بررسی روش‌های مختلف کنترل هوشمند بیمارستان جهت بهینه سازی مصرف انرژی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

2 سازمان مجری ساختمانها و تاسیسات دولتی و عمومی

چکیده

چکیده
در این مقاله، به بررسی روش‌های مختلف کنترل هوشمند بیمارستانها پرداخته و با استفاده از شبیه‌سازی یک بیمارستان به طور نمونه، روشی بهینه جهت هوشمندسازی آن ارایه شده است. هدف از انجام دادن این مقاله، بررسی فضاهای مختلف بیمارستانی از منظر نیازمندی به کنترل هوشمند و شناسایی روشها، تجهیزات و پروتکل­های مناسب مانیتورینگ و هوشمندسازی مطابق با استاندارد   EN 15232است. با توجه به نقش حیاتی فاکتورهایی چون دقت، سرعت و اطمینان در حوزه درمانی و همچنین با توجه به آسیب­پذیری سیستم بهداشتی و درمانی از خطاهای انسانی، مدیریت هوشمند و اتوماسیون این مراکز در تامین امنیت و آسایش بیماران، استفاده از نور طبیعی در فضاهای درمانی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کنترل مناسب دما، رطوبت و کیفیت هوا، نقش داشته و مدیریت اموال، پرسنل، بیماران و تجهیزات را در قالب یک سیستم یکپارچه در بر می­گیرد. نتایج حاصل از شبیه­سازی نشان می­دهد که حدود 20 درصد مصرف انرژی کاهش یافته که تاثیرات قابل توجه­ای در کاهش هزینه­های تاسیساتی جاری و آتی بیمارستان دارد.
 

کلیدواژه‌ها


بررسی روشهای مختلف کنترل هوشمند بیمارستان

 جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی

حامد رشیدی‌اقدم1*، لیلا یارمحمدی2، سیدحسین ملکوتی3

1. کارشناس ارشد، مهندسی برق الکترونیک، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران

2. کارشناس ارشد، مهندسی برق قدرت، سازمان مجری ساختمانها و تاسیسات دولتی و عمومی، تهران

3. کارشناس ارشد، مهندسی مکاترونیک، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران

* تهران، صندوق پستی 1696-13145،  h.rashidi@bhrc.ac.ir

 

چکیده

در این مقاله، به بررسی روشهای مختلف کنترل هوشمند بیمارستانها پرداخته و با استفاده از شبیه‌سازی یک بیمارستان به طور نمونه، روشی بهینه جهت هوشمندسازی آن ارایه شده است. هدف از انجام دادن این مقاله، بررسی فضاهای مختلف بیمارستانی از منظر نیازمندی به کنترل هوشمند و شناسایی روشها، تجهیزات و پروتکل­های مناسب مانیتورینگ و هوشمندسازی مطابق با استاندارد   EN 15232است. با توجه به نقش حیاتی فاکتورهایی چون دقت، سرعت و اطمینان در حوزه درمانی و همچنین با توجه به آسیب­پذیری سیستم بهداشتی و درمانی از خطاهای انسانی، مدیریت هوشمند و اتوماسیون این مراکز در تامین امنیت و آسایش بیماران، استفاده از نور طبیعی در فضاهای درمانی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کنترل مناسب دما، رطوبت و کیفیت هوا، نقش داشته و مدیریت اموال، پرسنل، بیماران و تجهیزات را در قالب یک سیستم یکپارچه در بر می­گیرد. نتایج حاصل از شبیه­سازی نشان می­دهد که حدود 20 درصد مصرف انرژی کاهش یافته که تاثیرات قابل توجه­ای در کاهش هزینه­های تاسیساتی جاری و آتی بیمارستان دارد.

 

کلیدواژگان

کنترل هوشمند ساختمان، اتوماسیون، مانیتورینگ، بهینه­سازی مصرف انرژی

 

 

Studying Variety of Intelligent Control System Techniques in Hospitals for Optimization of Energy Consumption

 

Hamed Rashidi Aghdam1*, Leila Yarmohammadi2, Hosein Malakooti3

1. Department of Electrical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

2 .Commissioning organization for state & public Building Installation, West Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

3. Department of Electrical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

* P.O. Box. 13145-1696, Tehran, Iran, h.rashidi@bhrc.ac.ir

 

 

Abstract

In this paper, we studied a variety of intelligent control systems in hospitals and typically simulated a hospital to choose an optimum method. The purpose of this paper is research on variety of hospital areas which need intelligent control system and identifying method, equipment and proper protocols for monitoring and being intelligent based on EN 15232 Standard. According to the vital roles of factors such as accuracy, fast and reliability of Therapeutic area and according to Vulnerable Therapeutic system to human fault that intelligent management and automation of this places has important roles for supplying security and relaxing patient, use of natural light in this areas, to economize on energy consumption and proper control of temperature, humidity and quality of air, also this system manage to money, staff, patient and equipment.

