服務(wù)區(qū)數(shù)智化節(jié)能減排管控策略研究

陳汝先

（山西交控汾石高速公路有限公司 山西省呂梁市 033000）

交通運(yùn)輸是碳排放的重要領(lǐng)域之一，占我國碳排放總量的10%左右[1]。公路交通是交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，在我國“雙碳”目標(biāo)大背景下，理應(yīng)擔(dān)當(dāng)起減少碳排、保護(hù)環(huán)境的重任。高速公路服務(wù)區(qū)作為公路交通重要的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，全年晝夜無休運(yùn)轉(zhuǎn)，照明、暖通等能耗巨大[2]，是公路地理單元中的排碳大戶，且隨著新能源車滲透率不斷提高，服務(wù)區(qū)用能需求不斷增加，供配電穩(wěn)定性及碳減排壓力逐步加大。開展服務(wù)區(qū)數(shù)智化節(jié)能管控技術(shù)研究，保障服務(wù)區(qū)供配電穩(wěn)定性、用能清潔化、節(jié)能化、推動(dòng)高速公路服務(wù)區(qū)低碳轉(zhuǎn)型，已成為現(xiàn)實(shí)需求。

本文結(jié)合服務(wù)區(qū)資源稟賦、區(qū)位環(huán)境、發(fā)展定位和建設(shè)基礎(chǔ)，分析服務(wù)區(qū)用能特性，提出以服務(wù)區(qū)低碳轉(zhuǎn)型為目標(biāo)的數(shù)智化節(jié)能減排管控策略，為我國高速公路服務(wù)區(qū)低碳轉(zhuǎn)型提供參考和借鑒。

1 服務(wù)區(qū)用能特性概述

以山西省具有代表性的某高速公路服務(wù)區(qū)為例，該服務(wù)區(qū)占地面積約50 畝，其主要用能系統(tǒng)包括水系統(tǒng)（日常用水、熱水、污水處理）、消防系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、充電樁系統(tǒng)等，各類系統(tǒng)能耗如表1 所示。

表1：山西某服務(wù)區(qū)主要設(shè)備功率

對(duì)該服務(wù)區(qū)基本情況及用能特性進(jìn)行調(diào)研與估算后發(fā)現(xiàn)，服務(wù)區(qū)用能存在以下特點(diǎn)：

1.1 總體能源需求量較大，但具備清潔能源利用的客觀條件

服務(wù)區(qū)配套直流充電樁后，負(fù)荷水平大幅提升，對(duì)能源的需求量也顯著提高。同時(shí)，服務(wù)區(qū)內(nèi)有大量邊坡、屋頂、車棚、閑置土地等可利用面積，使得服務(wù)區(qū)具備搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)的場地條件。

1.2 大功率負(fù)荷較為集中，且不同時(shí)段用能需求動(dòng)態(tài)變化較大

服務(wù)區(qū)部分用電負(fù)荷，如暖通、消防水泵、污水等，此類大功率負(fù)荷非全天候開啟，而是根據(jù)季節(jié)、環(huán)境、人流、車流的變化而動(dòng)態(tài)變化，因此具有較大的節(jié)能空間。

1.3 用能類型多樣，交直混合需求顯著

服務(wù)區(qū)既有交流負(fù)荷，又有直流負(fù)荷，對(duì)交流、直流電源都具有顯著的需求空間。每一級(jí)電源變換都存在能源的損耗，因此可利用“宜交則交、宜直則直”的原則進(jìn)行配置，減少電源變換環(huán)節(jié)，提高能源使用效率。

1.4 服務(wù)區(qū)用能負(fù)荷種類較多，傳統(tǒng)人工管理難度大、效率低

服務(wù)區(qū)用電負(fù)荷種類多，數(shù)量大，傳統(tǒng)的人工資產(chǎn)管理形式存在操作復(fù)雜、運(yùn)維難等問題，影響服務(wù)區(qū)的整體服務(wù)效果，可利用信息化手段提升管理效能和服務(wù)水平。

2 數(shù)智化節(jié)能減排管控策略

基于上述服務(wù)區(qū)用能特性分析，可針對(duì)服務(wù)區(qū)用電負(fù)荷類型及用電需求，從源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化、數(shù)智化能源管控系統(tǒng)、綠色建筑、林業(yè)碳匯等角度，構(gòu)建覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)所有供能及用能設(shè)施的能源互聯(lián)網(wǎng)，橫向涵蓋“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-管-建”，縱向涵蓋“技術(shù)-設(shè)備-管理-評(píng)估”，提出設(shè)備節(jié)能、技術(shù)節(jié)能、管理節(jié)能、控制節(jié)能等服務(wù)區(qū)節(jié)能減排策略，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)清潔能源的最大化利用、負(fù)載的高效運(yùn)行，從而降低能耗，助力服務(wù)區(qū)低碳轉(zhuǎn)型。

2.1 搭建源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)

