航空港產(chǎn)城智慧能源系統(tǒng)建設(shè)研究

高志彬，李雪暉，韓增文，王健宇

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部 廣州 510080）

0 引言

我國建筑能耗超過全國能源消耗總量的25%，隨著人民生活水平的提升，能耗也進(jìn)一步增加。港產(chǎn)城是包含機(jī)場及周邊區(qū)域，以機(jī)場為核心所構(gòu)成的綜合商圈，形成以航空業(yè)為主體，以商旅、物流、展會(huì)博覽等設(shè)施為配套，形成圍繞機(jī)場發(fā)展的獨(dú)立型小型城市。本文以港產(chǎn)城智慧能源系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行研究。

1 智慧能源是港產(chǎn)城建設(shè)的重要基石

在全國重點(diǎn)用能單位中建立智慧能源管理系統(tǒng)，不僅是用能單位實(shí)現(xiàn)精細(xì)化節(jié)能管理、促進(jìn)節(jié)能降耗的必然要求，也是政府及時(shí)跟蹤了解本地區(qū)節(jié)能工作進(jìn)展情況，準(zhǔn)確把握和分析節(jié)能降耗發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)能耗數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。對(duì)此，政府和重點(diǎn)用能集團(tuán)和股份公司高度重視，全面推進(jìn)能源管理系統(tǒng)建設(shè)。

智慧能源是智慧港產(chǎn)城建設(shè)的重要基石，隨著智慧港產(chǎn)城建設(shè)的推進(jìn)，通過“智慧能源”實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益將占據(jù)越來越重要的地位。

1.1 大數(shù)據(jù)能源監(jiān)測

“能源監(jiān)測”整體信息化平臺(tái)，將集成電力、水務(wù)、燃?xì)?、太陽能等多種能源形式的大平臺(tái)統(tǒng)一管理。供熱各平臺(tái)之間、供熱平臺(tái)與政府平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)將深入發(fā)展。實(shí)現(xiàn)“讓信息多跑路、讓百姓少跑路”，信息在橫向、縱向上的數(shù)據(jù)傳遞、應(yīng)用將更加密集和深入。

城市級(jí)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)用電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲(chǔ)存裝置和各種類型負(fù)載構(gòu)成供熱網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點(diǎn)互相連接，以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的對(duì)等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。

1.2 大數(shù)據(jù)決策、分配能源資源

精準(zhǔn)、科學(xué)分析能源消耗情況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)決策、精準(zhǔn)分配，實(shí)現(xiàn)減排節(jié)能目標(biāo)。

1.2.1 促進(jìn)供給消耗平衡和能源按需求分配

⑴實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)數(shù)字孿生，通過大數(shù)據(jù)預(yù)測分析和研判；

⑵根據(jù)需求量預(yù)測，提前調(diào)度輸配管網(wǎng)壓力和流量參數(shù)，降低了能源供給和分配的不確定性；

⑶對(duì)能源系統(tǒng)開展分時(shí)、分區(qū)控制，降低不必要的能源消耗。

1.2.2 提高能源系統(tǒng)科學(xué)決策水平

⑴決策采用數(shù)據(jù)來源于業(yè)務(wù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、非人為數(shù)據(jù)，從而提高決策的準(zhǔn)確性；

⑵讓政府、用戶等主體參與到能源系統(tǒng)決策工作中來，提高決策綜合性和合理性水平。

1.3 智慧能源物聯(lián)網(wǎng)電力載波與無線相融合

通過對(duì)電力線載波通信技術(shù)的研發(fā)，以電力線載波通信技術(shù)（PLC）為核心技術(shù)，融合RF、LoRa、NBIOT、GPRS 等無線技術(shù)；在水電氣熱集抄、智能樓宇、供熱計(jì)量、空調(diào)節(jié)能、智慧照明等領(lǐng)域提供綜合能源管理解決方案，構(gòu)建“能源物聯(lián)網(wǎng)”。