The results of simulation show that consumption of energy was reduced about 20 percent which has significant impact on current and future cost of electrical system.

Keywords

building intelligent control, automation, monitoring, optimization of energy consumption

 

 

 

1-  مقدمه

چالش محدودیت منابع انرژی، یکی از مهمترین موضوعات مطرح در دنیا بوده و تامین نیازهای جوامع مدرن تنها با استفاده از منابع انرژی سنتی، امکان­پذیر نیست ]1[. بر اساس تحقیقات انجام شده در این زمینه، می­توان دریافت که میزان مصرف انرژی در نیم قرن گذشته به‌طور سرسام­آوری افزایش یافته است؛ به همین علت کشورهای مصرف­کننده­ی انرژی، برای صرفه­جویی و استفاده بهینه از انرژی­های موجود و همچنین جایگزینی انرژی­های جدید، گام برداشته­اند. در این راستا، مسأله مهم دیگر در این جوامع، دستیابی به  حداکثر آرامش، رفاه، و امنیت در محل زندگی و کار با صرف حداقل هزینه می­باشد.

   سیستم­های کنترل هوشمند ساختمان در حدود سال­ 1990 میلادی به تدریج و به شکل استاندارد، پا به عرصه ظهور نهادند. علتهای عمده این امر، افزایش بهای انرژی، افزایش جمعیت و نیاز مبرم به کنترل مصرف انرژی در ساختمان بوده است. تا قبل از قرن جدید میلادی اکثر شرکت­های مطرح، از پروتکل­های خاص خود جهت مدیریت هوشمند ساختمان­­ها استفاده می‌کردند، که این امر به دلیل ماهیت محدود پروژه­های هوشمندسازی در آن برهه­ی زمانی بوده است. پس از این دوره و به‌وجود آمدن پروتکل­های فراوان جهت استفاده در ساختمان­های هوشمند و گسترش هوشمندسازی ساختمان­ها، جهت سهولت در توسعه­ی این سیستم، کاهش هزینه­ها و بالا رفتن راندمان در پروژه­ها­، تصمیم بر آن شد که یک سری استاندارد مشخص جهت مدیریت هوشمند ساختمان ایجاد گردد که حاصل آن چند استاندارد برگزیده به عنوان استانداردهای اصلی بوده است.ی کی از استانداردهای موجود در این زمینه، استاندارد اروپایی EN 15232 جهت اتوماسیون، کنترل و مدیریت ساختمانها می­باشد که در این مقاله از آن استفاده شده است. در این استاندارد روشهای معینی برای ارزیابی تاثیر سیستم کنترل و اتوماسیون ساختمان (BACS)[1]و مدیریت فنی ساختمان (TBM)[2] در میزان انرژی مصرفی ساختمان ارایه شده است و راهنمایی جهت شناسایی یک روش بهینه با تجهیزات کمینه بر اساس میزان پیچیدگی ساختمانها می­باشد ]2[.

      هنوز پس از گذشت سال­ها، استاندارد واحدی در پهنه­های مختلف جغرافیایی وجود ندارد. برای مثال، استاندارد  KNXدر اروپا به وفور استفاده می­شود، در حالی که برای بسیاری از پروژه­های مشابه، در قاره آمریکا استاندارد LONWORKS، استاندارد پیش فرض است.

     در کشور ما با توجه به این موضوع که بحث هوشمندسازی به تازگی در ساختمان­ها مطرح گردیده و نیاز به آن در گذشته؛ به دلیل ارزان بودن انرژی؛ خیلی محسوس نبوده است، وجود تحقیقاتی جامع و در عین حال خلاصه و عملیاتی جهت توضیح نحوه استفاده از سیستم­های هوشمند و نکات عمومی طراحی و پیاده سازی آن در ساختمان­ها، امری ضروری است. در این مقاله ابتدا به بررسی پروتکل­های این سیستم و شناسایی فضاهای مختلف بیمارستانی از منظر نیازمندی به کنترل هوشمند پرداخته سپس با استفاده از مفاهیم استاندارد EN 15232 به بررسی چند روش­ مختلف، جهت هوشمند­سازی بیمارستان پرداخته شده است، که این روش­ها با توجه به هزینه ­و اهمیت پروژه می­توانند متفاوت باشند؛ روش انتخابی بر روی یک بیمارستان نمونه شبیه­سازی شده و در انتها با نتایج سیستمهای معمولی تاسیسات آن بیمارستان، مقایسه می­گردند.

 

2- بررسی روشهای مختلف کنترل هوشمند بیمارستان[3]

 به‌طورکلی مدیریت هوشمندانه انرژی، با اهداف بهینه­سازی مصرف انرژی و به منظور افزایش سطح رفاه، آسایش، زیبایی و دکوراسیون، ایمنی، دسترسی سریع، افزایش عمر مفید تجهیزات و کاهش هزینه نگهداری و تعمیرات آنها و در مجموع در جهت خدمت­رسانی بهتر صورت می­پذیرد. در این تحقیق سیستمهای مختلف الکتریکی و مکانیکی انواع بیمارستانها که توسط سیستم هوشمند، کنترل و مانیتورینگ می­شوند، مورد بررسی قرار گرفته شده، اما تنها سیستم روشنایی و تهویه­ی مطبوع مباحث مورد ملاحظه در این زمینه هستند.

