智慧建筑低碳運行應用案例分析

陳立征，孫景文，彭 偉

（1. 山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101；2. 山東省智能建筑技術重點實驗室，濟南 250101；3. 國網(wǎng)山東省電力公司 電力科學研究院，濟南 250003）

0 引言

自19世紀30年代發(fā)電機發(fā)明以來，逐漸形成了由發(fā)電、輸電、配電、用電組成的傳統(tǒng)電網(wǎng)結構［1］。在此基礎上，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，覆蓋電網(wǎng)各環(huán)節(jié)，提出了“堅強智能電網(wǎng)”概念［2］，繼而實現(xiàn)以遠距離輸電線路為網(wǎng)架，以輸送清潔能源為主導，在全球范圍內的“堅強智能電網(wǎng)”、“全球能源互聯(lián)”愿景及建議方案［3］。2020年國家在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取在2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的目標［4］。

作為電網(wǎng)的重要參與者，隨著電網(wǎng)形態(tài)的變化，傳統(tǒng)建筑也在逐步演變?yōu)橹腔劢ㄖ⒃谛滦碗娋W(wǎng)架構中發(fā)揮重要作用［5］。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，建筑是典型的用電負荷，通過消耗電能，為居住者提供住所以及居住環(huán)境。建筑內用電負荷種類繁多，兩類較大比重用電類型為照明和空調負荷。為實現(xiàn)碳中和目標，智慧建筑研究和應用涵蓋辦公、建筑、通信、消防、信息管理各方面的自動化［6］，在消耗電能為人類提供舒適環(huán)境的同時還涉及自動控制的智能化［7—8］。隨著碳排放量的增多，對可再生能源的利用也逐漸融入到建筑中，尤其是光電、風電等微型綠色發(fā)電模式。為提高電能質量，解決電能的即發(fā)即用問題，在未來智慧建筑中，儲能的應用也將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)格局，提供更安全、高效的電能利用模式［9］。

隨著電網(wǎng)形態(tài)的變化與建筑的智能化發(fā)展，2者的關系也一直在發(fā)生變化。建筑由傳統(tǒng)電網(wǎng)中的消費者，逐漸轉變?yōu)楫a消者，與電網(wǎng)的交互作用主要體現(xiàn)在以下兩方面:一是建筑的固定負荷屬性變?yōu)榭烧{節(jié)負荷，負荷調節(jié)的目標不再只是滿足住戶需求，更應包括友好、節(jié)能，負荷調節(jié)的約束條件根據(jù)不同時段電網(wǎng)不同特征而變化，實現(xiàn)削峰填谷、負荷友好；二是建筑的負荷屬性之外增加了能源屬性，從傳統(tǒng)的能源消耗變成了能源的產消，既可以充當建筑能源的自給，又可以為電網(wǎng)提供額外能源。

近幾十年間，智慧建筑得到了長足的發(fā)展，在電網(wǎng)中的作用也發(fā)生了變化。但對于智慧建筑參與電網(wǎng)的框架和運行模式仍然缺乏系統(tǒng)性、明確的論述。本文從智能的內涵、智能技術等對智慧建筑進行了分析與總結，研究了智慧建筑參與電網(wǎng)的方式，提出了智慧建筑在不同負荷需求時期的供電模式。

1 智慧建筑

1.1 智慧建筑定義

傳統(tǒng)建筑立足于解決人們的居住屬性，隨著各領域技術的發(fā)展與人們對居住需求的提高，智慧建筑成為建筑行業(yè)新的發(fā)展方向。自1984 年美國首次提出智慧建筑概念至今，對于智慧建筑的定義、特征等都有了更明確的認識［10］。行業(yè)內達成共識，認為智慧建筑以建筑為主體，融合計算機技術、通信技術、控制技術等，建立信息設施系統(tǒng)、建筑設備管理系統(tǒng)、信息化應用系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，為人們提供安全、高效、便捷、健康的工作與生活環(huán)境，并實現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保［11］。

