航空港产城智慧能源系统建设研究

高志彬，李雪晖，韩增文，王健宇

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500；2、广东省机场管理集团有限公司工程建设指挥部 广州 510080）

0 引言

我国建筑能耗超过全国能源消耗总量的25%，随着人民生活水平的提升，能耗也进一步增加。港产城是包含机场及周边区域，以机场为核心所构成的综合商圈，形成以航空业为主体，以商旅、物流、展会博览等设施为配套，形成围绕机场发展的独立型小型城市。本文以港产城智慧能源系统建设进行研究。

1 智慧能源是港产城建设的重要基石

在全国重点用能单位中建立智慧能源管理系统，不仅是用能单位实现精细化节能管理、促进节能降耗的必然要求，也是政府及时跟踪了解本地区节能工作进展情况，准确把握和分析节能降耗发展趋势，加强能耗数据质量控制的一项重要的基础性工作。对此，政府和重点用能集团和股份公司高度重视，全面推进能源管理系统建设。

智慧能源是智慧港产城建设的重要基石，随着智慧港产城建设的推进，通过“智慧能源”实现的节能减排经济效益将占据越来越重要的地位。

1.1 大数据能源监测

“能源监测”整体信息化平台，将集成电力、水务、燃气、太阳能等多种能源形式的大平台统一管理。供热各平台之间、供热平台与政府平台之间的数据联动将深入发展。实现“让信息多跑路、让百姓少跑路”，信息在横向、纵向上的数据传递、应用将更加密集和深入。

城市级智慧能源互联网综合运用电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成供热网络、电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互相连接，以实现能量双向流动的对等交换与共享网络。

1.2 大数据决策、分配能源资源

精准、科学分析能源消耗情况，实现数据决策、精准分配，实现减排节能目标。

1.2.1 促进供给消耗平衡和能源按需求分配

⑴实现能源系统数字孪生，通过大数据预测分析和研判；

⑵根据需求量预测，提前调度输配管网压力和流量参数，降低了能源供给和分配的不确定性；

⑶对能源系统开展分时、分区控制，降低不必要的能源消耗。

1.2.2 提高能源系统科学决策水平

⑴决策采用数据来源于业务现场实时数据、非人为数据，从而提高决策的准确性；

⑵让政府、用户等主体参与到能源系统决策工作中来，提高决策综合性和合理性水平。

1.3 智慧能源物联网电力载波与无线相融合

通过对电力线载波通信技术的研发，以电力线载波通信技术（PLC）为核心技术，融合RF、LoRa、NBIOT、GPRS 等无线技术；在水电气热集抄、智能楼宇、供热计量、空调节能、智慧照明等领域提供综合能源管理解决方案，构建“能源物联网”。

智慧能源管理通过对智慧港产城的各种设备实施综合自动化监控与管理，在实现节能减排的同时能够为用户提供安全、舒适、便捷高效的工作与生活环境，并使整个系统和其中的各种设备处在最佳的工作状态，从而延长能耗设备寿命、减少管理成本、降低建筑物整体能耗的目的，是一种现代化、信息化和智能化的设备管理系统。智慧能源的核心在于信息化与自动化的深度融合，为用户提供智能化远程集控、节约能耗的解决方案。

1.4 关于建筑能效监管系统的设计优化

为了推进公共建筑的节能减排，《智能建筑设计标准：GB 50314—2015》在2006 版基础上，增加了建筑能效监管系统的设计要求，对电、水、燃气、冷热量等各类能源信息进行分项计量［1-2］。目前该系统基本按照建筑或设计标段的划分，独立设计，对于部分没有绿建三星标准要求的建筑，可能连基本的计量表计都未设计，导致后期需重复建设全场能源计量管理系统。因此，在规划机场智慧能源管控平台时，可不再按建筑划分设计独立的建筑能效监管系统，各设计院完成区域内计量表管控平台统一集成。