     با توجه به مساحت، محل و نوع بیمارستان می­توان کنترل هوشمند بیمارستان را در سطوح مختلف، مدیریت کرد. زمینه­هایی که در بیمارستان‌های با مدیریت هوشمند پیاده می­شوند، بسیار متنوع­اند. هر طراح با توجه به تجربه­ی خود در زمینه  کنترل هوشمند به بخشی از سیستم، توجه بیشتری معطوف می­دارد. از طرف دیگر با توجه به نیاز هر بهره­بردار که مسایل امنیتی، انرژی، محیط زیست، و ... برایش مهم­تر باشد، روش کار متفاوت است. براساس تحقیقات انجام شده، مهمترین کاربری­ها و مواردی که در مدیریت هوشمند بیمارستان­ها از نظر بهینه­سازی مصرف انرژی و هزینه­ی اقتصادی توجیه­پذیرتر هستند، عبارت‌اند از:

1) کنترل و تنظیم روشنایی[4]

  • روشن و خاموش کردن چراغها[5]
  • کنترل میزان روشنایی چراغها[6](کاهش یا افزایش نور هر لامپ): لازمه انجام دادن این کار لامپهای مجهز به بالاست است. با در نظر گرفتن هزینه بسیار بالای این تجهیزات، تنها می­توان در برخی از فضاها مانند بخش­های مراقبتهای ویژه، از آنها استفاده کرد.
  • کنترل مرکزی برای سیستم روشنایی
  • کنترل زمانی به منظور زمان­بندی روشن بودن چراغها
  • روشن و خاموش کردن چراغها براساس روز و شب
  • تشخیص میزان و شدت روشنایی به کمک حسگرها
  • روشنایی اضطراری[7]که روشن کردن تمامی چراغها در وقت اضطراری نظیر زلزله و ... را شامل می­شود.

2) کنترل پرده و پشت­پنجره[8]: این مقوله به دلیل وارداتی بودن این نوع پرده­ها و موتورهای لازم برای آنها گران تمام شده و مقرون به صرفه نیست.

  • کنترل زمان­بندی شده­ی پرده­ها و پشت­پنجره­ها
  • کنترل وابسته به شرایط آب و هوایی؛ که بسته به آب و هوای مه­آلود، بارانی و یا وزش باد، پرده­ها را می­توان کنترل کرد.
  • بازگشت به وضعیت اولیه و از پیش برنامه­ریزی شده
  • کنترل وابسته به موقعیت خورشید؛ که بسته به زاویه­ی تابش خورشید، نور را به‌طور مناسب متمایل می­کند تا از شدت تابش مستقیم نور بکاهد.
  • کنترل مرکزی پرده­ها
  • محافظت در برابر نور خورشید؛ تنظیم پرده یا پشت­پنجره

3) کنترل تهویه­ی مطبوع[9]

  • مانیتورینگ خطاهای سیستمهای HVAC
  • کنترل وابسته به وضعیت پنجره، بدین معنا که با توجه به میزان باز یا بسته بودن پنجره، سیستم­های تهویه­ی مطبوع فعالیت خود را تنظیم کنند.

4) مدیریت میزان بار و انرژی مصرفی: به کمک پروتکل­های ارایه شده امکان­پذیر بوده و به‌صورت نرم­افزاری اجرا می­شود.

  • اندازه­گیری بار و توان مصرفی

5) مانیتور کردن خطاها: به کمک پروتکل­های سطح بالا امکان­پذیر بوده و نرم­افزاری اجرا می­شود.

  • مانیتور کردن خطاهای عمومی، بدین معنا که اگر هر یک از تجهیزات تحت کنترل نظیر روشنایی، چیلر و غیره خراب شوند، به‌صورت هوشمند نوع این خرابی، مکان آن و زمان بروز این عیب گزارش می­شود.

