高校能源管理信息化平臺運用探析

張 璋，李建華

（北京化工大學，北京 100029）

0 引言

我國于2012年起，由教育部發文提出教育信息化的10年建設規劃，希望通過整合各類教育信息平臺，建立涵蓋全國的各級別和類型學校的教育管理信息系統。隨著互聯網技術發展及5G信息網絡搭建，教育信息化建設在近年跳躍式發展。2021年教育部在年度工作重點中明確，要進一步推進教育信息化建設，形成教育系統數據目錄，其中數據可溯源，可有序共享。在信息管理系統推陳出新的同時，校園能源管理也遇到了新的挑戰。據教育部《2019年全國教育事業發展統計公報》統計，截至2019年底，全國各類高等教育在學總規模4002萬人，普通高等學校校均規模11 260人。近幾年高校年總能耗已約為全國生活消費總能耗的10%。高校是肩負教育、科研和社會服務重任的基地，也是資源能源消費的大戶。我國教育信息化建設經多年探索，隨著互聯網發展和信息化平臺的普及，高校對信息化平臺的需求隨之提高。據統計建筑運行階段碳排放量占全國碳排放比重約21.9%，這使得建設節約型校園過程中，能源管理成為校園信息化管理中的重要組成之一。加強校園供熱、通風、空調、照明等用能設備維護管理具有重要意義。中國在國際社會上宣布碳達峰和碳中和的時間節點后，高校作為重要的社會構成之一，節能降耗迫在眉睫。基于信息化建設和能源管理的雙向需求，北京化工大學后勤服務集團基于本校能源管理信息化平臺開展設備管理探索，以促進后勤能源管理工作提高。

1 能源管理信息化平臺應用背景

由二氧化碳等溫室氣體排放引起的氣候變化成為21世紀全球人類面臨的挑戰。2018年全球溫室氣體排放量約556億噸二氧化碳當量，碳排放排名前五的國家排放全球62%的溫室氣體，依次為中國（26%）、美國（13%）、歐盟27國（8%）、印度（7%）和俄羅斯（5%）[1]。這其中能源活動是全球溫室氣體的主要排放源，2017年能源活動排放量占全球溫室氣體排放總量的73%。通過能源管理，合理降低能源消耗同時提高單位能源利用效率，最終目的是為了降低碳排放。

1.1 國際背景

美國作為世界能源消費大國，一直重視對于能源利用技術的科學研究。2005年通過了《能源政策法案2005》，通過對能源節約予以立法并嚴格執行，為能源節約建立法律依據。又通過《太陽能供暖降溫房屋的建筑條例》等政策法規，給節能技術使用者予以減稅優惠，鼓勵綠色新能源推廣。美國新任總統拜登上任后就簽署行政令重返《巴黎協定》，并計劃2050年之前實現碳中和目標。德國作為歐洲發達國家，自身能源緊缺但能源需求大，因此重視能源利用并制定了完備的節能規范。2002年德國將《建筑保溫規范》和《供暖設備條例》等合并，制定出新的建筑節能法規《德國節能規范（2002）》。隨后在2004年至2007年，連續4年更新《德國節能規范》修訂版。日本作為島國能源資源匱乏，因此一直重視能源利用效率，并因其高效率的能源利用獲得世界認可。其在2002年公布的《節約能源法（2002）》中設置“領跑者制度”，按當前最先進的節能水平制定節能指導性標準，并在下一個能源法實施周期內將指導標準變為強制標準[2]。全球已有44個國家和經濟體在2020年底之前宣布碳中和目標時間，部分國家碳中和目標時間圖1所示。

圖1 部分國家碳中和目標時間表

1.2 國內背景

國家領導人在2020年9月出席第七十五屆聯合國大會一般性辯論會時宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取有力的政策措施降低二氧化碳排放，力爭于2030年前碳達峰，2060年前實現碳中和，典型國家碳達峰及碳中和時間如圖2所示。中國的承諾開啟了一個新時代，整個能源體系、經濟體系和技術創新體系都將以碳中和為目標，實現綠色轉型[3]。美國、德國、日本等發達國家更早地實現了工業化和城市化，已經實現了碳達峰并進入下行通道，而中國仍處于碳排放增長區間內。盡管面臨諸多困難，但在國家政策強力支持下，在全社會達成共識下，在綠色低碳技術迅速發現下，中國有信心在承諾時間內實現碳中和目標[4]。

