周 波 王廣濤

1上海市燃?xì)夤芾硖?/p>

2上海電力大學(xué)

0 引言

能源是社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力和基礎(chǔ)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源開(kāi)始出現(xiàn)利用緊張和價(jià)格上漲的趨勢(shì)，節(jié)能減排工作成為非常重要的任務(wù)。近年來(lái)，隨著我國(guó)能源革命的推進(jìn)，能源的清潔高效利用地位日顯重要，因此，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的能源利用模式愈加多樣化。

綜合能源系統(tǒng)特指在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行等過(guò)程中，通過(guò)對(duì)能源的產(chǎn)生、傳輸與分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)[1]。綜合能源系統(tǒng)可以充分利用多元能源，一方面能實(shí)現(xiàn)能源的高效互補(bǔ)利用，解決可再生能源的消納問(wèn)題，另一方面能夠滿足節(jié)能減排的要求，是相對(duì)于傳統(tǒng)能源利用模式的創(chuàng)新。目前，我國(guó)高校分布式能源及綜合能源的發(fā)展和實(shí)施都有了一定的基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)高校綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)施情況分析探究，希望對(duì)今后高校綜合能源系統(tǒng)的利用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展概述

1.1 國(guó)外綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展

綜合能源系統(tǒng)對(duì)于提升能源的利用效率和可再生能源的規(guī)?；拈_(kāi)發(fā)利用具有重要的支撐作用[2]，國(guó)外許多國(guó)家針對(duì)本國(guó)的能源情況制定了綜合能源的發(fā)展模式。從時(shí)間角度來(lái)看，歐洲是最早提出綜合能源系統(tǒng)概念的地區(qū)，同時(shí)也進(jìn)行實(shí)踐。英國(guó)開(kāi)展了可再生能源與電力網(wǎng)協(xié)同、集中式能源系統(tǒng)與分布式能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)多元能源的協(xié)調(diào)，確保能源供應(yīng)的安全。德國(guó)致力于發(fā)展包括智能發(fā)電、智能電網(wǎng)、智能消費(fèi)和智能儲(chǔ)能等方面為主的能源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)集成的綜合能源項(xiàng)目。美國(guó)在技術(shù)上推出分布式能源與冷熱電聯(lián)供技術(shù)的發(fā)展[3]。日本則致力智能社區(qū)綜合能源技術(shù)的研究，以傳統(tǒng)綜合供能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，力求建設(shè)覆蓋全社會(huì)的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，以“就近消納、就地平衡”為原則，融合分布式能源、供熱供水系統(tǒng)、電氣化住宅、電氣化交通網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，形成區(qū)域性綜合能源服務(wù)系統(tǒng)[4]，同時(shí)在能源網(wǎng)絡(luò)的終端，不同的能源使用設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元共同構(gòu)成終端綜合能源系統(tǒng)[5]。

1.2 我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展

為了推動(dòng)能源領(lǐng)域的創(chuàng)新與協(xié)調(diào)，促進(jìn)綜合能源系統(tǒng)體系的建設(shè)，我國(guó)在2010年成立了國(guó)家能源委員會(huì)，推動(dòng)能源領(lǐng)域改革，尋求創(chuàng)新發(fā)展模式。當(dāng)前，我國(guó)已通過(guò)“973”、“863”研究計(jì)劃，同時(shí)多項(xiàng)與綜合能源技術(shù)相關(guān)的科技研發(fā)項(xiàng)目也已經(jīng)啟動(dòng)。此外，我國(guó)政府積極尋求與包括新加坡、德國(guó)政府在內(nèi)的相關(guān)機(jī)構(gòu)共同合作，建設(shè)各類生態(tài)文明城市，積極推廣綜合能源利用技術(shù)，目的是構(gòu)建清潔、安全、高效、可持續(xù)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)和服務(wù)體系[2]。

近年來(lái)，我國(guó)能源革命的持續(xù)推進(jìn)，以電力系統(tǒng)為核心，耦合熱力、燃?xì)獾饶茉吹木C合能源系統(tǒng)也得到發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)場(chǎng)景適用性也更為廣泛，主要有工業(yè)園區(qū)、智慧社區(qū)、交通樞紐等，其中高校綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用也逐步得到發(fā)展。

2 高校綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿?/h2>

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國(guó)共有普通高等學(xué)校2 631所(含獨(dú)立學(xué)院265所)，全國(guó)各類高等教育在學(xué)總規(guī)模達(dá)到3 779萬(wàn)，且高效的人均能耗、水耗均是全國(guó)人均數(shù)值的2～4倍[6]。因此，高校的能源的高效清潔利用具有重要的意義。

3 高校綜合能源系統(tǒng)特征

3.1 負(fù)荷特征

負(fù)荷特征對(duì)于高校綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行至關(guān)重要。高校的負(fù)荷主要由規(guī)模、類型、位置區(qū)域等因素決定的。高校的規(guī)模體現(xiàn)在在校的師生數(shù)量，教學(xué)區(qū)域等方面。從類型上來(lái)看，由于專業(yè)或?qū)W科的特殊性，理工類高校用能量相對(duì)較多[7]。