6) مدیریت امنیت

  • کنترل هوشمند دوربین مداربسته[10]
  • کنترل تردد در محیط­های مجاز و غیرمجاز به کمک حسگرهای حضور و غیره
  • کنترل دسترسی به مکان­های خاص (اتاقهای عمل و ...) و یا ابزارهای مختلف به کمک حسگرهای مختلف نظیر؛ اثر انگشت، اسکن قرنیه و غیره

7) کنترل سیستم­های نمایشگر

  • کنترل نمایشگرهای LCD برای سنسورها یا سوئیچ­ها
  • کنترل پانل­های نمایشگر
  • کنترل سیستم آنتن مرکزی و توزیع سیگنال
  • کنترل سیستم ویدئو کنفرانس برای اتاق جلسات
  • کنترل سیستم ویدئو کنفرانس برای اتاق عمل

8) کنترل و دسترسی از راه دور

  • کنترل از راه دور به کمک اینترنت یا تلفن
  • پیغام­گذاری توسط نامه­ی الکترونیکی، پیام کوتاه، یا دورنما

9) هوشمندسازی مرکزی

  • یکپارچه­سازی سیستم­های تاسیسات الکتریکی؛ عملیات منطقی پیچیده که بسته به هر شرایط امکان برنامه­ریزی برای کاری خاص وجود داشته باشد.
  • کنترل زمان­بندی شده برای چراغها و ...
  • عملیات کلی و بزرگ مقیاس؛ بدین معنا که بتوان یک سری از کارهای لازم را به‌عنوان یک کار بزرگ­تر تعریف کرد و همه­ی آن عملیات کنترلی کوچک به ترتیب و به‌صورت خودکار اجرا شوند.
  • جمع­آوری اطلاعات به کمک حسگرها از نقاط مختلف پروژه

10) کنترل ایمنی[11]

  • تشخیص خطرهایی از قبیل: آتش سوزی ، نشت گاز ، نشت آب
  • اعلام خطر از طریق آژیر، تلفن،email ، sms، fax ، pager
  • تعامل و هماهنگی با سایر زیر­سیستم­ها از قبیل: روشنایی، تهویه مطبوع، سیستم نظارت تصویری، قفل­های دیجیتالی

 11) اتصال به سیستم­های دیگر به کمک ورودی­های آنالوگ یا دیجیتال

  • دروازه­ی ارتباطی[12]به سیستمهای دیگر (BCON, OPC)

12) کاربردهای دیگر

  • کنترل از راه دور مدیریت انرژی و EIB-VISU

 

3- مهمترین پروتکل‌های مانیتورینگ و کنترل هوشمند

در این قسمت رایج‌ترین پروتکل­های ارتباطی برای کنترل هوشمند ساختمان به طور خلاصه شرح داده می­شود.

   الف- سیستمهای روشنایی و استاندارد KNX

   جهت مدیریت هوشمند سیستم روشنایی، پروتکلKNX  پیشنهاد می‌گردد. پروتکلKNX  که در گذشتهEIB  (European Installation Bus) نامیده می­شد، یک پروتکل استاندارد جهت استفاده در ساختمان­های هوشمند است، که برای اتصال سنسورها، عملگرها، کنترلرها و مانیتورها در ساختمان استفاده می­شود. یکی از ویژگیهای KNX توانایی آن در استفاده از رسانه­های مختلف انتقال است. سیستم­های مورد استفاده در KNX  از سه مدل اصلی جهت پیکر­بندی استفاده می­کنند که عبارت‌اند از: حالت اتوماتیک، ساده و سیستمی. دو حالت اتوماتیک (Auto) و ساده (Easy)، بدون دخالت سیستم جانبی انجام می­شوند (طبق دفترچه راهنمای دستگاه مربوط)، اما در حالت سیستم، تمامی دستگاه‌ها توسط یکPC ، به‌طور یکپارچه مورد تنظیم قرار می­گیرند. این شیوه برای سیستم­های بزرگ و متوسط، کاربرد فراوان دارد و نرم افزار مورد استفاده برای این امر، توسط بنیاد KNX تولید و نام آنETS  است. پرکاربردترین نسخه این نرم افزارETS3  می­باشد.

   ب- استاندارد DALI

[13]DALI    یک سیستم ارزان قیمت برای کنترل دیجیتال روشنایی محیط است، که به صورت یک استاندارد پذیرفته شده است. این سیستم هم می‌تواند به تنهایی به کار رود، هم اینکه به همراه پروتکل­های دیگر در حوزه هوشمندسازی ساختمان استفاده شود. در گذشته برای کنترل روشنایی، Ballast­ ها از رابط0-10V  استفاده می­کردند که سیستم DALI جهت جایگزین کردن آن پدید آمده است. استاندارد DALI تضمین می­کند، که تولیدکنندگان متفاوت، لوازمی سازگار جهت صنعت روشنایی ایجاد نمایند. این استاندارد در IEC60929 Annex توضیح داده شده است. DALI یک روش دیجیتال ایده­آل، به منظور کنترل روشنایی محیط ایجاد می­کند و در آن ارتباطات و پروسه نصب تا حد ممکن ساده شده­اند. در این باس احتیاجی به استفاده از کابل انتقال داده خاص و مقاومت ترمیناتور نمی­باشد.

   ج- استاندارد BACnet

   BACnet توسط انجمن مهندسین ASHRAE، جهت استفاده در ساختمان­های هوشمند ایجاد گردید. این پروتکل در سال 2003 به صورت استاندارد بین المللی ISO 16484-5 در­آورده شد و هم اکنون در بسیاری از ساختمان­های بزرگ استفاده می­گردد. از مزایای اصلی این پروتکل باز بودن حق استفاده از آن است. در نتیجه تولید­کنندگان مختلف، قادر به استفاده از این استاندارد در تولیدات خود، هستند.

