碳排放“雙控”背景下建筑合同能源管理模式信息系統(tǒng)架構設計

王云霞 北京節(jié)能環(huán)保中心

根據中國建筑能源協會《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022 年）》數據顯示，2020 年全國建筑與建造碳排放總量占全國碳排放的比重為 50.9%，其中，建筑運行階段碳排放占全國碳排放總量的21.7%。

2021 年中央經濟工作會議中首次提出“創(chuàng)造條件盡早實現能耗‘雙控’向碳排放總量和強度‘雙控’轉變”，用碳排放的指標替代能耗指標，減污降碳會更加精準。為了更好服務“雙碳”戰(zhàn)略，建筑能源管理、碳排放管理等基礎建設的實施內容也需要進行重新設計，合同能源管理作為一種重要的市場化機制，仍會在節(jié)能降碳中發(fā)揮重要作用。本文著重介紹了以碳排放數字化、能源和碳排放調優(yōu)控制為核心的合同能源管理信息系統(tǒng)架構設計。

1 “雙碳”戰(zhàn)略下建筑能源運維管理面臨的挑戰(zhàn)

1.1 探索新技術應用等降低用能強度和碳排放強度

用能和碳排放的最大化效益管理，可以通過人改、技改、物改三種方式進行優(yōu)化提升。

當前建筑能源管理方式經歷了數十年的發(fā)展，形成了具備成熟管理規(guī)律和運維習慣的運維隊伍，同時，節(jié)能改造工程的實施從根本上解決了用能設備的能效問題。

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)設備優(yōu)化和提效措施歷經了近20 年的發(fā)展，技術較為成熟，技改階段已經發(fā)揮了極大的效能。此外，如何通過管理節(jié)能方式實現節(jié)能降碳這對當前的建筑能源管理提出了挑戰(zhàn)。

當前階段，運維過程的精細化管理仍有較大空間。據美國能源部研究報告數據顯示，在目前技術掌握且已知的57 項節(jié)能技術中，其中在運維階段的節(jié)能空間最大，大多數建筑應用精準的運維技術進行管理，可實現5%～30%的節(jié)能率。

如何應用這種精準、精細化的調控技術，需要用能單位、建設單位、合同能源服務商等多方共同探索。

1.2 如何高效實現能耗總量和碳配額的優(yōu)化調度管理

目前，相關行業(yè)主管部門先后以用能單位實體為對象，制定用能總量和碳排放總量的上限。全國大部分地方均以年度能耗總量達到5000tce 及以上、年度二氧化碳排放總量達到5000t及以上的單位定義為重點用能單位和重點碳排放單位。

在用能、碳排放均存在配額的背景下，如何圍繞用能單位的產能、業(yè)務效益，制定更符合核心利益的用能、碳排放等梯度優(yōu)化調度管理，也對當前建筑能源管理現狀提出挑戰(zhàn)。

2 現階段存量建筑能源管理現狀存在的問題

2.1 建筑數字化水平仍有較大提升空間

樓宇自控系統(tǒng)及能源管理系統(tǒng)進入中國市場20年以來，中國建成的公建項目總數超過10 萬個。迄今為止，這兩個系統(tǒng)在超過50%的樓宇項目中處于閑置或癱瘓狀態(tài)，管理者大多仍通過手工記錄與控制的方式進行管理。其主要原因是這兩類系統(tǒng)對使用者要求較高，系統(tǒng)與用戶水平不對等，導致使用頻度低、無法有效發(fā)揮系統(tǒng)功能。全社會建筑能源管理數字化水平較低。

2.2 建筑能耗運維管理的專業(yè)化水平有待提高

目前，國內大多數建筑項目的能源系統(tǒng)運維仍以人工控制為主導，部分數字化條件較好的項目通過人工和樓宇自控系統(tǒng)的調試策略運行。

人工控制的依據主要憑借個人經驗、冷熱周期規(guī)律，樓宇自控系統(tǒng)策略主要設計設備運行日程表，根據較少變量的計算公式管理設備的運行及加載。這兩種方式均不足以對環(huán)境管理的變量進行實時響應。

在建筑能耗運維管理方面，可以通過輔助技術或產品，提升運維隊伍的專業(yè)水平，獲得更多、更實時的策略依據管理用能設備的運行，將能效發(fā)揮控制理想區(qū)間。

2.3 建筑能源管理系統(tǒng)存在的缺陷影響能效提升

調研發(fā)現，除了數字化水平不足以外，建筑運營階段的實際場景與建設設計階段存在一定偏差。在建筑運營階段，70%的客戶投訴率和50%的運營成本跟機電系統(tǒng)運行有關。因此，熟知建筑全生命周期運行規(guī)律，借助先進的數字化技術，提供科學精準有效的執(zhí)行策略才能更大程度提升能效水平。