智慧能源管理通過對(duì)智慧港產(chǎn)城的各種設(shè)備實(shí)施綜合自動(dòng)化監(jiān)控與管理，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩?、舒適、便捷高效的工作與生活環(huán)境，并使整個(gè)系統(tǒng)和其中的各種設(shè)備處在最佳的工作狀態(tài)，從而延長能耗設(shè)備壽命、減少管理成本、降低建筑物整體能耗的目的，是一種現(xiàn)代化、信息化和智能化的設(shè)備管理系統(tǒng)。智慧能源的核心在于信息化與自動(dòng)化的深度融合，為用戶提供智能化遠(yuǎn)程集控、節(jié)約能耗的解決方案。

1.4 關(guān)于建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了推進(jìn)公共建筑的節(jié)能減排，《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50314—2015》在2006 版基礎(chǔ)上，增加了建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)電、水、燃?xì)?、冷熱量等各類能源信息進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量［1-2］。目前該系統(tǒng)基本按照建筑或設(shè)計(jì)標(biāo)段的劃分，獨(dú)立設(shè)計(jì)，對(duì)于部分沒有綠建三星標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑，可能連基本的計(jì)量表計(jì)都未設(shè)計(jì)，導(dǎo)致后期需重復(fù)建設(shè)全場能源計(jì)量管理系統(tǒng)。因此，在規(guī)劃機(jī)場智慧能源管控平臺(tái)時(shí)，可不再按建筑劃分設(shè)計(jì)獨(dú)立的建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，各設(shè)計(jì)院完成區(qū)域內(nèi)計(jì)量表管控平臺(tái)統(tǒng)一集成。

對(duì)于表計(jì)的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循兩個(gè)原則：①需滿足機(jī)場按部門進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)的需求；②按照《民用機(jī)場能源資源計(jì)量器具配備規(guī)范：MH∕T 5113—2016》的要求，對(duì)各區(qū)域?qū)崿F(xiàn)用能分項(xiàng)計(jì)量。本文對(duì)比國家、各省的公共建筑用電分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的能耗分類分項(xiàng)計(jì)量模型［3-5］，主要如下：

⑴整體參照國家、各省的公共建筑用電分項(xiàng)模型，在照明插座一級(jí)能耗子項(xiàng)中增加高桿燈照明、航站樓商戶用電；在特殊用電分項(xiàng)中增加行李系統(tǒng)、捷運(yùn)系統(tǒng)、登機(jī)橋設(shè)備等機(jī)場專用動(dòng)力系統(tǒng)用電；

⑵考慮國家、各省目前沒有出臺(tái)水、燃?xì)獾姆猪?xiàng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此水、燃?xì)夥猪?xiàng)計(jì)量儀表的設(shè)計(jì)參照民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

⑶后期機(jī)場運(yùn)營時(shí)，部分商戶或建筑內(nèi)用能單位可能有所調(diào)整，為此智慧能源管控平臺(tái)在設(shè)計(jì)、建設(shè)時(shí)需支持物聯(lián)網(wǎng)通訊功能，計(jì)量儀表可采用NBIOT，ROLA 等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，通過機(jī)場綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)的安全隔離分區(qū)（DMZ）接人智慧能源管控平臺(tái)。

2 智慧能源管理解決方案遠(yuǎn)程管控與大數(shù)據(jù)管理

2.1 用能監(jiān)測

能源物聯(lián)網(wǎng)用先進(jìn)的傳感器、控制器、集中器和軟件應(yīng)用程序，將能源終端、能源傳輸端、能源消費(fèi)端的設(shè)備、系統(tǒng)連接起來，形成能源互聯(lián)互通。

通過對(duì)用能單位能源消耗數(shù)據(jù)的在線采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消費(fèi)總量、集團(tuán)和股份公司上傳數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測管理，便于相關(guān)涉眾及時(shí)掌握能源消耗動(dòng)態(tài)。從時(shí)間維度上實(shí)現(xiàn)能源消耗快報(bào)，實(shí)時(shí)對(duì)能源終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 能耗計(jì)量

通過整合系統(tǒng)連接的能耗設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集、計(jì)量、統(tǒng)計(jì)，為用能單位提供全方位多維度對(duì)采集的能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助能源管理者了解能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，制定節(jié)能政策的量化考核指標(biāo)，為節(jié)能技術(shù)推廣提供全面、精細(xì)化的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)可對(duì)各用能部門間進(jìn)行耗電考評(píng)，有效促進(jìn)行為節(jié)能，培養(yǎng)節(jié)能意識(shí)。

