碳排放“双控”背景下建筑合同能源管理模式信息系统架构设计

王云霞 北京节能环保中心

根据中国建筑能源协会《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022 年）》数据显示，2020 年全国建筑与建造碳排放总量占全国碳排放的比重为 50.9%，其中，建筑运行阶段碳排放占全国碳排放总量的21.7%。

2021 年中央经济工作会议中首次提出“创造条件尽早实现能耗‘双控’向碳排放总量和强度‘双控’转变”，用碳排放的指标替代能耗指标，减污降碳会更加精准。为了更好服务“双碳”战略，建筑能源管理、碳排放管理等基础建设的实施内容也需要进行重新设计，合同能源管理作为一种重要的市场化机制，仍会在节能降碳中发挥重要作用。本文着重介绍了以碳排放数字化、能源和碳排放调优控制为核心的合同能源管理信息系统架构设计。

1 “双碳”战略下建筑能源运维管理面临的挑战

1.1 探索新技术应用等降低用能强度和碳排放强度

用能和碳排放的最大化效益管理，可以通过人改、技改、物改三种方式进行优化提升。

当前建筑能源管理方式经历了数十年的发展，形成了具备成熟管理规律和运维习惯的运维队伍，同时，节能改造工程的实施从根本上解决了用能设备的能效问题。

传统的能源系统设备优化和提效措施历经了近20 年的发展，技术较为成熟，技改阶段已经发挥了极大的效能。此外，如何通过管理节能方式实现节能降碳这对当前的建筑能源管理提出了挑战。

当前阶段，运维过程的精细化管理仍有较大空间。据美国能源部研究报告数据显示，在目前技术掌握且已知的57 项节能技术中，其中在运维阶段的节能空间最大，大多数建筑应用精准的运维技术进行管理，可实现5%～30%的节能率。

如何应用这种精准、精细化的调控技术，需要用能单位、建设单位、合同能源服务商等多方共同探索。

1.2 如何高效实现能耗总量和碳配额的优化调度管理

目前，相关行业主管部门先后以用能单位实体为对象，制定用能总量和碳排放总量的上限。全国大部分地方均以年度能耗总量达到5000tce 及以上、年度二氧化碳排放总量达到5000t及以上的单位定义为重点用能单位和重点碳排放单位。

在用能、碳排放均存在配额的背景下，如何围绕用能单位的产能、业务效益，制定更符合核心利益的用能、碳排放等梯度优化调度管理，也对当前建筑能源管理现状提出挑战。

2 现阶段存量建筑能源管理现状存在的问题

2.1 建筑数字化水平仍有较大提升空间

楼宇自控系统及能源管理系统进入中国市场20年以来，中国建成的公建项目总数超过10 万个。迄今为止，这两个系统在超过50%的楼宇项目中处于闲置或瘫痪状态，管理者大多仍通过手工记录与控制的方式进行管理。其主要原因是这两类系统对使用者要求较高，系统与用户水平不对等，导致使用频度低、无法有效发挥系统功能。全社会建筑能源管理数字化水平较低。

2.2 建筑能耗运维管理的专业化水平有待提高

目前，国内大多数建筑项目的能源系统运维仍以人工控制为主导，部分数字化条件较好的项目通过人工和楼宇自控系统的调试策略运行。

人工控制的依据主要凭借个人经验、冷热周期规律，楼宇自控系统策略主要设计设备运行日程表，根据较少变量的计算公式管理设备的运行及加载。这两种方式均不足以对环境管理的变量进行实时响应。

在建筑能耗运维管理方面，可以通过辅助技术或产品，提升运维队伍的专业水平，获得更多、更实时的策略依据管理用能设备的运行，将能效发挥控制理想区间。

2.3 建筑能源管理系统存在的缺陷影响能效提升

调研发现，除了数字化水平不足以外，建筑运营阶段的实际场景与建设设计阶段存在一定偏差。在建筑运营阶段，70%的客户投诉率和50%的运营成本跟机电系统运行有关。因此，熟知建筑全生命周期运行规律，借助先进的数字化技术，提供科学精准有效的执行策略才能更大程度提升能效水平。