源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)是一種基于深度互動(dòng)的新型電力系統(tǒng)體系架構(gòu)[3]，通過將電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能等電力單元深度融合，實(shí)現(xiàn)源源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動(dòng)、網(wǎng)儲(chǔ)互動(dòng)和源荷互動(dòng)等多種交互形式，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力，確保綠電的高效生產(chǎn)和穩(wěn)定消納。

服務(wù)區(qū)用能類型多樣，且建設(shè)充電站后直流需求顯著，源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中智能配電網(wǎng)可依據(jù)宜交則交、宜直則直、宜低則低、宜高則高的原則進(jìn)行配電，支持交流電壓輸出直接接入低壓饋線柜、直流輸出直接為直流負(fù)載供電、低壓輸出為場區(qū)內(nèi)負(fù)載供電，中壓輸出為遠(yuǎn)距離負(fù)載供電，并支持遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)接入。通過對(duì)供配電設(shè)備和負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)化分類，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)按需分配能源，優(yōu)化供配電結(jié)構(gòu)，減少傳統(tǒng)模式電氣設(shè)備冗余配置，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)模塊化工作模式，減少因交直流、高低壓變換造成的電能損失。

提高清潔能源使用率與能源效率是降低服務(wù)區(qū)碳排放水平的重要途徑，服務(wù)區(qū)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)可組成光伏、市電、柴發(fā)、儲(chǔ)能等多種能源融合供給能源網(wǎng)，提升系統(tǒng)高彈性和魯棒性：在服務(wù)區(qū)建筑樓頂、邊坡、閑置場地及停車區(qū)域，采用高效晶硅組件建設(shè)建筑樓頂光伏、邊坡光伏、地面分布式光伏電站及光伏發(fā)電車棚，同時(shí)配備一定容量的儲(chǔ)能電池，吸收光伏多余出力，平滑光伏出力曲線，并采取低充高放的策略實(shí)現(xiàn)峰谷價(jià)差套利，提升系統(tǒng)供電穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)空間能源化。除此之外還支持市電、柴油發(fā)電機(jī)等多種能源類型接入，保障系統(tǒng)功率平衡及供電穩(wěn)定性。

圖1：服務(wù)區(qū)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 構(gòu)建數(shù)智化能源管控系統(tǒng)

隨著5G、AI、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，能源管控系統(tǒng)的功能也愈加豐富，可實(shí)現(xiàn)能源實(shí)時(shí)監(jiān)測、負(fù)荷預(yù)測、運(yùn)行優(yōu)化等功能[4]，成為能源系統(tǒng)高效利用、配電系統(tǒng)高效運(yùn)行、用能系統(tǒng)深度節(jié)能的重要抓手。

構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)后，服務(wù)區(qū)需對(duì)多類能源與負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、優(yōu)化，挖掘其節(jié)能減排潛力。數(shù)智化能源管控系統(tǒng)可基于物聯(lián)感知技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系，實(shí)現(xiàn)光伏、儲(chǔ)能、熱泵、智能照明、電力監(jiān)控等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與監(jiān)測，并結(jié)合用能過程中能源預(yù)算、能源質(zhì)量、負(fù)荷監(jiān)測等功能需求，形成可定制化的能源監(jiān)測管理體系，實(shí)時(shí)對(duì)能源消耗、能源需量、能耗KPI 等進(jìn)行分析和管理，為節(jié)能減排策略的制定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)界面如圖2 所示。

圖2：數(shù)智化能源管控系統(tǒng)智慧管控界面

圖3：數(shù)智化能源管控系統(tǒng)碳盤查界面

基于各項(xiàng)能源與負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用大數(shù)據(jù)+邊緣計(jì)算+AI 深度學(xué)習(xí)，數(shù)智化能源管控系統(tǒng)可采用時(shí)序分析方法通過對(duì)服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電、空氣源熱泵及照明設(shè)備等的負(fù)荷預(yù)測，實(shí)現(xiàn)發(fā)用電設(shè)備的智能分析與管控，自動(dòng)控制空氣源熱泵、可調(diào)光LED 燈具等柔性可調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的良性互動(dòng)，從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能，使源網(wǎng)荷儲(chǔ)多能一體化、產(chǎn)消一體化，提高可再生能源使用率，服務(wù)區(qū)綜合用能成本最優(yōu)；最終利用碳排放來源分析、碳排放數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、碳排放趨勢預(yù)測與預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)區(qū)域的碳排放統(tǒng)一管理，同時(shí)，對(duì)區(qū)域內(nèi)碳減排水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，深入挖掘減排專項(xiàng)并結(jié)合專家意見制定相應(yīng)減排方案。

2.3 引入綠色建筑理念

服務(wù)區(qū)地理位置的特殊性使其難以接入市政配套設(shè)施，故傳統(tǒng)的服務(wù)區(qū)內(nèi)必須建設(shè)采暖鍋爐、地下水井等設(shè)施，且影響高速公路服務(wù)區(qū)建筑能耗的主要有四大因素：客流量、建筑圍護(hù)熱工性能、室外氣象特征、建筑體形[5]，因此，引入綠色建筑理念，采用主被動(dòng)相結(jié)合的方式減少建筑對(duì)照明與采暖制冷的依賴也是實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)節(jié)能減排工作的有效途徑。

