基于云平台管控的大学校园能源精细化管理系统构建

吕培明，许秀锋，曹同成，唐 莉

（1.同济大学a.校长办公室，b.采购与招标管理办公室，c.资产与实验室管理处，上海 200090；2.中教能源研究院，北京 100044）

0 引言

能源是发展国民经济、改善人民生活的重要物质基础［1］。随着国民经济的发展，建筑能耗在社会总能耗中的占比稳步上升，能源压力对经济发展的制约作用日益明显，因此降低建筑能耗刻不容缓。高校作为大型公共机构建筑的重要组成部分之一，建筑量大、能耗较高，且存在严重的能源浪费现象。尤其是自1999年高校扩招以来，高校规模不断扩张，使高校的能源消耗费用支出大幅度增长［2］。浙江大学学者［3］对夏热冬冷地区某高校能耗进行统计，能耗结果如表1 所示，可见高校校园能耗种类多、消耗量大。

表1 夏热冬冷地区某高校2008～2011 年能耗概况

在2007 年的《政府工作报告》中重申：“努力建设资源节约型和环境友好型社会”。2007 年“两会”政府工作报告中明确提出把节能减耗作为工作切入点，并制定了《中华人民共和国节约能源法》以大力推动节能降耗［4］。针对高校能源消耗种类多、消耗数大的现状，中华人民共和国住房和城乡建设部于2009 年印发《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》，为高校校园建筑节能监管给出详细的技术导则和管理办法［5］。通过建立科学的校园能源管理系统建设节约型校园，响应国家的政策号召，达到节能减排的目的，落实科学发展观。能在一定程度上缓解我国目前面临的能源压力，帮助实现经济的可持续发展。高校是我国培养人才和促进我国科学进步的最为主要的阵地［6］，是一个培育人才的摇篮、科研工作的创新基地［7］，在我国高校深入开展节约型校园建设，传播勤俭节约的优良传统，由学校为学生树立节约的榜样，营造节约能源、环保绿色的校园文化氛围。2020 年，教育部学校规划建设发展中心推出了能效领跑者计划［8］，统一组织，以合同能源管理、合同节水管理、PPP等方式，对学校用能系统进行全面综合改造，打造绿色校园示范样板，对参与该项目的学校授予“全国能效领跑者示范学校”荣誉。

因此，建设一套校园综合能源监控管理平台，实现校园能源的统一管理和集中控制，实现能源的可靠、稳定、清洁、高效供应，减少高校建筑能耗显得十分重要。

1 绿色校园及能源系统管理基本情况

随着能源和环境带来的挑战日益严峻，走绿色、可持续发展道路成为不二选择。同济大学在国内高校中率先创建节约型校园，探索可推广的绿色校园模式。

2003年3 月，学校在中国高校中率先创建节约型校园，在校园节能环保方面不断创新实践，节约型校园理念始终贯穿在校园建设过程。嘉定校区的建设以及四平路校区的新建和修建项目，都充分秉持“绿色、节能、可持续发展”的理念，校园内先后建成了一批具有标志性、示范性的绿色节能项目。如校园内历史保护标志性建筑大礼堂，采用利用地道风道的新风预冷（热）空调通风系统、座椅送风系统、建筑节能材料和围护结构的保温隔热等节能系统和措施；新建的衷和楼则采用中庭复合通风、冰蓄冷空调、变频供水、地下停车库自然采光等节能系统和措施。太阳能光伏技术、地源热泵、低辐射节能型外窗、建筑遮阳、屋顶绿化、光导管、节能照明、辐射式空调末端系统也分别被应用于文远楼、旭日楼、游泳馆、环境楼、教学楼、图书馆等建筑单体。学生浴室在改建过程中采用太阳能供热水、电蓄热锅炉、中水处理和回用、洗浴废水热回收利用、IC卡使用系统等一系列有效的节能设备。

“节约型校园建设技术集成和示范”项目荣获2008 年教育部科技进步一等奖［9］。学校被建设部列入首个全国“节约型校园示范”项目，先后获评“首批上海节水型示范校区”“首批全国城镇节水工作示范校区”和“全国高校节能先进单位”［10］。2011 年，学校发起倡议成立了中国绿色大学联盟，促进校园设施及建筑节能减排技术创新、合作研发与推广，引领和推进国内高校绿色发展。2012 年，学校获“全球可持续校园杰出奖”，成为亚太地区获此殊荣的第一所高校。

目前，我校设有29 个专业学院，9 家附属医院，6所附属中小学。有四平路、嘉定、沪西和沪北等4 个主要校区，占地面积2.54 km2，校舍总建筑面积181 余万m2［11］，另有正在施工校舍建筑面积37.1 万m2。学校现有全日制本科生18 115 人，硕士研究生12 105 人，博士研究生5 766 人，另有国际学生3 575 人。随着办学规模的不断扩大，校园建筑面积大幅增加，建筑能耗费用也逐渐飙升。学校主要耗能是教学、办公、实验用能，其中包括制冷、采暖、照明、动力输配系统等用能。