圖2 典型國家碳達峰及碳中和時間表

1.3 技術背景

實現碳中和的八大重點領域中包括建筑領域和信息技術領域。建筑領域中包括節能改造、零碳供冷暖建筑、電氣化和多能源互補系統。2019年中國建筑節能協會能耗統計委員會測算，中國建筑業碳排放量仍在增加，預計高峰時間在2039年左右。2018年建筑運營階段碳排放量占比21.9%的碳排放量，主要來自住宅和工業供暖及制冷[5]。電氣化是實現建筑零碳排放的第一步，目前國內制冷、照明、家用電器已經全面電氣化。為了使建筑物的排放接近于零，供暖設備也必須脫碳，例如使用熱泵技術。信息領域則包括智慧建筑、智慧能源、智慧生活方式和健康等。信息通信技術的廣泛應用正在改變社會，它可以助力各行業的碳減排和碳中和。有可能在未來10年內通過信息通信技術幫助全球碳排放量減少20%。大數據、物聯網、區塊鏈等技術結合能源、建筑、交通、工業、農業等行業，均可推廣應用場景以減少碳排放。因此將信息技術與建筑物運行能源管理相結合，是降低建筑物生命周期內碳排放量的有利探索方向之一。

2 能源管理信息化平臺運用分析

2.1 校園能源管理信息化平臺分析

高校信息化開始于20世紀80年代中期，早期從普及電腦操作到第一代校園網絡建設，中期校園網絡覆蓋率及網速升級并與數字校園門戶整合。近年來基于無線網及4G網絡的校園門戶網站內的業務與服務開始整合，并向手機等移動辦公設備覆蓋。2018年4月，教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》，預計2022年基本實現數字校園建設覆蓋全體學校，隨之發展基于互聯網的教育服務模式。

校園能源管理是校園信息化管理中的重要組成。2007年教育部為貫徹落實《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》精神，發布《教育部關于開展節能減排學校行動的通知》，啟動“節能減排學校行動”。行動從節能減排措施、節能環境教育、節能主題宣傳、節能社會實踐等各個方面開展。2013年《教育部關于勤儉節約辦教育建設節約型校園的通知》發布，再次強調建設節約型校園的重要意義，要求抓關鍵環節實行精細化管理，加強校園供暖、空調、照明等主要用能設備維護管理，強化節能措施[6]。近年來國內大部分高等院校都建立能源管理信息化平臺，以校園園區作為高校能源消耗及管理邊界進行分析，其具有以下典型特點：①教學、科研、生產、生活功能齊全，各類能耗消耗關系復雜；②人員密集且隨教學科研活動具備固定流動性，能源使用隨之具有潮汐特性；③重人才培養和科學研究，但對校園能源使用及成本核算意識較為淡薄。

2.2 化工大學能源管理信息化平臺簡介

北京化工大學新校區位于北京市昌平區南口鎮南澗路29號。新校區分期開發投產，一期30萬平方米校園于2017年正式啟用。建筑物分為4類，第一教學樓及體育館為教學區，五棟實驗樓群為科研區，宿舍樓及食堂為生活區，圖書館及行政樓辦公區。新校區自設計及建設階段，即充分考慮節能減排。從建筑材料到室內設備，從燈光照明到供水、排水，從冬季供暖到夏季空調，均按節能建筑設計規范進行建設，并配套搭建能源監管信息平臺及樓宇設備自控平臺。

化工大學新校區節能監管信息平臺承擔全校供電設備用電量、供水點位耗水量的用量記錄及數據統計。平臺對不同類型的建筑物，不同時段的能源消耗可開展分析。管理人員可隨時發現能耗異常波動，確定異常數據傳感器位置，判斷斷電、漏水故障點位。MLN（Management Level Network，控制系統網絡管理中央站）設置在后勤服務樓一層中控室內，并可通過校園網在校區內其他電腦上進行瀏覽觀測，節能監管信息平臺界面如圖3所示。