对于表计的设计，应遵循两个原则：①需满足机场按部门进行计量计费的需求；②按照《民用机场能源资源计量器具配备规范：MH∕T 5113—2016》的要求，对各区域实现用能分项计量。本文对比国家、各省的公共建筑用电分项计量系统设计标准与民航行业标准，建立统一的能耗分类分项计量模型［3-5］，主要如下：

⑴整体参照国家、各省的公共建筑用电分项模型，在照明插座一级能耗子项中增加高杆灯照明、航站楼商户用电；在特殊用电分项中增加行李系统、捷运系统、登机桥设备等机场专用动力系统用电；

⑵考虑国家、各省目前没有出台水、燃气的分项计量标准，因此水、燃气分项计量仪表的设计参照民航行业标准；

⑶后期机场运营时，部分商户或建筑内用能单位可能有所调整，为此智慧能源管控平台在设计、建设时需支持物联网通讯功能，计量仪表可采用NBIOT，ROLA 等物联网协议，通过机场综合业务网的安全隔离分区（DMZ）接人智慧能源管控平台。

2 智慧能源管理解决方案远程管控与大数据管理

2.1 用能监测

能源物联网用先进的传感器、控制器、集中器和软件应用程序，将能源终端、能源传输端、能源消费端的设备、系统连接起来，形成能源互联互通。

通过对用能单位能源消耗数据的在线采集，实现对能源消费总量、集团和股份公司上传数据信息的监测管理，便于相关涉众及时掌握能源消耗动态。从时间维度上实现能源消耗快报，实时对能源终端设备运行状态进行监测。

2.2 能耗计量

通过整合系统连接的能耗设备的运行数据、环境数据、电网数据等，进行大数据采集、计量、统计，为用能单位提供全方位多维度对采集的能源消耗数据进行分析，帮助能源管理者了解能源消费结构，制定节能政策的量化考核指标，为节能技术推广提供全面、精细化的数据支撑。同时可对各用能部门间进行耗电考评，有效促进行为节能，培养节能意识。

2.3 能源管控

能源管控对管辖范围内的能耗设备基础数据的维护，确保数据的有效传输；控制能耗设备的工作状态；采集室内温度，根据需求调整适宜的温度；根据用户需求，自定义分时段控制设备运行状态；设备运行出现异常时，及时上报故障提醒，以便操作人员及时维修；多设备联动控制的综合管控，达到统一管理，有效节能的目的。

随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的不断发展，新兴技术与智慧能源的不断融合，涵盖的范围不断延伸，智能能源已成为智慧港产城信息化领域的重要组成部分，创造了新的发展生态，带来了新的发展契机［6-10］。

3 数字孪生CIM+能耗分析

系统丰富一期全市能耗统计数据，形成港产城宏观能耗统计分析；对接城市公共建筑能耗监测平台数据，结合三维模型将部分监测项目的能耗数据与数字孪生CIM 地图进行关联展示；同时结合BIM 模型对试点区域的建筑能耗进行智能统计分析，精细到每一栋楼每一层的建筑能耗分析。

3.1 港产城能耗统计分析

接入港产城所有能耗统计分析项目不同年份的能耗统计分析数据，结合CIM 地图形成港产城能耗总览，按全市整体和不同类型能耗同比分析同时将能耗分析数据进行时间轴电子存档，形成基于CIM 的港产城能耗宏观分析。