（1）水电系统。学校现有一套能源管理系统，并安装了远程抄表装置。远程抄表有专人进行维护，不仅对电力系统数据进行实时监控，且保留数据记录。对于网络故障等问题引起的短暂性无法计量的现象，能源管理中心会及时予以解决。供水系统方面，学校现有供水模式为市政供水，部分建筑采用了中水回收系统。学校已经建立各校区用水计量装置远程监控及抄表系统，对各建筑、各部门的用水消耗数据进行采集，采集频率为每天1 次，采集时间为每天零点。

（2）空调系统。学校各个建筑的空调系统的运行及维护由后勤部门负责，运行人员通常只做简单启停操作，具体运行控制由设备自带的控制器实现。这样的操作方式虽然便于操作和管理，但并不能保证处于最优的运行状态。大礼堂、行政楼采用多联机及风冷热泵机组，其控制自成系统，能管系统可采集实时运行情况，通过集中控制、室内空气调节、分区管理优化，实现在保证空调控制系统效果的前提下，节省空调运行能耗。教学楼、办公楼大部分采用分体式空调，所有的控制操作通过遥控器完成，学生和教职工根据需要自行控制。使用者往往会将温度设定值设得过低或过高，使空调长期处于超温运行状态，造成电力浪费。此外，空调一直处于带电状态，即使不使用，也会因待机消耗电量。

（3）照明系统。学校的大多数建筑照明系统均为人工控制，并未采用声控、光控等先进技术。因而常常出现白天光线明亮的走廊、使用内遮阳的办公室，仍开灯耗电的现象，造成了大量的照明系统电耗浪费。

目前学校绿色校园建设已基本完成，校园能源管理平台已基本成型，可以满足当前校园管理的需求。但新时代对大学校园建设提出新的需求，对能源管理模式和手段提出了更高的要求，作为中国绿色校园的引领大学，如何在今后较长时间内继续扮演好“领头羊”的角色，对学校提出了新的挑战。

为了响应国家建设“两型社会”的号召，以及国家节能减排方针政策。落实“高校能源领跑者项目”、建立“同济大学综合能源管控系统”，提高能源利用效率、降低能源消耗已经成为学校的重要任务之一。

2 大学校园能源管控云平台

设计一套基于云平台管控的大学校园能源精细化管理系统。对学校水、电、气等传输管网的基础设施进行智能化改造，对校园内各类专业系统（如中央空调系统、供水系统、电力系统、照明系统等）实现集成。

（1）基础设施/系统优化改造。“同济大学综合能源管控系统”需对学校原有的电力系统、供水系统、空调系统、照明系统进行优化改造。构建一套校园综合能源管控平台，有效对供电网络进行集中监控，同时完备校内电力系统计量，实现完整的校内用电计量和分析。将原有供水系统的机械计量仪表更换为具备通信功能的智能计量仪表，完善供水系统的计量网络；通过分区域水平衡计算、管网漏损在线监测，以及供水压力的监测，来实现供水管网结构的优化。对空调系统中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及末端空调机组的用电数据、水流量等相关参数进行实时监测，通过不同的运行策略进行联合控制，实现自上而下的全面优化与自动控制。在满足行政楼、图书馆及大礼堂等建筑内舒适性的同时，实现整个空调系统的高效运行，并通过物联网技术实现空调设备的负荷控制能力。对校园内照明系统的节能改造与集中监控，为能源管理提供数据保障和依据，进而实现降低照明用电能耗。并且对教学楼照明实行分区分时控制，通过物联网技术实现照明系统的调控。物联网通过传感设备与互联网连接起来，实现物品的自动识别、定位、跟踪、控制和信息互换、共享。将过去无序的数据转变为有价值的决策依据［12］。

（2）系统集成。实现对校园内不同历史时期建设的电力计量系统、水表计量系统、校节能监测平台、集中供暖、楼宇控制系统等集成。集成功能包括在线监测数据与关键的业务互动能力。监控系统通过各类传感器，对系统的各种参数、系统设备的运行状态进行监测。并根据系统的运行要求控制相应的设备［13］。

（3）建立综合能源系统管控平台。实现校园内能源供应、传输与消耗的全过程可视化，提供用能在线监控、节能诊断、能效深度分析、售电服务、精准负荷调节等增值服务，提高能源运营效率，同时提供各种增值辅助决策能力，并通过APP向用户延伸服务能力。

3 管控云平台的架构

3.1 体系架构

综合能源管控中心的体系架构如图1 所示，采用分层分布式的衔接方式，根据各物理设备备可划分为5 个层级［14］：感知层、网络层、数据层、应用层和展示层，为实现状态感知、实时分析、科学决策、精准执行打下基础［15］。