2.3 能源管控

能源管控對(duì)管轄范圍內(nèi)的能耗設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，確保數(shù)據(jù)的有效傳輸；控制能耗設(shè)備的工作狀態(tài)；采集室內(nèi)溫度，根據(jù)需求調(diào)整適宜的溫度；根據(jù)用戶需求，自定義分時(shí)段控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)上報(bào)故障提醒，以便操作人員及時(shí)維修；多設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制的綜合管控，達(dá)到統(tǒng)一管理，有效節(jié)能的目的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，新興技術(shù)與智慧能源的不斷融合，涵蓋的范圍不斷延伸，智能能源已成為智慧港產(chǎn)城信息化領(lǐng)域的重要組成部分，創(chuàng)造了新的發(fā)展生態(tài)，帶來了新的發(fā)展契機(jī)［6-10］。

3 數(shù)字孿生CIM+能耗分析

系統(tǒng)豐富一期全市能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，形成港產(chǎn)城宏觀能耗統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)接城市公共建筑能耗監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維模型將部分監(jiān)測項(xiàng)目的能耗數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生CIM 地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)展示；同時(shí)結(jié)合BIM 模型對(duì)試點(diǎn)區(qū)域的建筑能耗進(jìn)行智能統(tǒng)計(jì)分析，精細(xì)到每一棟樓每一層的建筑能耗分析。

3.1 港產(chǎn)城能耗統(tǒng)計(jì)分析

接入港產(chǎn)城所有能耗統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目不同年份的能耗統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合CIM 地圖形成港產(chǎn)城能耗總覽，按全市整體和不同類型能耗同比分析同時(shí)將能耗分析數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間軸電子存檔，形成基于CIM 的港產(chǎn)城能耗宏觀分析。

能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)入庫功能：系統(tǒng)制作標(biāo)準(zhǔn)的能耗數(shù)據(jù)入庫模板，將歷年能耗統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)圖庫檢核，確認(rèn)無誤后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫，減少人工數(shù)據(jù)入庫工作量。

3.2 監(jiān)測項(xiàng)目能耗分析

接入城市公共建筑能耗監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)，將全市范圍內(nèi)進(jìn)行能耗監(jiān)測的項(xiàng)目與CIM 地圖關(guān)聯(lián)展示。

形成監(jiān)測項(xiàng)目總能耗監(jiān)控，分項(xiàng)能耗（照明、空調(diào)、動(dòng)力等）統(tǒng)計(jì)分析并形成同比分析，同時(shí)按時(shí)間（年∕月）進(jìn)行單個(gè)及所有項(xiàng)目的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)分析。

對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置能耗標(biāo)準(zhǔn)界限，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測項(xiàng)目月度和年度的節(jié)能量，同時(shí)對(duì)超出能耗的項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)警提示，形成基于CIM 的節(jié)能監(jiān)督。

3.3 分區(qū)域智慧能耗分析

各區(qū)域的BIM 模型和智能電表監(jiān)測數(shù)據(jù)，將智能電表進(jìn)行建模并根據(jù)末端點(diǎn)位在BIM 模型中落圖并進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

將BIM 模型和智能電表模型進(jìn)行分層分戶處理，形成從整體到分層分戶的模型瀏覽，同時(shí)將能耗數(shù)據(jù)也進(jìn)行分層分戶統(tǒng)計(jì)分析。

對(duì)智能電表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)分析單個(gè)電表的能耗情況，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)樓棟當(dāng)前耗能情況。系統(tǒng)增加能耗預(yù)警閾值設(shè)置功能，對(duì)超出閾值的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警提示，系統(tǒng)還提供預(yù)警記錄存儲(chǔ)，可對(duì)出現(xiàn)過預(yù)警的信息進(jìn)行存檔，也支持各類預(yù)警統(tǒng)計(jì)查詢。

各區(qū)域能耗會(huì)用能以顏色表示在CIM 模型中，能耗健康為綠色、一般能耗為黃色、能耗較高已橙色現(xiàn)實(shí)、能耗異常到達(dá)臨界值會(huì)以紅色警示（見圖1）。

圖1 數(shù)字孿生建筑各區(qū)域能耗分析Fig.1 Analysis of Energy Consumption in Each Area of the Digital Twin Building