能耗统计数据入库功能：系统制作标准的能耗数据入库模板，将历年能耗统计分析数据进行系统图库检核，确认无误后直接进行数据入库，减少人工数据入库工作量。

3.2 监测项目能耗分析

接入城市公共建筑能耗监测平台数据，将全市范围内进行能耗监测的项目与CIM 地图关联展示。

形成监测项目总能耗监控，分项能耗（照明、空调、动力等）统计分析并形成同比分析，同时按时间（年∕月）进行单个及所有项目的能耗数据进行多维度统计分析。

对实时监测数据设置能耗标准界限，统计监测项目月度和年度的节能量，同时对超出能耗的项目进行预警提示，形成基于CIM 的节能监督。

3.3 分区域智慧能耗分析

各区域的BIM 模型和智能电表监测数据，将智能电表进行建模并根据末端点位在BIM 模型中落图并进行能耗数据统计分析。

将BIM 模型和智能电表模型进行分层分户处理，形成从整体到分层分户的模型浏览，同时将能耗数据也进行分层分户统计分析。

对智能电表进行实时监控，实时分析单个电表的能耗情况，进而统计楼栋当前耗能情况。系统增加能耗预警阈值设置功能，对超出阈值的能耗数据进行实时预警提示，系统还提供预警记录存储，可对出现过预警的信息进行存档，也支持各类预警统计查询。

各区域能耗会用能以颜色表示在CIM 模型中，能耗健康为绿色、一般能耗为黄色、能耗较高已橙色现实、能耗异常到达临界值会以红色警示（见图1）。

图1 数字孪生建筑各区域能耗分析Fig.1 Analysis of Energy Consumption in Each Area of the Digital Twin Building

系统支持所有能耗数据电子存档，支持各类查询，同时系统还支持电子设备运维信息挂接，形成基于CIM 的电表运行电子台账。

3.4 智慧能耗仿真预测

通过信息系统仿真预测优化能源场站建设选址、能源负荷分配方案，为新场站选址、现有场站改扩建、输配网络规划设计提供依据，减少无必要投资，从而降低能源系统建设成本。

仿真可以为后期能源系统调度决策、控制调节提供预测性指导意见，降低调度、控制工作复杂度，从而降低运营成本。

3.5 智慧能耗运营优化

通过信息化结合输配精细化调节，节省能源消耗，从而降低运营成本。收集末端数据，室温数据监测分析平台、全网平衡与调度平台、能耗分析平台的数据分析结果，结合二次网工艺调控，换热站节气量可达10%～30%，节电量可达30%～70%，节水量可达20%～90%。

4 建筑楼宇能源监管

系统接入楼宇的能源（电、水、冷、散热）数据，形成能源查询、能源分析、指标对比、趋势预测等功能，结合模型对不同类型、不同区域、不同项目的能耗数情况进行智能化监管。

4.1 建筑绿色节能、智能优化

传统的智能楼宇是按照固定的参数来对设备进行匹配控制，而智慧楼宇会有更多的输入方式来获取动态数据，从而动态的控制设备，港产城智慧楼宇管理平台内置能源管理子系统，基于自主研发的能耗模型和能耗异常诊断库，实现港产城楼宇能耗异常诊断分析，给出原因分析及相应的处理方法，解决了传统楼宇能源管理系统只能做到能耗分项计量监测与统计，不能提供针对性节能优化策略的问题，达到绿色节能，智能优化。

4.2 建筑高效运维

在楼宇中所有浪费的能量中，约有75%左右的能量用于设备运行时自身无用功的消耗，这是物业管理行业所无法解决的问题，通过建立专业的监、管、控一体化运维管理模式，统筹资产全生命周期各个环节，实现高效巡检、快速维修、预防性维护以及全过程监管，并提供运维数据深度挖掘、科学评价，协同物业系统，提升运维保障能力，降低维护成本，保障楼宇内各系统高效运转。

5 结语

本文分析了机场建筑智能化的建设现状，从智慧城市、数字孪生、大数据分析等方面提出了智慧城市能源一体化智能管控架构，对其中的建筑能效监管等子系统进行了优化，给出了港产城建设智慧能源管控系统的路线。通过智慧能源管控系统的建设，实现了能源供给侧与用能侧、建筑设备（弱电）、能源与港产城多个维度上信息的有效融合，基于上述信息融合，研究建立了能源、能源系统性能评价与诊断等模型，将有效提高机场能源运行智能化水平，从而推动机场节能减排。