呂培明，許秀鋒，曹同成，唐 莉

（1.同濟(jì)大學(xué)a.校長辦公室，b.采購與招標(biāo)管理辦公室，c.資產(chǎn)與實(shí)驗室管理處，上海 200090；2.中教能源研究院，北京 100044）

0 引言

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗在社會總能耗中的占比穩(wěn)步上升，能源壓力對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用日益明顯，因此降低建筑能耗刻不容緩。高校作為大型公共機(jī)構(gòu)建筑的重要組成部分之一，建筑量大、能耗較高，且存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。尤其是自1999年高校擴(kuò)招以來，高校規(guī)模不斷擴(kuò)張，使高校的能源消耗費(fèi)用支出大幅度增長［2］。浙江大學(xué)學(xué)者［3］對夏熱冬冷地區(qū)某高校能耗進(jìn)行統(tǒng)計，能耗結(jié)果如表1 所示，可見高校校園能耗種類多、消耗量大。

表1 夏熱冬冷地區(qū)某高校2008～2011 年能耗概況

在2007 年的《政府工作報告》中重申：“努力建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會”。2007 年“兩會”政府工作報告中明確提出把節(jié)能減耗作為工作切入點(diǎn)，并制定了《中華人民共和國節(jié)約能源法》以大力推動節(jié)能降耗［4］。針對高校能源消耗種類多、消耗數(shù)大的現(xiàn)狀，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2009 年印發(fā)《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》，為高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管給出詳細(xì)的技術(shù)導(dǎo)則和管理辦法［5］。通過建立科學(xué)的校園能源管理系統(tǒng)建設(shè)節(jié)約型校園，響應(yīng)國家的政策號召，達(dá)到節(jié)能減排的目的，落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀。能在一定程度上緩解我國目前面臨的能源壓力，幫助實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。高校是我國培養(yǎng)人才和促進(jìn)我國科學(xué)進(jìn)步的最為主要的陣地［6］，是一個培育人才的搖籃、科研工作的創(chuàng)新基地［7］，在我國高校深入開展節(jié)約型校園建設(shè)，傳播勤儉節(jié)約的優(yōu)良傳統(tǒng)，由學(xué)校為學(xué)生樹立節(jié)約的榜樣，營造節(jié)約能源、環(huán)保綠色的校園文化氛圍。2020 年，教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心推出了能效領(lǐng)跑者計劃［8］，統(tǒng)一組織，以合同能源管理、合同節(jié)水管理、PPP等方式，對學(xué)校用能系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合改造，打造綠色校園示范樣板，對參與該項目的學(xué)校授予“全國能效領(lǐng)跑者示范學(xué)?！睒s譽(yù)。

因此，建設(shè)一套校園綜合能源監(jiān)控管理平臺，實(shí)現(xiàn)校園能源的統(tǒng)一管理和集中控制，實(shí)現(xiàn)能源的可靠、穩(wěn)定、清潔、高效供應(yīng)，減少高校建筑能耗顯得十分重要。

1 綠色校園及能源系統(tǒng)管理基本情況

隨著能源和環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，走綠色、可持續(xù)發(fā)展道路成為不二選擇。同濟(jì)大學(xué)在國內(nèi)高校中率先創(chuàng)建節(jié)約型校園，探索可推廣的綠色校園模式。