3 新形勢下合同能源管理項目的建設內容

新形勢下合同能源管理建議采取三步走的方式進行全局優(yōu)化，最大化改善用能和碳排放強度。第一步，實現能源與碳的數字化。第二步，在數字化基礎上充分結合應用場景對用能和碳排放趨勢進行分析，并在運維階段提供優(yōu)化決策方向。第三步，通過大數據分析，進行用能和碳排放結構的優(yōu)化配置。

3.1 能源數字化與碳排放數字化系統(tǒng)建設

3.1.1 梳理建筑數字化業(yè)務

依據建筑項目實際現狀，深度調研項目數字化水平及建設水平，優(yōu)先勘察智能化集成系統(tǒng)（IBMS）建設現狀，包含功能完整性、設備通信可用性、用戶使用情況等，重點勘察能源計量與監(jiān)測系統(tǒng)、樓宇自動化控制系統(tǒng)（BA）、照明控制系統(tǒng)、變配電監(jiān)測系統(tǒng)等。

針對勘察結果，輸出建筑項目的數字化業(yè)務水平報告。報告需包含當前智能化系統(tǒng)的建設內容、系統(tǒng)完整程度、功能完善程度、設備完善程度等，并完成數字化業(yè)務缺陷分析報告，提出缺陷完善的解決方案。

3.1.2 恢復、改造和升級數字化基礎建設

針對數字化現狀梳理結論，制定完善數字化基礎建設的修復與恢復、改造及升級等必要性措施，為能源和碳的數字化業(yè)務提供底層數據源。

3.1.3 打造場景性數字化應用系統(tǒng)

建筑類型及對應行業(yè)不一，場景的應用屬性也將不同。如黨政機關的管理模式為獨立辦公或集中辦公形式。如高校和醫(yī)院建筑體量大，則由各單位的后勤部門統(tǒng)一管理。根據能源使用場景、運維隊伍、主管機構需要制定場景化的數字化應用系統(tǒng)，方便用戶直觀便捷的實現高效管理。

3.2 用能分析與碳排放分析模塊建設

在數字化系統(tǒng)完善后，針對不同行業(yè)、不同建筑規(guī)模、不同用能場景的建筑特點進行用能分析和碳排放分析的設計。

主要設計維度包含用能單位行業(yè)屬性、用能及碳排放分析、用能和碳排放曲線及趨勢分析、人均用能及碳排放計算、單位面積用能及碳排放計算。

3.3 用能優(yōu)化與碳排放結構優(yōu)化模塊建設

通過上述分析系統(tǒng)的建設，第三步實現用能和碳排放系統(tǒng)的結構優(yōu)化，通過用能預測、碳排放預測、配額柔性管理等技術運用，對優(yōu)化空間、配置方向形成決策內容并呈現系統(tǒng)報告，最終將依據建筑實際現狀將其打造成超低能耗與超低碳排放的高效經濟型項目。

4 新形勢下的合同能源管理信息系統(tǒng)架構設計

4.1 業(yè)務架構設計

業(yè)務系統(tǒng)架構主要說明新形勢下的合同能源管理項目各參與實體之間的分工關系。其中，合同主體共分為三類，分別為投資機構、用能單位、合同能源服務商。投資機構為非必須參與實體，在實際項目運作中，具備條件或有項目投資意向的合同能源服務商亦可承擔該角色，主要負責建筑項目的前期改造、升級、系統(tǒng)建設等內容，后期則通過節(jié)能降碳收益回收成本。用能單位為各類有意向參與節(jié)能降碳的企事業(yè)單位及黨政機關單位。合同能源管理服務商指具備節(jié)能降碳工程改造、系統(tǒng)建設、合同能源運維等技術的服務企業(yè)。業(yè)務架構設計見圖1。

圖1 業(yè)務架構設計示意圖

4.1.1 合同主體說明

合同主體即參與到新形勢下合同能源管理的新績效改革的企事業(yè)及黨政機關單位，多方可以以設計的新績效作為指導依據，評估項目的可落地性，進行多方合同簽署并按照合同履約。

4.1.2 建設與改造階段架構說明

本階段主要以合同能源服務商針對用能單位進行數字化改造與升級業(yè)務分析并提供實施方案。投資機構需要在這個階段完成項目的可研論證及投資測算，用能單位需提供真實詳盡的建筑項目數據及相應人員輔助用能單位完成建筑項目的全面勘察調研，為項目實施提供前期詳實的分析數據，并制定圍繞核心績效產出的解決方案材料，用于本階段合同簽署后的工程改造實施及系統(tǒng)建設。