3 新形势下合同能源管理项目的建设内容

新形势下合同能源管理建议采取三步走的方式进行全局优化，最大化改善用能和碳排放强度。第一步，实现能源与碳的数字化。第二步，在数字化基础上充分结合应用场景对用能和碳排放趋势进行分析，并在运维阶段提供优化决策方向。第三步，通过大数据分析，进行用能和碳排放结构的优化配置。

3.1 能源数字化与碳排放数字化系统建设

3.1.1 梳理建筑数字化业务

依据建筑项目实际现状，深度调研项目数字化水平及建设水平，优先勘察智能化集成系统（IBMS）建设现状，包含功能完整性、设备通信可用性、用户使用情况等，重点勘察能源计量与监测系统、楼宇自动化控制系统（BA）、照明控制系统、变配电监测系统等。

针对勘察结果，输出建筑项目的数字化业务水平报告。报告需包含当前智能化系统的建设内容、系统完整程度、功能完善程度、设备完善程度等，并完成数字化业务缺陷分析报告，提出缺陷完善的解决方案。

3.1.2 恢复、改造和升级数字化基础建设

针对数字化现状梳理结论，制定完善数字化基础建设的修复与恢复、改造及升级等必要性措施，为能源和碳的数字化业务提供底层数据源。

3.1.3 打造场景性数字化应用系统

建筑类型及对应行业不一，场景的应用属性也将不同。如党政机关的管理模式为独立办公或集中办公形式。如高校和医院建筑体量大，则由各单位的后勤部门统一管理。根据能源使用场景、运维队伍、主管机构需要制定场景化的数字化应用系统，方便用户直观便捷的实现高效管理。

3.2 用能分析与碳排放分析模块建设

在数字化系统完善后，针对不同行业、不同建筑规模、不同用能场景的建筑特点进行用能分析和碳排放分析的设计。

主要设计维度包含用能单位行业属性、用能及碳排放分析、用能和碳排放曲线及趋势分析、人均用能及碳排放计算、单位面积用能及碳排放计算。

3.3 用能优化与碳排放结构优化模块建设

通过上述分析系统的建设，第三步实现用能和碳排放系统的结构优化，通过用能预测、碳排放预测、配额柔性管理等技术运用，对优化空间、配置方向形成决策内容并呈现系统报告，最终将依据建筑实际现状将其打造成超低能耗与超低碳排放的高效经济型项目。

4 新形势下的合同能源管理信息系统架构设计

4.1 业务架构设计

业务系统架构主要说明新形势下的合同能源管理项目各参与实体之间的分工关系。其中，合同主体共分为三类，分别为投资机构、用能单位、合同能源服务商。投资机构为非必须参与实体，在实际项目运作中，具备条件或有项目投资意向的合同能源服务商亦可承担该角色，主要负责建筑项目的前期改造、升级、系统建设等内容，后期则通过节能降碳收益回收成本。用能单位为各类有意向参与节能降碳的企事业单位及党政机关单位。合同能源管理服务商指具备节能降碳工程改造、系统建设、合同能源运维等技术的服务企业。业务架构设计见图1。

图1 业务架构设计示意图

4.1.1 合同主体说明

合同主体即参与到新形势下合同能源管理的新绩效改革的企事业及党政机关单位，多方可以以设计的新绩效作为指导依据，评估项目的可落地性，进行多方合同签署并按照合同履约。

4.1.2 建设与改造阶段架构说明

本阶段主要以合同能源服务商针对用能单位进行数字化改造与升级业务分析并提供实施方案。投资机构需要在这个阶段完成项目的可研论证及投资测算，用能单位需提供真实详尽的建筑项目数据及相应人员辅助用能单位完成建筑项目的全面勘察调研，为项目实施提供前期详实的分析数据，并制定围绕核心绩效产出的解决方案材料，用于本阶段合同签署后的工程改造实施及系统建设。