1.2 建筑智能內涵

（1）能源智能

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，建筑作為能源需求側，具備純負荷屬性，而在未來電網(wǎng)結構中，建筑既是需求側，又是供給側。除了有來自遠方的傳統(tǒng)集中式化石能源供電，在建筑側中還配置風電、光電等可再生能源發(fā)電裝置，以及微型儲能、電動車充電樁移動式儲能等設備。智慧建筑在能源方面，呈現(xiàn)的是化石、風、光等多類型能源協(xié)同供電，儲能協(xié)調等特征，能夠實現(xiàn)清潔能源的逐步替代，在穩(wěn)定供能基礎上實現(xiàn)能源比例智能優(yōu)化。

（2）感知智能

智慧建筑對建筑內各系統(tǒng)變量的感知一定是智能的，包括能源、負荷、溫度、亮度等狀態(tài)量。各系統(tǒng)終端配置的傳感器等感知模塊能夠實時跟蹤監(jiān)測整個建筑的動態(tài)變化，并通過即時、可靠的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為智能控制提供數(shù)據(jù)支撐。感知智能主要包括系統(tǒng)狀態(tài)的感知與感知數(shù)據(jù)的傳輸，是實現(xiàn)其他功能的基礎與依據(jù)。

（3）通信智能

智慧建筑內的自動化系統(tǒng)都要建立在通信網(wǎng)絡系統(tǒng)基礎上。在建筑內，通信主要是對語音、數(shù)據(jù)、圖像等實現(xiàn)傳輸；在建筑外，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián)與傳輸，比如通信網(wǎng)絡，因特網(wǎng)等，從而保證高效、可靠的信息傳遞。

（4）控制智能

建筑智能化最直觀的體現(xiàn)即控制的智能，基于建筑硬件的能源智能和軟件的感知智能，從而實現(xiàn)滿足需求的智能化控制。控制是建筑實現(xiàn)智能的手段，相較于傳統(tǒng)的控制手段，智能控制能夠針對更復雜的感知變量，通過更完善的控制策略，完成預期任務，并實現(xiàn)針對更復雜對象的控制決策。

2 智慧建筑與電網(wǎng)拓撲結構

2.1 傳統(tǒng)建模智能化的拓撲變化

與傳統(tǒng)建筑相比，智慧建筑的結構發(fā)生了顯著的變化。首先，相較于之前的不可控純負荷，智慧建筑的負荷變得智能可控，體現(xiàn)在智能家居等設施中。比如，建筑中的照明系統(tǒng)，可以隨時間與電網(wǎng)負荷的變化，實現(xiàn)亮度與明滅的自動調控，空調系統(tǒng)可以隨室外環(huán)境溫度的變化與電網(wǎng)負荷壓力的變化，實現(xiàn)人體舒適度范圍內的自動控制等。

其次，除了充當電網(wǎng)負荷，智慧建筑配置的分布式可再生能源也能作為電能提供者，為建筑本身，甚至為電網(wǎng)提供能源。隨著風能和太陽能在電網(wǎng)中的滲透率顯著提高，建筑自身分布式可再生能源的利用，既解決了遠距離電能的輸送，又提供了清潔能源。

除了發(fā)電與負荷之外，智慧建筑還配備儲能裝置，用來應對可再生能源發(fā)電不足場景。儲能的種類繁多，智慧建筑配置的主要有兩類:一是蓄電池等形式的固定電池儲能，用來存儲用電低谷期的多余電能；二是移動式儲能，即電動汽車，通過智能充電樁，電能汽車的電量能夠在滿足交通出行的前提下，實現(xiàn)對電網(wǎng)電量的調控，以及充當電網(wǎng)緊張故障時的儲備電源。智慧建筑結構組成如圖1所示。

圖1 智慧建筑結構組成Fig.1 Smart building component

2.2 傳統(tǒng)電網(wǎng)智能化的拓撲變化

傳統(tǒng)電網(wǎng)由源、網(wǎng)、荷部分組成，分別起到發(fā)電、傳輸、用電的作用。隨著傳統(tǒng)建筑向智慧建筑的轉變，自給發(fā)電、自備儲能、自調負荷等各類元素在電網(wǎng)中滲透比例逐漸提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)結構也會發(fā)生以下改變。