图1 体系架构图

3.2 技术架构

综合能源管控平台充分考虑信息安全问题，采用企业级解决方案全过程、全方位保证系统安全、数据安全［16］。图2 为综合能源管控中心的技术架构。

图2 技术架构图

3.3 功能架构

如图3 所示，综合能源管控系统整个平台的功能架构应分为7 个领域，分别为：能源管理、虚拟电厂、运行监控、售电服务、分布式能源管理（规划）、精细化用能专家系统、通用能源信息采集［17］。

图3 功能架构图

3.4 物理架构

图4 所示为综合能源管控平台的网络架构图。监控运行网主要由监控运行相应设备及网络组成［18］。

图4 网络架构图

4 能源管控云平台的功能

本文设计的一套基于云平台管控的大学校园能源精细化管理系统，通过能源互联网的各种关键技术，在校园建成区域能源互联网平台。

4.1 能源数据采集

对校园内所有的电、热、冷、水进行数据采集，计量系统能够支持各种表计的多种规约，如104/102/Modbus 等。通过对电、热、冷、水等系统进行统一管理，实现高效、智能、可靠的管理，提高能源利用率。

4.2 能效管理

（1）能源指标分析。对校园建筑功能分类，对教学楼、办公室、宿舍楼和图书馆等各类建筑进行节能监测，并建立各种维度的指标体系，通过公众互联网平台、APP 等载体向用户推送用能对比结果，促进用户改善用能习惯。系统提供对学院、用户的能源的综合查询功能，能够采用曲线、图表等多种方式直观的展示各楼宇、各单位、各用户的能源使用指标、实际使用数据展示与排名，包括：生均能耗量（t标准煤/人）、每百万元科研经费能耗量（t标准煤/百万元）、建筑面积能耗量（t标准煤/m2）、可再生能源替代常规能源量（t标准煤/m2）、生均水耗量（t/人）、每百万元科研经费水耗量（t/百万元）、照明插座用电（万kWh）、空调用电（万kWh）、动力用电（万kWh）、特殊用电（万kWh）。

（2）能量平衡管理。根据系统协同优化的需求，实现能量平衡分析、多维度智慧能源分析、分层综合调控、能源平衡预警分析等能力。

（3）用能过程精细化管理。根据各个用能系统运行计划进行精准负荷预测，从而获得整个校园用能计划，同时结合实时采集的能源网络监测数据，有效跟踪并分析实际用能情况，为运行人员提供辅助决策能力。

4.3 能源运行监控

（1）能源信息集成。包括变电站、配电、开闭所等电力子系统数据；能源计量系统数据；智能水网监控系统数据；各个楼宇照明管理系统、空调运行系统数据。通过现场安装网络摄像设备、消防传感设备等，对所有视频、环境采集终端完成数据采集功能，实现远程对变配电设备的视频/环境监控，替代人工常规运行巡检工作。

（2）集中展示校园内各类能源网络各级子系统的运行监控效果。包括能源数据综合监控、能源计量系统监控、主要用能系统运行监控（空调、照明）等功能。

4.4 虚拟电厂

通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER 的聚合和协调优化，运行人员能根据用能系统运行计划与实时监测数据动态管理校园内各个用能系统的弹性负荷，并通过互操作协议实现与校园内照明管理系统、空调运行管理系统以及规划中的分布式能源系统的业务互动，参与校园电网运行的电源协调管理系统。

4.5 售电服务

对校园内用电群体（如学生、商业租户）进行售电管理，提供精确计量、账单分发的能力，并通过接入校园支付系统对用电群体的支付信用等级进行评定。

4.6 精细化用能管理

根据校园各类设备用能特征，对教学楼照明及插座远程控制、中央空调机组与分体空调等各类重要能源负载进行精细化运行的策略管理，并实现与校园综合能源管控平台的业务互动能力。

5 结语

本文介绍一套基于云平台管控的大学校园能源精细化管理系统。对我校原有的空调系统、供水系统、电力系统、照明系统等基础设施/系统进行节能改造，将改造后的系统集成，建立综合能源系统管控平台，实现校园内能源供应、传输与消耗的全过程可视化，具有能源数据采集、能效管理、能源运行监控、售电服务等全面的功能。

该系统充分利用新能源、节能减排、智能电网等能源技术和大数据、云计算、物联网等信息技术实现能源的可靠、稳定、清洁、高效供应，降低系统运行维护成本。可以实现校园能源的统一管理和集中控制，实现校园各能源系统的联动和监视［19］。该系统的运用可提高高校校园的能源利用效率、降低能源消耗，建设节约型校园，响应国家节能减排方针政策和建设“两型社会”、绿色校园的政策号召。

·名人名言·

管理是一种实践，其本质不在于“知”而在于“行”；其验证不在于逻辑，而在于成果；其唯一权威就是成就。

——彼得德鲁克