2003年3 月，學(xué)校在中國高校中率先創(chuàng)建節(jié)約型校園，在校園節(jié)能環(huán)保方面不斷創(chuàng)新實(shí)踐，節(jié)約型校園理念始終貫穿在校園建設(shè)過程。嘉定校區(qū)的建設(shè)以及四平路校區(qū)的新建和修建項目，都充分秉持“綠色、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展”的理念，校園內(nèi)先后建成了一批具有標(biāo)志性、示范性的綠色節(jié)能項目。如校園內(nèi)歷史保護(hù)標(biāo)志性建筑大禮堂，采用利用地道風(fēng)道的新風(fēng)預(yù)冷（熱）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、座椅送風(fēng)系統(tǒng)、建筑節(jié)能材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱等節(jié)能系統(tǒng)和措施；新建的衷和樓則采用中庭復(fù)合通風(fēng)、冰蓄冷空調(diào)、變頻供水、地下停車庫自然采光等節(jié)能系統(tǒng)和措施。太陽能光伏技術(shù)、地源熱泵、低輻射節(jié)能型外窗、建筑遮陽、屋頂綠化、光導(dǎo)管、節(jié)能照明、輻射式空調(diào)末端系統(tǒng)也分別被應(yīng)用于文遠(yuǎn)樓、旭日樓、游泳館、環(huán)境樓、教學(xué)樓、圖書館等建筑單體。學(xué)生浴室在改建過程中采用太陽能供熱水、電蓄熱鍋爐、中水處理和回用、洗浴廢水熱回收利用、IC卡使用系統(tǒng)等一系列有效的節(jié)能設(shè)備。

“節(jié)約型校園建設(shè)技術(shù)集成和示范”項目榮獲2008 年教育部科技進(jìn)步一等獎［9］。學(xué)校被建設(shè)部列入首個全國“節(jié)約型校園示范”項目，先后獲評“首批上海節(jié)水型示范校區(qū)”“首批全國城鎮(zhèn)節(jié)水工作示范校區(qū)”和“全國高校節(jié)能先進(jìn)單位”［10］。2011 年，學(xué)校發(fā)起倡議成立了中國綠色大學(xué)聯(lián)盟，促進(jìn)校園設(shè)施及建筑節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新、合作研發(fā)與推廣，引領(lǐng)和推進(jìn)國內(nèi)高校綠色發(fā)展。2012 年，學(xué)校獲“全球可持續(xù)校園杰出獎”，成為亞太地區(qū)獲此殊榮的第一所高校。

目前，我校設(shè)有29 個專業(yè)學(xué)院，9 家附屬醫(yī)院，6所附屬中小學(xué)。有四平路、嘉定、滬西和滬北等4 個主要校區(qū)，占地面積2.54 km2，校舍總建筑面積181 余萬m2［11］，另有正在施工校舍建筑面積37.1 萬m2。學(xué)?，F(xiàn)有全日制本科生18 115 人，碩士研究生12 105 人，博士研究生5 766 人，另有國際學(xué)生3 575 人。隨著辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，校園建筑面積大幅增加，建筑能耗費(fèi)用也逐漸飆升。學(xué)校主要耗能是教學(xué)、辦公、實(shí)驗用能，其中包括制冷、采暖、照明、動力輸配系統(tǒng)等用能。

（1）水電系統(tǒng)。學(xué)校現(xiàn)有一套能源管理系統(tǒng)，并安裝了遠(yuǎn)程抄表裝置。遠(yuǎn)程抄表有專人進(jìn)行維護(hù)，不僅對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，且保留數(shù)據(jù)記錄。對于網(wǎng)絡(luò)故障等問題引起的短暫性無法計量的現(xiàn)象，能源管理中心會及時予以解決。供水系統(tǒng)方面，學(xué)?，F(xiàn)有供水模式為市政供水，部分建筑采用了中水回收系統(tǒng)。學(xué)校已經(jīng)建立各校區(qū)用水計量裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控及抄表系統(tǒng)，對各建筑、各部門的用水消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集頻率為每天1 次，采集時間為每天零點(diǎn)。