學(xué)校作為教育機(jī)構(gòu)，由教育部門(mén)統(tǒng)一管理，因此學(xué)校用電特性在一定程度上會(huì)有很大的相似之處。用電特征的最顯著特點(diǎn)是用電高峰期內(nèi)負(fù)荷保持穩(wěn)定。此類特征最顯著學(xué)校一天之中從早上開(kāi)始，負(fù)荷逐漸升高，然后穩(wěn)定在一個(gè)負(fù)荷值左右，該負(fù)荷值在一年中的某個(gè)時(shí)間段變化不大，隨后慢慢降低，直到降到學(xué)校最低負(fù)荷并保持穩(wěn)定。此外，高校園區(qū)的用電負(fù)荷特性，規(guī)劃時(shí)必須考慮一年三個(gè)月的寒暑假，高校的校園年負(fù)荷一般存在兩個(gè)用電低谷，這是由于假期，校區(qū)用電功率降低導(dǎo)致。

3.2 供應(yīng)模式

總結(jié)綜合能源的供應(yīng)模式如圖1所示，以傳統(tǒng)的電力、熱力、燃?xì)鉃榛A(chǔ)，根據(jù)高校地域、氣候等情況，耦合風(fēng)能、光伏等可再生能源共同構(gòu)成高校綜合能源供應(yīng)模式，由于區(qū)域規(guī)劃的不同，有些高校沒(méi)有燃?xì)夤?yīng)，熱負(fù)荷可以采用熱泵與其它輔助設(shè)備共同保障。

3.4 運(yùn)營(yíng)模式

綜合能源系統(tǒng)把電、熱、冷、氣等多種能源形式在生產(chǎn)、輸送、存儲(chǔ)、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)耦合起來(lái)，即在各種新型的能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與分配設(shè)備的支撐下，用戶能夠獲取靈活、高效、即插即用的能源服務(wù)。高校的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式主要有各參與主體獨(dú)立運(yùn)營(yíng)和合作運(yùn)營(yíng)兩種模式。

在各參與主體獨(dú)立運(yùn)行模式下，一般電網(wǎng)公司提供主要電力保障，光伏、風(fēng)電或儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)主體與投資主體一致。合作運(yùn)營(yíng)模式主要通過(guò)各運(yùn)營(yíng)主體共同組建合資公司，統(tǒng)一對(duì)高校能源進(jìn)行調(diào)配與管理[8]。

4 典型案例介紹

綜合能源系統(tǒng)在我國(guó)高校中的應(yīng)用有許多成功的案例，如天津大學(xué)濱海工業(yè)研究院綜合能源示范工程、廣州大學(xué)城能源站項(xiàng)目、上?？萍即髮W(xué)能源中心項(xiàng)目等，參考報(bào)告[9-10]，本節(jié)以上海電力大學(xué)為例，介紹高校綜合能源系統(tǒng)的具體實(shí)施情況。

4.1 案例概況

該項(xiàng)目入選國(guó)家發(fā)改委、能源局在2017年5月批準(zhǔn)的全國(guó)首批28個(gè)項(xiàng)目之一，是上海市首個(gè)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目，為全國(guó)高校中的唯一一個(gè)校園的示范項(xiàng)目。項(xiàng)目高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)新能源微電網(wǎng)，打造“智能、低碳、環(huán)保、節(jié)能”的綠色校園。上海電力大學(xué)臨港新校區(qū)智能微電網(wǎng)綜合能源服務(wù)項(xiàng)目由國(guó)網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司投資，國(guó)網(wǎng)節(jié)能設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)實(shí)施。

圖1 高校綜合能源系統(tǒng)典型供應(yīng)模式

4.2 系統(tǒng)組成

項(xiàng)目主要包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、多類型光伏系統(tǒng)、太陽(yáng)能與熱泵耦合熱水系統(tǒng)、一體化智慧路燈系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，以及建筑能耗的管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)了源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的協(xié)同運(yùn)行以及綜合管理。項(xiàng)目建設(shè)了10棟公寓樓空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、約2 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)（單晶、多晶、BHPV、高效組件等多種組件）、300 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、1套混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（150 kW×2 h鉛炭電池、100 kW×2 h磷酸鐵鋰電池及100 kW×10 s的超級(jí)電容），49 kW光電一體化充電站以及一體化智慧路燈,通過(guò)智慧能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑能效管理、綜合節(jié)能管理和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”協(xié)同運(yùn)行，各系統(tǒng)組成有以下6個(gè)部分。

1）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

分布于全校21棟建筑屋面及一個(gè)光電一體化充電站車棚棚頂，安裝總裝機(jī)容量2 061 kW。光伏組件采用單晶、多晶、BHPV、PERC、切半、疊片等多種組件形式，供應(yīng)清潔電力的同時(shí)，為學(xué)校師生免費(fèi)提供了研究新能源技術(shù)的場(chǎng)所。

2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

采用一臺(tái)300 kW水平軸永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，與光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)組成微電網(wǎng)系統(tǒng)。

3）儲(chǔ)能系統(tǒng)