（1）不可再生能源發(fā)電比例縮減

隨著智慧建筑配置的自給分布式新能源（風、光等）發(fā)電以及儲能（室內固定式、汽車移動式）的參與，建筑用電對電網(wǎng)的需求縮減，尤其是不可再生能源發(fā)電電量。因此，傳統(tǒng)發(fā)電廠中不可再生能源發(fā)電比例會逐漸減小。

（2）輸電∕配電架構優(yōu)化

與傳統(tǒng)電網(wǎng)中高占比集中式發(fā)電相匹配的輸配電網(wǎng)也會隨之優(yōu)化。集中式發(fā)電比例下降必然帶來輸電網(wǎng)絡的簡化，與此同時，智慧建筑由單一負荷消費型向產消復合型的轉變也會帶來配電網(wǎng)進一步復雜與優(yōu)化，從而滿足電網(wǎng)向負荷供電，以及負荷向電網(wǎng)回饋電能的需求。

（3）供需關系發(fā)生轉變

一方面，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的集中式供電逐步被智慧建筑中分布式供電替代；另一方面，智慧建筑由傳統(tǒng)電網(wǎng)中的需求側轉變?yōu)楣┬鑲取鹘y(tǒng)電網(wǎng)是根據(jù)負荷側波動調整發(fā)電側出力；而智能電網(wǎng)中，由于風、光的參與，發(fā)電側也具有波動性，因此導致電網(wǎng)拓撲結構發(fā)生明顯變化，新的供電模式應該相應提出。

3 智慧建筑與電網(wǎng)的能量交互

不同于傳統(tǒng)建筑在電網(wǎng)中的單一消費者角色，因為具備了分布式發(fā)電、微網(wǎng)傳輸以及自動控制等功能，智慧建筑參與電網(wǎng)的方式也發(fā)生了明顯改變，逐漸轉變成混合型產消者，參與電網(wǎng)的原理根據(jù)不同組成部分特性分別如下。

3.1 分布式可再生能源

智慧建筑能源的主要來源為光伏發(fā)電、風力發(fā)電。由于建設方便、占地小等因素，光伏發(fā)電和風力發(fā)電可以在建筑周圍實現(xiàn)應用，這兩類能源具有強間歇性、不確定性等特征。

（1）光伏發(fā)電特性

不同于傳統(tǒng)能源發(fā)電模式，光能主要影響因素是光照，光能特性曲線如圖2 所示。光電出力隨著光照變化具有鮮明的時域特征，晝夜特性明顯，波動較大，尤其在陰天或者光照不足時，光伏發(fā)電整體會出力較小。

圖2 光電出力波動曲線Fig.2 Photoelectric output fluctuation curve

（2）風力發(fā)電特性

風力發(fā)電出力對風速的依賴性很強，靈敏度高，波動大。風力發(fā)電的主要影響因素是風向與風速，相較于光照強度，風的變化更具隨機性。風、光等分布式能源參與電網(wǎng)主要通過兩個途徑:一是就地消納，即提供建筑本身負荷需求，替代傳統(tǒng)化石能源的遠距離輸電，實現(xiàn)方法為直接供能和儲能備用；二是充當電源，通過微網(wǎng)，對外供能，實現(xiàn)就近負荷的自給自足。

3.2 可控負荷

智慧建筑中的用電負荷也具有智能特征，主要體現(xiàn)在兩方面:一是可觀，即負荷的需求以及狀態(tài)可以通過傳感和通信實現(xiàn)感知和傳輸；二是可控，即負荷可以通過智能控制實現(xiàn)設定目標的優(yōu)化。

基于上述智慧建筑的負荷智能特性，在電網(wǎng)中，智慧建筑不再是固定負荷，而是可觀可控的智能負荷。因此，對于建筑內的負荷，可以通過智能感知和智能控制實現(xiàn)調節(jié)，而智慧建筑中的負荷可以通過自動調節(jié)，實現(xiàn)削峰填谷。對于一些可調節(jié)負荷，比如樓宇中照明、空調等，在用電高峰期，可以在滿足建筑需求基礎上，進行適度范圍內暫時的調節(jié)，在不同時段，實現(xiàn)不同優(yōu)先度調節(jié)目標的方案。

