呂培明,許秀鋒,曹同成,唐 莉
(1.同濟大學a.校長辦公室,b.采購與招標管理辦公室,c.資產(chǎn)與實驗室管理處,上海 200090;2.中教能源研究院,北京 100044)
能源是發(fā)展國民經(jīng)濟、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著國民經(jīng)濟的發(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,且存在嚴重的能源浪費現(xiàn)象。尤其是自1999年高校擴招以來,高校規(guī)模不斷擴張,使高校的能源消耗費用支出大幅度增長[2]。浙江大學學者[3]對夏熱冬冷地區(qū)某高校能耗進行統(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,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)《高等學校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導則》,為高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管給出詳細的技術(shù)導則和管理辦法[5]。通過建立科學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,達到節(jié)能減排的目的,落實科學發(fā)展觀。能在一定程度上緩解我國目前面臨的能源壓力,幫助實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。高校是我國培養(yǎng)人才和促進我國科學進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),由學校為學生樹立節(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,對學校用能系統(tǒng)進行全面綜合改造,打造綠色校園示范樣板,對參與該項目的學校授予“全國能效領(lǐng)跑者示范學?!睒s譽。
因此,建設(shè)一套校園綜合能源監(jiān)控管理平臺,實現(xiàn)校園能源的統(tǒng)一管理和集中控制,實現(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。
隨著能源和環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)日益嚴峻,走綠色、可持續(xù)發(fā)展道路成為不二選擇。同濟大學在國內(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志性、示范性的綠色節(jié)能項目。如校園內(nèi)歷史保護標志性建筑大禮堂,采用利用地道風道的新風預(yù)冷(熱)空調(diào)通風系統(tǒng)、座椅送風系統(tǒng)、建筑節(jié)能材料和圍護結(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合通風、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)用于文遠樓、旭日樓、游泳館、環(huán)境樓、教學樓、圖書館等建筑單體。學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 年教育部科技進步一等獎[9]。學校被建設(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)能先進單位”[10]。2011 年,學校發(fā)起倡議成立了中國綠色大學聯(lián)盟,促進校園設(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)和推進國內(nèi)高校綠色發(fā)展。2012 年,學校獲“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)學院,9 家附屬醫(yī)院,6所附屬中小學。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?,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,另有國際學生3 575 人。隨著辦學規(guī)模的不斷擴大,校園建筑面積大幅增加,建筑能耗費用也逐漸飆升。學校主要耗能是教學、辦公、實驗用能,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?,F(xiàn)有一套能源管理系統(tǒng),并安裝了遠程抄表裝置。遠程抄表有專人進行維護,不僅對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時監(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?,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)。學校已經(jīng)建立各校區(qū)用水計量裝置遠程監(jiān)控及抄表系統(tǒng),對各建筑、各部門的用水消耗數(shù)據(jù)進行采集,采集頻率為每天1 次,采集時間為每天零點。
(2)空調(diào)系統(tǒng)。學校各個建筑的空調(diào)系統(tǒng)的運行及維護由后勤部門負責,運行人員通常只做簡單啟停操作,具體運行控制由設(shè)備自帶的控制器實現(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)的運行狀態(tài)。大禮堂、行政樓采用多聯(lián)機及風冷熱泵機組,其控制自成系統(tǒng),能管系統(tǒng)可采集實時運行情況,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)運行能耗。教學樓、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)長期處于超溫運行狀態(tài),造成電力浪費。此外,空調(diào)一直處于帶電狀態(tài),即使不使用,也會因待機消耗電量。
(3)照明系統(tǒng)。學校的大多數(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。
目前學校綠色校園建設(shè)已基本完成,校園能源管理平臺已基本成型,可以滿足當前校園管理的需求。但新時代對大學校園建設(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,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“高校能源領(lǐng)跑者項目”、建立“同濟大學綜合能源管控系統(tǒng)”,提高能源利用效率、降低能源消耗已經(jīng)成為學校的重要任務(wù)之一。
設(shè)計一套基于云平臺管控的大學校園能源精細化管理系統(tǒng)。對學校水、電、氣等傳輸管網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施進行智能化改造,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)實現(xiàn)集成。