   آخرین نسخه این استاندارد،" BACnet- ANSI/ASHRAE Std. 135,    2009" پروتکل ارتباطی داده، برای شبکه­های اتوماسیون و کنترل ساختمان است، که در حال به روزرسانی مداوم می­باشد. لابراتوارهای تست BTL، سازمان بسیار مهم دیگری است، که مسؤول بررسی محصولات متنوع تولیدکنندگانی است که پروتکل BACnet را به‌کار می­برند. ازاین رو، تطابق­پذیری میان محصولات تأیید شده، تضمین می­شود.

   BACnet بیشتر در ساختمان­های تجاری بزرگ و به عنوان Backbone استفاده می­گردد، به این معنا که در لایه­های پایین­تر، معمولاً از پروتکل‌هایKNX  یا LON استفاده کرده  و در لایه مدیریتی بالایی از BACnet به عنوان پروتکل اصلی استفاده می­گردد.

 

4- نکات کلی طراحی و اجرای سیستم BMS

 در سیستم روشنایی طراحان باید پس از دریافت نقشه­های سیستم­های تأسیساتی، آنها را به دقت بررسی نمایند و موارد مورد نیاز بهره‌برداران را استخراج کنند. پس از مشخص شدن محدوده کار و نیازهای متولیان امر، می‌توان برنامه‌ریزی را در سه فاز طراحی، خرید و اجرا انجام داد. در مدیریت هوشمند بیمارستان­ها، از قطعات و تجهیزات زیادی استفاده می­شود. انتخاب این قطعات به هزینه، دسترسی آسان برای خرید، قابلیت­های قطعات تولیدکننده­های مختلف، سطح سازگاری با پروتکل استفاده شده، سلیقه و آراستگی ظاهری کار و تجربه­ی کار با نمونه­های مشابه بستگی دارد. تنوع تولیدکنندگان و به تبع آن تنوع خود این قطعات، بسیار زیاد است.در طراحی بایستی به خواسته­های بهره برداران طبق جدول محدوده کار و استانداردهای مرجع توجه شود]3[.

    با توجه به اینکه بخش عمده­ای از انرژی در ساختمان­های عمومی برای ایجاد روشنایی به کار می­رود، به همین منظور با کنترل این بخش می­توان تا حد زیادی از هدر رفتن انرژی جلوگیری کرد. کنترل و فرمان چراغ­های روشنایی بایستی با توجه به صرفه‌جویی در مصرف انرژی انجام شود، به گونه­ای که در هنگام روز که روشنایی با استفاده از نور روز تامین می­گردد، روشنایی مصنوعی قطع و یا به حداقل برسد و همچنین با توجه به اینکه نور طبیعی بر افسردگی، خواب بیماران، توازن ریتم بدن آنها و نیز بیماران درد مفصلی، موثر است و نیز با درنظر گرفتن تاثیرات استفاده از نور طبیعی در نتایج درمانی از جمله: دوره بستری کوتاه­تر، استرس و درد کمتر، نیازمندی کمتر به داروهای مسکن و حتی تعداد مرگ و میر کمتر، رعایت تمهیدات زیر در تامین نور مورد نیاز کاربران مرکز درمانی توصیه می­گردد:

   فراهم نمودن امکان بهره­مندی از نور طبیعی؛ هر منطقه با توجه به ساعت روز و نوع قرارگیری آن در ساختمان، تعریف خاص خود را از نور بهینه دارد که مقادیر آن در استانداردهای مرجع موجود است.

   عدم تابش مستقیم نور به چشم و ایجاد خیرگی

   توانایی کنترل میزان نور توسط پرده، کرکره و سایبان در صورت توجیه اقتصادی

   تامین نور مناسب برای مطالعه

   تناسب ارتفاع پنجره از کف جهت گشایش دید بیمار خوابیده روی تخت

   تامین طیف کامل نوری در اتاق بیمار

   منطقه‌بندی هر فضا بر اساس کاربری فضا، زمان‌بندی روشنایی، طرح       معماری و دسترسی به نور روز

   کنترل نور با استفاده از حضور افراد و میزان اشغال فضا

   کنترل روشنایی با روش کلید­زنی چند حالتی، و یا با استفاده از کم‌سوگرها رنج کنترلی برای تنظیم بالاست در سه تیپ 25-100 درصد، 10-100 درصد و 5-100 درصد می­باشد، معیار انتخاب هر یک از این تیپ­ها میزان صرفه­جویی در مصرف انرژی و اهداف نورپردازی معماری است.

   در مواقع خاص مانند آب و هوای ابری و یا غبار و مه، سیستم بایستی به‌طور اتوماتیک با توجه به سنسور لوکس سنج محیط بیرونی، میزان لوکس مجاز هر فضا را تامین نماید.