3.3 復合儲能

未來智慧建筑考慮儲能功能的實現(xiàn)，主要通過兩種方式:一是蓄電池等固定式儲能模塊；二是通過智能充電樁接入電動汽車實現(xiàn)移動式儲能［12］。

智慧建筑中的儲能模塊參與電網(wǎng)主要有以下作用:一是存儲過剩能量，當負荷側需求量較小時，先儲存起來，滿足負荷需求過大時的需要，實現(xiàn)削峰填谷；二是存儲可再生能源低質量能量，轉化為穩(wěn)定可控能源，提高可再生能源利用率，改善電能質量，提高供電可靠性；三是通過電動汽車，實現(xiàn)統(tǒng)一調度，即負荷需求小時電網(wǎng)向汽車充電，需求大時汽車向電網(wǎng)放電。

4 智慧建筑的供電模式

基于以上智慧建筑不同情況下在電網(wǎng)中參與方式，根據(jù)智慧建筑中能源出力比例的不同，具有下列供電模式。

（1）自給供電（P1＞P2）

自給供電模式如圖3所示。

圖3 智慧建筑自給供電Fig.3 Smart building self-supplied power supply

當智慧建筑自身發(fā)電較充足，電能首先用來滿足建筑內用電負荷的需要，其它多余電量通過建筑內微型儲能裝置以及電動汽車移動式儲能實現(xiàn)存儲。此時能源充足，用電負荷維持高性能狀態(tài)運行。

（2）儲能供電（P1＜P2且P3＞0）儲能供電模式如圖4所示。

圖4 智慧建筑儲能參與供電Fig.4 Smart building energy storage participating in the power supply

當智慧建筑發(fā)電有限，無法完全滿足用電負荷需求時，優(yōu)先調度建筑內的儲能單元，通過儲能補充，滿足用電負荷需求。

（3）電網(wǎng)供電（P1＜P2且P3=0）

當智慧建筑發(fā)電有限，且儲能被完全消耗時，需要通過外部電網(wǎng)供電，如圖5所示。

圖5 智慧建筑與電網(wǎng)并行供電Fig.5 Parallel power supply between smart building and power grid

5 智慧建筑參與電網(wǎng)應用案例

本文以山東建筑大學被動式裝配樓所在的智慧園區(qū)建設為例，展示智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同架構。

5.1 案例模型

智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同實質是功率的交互，因此在研究中不同模塊分別采用相應的功率模型。

（1）光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電功率主要受光照和溫度影響，基于以下模型實現(xiàn)

式中:PPV為光伏輸出功率；nPV為光伏單元數(shù)量；PS為額定輸出功率；k為功率溫度系數(shù)；TC為實際溫度；TS為標況溫度；GC為實際太陽輻射度；GS為標準條件太陽輻射度。

（2）風力發(fā)電模型

風電出力主要受到風速，尤其是葉尖風速影響，采用以下模型

式中:PWIND為風電出力；PE為額定功率；vr、ve、vc分別為切入、額定、切出風速。

（3）儲能模型

儲能的狀態(tài)與充放電之間存在關系，采用以下模型描述。

式中:Psave、Pdischarge、Pesave分別為儲能充電效率、放電效率以及額定容量；T0為初始時刻；SOC(t)為儲能t時刻的電量。

（4）負荷模型

負荷Pload根據(jù)建筑內的用電負荷各類及占比，比如照明、空調等，分別采用不同的功率模型。對于呈現(xiàn)周期性規(guī)律的負荷，可以采用跟蹤建筑歷史數(shù)據(jù)的24 h功率曲線描述。

（5）智慧建筑能量模型

智能建筑參與電網(wǎng)也要遵循能量守恒，即

式中:PSOC為儲能充放電功率；PGrid為智慧建筑與電網(wǎng)的交互功率。

5.2 案例介紹

山東建筑大學智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同分為兩部分，首先是依托教學實驗綜合樓的建筑內智能感知與智能控制，旨在降低能耗，提供電能利用率；其次是校園內1 MW 光伏工程的鋪設，能夠提高對可再生能源的利用率，通過以下幾個模塊共同實現(xiàn)智慧建筑內部的耗能優(yōu)化以及外部的可再生能源接入。