4.1.3 运营阶段架构说明

本阶段为合同履约阶段。围绕能源及碳排放管理的双重新绩效，投资机构以期望效益为指导需对合同运维及管理阶段进行监理，论证实际运行与设计阶段的达标水平，并响应项目的动态变化。

用能单位则需实时响应上级主管部门围绕国家及属地区域政策变化做及时调整，并传递给相关合同方。同时，也需按合同阶段对绩效进行管理与论证，保证阶段目标的达成。

合同能源服务商在本阶段需按照既定的合作模式提供对应的服务内容，并按照绩效对建筑项目负责，保障能源与碳的科学运营与管理成效。

4.1.4 效益阶段架构说明

本阶段为阶段性的合同履约阶段，多方合同主体可根据合同约定进行效益分享、投资分成、权益共享等。

4.2 信息传输架构设计

信息传输架构设计主要围绕建筑项目的设备层、通信层、数据传输层、服务层进行综合设计，满足项目能源数据传输、监控、数字化计算、碳排放因子库管理及实际碳排放计算。详见图2。

图2 信息传输架构设计示意图

4.2.1 设备层

设备层需包含建筑项目关联的能源应用设备，包含暖通空调、照明、电梯、数据中心、IT 设备以及配电站的核心数据，实现全部能源数据及分项能源数据上传，并形成碳因子库结构。

4.2.2 通信协议层

通信协议层主要围绕物联网业务展开设计，需满足包含各类有线通信、无线通信的接入协议，为数据接入层提供保障性通道。

4.2.3 边缘计算层

边缘计算层可根据建筑项目实际现状，结合设备点位、数据点位及传输介质要求配置对应的网关、服务器等边缘资源。

边缘配置的目标一方面是实现数据的本地存储及稳定性、可靠性、安全性，同时也为数据隔离提供建设桥梁，易于上层业务的管理。

4.2.4 网络连接层

网络连接层为边缘层和服务层提供传输互联网通信传输通道，保障各类通信协议的适配性。

4.2.5 数据层

数据层设计以安全、便捷、业务数据归类等为核心，提供各类服务层业务单元的数据需求服务。

4.2.6 服务层

服务层可根据具体项目的能源管理及碳排放管理绩效为指导，结合建筑项目实际现状，提供服务层内容。具体的服务功能可参考4.3系统功能架构设计。

4.3 系统功能架构设计

系统功能架构结合了能源管理、碳排放管理及未来衍生的其他综合能源业务及低碳建筑业务为指导，在能源应用、调度控制、碳交易、综合能源运维等维度展开设计。详见图3。

图3 系统功能架构设计示意图

4.3.1 分析诊断模块

分析诊断模块主要围绕能源和碳排放的实际业务及绩效指标进行用能和碳排放分析，提出运维指导，保障能源系统业务的科学与经济性运行。

4.3.2 用能调度模块

用能调度模块以调度为核心，综合建筑项目的实际用能形式、用能设备、用能周期进行优化控制，降低能源消耗水平。

4.3.3 设备管理模块

设备管理模块从运维及运营角度出发，对建筑项目的综合类能源设备及系统进行实时监测，保障设备的安全性及高可用执行性，提高设备产能。

4.3.4 碳能交易模块

碳能交易模块以碳资产交易为核心业务，应对未来碳配额管理、碳资产配置带来的建筑运营需求，通过该模块可快速决策并指导项目的科学经营。

4.3.5 综合管理模块

综合管理模块主要为合同运维阶段提供必要性的信息化、流程化管理工具，提高运维效率，降低运营成本。

4.3.6 数字平台功能架构

数字平台功能将作为整个合同能源管理周期的系统能力核心，通过各类专家级规则、用能与碳排放管理算法、数字孪生基础架构等技术框架组成，为应用层提供基础服务能力，最终为实现节能减排提供保障。

5 结语

随着信息化技术的发展，物联网、云计算、人工智能、5G 等技术的成熟应用，数字化技术将会在节能降碳中发挥更大的作用，进一步助力合同能源管理模式，让这种市场化机制在“双碳”战略中焕发新的生命力。