   سرویس­های بهداشتی در طول روز و شب، در هنگام ورود و خروج فرد از محیط، بایستی اقدام به روشن و خاموش کردن روشنایی نمایند.

   روشنایی فضاهای محصوری که مساحتی برابر 10 مترمربع یا بیشتر داشته و بار روشنایی آن بیش از 12 وات بر مترمربع باشد و توسط بیش از یک منبع صورت گیرد، باید به نحوی کنترل گردد که بار روشنایی چراغها تا نصف قابل کاهش باشد ]4[.

   در هر طبقه، تمامی سیستم­های روشنایی باید توسط یک کلید مرکزی دستی قابل کنترل، و یا یک کلید اتوماتیک و به روش تشخیص حضور، یا به‌صورت زمانی و یا با سیستم اتوماتیک دیگری که قابل کنترل باشد، استفاده کرد.

   در صورتی که یک سیستم کلیدی زمانی پیش‌بینی شده باشد، باید شرایط زیر برقرار باشد:

الف- به‌ راحتی در دسترس باشد.

ب- در جایی واقع شده باشد، که شخص استفاده کننده بتواند به راحتی حدس بزند، کلید مربوط کدام فضا را روشن می­نماید.

ج- به‌ صورت دستی نیز کار کند.

د- اجازه دهد روشنایی حداکثر 2 ساعت، روشن باقی بماند.

و- فضایی کمتر از 2000 متر مربع را کنترل نماید.

ه- در صورتی که از سیستم برنامه­ریزی (زمانی) استفاده شود، باید قابلیت دادن برنامه­های خاص برای روزهای تعطیل، تمامی سیستم­های روشنایی را خاموش نگه‌داشت.

   مانیتورینگ و کنترل هوشمند بیمارستان یک لایه­ی نرم­افزاری و یک لایه­ی سخت­افزاری دارد. این لایه­ها با تعیین پروتکل، بیشتر مشخص می‌شوند. برای مثال اگر KNX مبنای کار باشد، می­توان از نرم­افزار ETS برای لایه­ی نرم­افزاری استفاده کرد. برای LON و BACNet هم به همین صورت نرم­افزارهای مشابه وجود دارد. تیم پیمانکار مدیریت هوشمند می‌تواند بسته به هزینه، تجربه، سرمایه­ی انسانی، تجهیزات در دسترس و نیاز هوشمندسازی  از KNX یا  LONاستفاده کنند. هر چند که با توجه به در دسترس بودن تجهیزات و نیروی انسانی در ایران KNX از  LONمزیت بیشتری دارد. در لایه­ی مدیریت و همچنین کنترل HVAC نیز از BACNet استفاده می­شود.

   تجهیزات سخت­افزاری شامل دو بخش عمده هستند:

تجهیزاتی که زیرساخت و باس ارتباطی را تشکیل می­دهند. در این‌صورت بسته به پروتکل انتخابی و با توجه به راهنمایی بخش پیش، از قطعاتی نظیر Line Coupler، Power Supply و ... استفاده می­شود. بسته به سایز بستر و تعداد خطوط و سطوح مدیریت هوشمند برای هر پروتکل، می­توان زیرساخت لازم را ارایه داد.

   تجهیزاتی که در اتاقها و یا راهروها و ... نصب می­شوند، که به کمک بستر ارتباطی، هوشمندسازی را پیاده می­کنند. این تجهیزات شامل: سنسور  سوئیچ، سنسورهای دما، کنترلرها و ... می­شوند.

 

5- مدل سازی یک بیمارستان نمونه

در این مقاله بررسی مزایای کیفی و کمی سیستم کنترل و اتوماسیون ساختمان بر اساس شبیه­سازی یک بیمارستان به‌طور نمونه انجام می­گیرد. در اینجا کلیه توابع و تجهیزات ساختمان مدل گردیده است. توابع BACs با توجه به استاندارد  EN 15232بر مبنای انرژی مورد نیاز و منابع تغذیه برای یک ساختمان به صورت دیاگرام 1 می­باشد.

 

شکل 1 دیاگرام مدلینگ یک ساختمان بر اساس فضاها و منابع تغذیه

­   در این دیاگرام، اتاقها نشان‌دهنده منابع متقاضی انرژی محسوب می­شوند. انرژی مورد نیاز اتاقها شامل عملکرد مناسب دستگاههای HVAC با توجه به درجه حرارت و ایجاد شرایط مطلوب برای افراد، رطوبت، کیفیت مناسب هوا و همچنین روشنایی مورد نیاز اتاقهاست. در اینجا تغذیه کردن مصرف‌کننده­ها با توجه به میزان تقاضای انرژی و طوری است که میزان تلفات سیستم توزیع و تولید انرژی کمینه گردد.

   بر اساس استاندارد  EN 15232ابتدا باید کلاس بهینه­سازی انرژی ساختمان مورد نظر، بر اساس چهار کلاس  (A,B,C,D)مشخص گردد. این طبقه­بندی بر اساس جدول 1 می­باشد.

