面向高校的綜合能源服務(wù)應用研究

【摘要】針對高校普遍存在的能源消耗較大、能源管理薄弱等突出問(wèn)題，以上海電力大學(xué)綜合能源服務(wù)示范項目為實(shí)例，提出了面向校園的綜合能源服務(wù)解決方案，建設并運行了光伏、風(fēng)電、光電一體化充電站、太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水、混合儲能、微電網(wǎng)運行控制系統、建筑群能耗管理系統、智慧能源管控總平臺，以滿(mǎn)足校園用戶(hù)定制化的具體需求，展現了技術(shù)應 用成效、經(jīng)濟效益及社會(huì )效益，為上海電力大學(xué)持續打造智慧、低碳的綠色節約型校園奠定基礎，并為其他高校及園區開(kāi)展綜合能源系統建設提供示范與指導。 

關(guān)鍵詞：綜合能源服務(wù)；園區；微電網(wǎng)；智慧能源

0  引言

目前，世界范圍內能源的重要性日益突顯，如何減少傳統能源的消耗、提能源的利用率已成為各國政府、企業(yè)、科研機構主要關(guān)心的問(wèn)題之一。“節能降耗”、“新能源”、“綠色低碳”、“智慧控制” 等理念也已逐步深入到國民經(jīng)濟和社會(huì )生活中。

高校園區承擔著(zhù)科研、教學(xué)職能，具有居住人口密集、能源消耗大、管控難度高等特點(diǎn)。為積極應對上述問(wèn)題，推動(dòng)新能源利用，國網(wǎng)節能服務(wù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國網(wǎng)節能公司”）與上海電力大學(xué)共同實(shí)施智能微電網(wǎng)綜合能源服務(wù)項目，構建全國范圍內綠色智慧高校示范園區。

國網(wǎng)節能公司從校園的教學(xué)、科研、培訓、住宿等方面的實(shí)際用能特點(diǎn)出發(fā)，以滿(mǎn)足用戶(hù)具體需求為核心，利用企業(yè)的投資、建設和運營(yíng)能力，運用系統性整體思維，鼎力打造智慧、低碳的綠色節約型校園，為上海電力大學(xué)推進(jìn)新能源應用、擴展新技術(shù)示范和系列管理平臺奠定基礎。通過(guò)實(shí)施國內高校綜合能源服務(wù)項目，為后續其他高校及園區綜合能源系統的建設提供示范與指導。

1  項目實(shí)施背景

在能源消費革命的大背景下，國家*新能源司于2017年5月5日下發(fā)了《關(guān)于新能源微電網(wǎng)示范項目名單的通知》（發(fā)改能源〔2017〕870 號），全國28個(gè)新能源微電網(wǎng)示范項目獲批。國網(wǎng)節能公司承擔了其中上海電力大學(xué)臨港新校區新能源智能微電網(wǎng)示范項目。為了滿(mǎn)足*建設節約型校園的要求和上海電力大學(xué)建設“綠色、節能、低碳”智慧型校園的需要，項目總承包單位——國網(wǎng)(北京)設計研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國網(wǎng)節能設計研究院”)全力推進(jìn)工程設計、施工、運營(yíng)等關(guān)鍵環(huán)節。

　　臨港新校區為上海電力大學(xué)的主校區，占地面積0.64 km(2 960 畝)，建筑面積約57.5 萬(wàn)m2，其中校區主體一二期工程于2018年9月投入使用。該示范項目與校區主體工程同步建設，于2018年9月開(kāi)始運行調試，并于同年12月18日順利竣工。

2   主要解決方案

示范項目與校園整體規劃結合，運用系統性整體思維制定解決方案，來(lái)滿(mǎn)足校園用戶(hù)實(shí)際需求。具體思路包含三點(diǎn)：一是注重科學(xué)發(fā)展、統籌兼顧，在提升全校能源管理水平、降低能源消耗、減少能源費用的同時(shí)，兼顧學(xué)校、部門(mén)、學(xué)院、師生等各方利益，保證項目的技術(shù)性、經(jīng)濟合理性、工程可行性。二是注重更新、示范，在滿(mǎn)足*、*、*功能要求的前提下，與綠色校園、可持續校園建設相結合，提升節約型校園管理水平，創(chuàng )造性打造綠色低碳智慧校園。三是注重突出特色、樹(shù)立*，項目實(shí)施過(guò)程體現上海電力大學(xué)的學(xué)科特色，遵循實(shí)事求是、以人為本的原則，在保證用能的前提下實(shí)施，形成一套數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的綠色能源供應和管理系統。