（2）空調(diào)系統(tǒng)。學(xué)校各個建筑的空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù)由后勤部門負(fù)責(zé)，運(yùn)行人員通常只做簡單啟停操作，具體運(yùn)行控制由設(shè)備自帶的控制器實(shí)現(xiàn)。這樣的操作方式雖然便于操作和管理，但并不能保證處于最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。大禮堂、行政樓采用多聯(lián)機(jī)及風(fēng)冷熱泵機(jī)組，其控制自成系統(tǒng)，能管系統(tǒng)可采集實(shí)時運(yùn)行情況，通過集中控制、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)、分區(qū)管理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在保證空調(diào)控制系統(tǒng)效果的前提下，節(jié)省空調(diào)運(yùn)行能耗。教學(xué)樓、辦公樓大部分采用分體式空調(diào)，所有的控制操作通過遙控器完成，學(xué)生和教職工根據(jù)需要自行控制。使用者往往會將溫度設(shè)定值設(shè)得過低或過高，使空調(diào)長期處于超溫運(yùn)行狀態(tài)，造成電力浪費(fèi)。此外，空調(diào)一直處于帶電狀態(tài)，即使不使用，也會因待機(jī)消耗電量。

（3）照明系統(tǒng)。學(xué)校的大多數(shù)建筑照明系統(tǒng)均為人工控制，并未采用聲控、光控等先進(jìn)技術(shù)。因而常常出現(xiàn)白天光線明亮的走廊、使用內(nèi)遮陽的辦公室，仍開燈耗電的現(xiàn)象，造成了大量的照明系統(tǒng)電耗浪費(fèi)。

目前學(xué)校綠色校園建設(shè)已基本完成，校園能源管理平臺已基本成型，可以滿足當(dāng)前校園管理的需求。但新時代對大學(xué)校園建設(shè)提出新的需求，對能源管理模式和手段提出了更高的要求，作為中國綠色校園的引領(lǐng)大學(xué)，如何在今后較長時間內(nèi)繼續(xù)扮演好“領(lǐng)頭羊”的角色，對學(xué)校提出了新的挑戰(zhàn)。

為了響應(yīng)國家建設(shè)“兩型社會”的號召，以及國家節(jié)能減排方針政策。落實(shí)“高校能源領(lǐng)跑者項目”、建立“同濟(jì)大學(xué)綜合能源管控系統(tǒng)”，提高能源利用效率、降低能源消耗已經(jīng)成為學(xué)校的重要任務(wù)之一。

2 大學(xué)校園能源管控云平臺

設(shè)計一套基于云平臺管控的大學(xué)校園能源精細(xì)化管理系統(tǒng)。對學(xué)校水、電、氣等傳輸管網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行智能化改造，對校園內(nèi)各類專業(yè)系統(tǒng)（如中央空調(diào)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等）實(shí)現(xiàn)集成。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施/系統(tǒng)優(yōu)化改造?！巴瑵?jì)大學(xué)綜合能源管控系統(tǒng)”需對學(xué)校原有的電力系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。構(gòu)建一套校園綜合能源管控平臺，有效對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控，同時完備校內(nèi)電力系統(tǒng)計量，實(shí)現(xiàn)完整的校內(nèi)用電計量和分析。將原有供水系統(tǒng)的機(jī)械計量儀表更換為具備通信功能的智能計量儀表，完善供水系統(tǒng)的計量網(wǎng)絡(luò)；通過分區(qū)域水平衡計算、管網(wǎng)漏損在線監(jiān)測，以及供水壓力的監(jiān)測，來實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對空調(diào)系統(tǒng)中冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵以及末端空調(diào)機(jī)組的用電數(shù)據(jù)、水流量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過不同的運(yùn)行策略進(jìn)行聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)自上而下的全面優(yōu)化與自動控制。在滿足行政樓、圖書館及大禮堂等建筑內(nèi)舒適性的同時，實(shí)現(xiàn)整個空調(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備的負(fù)荷控制能力。對校園內(nèi)照明系統(tǒng)的節(jié)能改造與集中監(jiān)控，為能源管理提供數(shù)據(jù)保障和依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低照明用電能耗。并且對教學(xué)樓照明實(shí)行分區(qū)分時控制，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的調(diào)控。物聯(lián)網(wǎng)通過傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)物品的自動識別、定位、跟蹤、控制和信息互換、共享。將過去無序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的決策依據(jù)［12］。