 

 

 

 

 

جدول 1 طبقه­بندی عملکرد سیستم اتوماسیون

کلاس

بهره انرژی

A

 بیانگر عملکرد بالای انرژی سیستم  BACS و TBM  به صورت زیر:

  • اتوماسیون اتاقها بر اساس کنترل میزان اتوماتیک مورد نیاز
  • برنامه ریزی تعمیر و نگهداری
  • مانیتورینگ میزان انرژی

B

 بیانگر عملکرد متوسط انرژی سیستم BACS و TBM  به صورت زیر:

  • اتوماسیون اتاقها بدون درنظر گرفتن کنترل بر اساس میزان اتوماتیک مورد نیاز
  • مانیتورینگ انرژی

C

بیانگر عملکرد استاندارد انرژی سیستم BACS و TBM  به صورت زیر:

  • اتوماسیون ساختمان بر اساس نیازهای اولیه 
  • عدم اتوماسیون کردن تجهیزات الکتریکی اتاقها، شیرهای رادیاتورها
  • عدم مانیتورینگ انرژی

D

بیانگر عدم عملکرد انرژی سیستم BACS و TBM است و چنین سیستمهایی باید در آینده به روز شوند و در حال حاضر ساختمانهای جدید نباید با این سیستم ها تجهیز شوند:

  • بدون توابع اتوماسیون ساختمان
  • عدم اتوماسیون کردن تجهیزات الکتریکی اتاقها
  • عدم مانیتورینگ انرژی

 

 

   سپس با توجه به نوع کلاس و تجهیزات قابل کنترل و بر اساس جداول مندرج در استاندارد EN 15232 می­توان میزان کنترل آن تجهیز را مشخص کرده و در انتها بر اساس محاسبات، میزان عملکرد سیستم اتوماسیون را تعیین نمود.  این محاسبات به ترتیب زیر انجام می­شود:

گام 1:  تعیین ضریب بهره BACs

میزان تاثیر توابع BACS از نسبت میزان انرژی یک کلاس موردنظر بر روی انرژی مورد نیاز ساختمان کلاس مبنا، توسط ضرایب بهره تخمین زده می‌شود. ضریب بهره برای همه مدل ساختمان در کلاس C به صورت مبنا یک درنظر گرفته می­شود. به عبارت دیگر، میزان انرژی مورد نیاز هر ساختمان کلاس مبنا %100 است. ضریب بهره BACs بر اساس رابطه 1-1 تعریف می­شود.

(1)                                                                          

K: ضریب بهره BACs

M: میزان انرژی مورد نیاز سیستم BACs جهت کلاس طراحی شده

B: میزان انرژی مورد نیاز سیستم BACs کلاس C

گام 2:  تعیین انرژی ذخیره شده توسط توابع BACs

   انرژی ذخیره شده توسط توابع  BACsبرای کلاس بهره سیستم­های مختلف با استفاده از رابطه 1-1 به‌دست می­آید و از آنجا می­توان نتیجه گرفت:

  

(2)

   با توجه به رابطه­های به‌دست آمده و بر اساس نکات طراحی بخش 4 و نقاط تنظیم[14] آورده شده استانداردها می­توان سیستم اتوماسیون را در بیمارستان طراحی کرده و از آنجایی که میزان انرژی مورد نیاز یک ساختمان در کلاس C را می توان در هنگام طراحی به‌دست آورد، در نتیجه به راحتی با تعیین ضریب بهره سیستم اتوماسیون مقدار انرژی ذخیره شده را برحسب  KWh به‌دست آورد.

   بر اساس استاندارد EN 15232 برای بیمارستان­ها ضریب بهره انرژی گرمایی (سیستم گرمایش، سرمایش و DHW ) با طراحی کلاسهای مختلف سیستم اتوماسیون به صورت جدول 2 است.

جدول2 ضریب بهره سیستم اتوماسیون برای بیمارستانها

ضرایب بهره انرژی گرمایی سیستم اتوماسیون

نوع ساختمان

A

B

C

D

عملکرد انرژی بالا

بهره انرژی متوسط

استاندارد (مبنا)

بدون بهره انرژی

86/0

91/0

1

31/1

بیمارستان

 

 

 

 

 

 

  بر اساس استاندارد EN 15232 برای بیمارستان­ها ضریب بهره انرژی الکتریکی (سیستم روشنایی و تجهیزات جانبی الکتریکی سایر سیستمها) با طراحی کلاسهای مختلف سیستم اتوماسیون به صورت جدول 3 است.