示范項目在明確校方需求的基礎上，結合校區設計總體規劃、學(xué)科特色和綠色智能能源建設理念，制定了集信息平臺、節能減排、新能源、電能替代、智能微電網(wǎng)、綠色建筑等技術(shù)為一體的校園電、熱等用能系統解決方案，包括分布式光伏發(fā)電、分布式風(fēng)力發(fā)電、智慧路燈、光電一體化充電站、太陽(yáng)能+空氣源熱泵熱水、混合儲能等系統，以及微電網(wǎng)運行控制系統、建筑群能耗管理系統、智慧能源管控總平臺。項目方案具有較強的可操作性，既有利于學(xué)校教學(xué)科研事業(yè)的發(fā)展，又為后勤、物業(yè)等相關(guān)部門(mén)的運維管理工作提供便利。 

2.1 構建智慧能源管控總平臺

作為本項目技術(shù)架構的核心部分，總平臺將各技術(shù)體系進(jìn)行有機的串聯(lián)，對校園能源進(jìn)行統一管控，可實(shí)現全景數據展示、用能策略計劃制訂、能效統計與分析、能源系統故障診斷及定位、能源系統設備信息維護及子系統集成開(kāi)發(fā)等功能。同時(shí)，總平臺是一個(gè)開(kāi)放的、集成化的系統平臺，以此為核心基礎，有助于推動(dòng)后續教培、科研、后勤、物業(yè)等系列管理平臺的擴展集成。

2.2 應用新能源發(fā)電技術(shù)

合理應用風(fēng)、光資源發(fā)電，可以降低常規能源消耗，促進(jìn)節能減排；同時(shí)通過(guò)新能源就地消納，可減少電能升壓降壓損耗、電纜線(xiàn)路損耗，從而降低學(xué)校能源費用。

新能源發(fā)電系統其中，分布式光伏發(fā)電系統裝機容量為2061kW，包含單晶、多晶、新型組件等多種組件形式。利用大部分院系樓、教學(xué)樓等建筑較為空曠的屋頂，加裝光伏發(fā)電系統，所產(chǎn)生的直流電流通過(guò)匯流箱匯集后進(jìn)入逆變器，變成400V/50Hz的交流電，經(jīng)并網(wǎng)裝置就近并入校園10kV低壓配電網(wǎng)。

以避開(kāi)主要建筑物及人員密集區為原則，在校區西北角邊緣綠化帶中配置一臺永磁直驅型風(fēng)機，裝機容量為300kW。風(fēng)輪直徑為38m，額定轉速為34rpm，額定風(fēng)速為12.5m/s，切入、切出風(fēng)速分別為3m/s和25m/s，輪轂高度為 51.49m，葉片長(cháng)度為18.25m，掃掠面積為907m2。

在校園合適路段設置智慧路燈，利用風(fēng)、光等新能源供電，并將道路路燈作為充電樁、緊急呼救和WIFI熱點(diǎn)載體，探索城市立體感知新技術(shù)。

2.3 建設光電一體化充電站

考慮新校區*車(chē)輛、教師通勤車(chē)輛及社會(huì )車(chē)輛的充電需求，基于綠色交通與綠色能源相結合的理念，在適當位置建設光電一體化充電站，美化校區環(huán)境、減少尾氣污染排放。結合停車(chē)場(chǎng)的建設要求，在 18個(gè)機動(dòng)車(chē)停車(chē)位上方設計光伏車(chē)棚，在車(chē)棚下安裝6臺32A落地式充電樁，配置逆變器、匯流箱等設備，為電動(dòng)汽車(chē)提供便利的充電服務(wù)。 

2.4 應用太陽(yáng)能+空氣源熱泵技術(shù)

在新校區公寓樓的屋頂設置了10 套純銅超導熱管型太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵。

該系統每天集中供應800t熱水，解決了1萬(wàn)余名師生的生活熱水使用需求。智能熱網(wǎng)系統實(shí)現了熱水系統水溫、水壓、水位等數據的實(shí)時(shí)監測，可自動(dòng)控制加熱時(shí)間、加熱溫度，根據天氣情況，利用太陽(yáng)能加熱，大限度的實(shí)現節能減排。同時(shí)為促進(jìn)節約用水，熱水系統采用計量收費，學(xué)生可使用校園一卡通直接刷卡取水。

2.5 構建智能微電網(wǎng)系統

在分布式光伏、風(fēng)力發(fā)電系統基礎上構建一套智能微電網(wǎng)系統，實(shí)現了風(fēng)光儲智能集中管控，同時(shí)為學(xué)校師生研究新型電網(wǎng)技術(shù)等提供實(shí)驗和展示平臺，推動(dòng)新校區的學(xué)科建設發(fā)展。