系統(tǒng)支持所有能耗數(shù)據(jù)電子存檔，支持各類查詢，同時(shí)系統(tǒng)還支持電子設(shè)備運(yùn)維信息掛接，形成基于CIM 的電表運(yùn)行電子臺(tái)賬。

3.4 智慧能耗仿真預(yù)測

通過信息系統(tǒng)仿真預(yù)測優(yōu)化能源場站建設(shè)選址、能源負(fù)荷分配方案，為新場站選址、現(xiàn)有場站改擴(kuò)建、輸配網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)，減少無必要投資，從而降低能源系統(tǒng)建設(shè)成本。

仿真可以為后期能源系統(tǒng)調(diào)度決策、控制調(diào)節(jié)提供預(yù)測性指導(dǎo)意見，降低調(diào)度、控制工作復(fù)雜度，從而降低運(yùn)營成本。

3.5 智慧能耗運(yùn)營優(yōu)化

通過信息化結(jié)合輸配精細(xì)化調(diào)節(jié)，節(jié)省能源消耗，從而降低運(yùn)營成本。收集末端數(shù)據(jù)，室溫?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測分析平臺(tái)、全網(wǎng)平衡與調(diào)度平臺(tái)、能耗分析平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合二次網(wǎng)工藝調(diào)控，換熱站節(jié)氣量可達(dá)10%～30%，節(jié)電量可達(dá)30%～70%，節(jié)水量可達(dá)20%～90%。

4 建筑樓宇能源監(jiān)管

系統(tǒng)接入樓宇的能源（電、水、冷、散熱）數(shù)據(jù)，形成能源查詢、能源分析、指標(biāo)對(duì)比、趨勢(shì)預(yù)測等功能，結(jié)合模型對(duì)不同類型、不同區(qū)域、不同項(xiàng)目的能耗數(shù)情況進(jìn)行智能化監(jiān)管。

4.1 建筑綠色節(jié)能、智能優(yōu)化

傳統(tǒng)的智能樓宇是按照固定的參數(shù)來對(duì)設(shè)備進(jìn)行匹配控制，而智慧樓宇會(huì)有更多的輸入方式來獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，從而動(dòng)態(tài)的控制設(shè)備，港產(chǎn)城智慧樓宇管理平臺(tái)內(nèi)置能源管理子系統(tǒng)，基于自主研發(fā)的能耗模型和能耗異常診斷庫，實(shí)現(xiàn)港產(chǎn)城樓宇能耗異常診斷分析，給出原因分析及相應(yīng)的處理方法，解決了傳統(tǒng)樓宇能源管理系統(tǒng)只能做到能耗分項(xiàng)計(jì)量監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)，不能提供針對(duì)性節(jié)能優(yōu)化策略的問題，達(dá)到綠色節(jié)能，智能優(yōu)化。

4.2 建筑高效運(yùn)維

在樓宇中所有浪費(fèi)的能量中，約有75%左右的能量用于設(shè)備運(yùn)行時(shí)自身無用功的消耗，這是物業(yè)管理行業(yè)所無法解決的問題，通過建立專業(yè)的監(jiān)、管、控一體化運(yùn)維管理模式，統(tǒng)籌資產(chǎn)全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高效巡檢、快速維修、預(yù)防性維護(hù)以及全過程監(jiān)管，并提供運(yùn)維數(shù)據(jù)深度挖掘、科學(xué)評(píng)價(jià)，協(xié)同物業(yè)系統(tǒng)，提升運(yùn)維保障能力，降低維護(hù)成本，保障樓宇內(nèi)各系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

本文分析了機(jī)場建筑智能化的建設(shè)現(xiàn)狀，從智慧城市、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析等方面提出了智慧城市能源一體化智能管控架構(gòu)，對(duì)其中的建筑能效監(jiān)管等子系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，給出了港產(chǎn)城建設(shè)智慧能源管控系統(tǒng)的路線。通過智慧能源管控系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了能源供給側(cè)與用能側(cè)、建筑設(shè)備（弱電）、能源與港產(chǎn)城多個(gè)維度上信息的有效融合，基于上述信息融合，研究建立了能源、能源系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與診斷等模型，將有效提高機(jī)場能源運(yùn)行智能化水平，從而推動(dòng)機(jī)場節(jié)能減排。