 

 

 

جدول3 ضریب بهره سیستم اتوماسیون برای بیمارستانها

ضرایب بهره سیستم روشنایی و تجهیزات جانبی الکتریکی در سیستم اتوماسیون

نوع ساختمان

A

B

C

D

عملکرد انرژی بالا

بهره انرژی متوسط

استاندارد (مبنا)

بدون بهره انرژی

96/0

98/0

1

05/1

بیمارستان

 

 

 

 

 

 

گام 3: نتایج به‌دست آمده از بیمارستان نمونه

نتایج به‌دست آمده از میزان ذخیره انرژی یک بیمارستان 100 تختخوابی با مساحت حدود 8000 مترمربع، دارای کنترل هوشمند و طراحی شده در کلاس B به‌طور خلاصه در جدول 4 آورده شده است.

 

 

 

 

 

 

جدول4 انرژی مورد نیاز بیمارستان نمونه

روشنایی

تهویه مطبوع

سرمایش

گرمایش

واحد

محاسبات

ردیف

توضیحات

انرژی گرمایی

 

 

100

100

 

 

1

انرژی موردنیاز

 

 

28

33

 

 

2

تلفات دستگاه‌ها

 

 

128

133

   

3

مصرف انرژی برای کلاس C

 

 

1

1

 

 

4

ضریب بهره انرژی گرمایی کلاس C

 

 

91/0

91/0

 

 

5

ضریب بهره انرژی گرمایی کلاس مورد نظر (کلاسB )

 

 

116

121

 

 

6

مصرف انرژی برای کلاس B

انرژی الکتریکی

34

21

12

14

 

 

7

سیستم روشنایی و تجهیزات جانبی الکتریکی سیستمها

1

1

1

1

 

 

8

ضریب بهره انرژی الکتریکی کلاس C

98/0

98/0

98/0

98/0

 

 

9

ضریب بهره انرژی الکتریکی کلاس مورد نظر (کلاس B)

33

20

8/11

7/13

 

 

10

مصرف انرژی برای کلاس B

                             

 

 

   طبق نتایج به‌دست آمده، با طراحی سیستم اتوماسیون از کلاس C به کلاس B مقدار انرژی ذخیره شده به شرح زیر است:

انرژی ذخیره شده سیستم گرمایش: %91

انرژی ذخیره شده سیستم سرمایش: %91

انرژی ذخیره شده سیستم الکتریکی: 98/0

   بر اساس محاسبات مقدار انرژی ذخیره شده این بیمارستان حدود 216000 کیلووات ساعت است که ملاحظه می­گردد در هزینه­های مربوط به تأسیسات کاهش قابل‌ملاحظه­ای انجام شده است.

 

6- نتایج

در این مقاله، با استفاده از نتایج به‌دست آمده بر اساس استاندارد EN 15232 سیستم اتوماسیون بر روی یک بیمارستان، به‌طور نمونه مورد بررسی قرار گرفته است. در این استاندارد روشهای معینی برای ارزیابی تاثیر سیستم کنترل و اتوماسیون ساختمان (BACS) و مدیریت فنی ساختمان  (TBM)  در میزان انرژی مصرفی ساختمان ارایه شده است و راهنمایی جهت شناسایی یک روش بهینه با تجهیزات کمینه بر اساس میزان پیچیدگی ساختمانها می­باشد. با استفاده از این استاندارد میزان انرژی ذخیره شده توسط این سیستم به‌دست آمده و نتایج نشان می­دهد که حدود 20 درصد مقدار انرژی مورد نیاز یک بیمارستان کاهش یافته و در نتیجه میزان هزینه انرژی مصرفی نیز کاهش خواهد یافت.

7- منابع

[1]     Chen-xu Liu, Qing-An Zeng, Yun Liu, “A Dynamic Load Control Scheme Grid Systems,” ElSEVIER, pp. 200–205, Sep. 30, 2011.

[2]     Eu.bac product certification “Building automation impact on energy efficiency,” Application per EN 15232.

[3]     اصول و مبانی سیستم های هوشمند کنترل و BMS ، تالیف رسول حدادی نیستانک

[4]     صرفه‌جویی در مصرف انرژی "مبحث 19 مقررات ملی ساختمان "

 



[1]Building Automation and Control System

[2]Technical Building Management

[3]Building Management System (BMS)

[4]Lighting Control

[5]Switching

[6]Dimming

[7]Panic Lighting

[8]Blinds & Shutters Control

[9]Heating, Ventilation & Air Conditioning (HVAC)

[10]Closed Circuit TV (CCTV)

[11]Safety

[12]Gateway

[13]Digital Addressable Lighting Interface

[14]Set point

 

7- منابع

[1]     Chen-xu Liu, Qing-An Zeng, Yun Liu, “A Dynamic Load Control Scheme Grid Systems,” ElSEVIER, pp. 200–205, Sep. 30, 2011.

[2]     Eu.bac product certification “Building automation impact on energy efficiency,” Application per EN 15232.

[3]     اصول و مبانی سیستم های هوشمند کنترل و BMS ، تالیف رسول حدادی نیستانک

[4]     صرفه‌جویی در مصرف انرژی "مبحث 19 مقررات ملی ساختمان "