智能微電網(wǎng)系統應用混合儲能、光儲一體機等設備，結合電力需求側管理、電能質(zhì)量控制等技術(shù)， 制定多目標優(yōu)化運行控制策略，實(shí)現新能源接入管理、用電信息自動(dòng)采集、供電故障快速響應、綜合節能管理等功能。其特點(diǎn)在于：一是根據微電網(wǎng)發(fā)電量及負荷用電需求，采用多目標優(yōu)化控制策略實(shí)現控制；二是采用不同類(lèi)型存儲技術(shù)組合提高儲能系統的穩定性；三是采用光儲一體機技術(shù)提升微電網(wǎng)系統效率。

2.6 應用建筑群能效管理系統平臺

通過(guò)分類(lèi)和分項能耗計量裝置，采集建筑群能耗數據，實(shí)現建筑群能耗在線(xiàn)監測和動(dòng)態(tài)分析，這*國內高校對能耗監測管理和綜合節能方案實(shí)施的空白。 

3   工程建設過(guò)程

2017年7月，國網(wǎng)節能公司與上海電力大學(xué)簽訂投資合作協(xié)議，標志著(zhù)全國新能源微電網(wǎng)大學(xué)正式落戶(hù)上海臨港。同月，國網(wǎng)節能設計研究院承擔工程總承包任務(wù)。項目采用規劃、設計、投資、建設、運營(yíng)全過(guò)程的綜合能源服務(wù)模式。11月，現場(chǎng)項目部成立，制定項目實(shí)施方案，理順組織協(xié)調流程，并負責項目施工進(jìn)度、質(zhì)量、資料等相關(guān)管理工作。

2018年4月，工程承擔單位進(jìn)駐現場(chǎng)，項目建設工作拉開(kāi)序幕。項目部根據工程設計和現場(chǎng)條件，組織設計、施工單位緊密配合，統籌安裝各類(lèi)機械、電氣、通訊設備及管控系統，與上海電力大學(xué)臨港校區同步建設。9月，上海電力大學(xué)臨港新校區啟用，隨著(zhù)各子系統的建設工作陸續完成，項目進(jìn)入試運行階段。12月，項目正式竣工，并通過(guò)驗收、投入使用。

4   運行結果分析

項目于2018年9月底進(jìn)入試運行階段，歷經(jīng)3個(gè)月的運行調試，于12月順利通過(guò)竣工驗收，進(jìn)入運營(yíng)期。項目自建成投運后，各項系統運行良好。本文對示范項目的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、熱水供應、智能微電網(wǎng)等部分的運行結果進(jìn)行分析。

4.1 光伏發(fā)電情況

選取項目投運后的某月為典型時(shí)段，對校園典型建筑的分布式光伏發(fā)電量進(jìn)行統計。該典型月各建筑屋頂的光伏發(fā)電系統發(fā)電量與其峰值安裝功率相關(guān)，項目發(fā)揮了各系統的發(fā)電能力。按照當地當月峰值日照小時(shí)數，可分別計算各屋頂光伏發(fā)電系統的綜合效率。

典型月各建筑屋頂光伏系統綜合效率基本處于0.8 以上，達到了預期目標要求。個(gè)別系統的系統綜合效率略低于0.8，是由于該月為冬季后期數據，太陽(yáng)高度角較小，樓層較低的建筑屋頂局部受遮擋，導致輻照強度降低，進(jìn)而影響了光伏發(fā)電量和系統綜合效率。 

4.2 風(fēng)力發(fā)電情況

受附近防風(fēng)林遮擋、微風(fēng)天氣較多、風(fēng)機高度受限等因素的影響，在現有風(fēng)力資源條件下，項目截至2019年5月底風(fēng)機發(fā)電量為84529kWh，折算平均年利用小時(shí)數為2413h，無(wú)棄風(fēng)現象發(fā)生。 

4.3 熱水系統運行情況

項目投運以來(lái)每天熱水供應量及每天耗電量的變化。2019年1月28日至2月17日為寒假停運階段?？梢?jiàn)，該系統為師生提供了穩定的熱水量，并充分利用太陽(yáng)能集熱，降低了空氣源熱泵熱水機組的耗電量，起到了明顯的節能效果。熱水供應系統穩定運行，為師生的教學(xué)生活提供了有力的保障。

4.4  智能微電網(wǎng)運行情況

示范項目投運以來(lái)，項目部統籌運行智能微電網(wǎng)系統，多次由并網(wǎng)切換至離網(wǎng)運行，在一定時(shí)間內成功維持功率平衡，保證系統內重要負荷的供電質(zhì)量，成功證明了示范項目智能微電網(wǎng)運行的可行性和可靠性。