系統(tǒng)配置有容量為100 kW×2 h的磷酸鐵鋰電池、150 kW×2 h的鉛炭電池和100 kW×10 s的超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備。三種儲(chǔ)能設(shè)備與學(xué)校的不間斷電源相連，一并接入微網(wǎng)系統(tǒng)。

4）太陽(yáng)能+空氣源熱泵的智能熱網(wǎng)

在新校區(qū)公寓樓的屋頂，設(shè)置了太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵，集中供應(yīng)生活熱水。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了熱水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制和節(jié)能優(yōu)化。10套系統(tǒng)，每天800 t熱水，解決了10 000余名師生的生活熱水使用需求。

5）智能微電網(wǎng)

采用光伏、風(fēng)力等發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)，智能變壓器等智能變配電設(shè)備，結(jié)合電力需求側(cè)管理和電能質(zhì)量控制等技術(shù)，構(gòu)建智能微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息自動(dòng)采集、供電故障快速響應(yīng)、綜合節(jié)能管理、智慧辦公互動(dòng)、新能源接入管理。在切斷外部電源的情況下，微電網(wǎng)內(nèi)的重要設(shè)備可離網(wǎng)運(yùn)行1～2 h。

6）智慧能源管控系統(tǒng)

智慧能源管控系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、太陽(yáng)能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)與智能微網(wǎng)、智能熱網(wǎng)、校園照明智能控制系統(tǒng)及校園微網(wǎng)系統(tǒng)的信息集成及數(shù)據(jù)共享，滿足學(xué)校對(duì)新能源發(fā)電、園區(qū)用電、園區(qū)供水等綜合能源資源的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析與挖掘，實(shí)現(xiàn)各種節(jié)能控制系統(tǒng)綜合管控。值班室實(shí)行智能集控（智能能源管控系統(tǒng)總平臺(tái)、智能微網(wǎng)子系統(tǒng)、建筑群能耗監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)等組成），通過(guò)2 000多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)校園內(nèi)所有的變電站、建筑用電、用水、用氣等監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源情況的一體化布控。通常校內(nèi)財(cái)務(wù)、物業(yè)、后勤等部門(mén)的信息系統(tǒng)并不打通，而在能源監(jiān)控系統(tǒng)中，各個(gè)分系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)是一體化的，這成為“智慧校園”節(jié)能減排的信息化基礎(chǔ)架構(gòu)。比如在寒暑假，系統(tǒng)用戶管理功能可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)異常電耗，若某一處發(fā)生“狀況”，也可遠(yuǎn)程查明甚至關(guān)斷相應(yīng)電源，替代了以往勤手勤腳的傳統(tǒng)巡查手段。此外，如比較常見(jiàn)的地下水管內(nèi)漏現(xiàn)象，系統(tǒng)也能靈敏察覺(jué)。智慧能源管控系統(tǒng)作用與效果如圖2所示。

圖2 綜合能源管控系統(tǒng)作用與效果圖

4.3 經(jīng)濟(jì)效益及運(yùn)行成效

項(xiàng)目中的熱水收益主要來(lái)自熱水供應(yīng)收費(fèi)，光伏和風(fēng)電通過(guò)收取電費(fèi)（自發(fā)自用+余電上網(wǎng)）獲得經(jīng)濟(jì)效益，而儲(chǔ)能和管控平臺(tái)不能直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，由于學(xué)校為公共事業(yè)單位，用能穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)很小，盡管收益率不是很高，但收益穩(wěn)定，因此具有示范推廣意義。

該項(xiàng)目承擔(dān)了臨港校區(qū)約20%的電力供應(yīng)，同時(shí)將綜合能源智慧管理系統(tǒng)融入到師生的學(xué)習(xí)生活中，通過(guò)新能源自主供電和能效管理，學(xué)校能耗比同規(guī)模校園降低了近25%，預(yù)計(jì)年減排 2 243 tCO2，年減排67 tSO2。

擁有新能源微電網(wǎng)的智慧校園通過(guò)新能源自主供電和能效管理，可比正常校園能耗降低約30%，減排效果如表1所示。

表1 上海電力大學(xué)臨港校區(qū)節(jié)能減排數(shù)據(jù)

5 總結(jié)與展望

從能源的利用角度來(lái)看，高校有固定的能源負(fù)荷和用能模式，采用綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式能夠深入挖掘高校節(jié)能潛力。高校采用新能源、清潔能源多元能源融合的綜合能源系統(tǒng)供能，有利于降低污染物的排放，形成示范效應(yīng)。

針對(duì)以能源電力為特色的高校，可以充分利用學(xué)?？蒲兴?，形成產(chǎn)學(xué)研相互促進(jìn)發(fā)展模式，進(jìn)一步完善高校綜合能源系統(tǒng)，也帶動(dòng)高校相關(guān)專業(yè)的發(fā)展。

綜合能源的創(chuàng)新發(fā)展，未來(lái)高校綜合能源的發(fā)展將會(huì)更加智能化，能源信息網(wǎng)互聯(lián)互通。針對(duì)高校產(chǎn)能負(fù)荷、用能負(fù)荷的變化，通過(guò)信息化手段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)優(yōu)化匹配，在能源高效利用層面將會(huì)有新的突破。