統的軟件實施

在系統硬件設計完成之后，運用LonMarker軟件對系統的硬件設計進行集成和控制。LonMaker是LonWorks現場總線的集成開發工具軟件，采用基于PLUGIN技術的配置程序，可通過圖形化的界面對現場進行工程方案設計和調試，所以網絡通信的設計是通過網絡變量的參數設置來實現的。在底層的物理電路和硬件設備選擇設置好之后，通過LonMaker軟件可以創建需要連接的網絡，連接DDC節點，進行具體的功能模塊設置。系統單模塊照明結構圖如圖5所示。

圖5 單模塊照明系統結構圖Fig.5 Structural diagram of single module lighting system

在LonMaker軟件設計開發好智能照明的網絡配置后，將開發好的程序下載到HW-5000系列的現場控制芯片中，開啟各類場景模式，根據智能照明系統的設置方案啟動。為滿足照度需求，光照度傳感器運用調光模塊，輸入的電壓信號與輸出傳感器的光照度是線性對應，根據實際光照度的大小實時調節人工照明。經LonWorks網絡連接，照明系統的控制可以實現APP遠程，管理人員可以直觀地看到每個區域照明系統運行的實況，并可以根據實際情況遠程開關照明設備。

在對控制器下載好程序后運用組態軟件開發對應場景的應用界面，采用基于C/S架構的監控軟件，畫面直觀、可操作性強，可直接監測各個區域的照明情況，并統計出每個模式下的照明能耗情況，實現實時監控及遠程操作功能。

3 醫院智能照明系統改造方案的效果分析

在國家節能減排的號召下，公立醫院能耗考核指標逐漸嚴格。而醫院的運行需考慮醫療急救、患者治療監測、醫療設備操作需求、患者治療滿意度等多方面因素。因此，在醫院的醫療工作場所照明需非常穩定且符合國家規范和醫療需求，降低醫院非醫療場所的公共區域能耗對醫院節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《建筑節能工程施工質量驗收規范》(GB 50411—2019)、《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[6，7]，醫院委托相關檢測單位對改造的場所進行了光照度測試，大部分測試結果均符合《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)[2]，對個別偏低偏高的點位也進行了整改，調整了照明工具的功率。同時，醫院對掛號大廳、門診樓和醫技樓候診室、走廊、過道等醫療公共區域的照明能耗進行統計和對比，發現醫療公共區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 醫院改造前后公共區域能耗對比

4 結論

由于醫院的運營性質以及對患者舒適度的考慮，醫院的建筑能耗一直比其他大部分企業的建筑能耗高。在我國醫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%，因此降低醫院的照明系統能耗對醫院的環保、舒適運行有重要意義[8]。本文詳細地闡述了在物聯網環境下醫院智能照明系統的運行情況，該系統利用光照度和紅外傳感器對比監測，在保證照明質量的情況下實時調節人工照明，改造后的公共區域用電能耗降低了39.3%，實現醫院部分公共區域照明系統的智能化和節能運行。