(1)基礎(chǔ)設(shè)施/系統(tǒng)優(yōu)化改造?!巴瑵髮W綜合能源管控系統(tǒng)”需對學校原有的電力系統(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)進行集中監(jiān)控,同時完備校內(nèi)電力系統(tǒng)計量,實現(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)中冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵以及末端空調(diào)機組的用電數(shù)據(jù)、水流量等相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)測,通過不同的運行策略進行聯(lián)合控制,實現(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,實現(xiàn)整個空調(diào)系統(tǒng)的高效運行,并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)空調(diào)設(shè)備的負荷控制能力。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),進而實現(xiàn)降低照明用電能耗。并且對教學樓照明實行分區(qū)分時控制,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(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)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。并根據(jù)系統(tǒng)的運行要求控制相應(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)、精準負荷調(diào)節(jié)等增值服務(wù),提高能源運營效率,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。
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,為實現(xiàn)狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行打下基礎(chǔ)[15]。
圖1 體系架構(gòu)圖
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
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、運行監(jiān)控、售電服務(wù)、分布式能源管理(規(guī)劃)、精細化用能專家系統(tǒng)、通用能源信息采集[17]。
圖3 功能架構(gòu)圖
圖4 所示為綜合能源管控平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。監(jiān)控運行網(wǎng)主要由監(jiān)控運行相應(yīng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)組成[18]。
圖4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
本文設(shè)計的一套基于云平臺管控的大學校園能源精細化管理系統(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。
對校園內(nèi)所有的電、熱、冷、水進行數(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)進行統(tǒng)一管理,實現(xiàn)高效、智能、可靠的管理,提高能源利用率。
(1)能源指標分析。對校園建筑功能分類,對教學樓、辦公室、宿舍樓和圖書館等各類建筑進行節(jié)能監(jiān)測,并建立各種維度的指標體系,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,促進用戶改善用能習慣。系統(tǒng)提供對學院、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、實際使用數(shù)據(jù)展示與排名,包括:生均能耗量(t標準煤/人)、每百萬元科研經(jīng)費能耗量(t標準煤/百萬元)、建筑面積能耗量(t標準煤/m2)、可再生能源替代常規(guī)能源量(t標準煤/m2)、生均水耗量(t/人)、每百萬元科研經(jīng)費水耗量(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)用能過程精細化管理。根據(jù)各個用能系統(tǒng)運行計劃進行精準負荷預(yù)測,從而獲得整個校園用能計劃,同時結(jié)合實時采集的能源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù),有效跟蹤并分析實際用能情況,為運行人員提供輔助決策能力。
(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,實現(xiàn)遠程對變配電設(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)運行監(jiān)控(空調(diào)、照明)等功能。
通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等DER 的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化,運行人員能根據(jù)用能系統(tǒng)運行計劃與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理校園內(nèi)各個用能系統(tǒng)的彈性負荷,并通過互操作協(xié)議實現(xiàn)與校園內(nèi)照明管理系統(tǒng)、空調(diào)運行管理系統(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)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。
對校園內(nèi)用電群體(如學生、商業(yè)租戶)進行售電管理,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行評定。
根據(jù)校園各類設(shè)備用能特征,對教學樓照明及插座遠程控制、中央空調(diào)機組與分體空調(diào)等各類重要能源負載進行精細化運行的策略管理,并實現(xiàn)與校園綜合能源管控平臺的業(yè)務(wù)互動能力。
本文介紹一套基于云平臺管控的大學校園能源精細化管理系統(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)實現(xiàn)能源的可靠、穩(wěn)定、清潔、高效供應(yīng),降低系統(tǒng)運行維護成本。可以實現(xiàn)校園能源的統(tǒng)一管理和集中控制,實現(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