5  總體實(shí)施效果

截至2019年5月，新能源系統已累計發(fā)電約150萬(wàn)kWh，熱水系統已為全校近萬(wàn)名師生累計供應熱水5萬(wàn)余t，實(shí)現了粉塵、SO2、NOX、CO2的減排。項目推動(dòng)上海電力大學(xué)臨港校區可再生能源電力滲透率（可再生能源發(fā)電裝機容量/微電網(wǎng)內峰值負荷）達到55.9%，電量自給率（清潔能源發(fā)電量/園區總用電量）達到53.4%，供電可靠性達到99.99%。清潔電力的供應，24h的熱水服務(wù)，混合儲能、多目標優(yōu)化控制等新技術(shù)的示范應用得到了學(xué)校師生員工的肯定。

5.1 經(jīng)濟效益

示范項目由國網(wǎng)節能公司投資3500萬(wàn)。項目為學(xué)校和企業(yè)帶來(lái)包括節能在內的綜合經(jīng)濟效益：一方面通過(guò)新能源就地消納，減少電量經(jīng)升壓再降壓的電能損耗、電纜線(xiàn)路損耗；另一方面通過(guò)智慧能源管控平臺實(shí)現對用電設備運行時(shí)間及場(chǎng)景的管理。

項目在滿(mǎn)足校園“綠色低碳、智慧”建設目標的同時(shí)，也實(shí)現了經(jīng)濟上可行、總體符合企業(yè)的投資經(jīng)濟指標要求。此外，示范項目與上海電力大學(xué)臨港新校區同步建設，避免了后期改造帶來(lái)的諸多問(wèn)題，從經(jīng)濟上為學(xué)校和企業(yè)節約了相關(guān)的潛在投入。 

5.2  社會(huì )效益

一是“實(shí)用”。示范項目不同于以往校園類(lèi)智能微電網(wǎng)項目的單純實(shí)驗性質(zhì)，是立足校園真實(shí)場(chǎng)景的大規模實(shí)景性應用項目。項目規劃融入校園整體規劃中，做到了服務(wù)校園生產(chǎn)生活的實(shí)際效果，體現了項目的整體性。

二是“節能”。示范項目采用光熱/光伏/風(fēng)電多能互補、節能等能源供應技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化節約的能源使用方式，以及專(zhuān)業(yè)的運營(yíng)模式，提高了校園的能源利用率，響應國家節能減排的方針政策，在國內打造綠色低碳智慧校園。

三是“有特色”。示范項目充分考慮了上海電力大學(xué)辦學(xué)特色，將學(xué)生培養、輔助科研實(shí)驗等學(xué)科建設與能源系統建設相結合，在擔負校區能源供應同時(shí)成為了師生科研實(shí)驗的研究對象、節能技術(shù)的展示及教育平臺，為學(xué)校培養產(chǎn)業(yè)人才提供有力支撐。

四是“可推廣”。示范項目自投運以來(lái)，政府、企業(yè)、高校等團體紛紛前來(lái)參觀(guān)交流，并接待中國電力報、電視臺等重要媒體采訪(fǎng)。參觀(guān)方不斷給予好評，并表達了以此項目為藍本進(jìn)行推廣復制的意愿。特別是上海市政府表示下一步將在上海市高校范圍內進(jìn)行推廣，充分發(fā)揮示范項目的作用。

6  安科瑞能源管理云平臺功能

6.1 平臺結構

6.2 平臺功能

6.3 設備選型

7  結語(yǔ)

本示范項目實(shí)現了預期目標，是國家*新能源司2017年5月批準的28個(gè)新能源微電網(wǎng)示范項目中完成的校園類(lèi)示范項目，也是*有限公司開(kāi)展校園/園區綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的典型示范項目。本項目同步于校園規劃階段，以服務(wù)校園生產(chǎn)和實(shí)際生活為出發(fā)點(diǎn)，運用系統性整體思維，因地制宜謀劃。作為國內高校綜合能源服務(wù)項目,向客戶(hù)提供了綜合能源服務(wù)定制化解決方案及系統設計、建設、運維、擴展升級等服務(wù)。項目使用多種效率提升手段、多信息管理平臺、多目標控制策略，具有能源利用率高、供能系統整體自愈能力強等特點(diǎn)。其中，智慧能源管控總平臺是國網(wǎng)節能公司提出在校園中運用的集成化的系統平臺，對高校的能源管理及節能優(yōu)化有著(zhù)積極的探索意義。下一步，項目將進(jìn)一步分析各子系統的反饋數據，推動(dòng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現優(yōu)化運行。

本項目鼎力打造智慧、低碳的綠色節約型校園，為上海電力大學(xué)推進(jìn)新能源應用、新技術(shù)示范和系列管理平臺擴展奠定關(guān)鍵基礎。其系統性整體思維和工程實(shí)踐經(jīng)驗為后續其他高校及園區開(kāi)展綜合能源系統的規劃建設提供了可復制、可推廣的寶貴經(jīng)驗，具有重要的示范和借鑒意義。

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