服務(wù)區(qū)處于建設(shè)期時(shí)，可采用被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)理念[6]，在服務(wù)區(qū)建筑設(shè)計(jì)中充分利用自然通風(fēng)、自然采光和太陽能輻射等各種被動(dòng)式節(jié)能措施，與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，減少對(duì)主動(dòng)制冷采暖的需求；合理安排建筑陽面陰面房屋功能，安裝導(dǎo)光板、散射板等將太陽光引入室內(nèi)，提高房屋亮度，減少對(duì)主動(dòng)照明的依賴。通過被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)理念的引入，減少服務(wù)區(qū)因照明與制冷采暖造成的能源消耗。

此外，還可以通過低能耗主動(dòng)式設(shè)備的使用來滿足服務(wù)區(qū)照明、供水、制冷采暖的需求。采用空氣源熱泵取代傳統(tǒng)鍋爐與分體式空調(diào)來滿足服務(wù)區(qū)建筑的供冷/供熱需求，由于無需鍋爐、無需相應(yīng)的鍋爐燃料供應(yīng)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和煙氣排放系統(tǒng)，可大幅降低服務(wù)區(qū)采暖制冷造成的能耗與碳排；還可以在服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)采用無污泥污水處理一體化地埋裝置加深度處理回用裝置的中水回用系統(tǒng)，服務(wù)區(qū)內(nèi)污水經(jīng)收集處理達(dá)標(biāo)后用于沖廁、綠化澆灑等，大幅提高服務(wù)區(qū)水資源循環(huán)利用率，減少水資源的消耗與污水的排放。

2.4 采用林業(yè)碳匯手段

林業(yè)碳匯是指利用森林的儲(chǔ)碳功能，通過植樹造林、森林經(jīng)營等營造活動(dòng)，把大氣中的二氧化碳固定到植物體和土壤中來實(shí)現(xiàn)，并按照相關(guān)規(guī)則與碳匯交易相結(jié)合的過程、活動(dòng)或機(jī)制[7]。與直接減排措施相比，植樹造林等碳匯措施不僅可以達(dá)到間接減排的效果，而且操作成本低、效益好、易施行，是降低服務(wù)區(qū)碳排放的現(xiàn)實(shí)直接手段。

在服務(wù)區(qū)景觀綠化設(shè)計(jì)中應(yīng)做到因地制宜，選用適宜當(dāng)?shù)胤N植且固碳能力較強(qiáng)的綠植，且綠化設(shè)計(jì)須和服務(wù)區(qū)各功能分區(qū)的需求、交通安全設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來，綜合考慮植物與交通標(biāo)志的布置，合理設(shè)計(jì)服務(wù)區(qū)綠化景觀。根據(jù)相應(yīng)功能及固碳能力確定綠植種類后，還可以計(jì)算服務(wù)區(qū)綠植帶來的碳減排量及林業(yè)碳匯資產(chǎn)，可將多余的固碳能力以碳資產(chǎn)形式售出盈利。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)山西省某個(gè)具有代表性的高速公路服務(wù)區(qū)基本情況及用能特性的分析，發(fā)現(xiàn)服務(wù)區(qū)用能存在以下特點(diǎn)：服務(wù)區(qū)照明、制冷、采暖需求較大，是服務(wù)區(qū)能耗的主要構(gòu)成部分，且引入充電樁配套設(shè)施后，服務(wù)區(qū)能耗進(jìn)一步提高，直流需求提升；服務(wù)區(qū)負(fù)荷受時(shí)段、季節(jié)及人流影響較大，需制定具有針對(duì)性的供用能策略；服務(wù)區(qū)用能類型多樣，交直混合需求顯著，因交直流變換帶來的電能損失值得關(guān)注。針對(duì)以上特點(diǎn)，提出了適用于服務(wù)區(qū)的數(shù)智化節(jié)能減排策略：搭建源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，提高服務(wù)區(qū)清潔能源使用率及能源利用效率，減少化石能源使用及光伏棄光率；構(gòu)建數(shù)智化能源管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)能源精細(xì)化管理及用能設(shè)備的深度節(jié)能；在服務(wù)區(qū)建設(shè)期引入綠色建筑理念，通過主被動(dòng)相結(jié)合的方式降低服務(wù)區(qū)照明與暖通需求，從而降低相應(yīng)的能耗及碳排放；采用林業(yè)碳匯手段，通過選用適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)且固碳能力較強(qiáng)的綠植，并將服務(wù)區(qū)綠化與交通安全設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，在滿足服務(wù)區(qū)功能分區(qū)劃分與綠化需求的同時(shí)，提升服務(wù)區(qū)綠植固碳能力。通過以上種種措施，以數(shù)智化為抓手，最大限度降低服務(wù)區(qū)能耗與碳排放水平，推動(dòng)服務(wù)區(qū)低碳轉(zhuǎn)型，助力我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。