圖3 節能監管信息平臺界面

化工大學新校區樓宇設備自控平臺承擔全校空調制冷主機系統、換熱站系統、空調末端設備、新風系統、空調冷熱水管道系統、排水系統、環境監測系統、電梯系統、污水處理系統、太陽能熱水系統的運行和監管功能，控制系統中央站（MLN）設置在后勤服務樓一層中控室內，兩臺客戶端設置在鍋爐房控制室和教學樓動力保障值班室，通過校園網在客戶端電腦上進行編程及操作，樓宇自控平臺控制界面如圖4所示。

圖4 樓宇自控平臺控制界面

2.3 能源管理信息化平臺應用方向分析

能源監管信息平臺實現建筑物運行期間關鍵能源數據的收集，這些數據是尋找樓宇設備運行過程中能源節約的基礎。樓宇設備自控平臺實現對建筑物重要的用電設備、照明系統的遠程可編程控制，是運行節能操作的利器。通過信息平臺的數據分析，找到能源消耗規律，通過科學的分析手段，尋找調整設備自動控制平臺的方法，希望實現建筑物運行能耗的降低。

教學樓總建設用地31 729 m2，總建筑面積33 200 m2（均為地上建筑）。建筑高5層，23.3 m（局部3層，21.3 m）。主要包括普通教室、階梯教室、教師休息室、教室控制室、設備間等房間。作為典型的教學建筑，教學樓具有建筑面積大、教室使用率高、房間里學生密集、潮汐人員流動的特性。其制冷、供暖、照明和教學電器全面的電氣化，特別是供暖與空調系統采用地源熱泵作為冷熱源。通過能源監管信息平臺可以逐時記錄教學樓設備、照明、供水消耗信息，通過樓宇設備自控平臺可以啟停并調整空調主機、房間末端、室內照明運行狀態。因此以教學樓為樣本開展信息化能源管理平臺的運用探索，可為節能運行提供切實可行的方向，其典型性對北方高校同類建筑物節能運行也有一定指導性。

3 能源管理信息化平臺運用方法

3.1 實地調研

教學樓采用地源熱泵式冷水機組為夏季供冷，冬季供熱，地源熱泵機房應設置在本樓地下一層，兩臺螺桿式制冷機組夏季空調冷凍水供水溫度為7℃、回水溫度為12℃，冬季熱水的供水溫度為45℃、回水溫度為40℃。設計夏季總冷負荷3262.4 kW，冷負荷指標98.1 W/m2，冬季總熱負荷2386 kW，冷負荷指標71.8 W/m2。教學區域（30人、60人、90人教室）空調末端為風機盤管加新風系統，在屋面設置集中新風熱回收機組，全熱回收效率不低于60%。階梯教室采用定風量一次回風全空氣系統，空調季按照最小新風量運行，過渡季通過焓差控制新風閥，實現10%～100%新風調節控制，中央制冷機房如圖5所示，末端空氣處理機組如圖6所示。空調水系統采用一次泵變流量系統，風機盤管和組合式空調機組水管自制冷機房集、分水器處分開設置。末端風機盤管、組合式空調機組均采用兩管制系統，風機盤管每層的水平分支管上設置壓差平衡閥，風機盤管回水管上設置電動兩通閥，組合式空調機組的回水管上設置帶壓力平衡的電動調節閥。

圖5 中央制冷機房

圖6 末端空氣處理機組

3.2 信息平臺數據記錄分析

選取典型房間進行48 h（包含一工作日、一休息日）的室內溫度環境監測，并記錄其室內環境變化，各測點整體室內環境情況見表1。

表1 各測點整體室內環境情況

以時刻為X軸、溫度為Y軸繪制曲線，觀察室內環境變化規律。自2019年7月6日20：00至7月8日20：00共計48 h，記數間隔為1 h，時刻以1～48的時刻序號代替，溫度變化規律如圖7所示。

