破建筑微能源網(wǎng)難題，助低碳建筑節(jié)能降耗

在前不久剛結(jié)束的全市科技大會暨科學技術獎勵大會上，上海電器科學研究所集團有限公司吳小東教高團隊承擔的上海重大專項項目《面向城市低碳建筑集群的數(shù)智化微能源網(wǎng)關鍵技術及應用》榮獲了2023年度上海市科技進步二等獎的殊榮。

今天我們帶領大家走進綠色低碳建筑，為大家科普何為低碳建筑微能源網(wǎng)，為什么要建設低碳建筑微能源網(wǎng)，以及我國科技人員是如何攻克建筑微能源網(wǎng)建設中數(shù)智化關鍵難題以及他們?nèi)〉玫膭?chuàng)新研究成果。

1 數(shù)智化微能源網(wǎng)是建設低碳建筑的內(nèi)核

據(jù)國際能源署統(tǒng)計，如今建筑物耗能約占全球能源消耗的30%和能源電力的50%以上，因此建筑行業(yè)是全球資源消耗和能源排放的最重要領域。綠色低碳建筑配置了多種分布式可再生能源，實現(xiàn)建筑物內(nèi)各種能源的互相融合、靈活使用，可以大大減少建筑物總能源需求，有效地節(jié)約成本并降低排放，目前已經(jīng)成為建筑領域節(jié)能降耗的主要手段。

低碳建筑的新型微能源網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

由上圖我們可以看到，低碳建筑已經(jīng)不再是過去傳統(tǒng)意義上的純用電負載，而是由原來妥妥的用能大戶轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢甙l(fā)電、儲能、調(diào)節(jié)、用電等功能的新型建筑。建筑實現(xiàn)智能化的微能源網(wǎng)架構(gòu)和多功能應用后，一是能通過可再生能源（主要為屋頂光伏）的利用，顯著減少對化石能源的依賴，減少建筑物的能耗和碳排放；二是能夠整合建筑物內(nèi)的各種分布式能源，并根據(jù)新能源時間特征和區(qū)域特性實現(xiàn)多能互補，顯著提高建筑的能源利用效率，減少能源損耗；三是可以通過儲能設備和智能調(diào)度系統(tǒng)，做好“源-荷-網(wǎng)”的動態(tài)調(diào)節(jié)，使建筑用電由目前的剛性負載轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝载撦d，確保電力供應的穩(wěn)定性和可靠性。此外，微能源網(wǎng)還可以作為應急電源，增強配電系統(tǒng)的韌性。

這其中，建筑微能源網(wǎng)需要精確的數(shù)智化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)發(fā)儲配用之間的優(yōu)化計算和控制，以達到各能源功率和使用效率的最大化，使建筑能效提升。同時，利用數(shù)智化技術，可以幫助建筑實現(xiàn)后期的智慧運維。未來，低碳建筑微能源網(wǎng)不但在單棟建筑中應用，還將擴展到區(qū)域級、城市級，形成園區(qū)和城市的綜合能源服務、區(qū)域“虛擬電廠”等新業(yè)態(tài)，帶動更大規(guī)模的社會經(jīng)濟效應。屆時，對建筑配電系統(tǒng)的數(shù)智化需求將更大。

2 綠色建筑數(shù)智化微能源網(wǎng)的技術瓶頸

建筑微能源網(wǎng)作為微型綜合能源系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保、降低能耗、減少碳排放等顯著特點，同時能提供電、冷、熱綜合能源服務，建成后對供能側(cè)、用能側(cè)、能源傳輸側(cè)等各個方面都有較大益處，因此成為建筑領域未來綠色低碳的發(fā)展方向。

由于我國低碳建筑微能源網(wǎng)起步較晚，與國外相比還有一定差距，在關鍵技術上還存在諸多技術瓶頸，主要包括這幾個方面：一是多能源接入后如何協(xié)調(diào)融合問題是微能源網(wǎng)正常運行的關鍵瓶頸，其中提高各能源單元的效率和利用率是關鍵；二是微能源網(wǎng)需要研發(fā)高效的數(shù)智化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)發(fā)電、儲存和配網(wǎng)之間的優(yōu)化計算和控制，以達到功率和效率的最大化；三是需要建立規(guī)范、完善的數(shù)智化微能源網(wǎng)體系技術標準和規(guī)范，促進建筑微能源網(wǎng)的推廣和應用；四是需要加大物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術的研究，實現(xiàn)對微能源網(wǎng)各環(huán)節(jié)的全面感知和智能應用；五是微能源網(wǎng)配套控制設備的數(shù)字化智能化水平和可靠性有待提升等。