（2）系統(tǒng)集成。實(shí)現(xiàn)對校園內(nèi)不同歷史時期建設(shè)的電力計量系統(tǒng)、水表計量系統(tǒng)、校節(jié)能監(jiān)測平臺、集中供暖、樓宇控制系統(tǒng)等集成。集成功能包括在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與關(guān)鍵的業(yè)務(wù)互動能力。監(jiān)控系統(tǒng)通過各類傳感器，對系統(tǒng)的各種參數(shù)、系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。并根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行要求控制相應(yīng)的設(shè)備［13］。

（3）建立綜合能源系統(tǒng)管控平臺。實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)能源供應(yīng)、傳輸與消耗的全過程可視化，提供用能在線監(jiān)控、節(jié)能診斷、能效深度分析、售電服務(wù)、精準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)節(jié)等增值服務(wù)，提高能源運(yùn)營效率，同時提供各種增值輔助決策能力，并通過APP向用戶延伸服務(wù)能力。

3 管控云平臺的架構(gòu)

3.1 體系架構(gòu)

綜合能源管控中心的體系架構(gòu)如圖1 所示，采用分層分布式的銜接方式，根據(jù)各物理設(shè)備備可劃分為5 個層級［14］：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行打下基礎(chǔ)［15］。

圖1 體系架構(gòu)圖

3.2 技術(shù)架構(gòu)

綜合能源管控平臺充分考慮信息安全問題，采用企業(yè)級解決方案全過程、全方位保證系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全［16］。圖2 為綜合能源管控中心的技術(shù)架構(gòu)。

圖2 技術(shù)架構(gòu)圖

3.3 功能架構(gòu)

如圖3 所示，綜合能源管控系統(tǒng)整個平臺的功能架構(gòu)應(yīng)分為7 個領(lǐng)域，分別為：能源管理、虛擬電廠、運(yùn)行監(jiān)控、售電服務(wù)、分布式能源管理（規(guī)劃）、精細(xì)化用能專家系統(tǒng)、通用能源信息采集［17］。

圖3 功能架構(gòu)圖

3.4 物理架構(gòu)

圖4 所示為綜合能源管控平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。監(jiān)控運(yùn)行網(wǎng)主要由監(jiān)控運(yùn)行相應(yīng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)組成［18］。

圖4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 能源管控云平臺的功能

本文設(shè)計的一套基于云平臺管控的大學(xué)校園能源精細(xì)化管理系統(tǒng)，通過能源互聯(lián)網(wǎng)的各種關(guān)鍵技術(shù)，在校園建成區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)平臺。

4.1 能源數(shù)據(jù)采集

對校園內(nèi)所有的電、熱、冷、水進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計量系統(tǒng)能夠支持各種表計的多種規(guī)約，如104/102/Modbus 等。通過對電、熱、冷、水等系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)高效、智能、可靠的管理，提高能源利用率。

4.2 能效管理

（1）能源指標(biāo)分析。對校園建筑功能分類，對教學(xué)樓、辦公室、宿舍樓和圖書館等各類建筑進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測，并建立各種維度的指標(biāo)體系，通過公眾互聯(lián)網(wǎng)平臺、APP 等載體向用戶推送用能對比結(jié)果，促進(jìn)用戶改善用能習(xí)慣。系統(tǒng)提供對學(xué)院、用戶的能源的綜合查詢功能，能夠采用曲線、圖表等多種方式直觀的展示各樓宇、各單位、各用戶的能源使用指標(biāo)、實(shí)際使用數(shù)據(jù)展示與排名，包括：生均能耗量（t標(biāo)準(zhǔn)煤/人）、每百萬元科研經(jīng)費(fèi)能耗量（t標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬元）、建筑面積能耗量（t標(biāo)準(zhǔn)煤/m2）、可再生能源替代常規(guī)能源量（t標(biāo)準(zhǔn)煤/m2）、生均水耗量（t/人）、每百萬元科研經(jīng)費(fèi)水耗量（t/百萬元）、照明插座用電（萬kWh）、空調(diào)用電（萬kWh）、動力用電（萬kWh）、特殊用電（萬kWh）。