圖7 溫度變化規律圖

從規律圖中分析，休息日工作時間溫濕度變化幅度遠小于工作日工作時間的變化幅度，特別是休息日夜間各房間溫度數值及趨勢相似。教室類房間當人員較少時溫度變化不大，當人數增加時溫度快速增加，空調開啟后溫度又快速下降，局部出現峰值。辦公室除夜間時刻外，波動值小于教室類房間。

3.3 搭建數據模型并校核

根據建筑概況、圍護結構概況、室內外設計參數概況及空調系統概況，結合能源監管信息平臺記錄的數據規律，在能源模型軟件中建立模型并將基本能源數據錄入，教學樓建筑模型如圖8所示。

圖8 教學樓建筑模型

根據現場調研地源熱泵地埋管信息。地源熱泵機組夏季空調供水溫度7℃、回水溫度12℃，地埋管側進水溫度25℃、出水溫度30℃；冬季空調供水溫度為45℃、回水溫度為40℃，地埋管側進出水溫度10℃、出水溫度5℃。室外地埋管換熱器布置在建筑南北側場地內，共設置800個鉆孔，鉆孔間距5 m×5 m，鉆孔直徑為150 mm，鉆孔內設雙U形地埋管換熱器，換熱器單孔深度為70 m，公稱外徑為De32（壁厚3.0 mm），總長度為56 000 m。供回水主管管徑為De50，每4個孔為一組。隨后對模型的制冷主機及設備、空調末端設備、室內照明設備等數據進行輸入。根據實地調研結合人員活動特點，調整教學房間與辦公房間的空調啟閉控制時間及照明啟閉時間表。

根據2019年記錄的各月份能耗數據，比對建筑物能源建模并修正后得到的能耗，進行逐月能耗、全年總能耗、能耗變化趨勢的驗證，2019年逐月實際能耗與模擬能耗對比如圖9所示。經驗證在，最大誤差在15%以內，且超過10%的僅有3個月份，基本認定模型較準確。

3.4 尋求可行節能方案

根據2019年能耗數據，將建筑能耗逐月、分項統計，2019年建筑物能耗逐月分項統計如圖10所示。針對教學建筑，影響能耗最主要因素為建筑使用規律與季節變化。假期月份的前后能耗將出現大幅度波動；季節變化導致制冷、制熱情況變化也將引起能耗大幅度波動。除此之外，照明與設備的使用受季節變化影響較小，且數值與變化規律相近。因使用變頻控制，風機水泵的能耗占總能耗比重較小。

圖10 2019年建筑物能耗逐月分項統計

基于可信的建筑物能源模型，調整其中某項能源運行策略設置，得出相應的年度能源變化趨勢，進行能源調整所帶來的成本分析，由此提出10種節能設想方案，能源節約分析見表2。

表2 能源節約分析

在不考慮建筑物節能體系而只選擇一項節能改造時，僅需考慮節能率與成本來選擇最佳方案，因此第7策略成為節能改造的首選，10種策略節能率對比如圖11所示。改變主機冷凍水溫控模式，將主機冷凍水供水溫度設定值由7℃改為出口水溫T隨建筑負荷改變，提高冷凍水系統的動態性能。該方案無需投資也無需后期維護，經濟可行。以能源監管信息平臺的數據記錄為基礎，以建筑物能源模型輔助，調整樓宇設備自控平臺運行程序，對主機冷凍水出水進行了相關設置，實現了建筑物電能耗的降低，冷水機組運行控制界面如圖12所示。

圖11 10種策略節能率對比

圖12 冷水機組運行控制界面

4 結語

通過能源監管信息平臺與樓宇設備自控平臺的有機結合，可以更加方便快捷地尋找到既有建筑節能普遍規律及改造方向。對于投入使用一年的建筑，通過計算分析建筑固有的碳排放量和標準運行工況下的碳排放量，可進一步采取相關節能減排措施降低碳排放。兩個信息平臺用于高校后勤日常運行，對學校內的建筑物運行、設施設備維護、水電能源消耗，提供了有力支撐，實現了節能降耗及運行維護的有機結合。進一步挖掘信息平臺的運用方法，對提高校園能源管理能力，提升校園能源使用效率帶來更多益處。