4.1.3 運營階段架構說明

本階段為合同履約階段。圍繞能源及碳排放管理的雙重新績效，投資機構以期望效益為指導需對合同運維及管理階段進行監(jiān)理，論證實際運行與設計階段的達標水平，并響應項目的動態(tài)變化。

用能單位則需實時響應上級主管部門圍繞國家及屬地區(qū)域政策變化做及時調整，并傳遞給相關合同方。同時，也需按合同階段對績效進行管理與論證，保證階段目標的達成。

合同能源服務商在本階段需按照既定的合作模式提供對應的服務內容，并按照績效對建筑項目負責，保障能源與碳的科學運營與管理成效。

4.1.4 效益階段架構說明

本階段為階段性的合同履約階段，多方合同主體可根據合同約定進行效益分享、投資分成、權益共享等。

4.2 信息傳輸架構設計

信息傳輸架構設計主要圍繞建筑項目的設備層、通信層、數據傳輸層、服務層進行綜合設計，滿足項目能源數據傳輸、監(jiān)控、數字化計算、碳排放因子庫管理及實際碳排放計算。詳見圖2。

圖2 信息傳輸架構設計示意圖

4.2.1 設備層

設備層需包含建筑項目關聯的能源應用設備，包含暖通空調、照明、電梯、數據中心、IT 設備以及配電站的核心數據，實現全部能源數據及分項能源數據上傳，并形成碳因子庫結構。

4.2.2 通信協議層

通信協議層主要圍繞物聯網業(yè)務展開設計，需滿足包含各類有線通信、無線通信的接入協議，為數據接入層提供保障性通道。

4.2.3 邊緣計算層

邊緣計算層可根據建筑項目實際現狀，結合設備點位、數據點位及傳輸介質要求配置對應的網關、服務器等邊緣資源。

邊緣配置的目標一方面是實現數據的本地存儲及穩(wěn)定性、可靠性、安全性，同時也為數據隔離提供建設橋梁，易于上層業(yè)務的管理。

4.2.4 網絡連接層

網絡連接層為邊緣層和服務層提供傳輸互聯網通信傳輸通道，保障各類通信協議的適配性。

4.2.5 數據層

數據層設計以安全、便捷、業(yè)務數據歸類等為核心，提供各類服務層業(yè)務單元的數據需求服務。

4.2.6 服務層

服務層可根據具體項目的能源管理及碳排放管理績效為指導，結合建筑項目實際現狀，提供服務層內容。具體的服務功能可參考4.3系統(tǒng)功能架構設計。

4.3 系統(tǒng)功能架構設計

系統(tǒng)功能架構結合了能源管理、碳排放管理及未來衍生的其他綜合能源業(yè)務及低碳建筑業(yè)務為指導，在能源應用、調度控制、碳交易、綜合能源運維等維度展開設計。詳見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能架構設計示意圖

4.3.1 分析診斷模塊

分析診斷模塊主要圍繞能源和碳排放的實際業(yè)務及績效指標進行用能和碳排放分析，提出運維指導，保障能源系統(tǒng)業(yè)務的科學與經濟性運行。

4.3.2 用能調度模塊

用能調度模塊以調度為核心，綜合建筑項目的實際用能形式、用能設備、用能周期進行優(yōu)化控制，降低能源消耗水平。

4.3.3 設備管理模塊

設備管理模塊從運維及運營角度出發(fā)，對建筑項目的綜合類能源設備及系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，保障設備的安全性及高可用執(zhí)行性，提高設備產能。

4.3.4 碳能交易模塊

碳能交易模塊以碳資產交易為核心業(yè)務，應對未來碳配額管理、碳資產配置帶來的建筑運營需求，通過該模塊可快速決策并指導項目的科學經營。

4.3.5 綜合管理模塊

綜合管理模塊主要為合同運維階段提供必要性的信息化、流程化管理工具，提高運維效率，降低運營成本。

4.3.6 數字平臺功能架構

數字平臺功能將作為整個合同能源管理周期的系統(tǒng)能力核心，通過各類專家級規(guī)則、用能與碳排放管理算法、數字孿生基礎架構等技術框架組成，為應用層提供基礎服務能力，最終為實現節(jié)能減排提供保障。

5 結語

隨著信息化技術的發(fā)展，物聯網、云計算、人工智能、5G 等技術的成熟應用，數字化技術將會在節(jié)能降碳中發(fā)揮更大的作用，進一步助力合同能源管理模式，讓這種市場化機制在“雙碳”戰(zhàn)略中煥發(fā)新的生命力。