（1）被動式+裝配式超低能耗智慧建筑

裝有智能設備的智慧建筑如圖6所示。

圖6 山東建筑大學智慧建筑Fig.6 Smart building of Shandong Jianzhu University

山東建筑大學教學實驗綜合樓是國內首個鋼結構裝配式+被動式建筑，遵循被動式超低能耗建筑基本原則，采用地源熱泵以及高隔熱保溫的圍護結構體系實現(xiàn)建筑物的節(jié)能減排。

（2）建筑內智能測量模塊

智慧建筑內的智能測量模塊如圖7所示。

圖7 智慧建筑內測量模塊Fig.7 Measurement module of smart building

在智慧建筑內部布置了豐富的傳感器，能夠通過物聯(lián)節(jié)點采集室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、PM2.5 濃度、照度等環(huán)境參數(shù)的值。另外通過智能插座實現(xiàn)對電網(wǎng)各采用的跟蹤，包括電壓、電流、功率的實時測量，電能、功率、用電時間的實時計量，監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 智慧建筑用電量監(jiān)控軟件界面Fig.8 Power monitoring software interface of smart building

（3）建筑內智能控制模塊

基于智能監(jiān)測結果，案例實現(xiàn)了以節(jié)能為目標的優(yōu)化控制，模塊包括空調、照明等系統(tǒng)。以照明為例，如圖9所示，能根據(jù)室內光照自動調節(jié)燈的照度，從而高效節(jié)能，實現(xiàn)時段控制以及用電管理等功能。

圖9 智慧建筑照明控制Fig.9 Lighting control of smart building

（4）建筑外可再生能源發(fā)電模塊

在園區(qū)內，利用學生公寓、辦公樓和圖書館等樓頂面積，通過5 428塊電池板，完成了1 MW“光伏建筑一體化”示范工程，平均年上網(wǎng)電量120萬kWh，主要用于滿足所在建筑內部與配套工程區(qū)域內的辦公、照明等部分日常用電，在假期用電低谷，還能將余電輸送到配電網(wǎng)，供其他負載使用，示范工程如圖10所示。

圖10 1 MW“光伏建筑一體化”示范工程Fig.10 1 MW“photovoltaic building integration”demonstration project

（5）智能建筑能效分析

通過建筑內的智能感知測量模塊，能夠實現(xiàn)對能耗的實時跟蹤，能耗分析工具如圖11所示。基于被動式超低能耗設計，該建筑能夠實現(xiàn)建筑節(jié)能率約為92%，其中分區(qū)、定時、感應的節(jié)能控制策略能夠降低30%以上照明能耗。通過光伏接入等，實現(xiàn)100%就地消納與零碳建筑目標。光伏25年運營期理論減少1 萬tce，減排二氧化碳約3 萬t，為雙碳實現(xiàn)提供較好的解決方案。

圖11 能耗分析工具界面Fig.11 Energy analysis software interface

6 結束語

為應對未來能源與環(huán)境發(fā)展需求，實現(xiàn)碳中和目標，本文從能源、控制、感知等方面明確了智慧建筑概念，提出了智慧建筑與電網(wǎng)的能量交互以及不同場景下的供電模式，最后結合山東建筑大學智慧建筑示范工程，提出了可行的解決方案與實施路徑。未來仍有以下工作需要進一步開展。

（1）智慧建筑硬件發(fā)展

目前智慧建筑停留在概念理論較多，實現(xiàn)參與電網(wǎng)的用電調節(jié)首先需要實現(xiàn)智慧建筑的能源、感知、通信以及控制智能。基于智慧建筑的可再生能源以及復合型儲能實現(xiàn)建筑角色的轉變，利用感知信息實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的跟蹤，才能實現(xiàn)主動智能調控。

（2）智慧建筑參與電網(wǎng)策略研究

由于智慧建筑的多屬性特征，其參與電網(wǎng)的具體策略以及對電網(wǎng)的影響需要理論研究結合實驗支撐，建立考慮智慧建筑接入的電網(wǎng)運行框架，制定各態(tài)勢下電網(wǎng)運行策略。D