（2）能量平衡管理。根據(jù)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的需求，實(shí)現(xiàn)能量平衡分析、多維度智慧能源分析、分層綜合調(diào)控、能源平衡預(yù)警分析等能力。

（3）用能過程精細(xì)化管理。根據(jù)各個用能系統(tǒng)運(yùn)行計劃進(jìn)行精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測，從而獲得整個校園用能計劃，同時結(jié)合實(shí)時采集的能源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效跟蹤并分析實(shí)際用能情況，為運(yùn)行人員提供輔助決策能力。

4.3 能源運(yùn)行監(jiān)控

（1）能源信息集成。包括變電站、配電、開閉所等電力子系統(tǒng)數(shù)據(jù)；能源計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)；智能水網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)；各個樓宇照明管理系統(tǒng)、空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場安裝網(wǎng)絡(luò)攝像設(shè)備、消防傳感設(shè)備等，對所有視頻、環(huán)境采集終端完成數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對變配電設(shè)備的視頻/環(huán)境監(jiān)控，替代人工常規(guī)運(yùn)行巡檢工作。

（2）集中展示校園內(nèi)各類能源網(wǎng)絡(luò)各級子系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控效果。包括能源數(shù)據(jù)綜合監(jiān)控、能源計量系統(tǒng)監(jiān)控、主要用能系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控（空調(diào)、照明）等功能。

4.4 虛擬電廠

通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DG、儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動汽車等DER 的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，運(yùn)行人員能根據(jù)用能系統(tǒng)運(yùn)行計劃與實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理校園內(nèi)各個用能系統(tǒng)的彈性負(fù)荷，并通過互操作協(xié)議實(shí)現(xiàn)與校園內(nèi)照明管理系統(tǒng)、空調(diào)運(yùn)行管理系統(tǒng)以及規(guī)劃中的分布式能源系統(tǒng)的業(yè)務(wù)互動，參與校園電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。

4.5 售電服務(wù)

對校園內(nèi)用電群體（如學(xué)生、商業(yè)租戶）進(jìn)行售電管理，提供精確計量、賬單分發(fā)的能力，并通過接入校園支付系統(tǒng)對用電群體的支付信用等級進(jìn)行評定。

4.6 精細(xì)化用能管理

根據(jù)校園各類設(shè)備用能特征，對教學(xué)樓照明及插座遠(yuǎn)程控制、中央空調(diào)機(jī)組與分體空調(diào)等各類重要能源負(fù)載進(jìn)行精細(xì)化運(yùn)行的策略管理，并實(shí)現(xiàn)與校園綜合能源管控平臺的業(yè)務(wù)互動能力。

5 結(jié)語

本文介紹一套基于云平臺管控的大學(xué)校園能源精細(xì)化管理系統(tǒng)。對我校原有的空調(diào)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施/系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，將改造后的系統(tǒng)集成，建立綜合能源系統(tǒng)管控平臺，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)能源供應(yīng)、傳輸與消耗的全過程可視化，具有能源數(shù)據(jù)采集、能效管理、能源運(yùn)行監(jiān)控、售電服務(wù)等全面的功能。

該系統(tǒng)充分利用新能源、節(jié)能減排、智能電網(wǎng)等能源技術(shù)和大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源的可靠、穩(wěn)定、清潔、高效供應(yīng)，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本?？梢詫?shí)現(xiàn)校園能源的統(tǒng)一管理和集中控制，實(shí)現(xiàn)校園各能源系統(tǒng)的聯(lián)動和監(jiān)視［19］。該系統(tǒng)的運(yùn)用可提高高校校園的能源利用效率、降低能源消耗，建設(shè)節(jié)約型校園，響應(yīng)國家節(jié)能減排方針政策和建設(shè)“兩型社會”、綠色校園的政策號召。

·名人名言·

管理是一種實(shí)踐，其本質(zhì)不在于“知”而在于“行”；其驗證不在于邏輯，而在于成果；其唯一權(quán)威就是成就。

——彼得德魯克