3 潛心研究，攻克難關

前述的技術瓶頸在一定程度上制約了我國綠色低碳建筑的發(fā)展。盡快加大對建筑微能源網(wǎng)配電系統(tǒng)技術研究和開發(fā)，掌握關鍵核心技術，提高我國建筑配電系統(tǒng)的控制和保護裝備的智能化水平，優(yōu)化系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力和系統(tǒng)調(diào)控水平，縮短與先進國家的距離，是保障我國雙碳目標的重大戰(zhàn)略需求，也成為擺在我國科研人員面前迫在眉睫的重要課題。

面對國家戰(zhàn)略發(fā)展的迫切需求，針對綠色建筑微能源網(wǎng)的技術難題，上海電器科學研究所（集團）有限公司吳小東教高領銜的團隊聯(lián)合上海城市建筑研究院、上海交通大學等一批合作伙伴，共同承擔了上海市重大專項項目，經(jīng)過多年潛心研究，攻堅克難，項目團隊通過一系列的創(chuàng)新性技術研發(fā)和實踐應用，成功解決了許多面向低碳建筑多源化協(xié)同優(yōu)化控制關鍵技術難題，成功探索出低碳建筑多源化配電網(wǎng)穩(wěn)定運行的系統(tǒng)解決方案。項目團隊取得的創(chuàng)新性成果主要有：

（1） 團隊根據(jù)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合后的能源網(wǎng)狀態(tài)感知、信息集成及智能網(wǎng)絡裝備現(xiàn)狀和存在的技術瓶頸，經(jīng)過多年潛心研究，攻克基于復雜環(huán)境特征與用戶行為模式的云-邊信息處理技術，創(chuàng)新提出面向多協(xié)議多介質(zhì)的能源大數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換解決方案，并開發(fā)出智能化網(wǎng)絡控制成套裝備。

（2） 團隊創(chuàng)新研究出計及環(huán)境友好性的多能互補協(xié)同優(yōu)化技術及綜合能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)多能流混合時間尺度的滾動優(yōu)化與精細調(diào)度控制策略，構(gòu)建多場景服務驅(qū)動型的微能源網(wǎng)分層信息管理架構(gòu)，實現(xiàn)對建筑微能源網(wǎng)的有效管控，并在此基礎上開發(fā)出了系列化SEARITM用戶端綜合能源管理平臺軟件。

（3） 面對當前我國缺乏規(guī)范、完善的數(shù)智化微能源網(wǎng)體系技術標準和規(guī)范的現(xiàn)狀，項目搭建了面向智慧城市微能源網(wǎng)的技術標準體系與創(chuàng)新孵化平臺，建立了用戶端能源管理系統(tǒng)的國家標準體系，并且牽頭IEC國際標準工作組，建成國家與區(qū)域兩級創(chuàng)新孵化平臺，形成持續(xù)創(chuàng)新能力，為我國建筑微能源網(wǎng)的推廣和應用打下堅實基礎。

（4） 項目對我國城市數(shù)智化治理的微能源網(wǎng)信息基礎建設與重大工程進行了有力支撐，被廣泛應用在上海主要公共基礎設施的城市微能源網(wǎng)信息基礎設施中，包括上海中心大廈、后世博園區(qū)、浦東機場等在內(nèi)的一系列國家重大工程，為這些建筑提供了高效、綠色的能源供應保障。

除此之外，項目研制過程中還取得和發(fā)表了一批專利成果和研究論文，成功研制了眾多專用建筑微能源網(wǎng)控制設備產(chǎn)品，促進了我國城市低碳建筑微能源網(wǎng)的推廣和應用建設進程。

4 結(jié) 語

目前，城市建筑采用綠色微能源網(wǎng)配電模式已經(jīng)成為國內(nèi)建筑配電系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向，成為未來城市發(fā)展零碳能源和智慧城市的重要支柱。可以預期，隨著“雙碳目標”和能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的實施，由多種可再生能源組成的綠色低碳、高效數(shù)智化建筑將會獲得更大的發(fā)展空間，助力我國“雙碳目標”的早日實現(xiàn)。

寫到這里，相信大家已經(jīng)對城市低碳建筑微能源網(wǎng)和我國科研人員為此所做的攻關創(chuàng)新工作有了一定的了解，我們期待與大家在下一篇科普文章再見。

（科學性審查人員：鄒其文" 高級工程師）