高校能源管理信息化平台运用探析

张 璋，李建华

（北京化工大学，北京 100029）

0 引言

我国于2012年起，由教育部发文提出教育信息化的10年建设规划，希望通过整合各类教育信息平台，建立涵盖全国的各级别和类型学校的教育管理信息系统。随着互联网技术发展及5G信息网络搭建，教育信息化建设在近年跳跃式发展。2021年教育部在年度工作重点中明确，要进一步推进教育信息化建设，形成教育系统数据目录，其中数据可溯源，可有序共享。在信息管理系统推陈出新的同时，校园能源管理也遇到了新的挑战。据教育部《2019年全国教育事业发展统计公报》统计，截至2019年底，全国各类高等教育在学总规模4002万人，普通高等学校校均规模11 260人。近几年高校年总能耗已约为全国生活消费总能耗的10%。高校是肩负教育、科研和社会服务重任的基地，也是资源能源消费的大户。我国教育信息化建设经多年探索，随着互联网发展和信息化平台的普及，高校对信息化平台的需求随之提高。据统计建筑运行阶段碳排放量占全国碳排放比重约21.9%，这使得建设节约型校园过程中，能源管理成为校园信息化管理中的重要组成之一。加强校园供热、通风、空调、照明等用能设备维护管理具有重要意义。中国在国际社会上宣布碳达峰和碳中和的时间节点后，高校作为重要的社会构成之一，节能降耗迫在眉睫。基于信息化建设和能源管理的双向需求，北京化工大学后勤服务集团基于本校能源管理信息化平台开展设备管理探索，以促进后勤能源管理工作提高。

1 能源管理信息化平台应用背景

由二氧化碳等温室气体排放引起的气候变化成为21世纪全球人类面临的挑战。2018年全球温室气体排放量约556亿吨二氧化碳当量，碳排放排名前五的国家排放全球62%的温室气体，依次为中国（26%）、美国（13%）、欧盟27国（8%）、印度（7%）和俄罗斯（5%）[1]。这其中能源活动是全球温室气体的主要排放源，2017年能源活动排放量占全球温室气体排放总量的73%。通过能源管理，合理降低能源消耗同时提高单位能源利用效率，最终目的是为了降低碳排放。

1.1 国际背景

美国作为世界能源消费大国，一直重视对于能源利用技术的科学研究。2005年通过了《能源政策法案2005》，通过对能源节约予以立法并严格执行，为能源节约建立法律依据。又通过《太阳能供暖降温房屋的建筑条例》等政策法规，给节能技术使用者予以减税优惠，鼓励绿色新能源推广。美国新任总统拜登上任后就签署行政令重返《巴黎协定》，并计划2050年之前实现碳中和目标。德国作为欧洲发达国家，自身能源紧缺但能源需求大，因此重视能源利用并制定了完备的节能规范。2002年德国将《建筑保温规范》和《供暖设备条例》等合并，制定出新的建筑节能法规《德国节能规范（2002）》。随后在2004年至2007年，连续4年更新《德国节能规范》修订版。日本作为岛国能源资源匮乏，因此一直重视能源利用效率，并因其高效率的能源利用获得世界认可。其在2002年公布的《节约能源法（2002）》中设置“领跑者制度”，按当前最先进的节能水平制定节能指导性标准，并在下一个能源法实施周期内将指导标准变为强制标准[2]。全球已有44个国家和经济体在2020年底之前宣布碳中和目标时间，部分国家碳中和目标时间图1所示。

图1 部分国家碳中和目标时间表

1.2 国内背景

国家领导人在2020年9月出席第七十五届联合国大会一般性辩论会时宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取有力的政策措施降低二氧化碳排放，力争于2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和，典型国家碳达峰及碳中和时间如图2所示。中国的承诺开启了一个新时代，整个能源体系、经济体系和技术创新体系都将以碳中和为目标，实现绿色转型[3]。美国、德国、日本等发达国家更早地实现了工业化和城市化，已经实现了碳达峰并进入下行通道，而中国仍处于碳排放增长区间内。尽管面临诸多困难，但在国家政策强力支持下，在全社会达成共识下，在绿色低碳技术迅速发现下，中国有信心在承诺时间内实现碳中和目标[4]。

图2 典型国家碳达峰及碳中和时间表

1.3 技术背景

实现碳中和的八大重点领域中包括建筑领域和信息技术领域。建筑领域中包括节能改造、零碳供冷暖建筑、电气化和多能源互补系统。2019年中国建筑节能协会能耗统计委员会测算，中国建筑业碳排放量仍在增加，预计高峰时间在2039年左右。2018年建筑运营阶段碳排放量占比21.9%的碳排放量，主要来自住宅和工业供暖及制冷[5]。电气化是实现建筑零碳排放的第一步，目前国内制冷、照明、家用电器已经全面电气化。为了使建筑物的排放接近于零，供暖设备也必须脱碳，例如使用热泵技术。信息领域则包括智慧建筑、智慧能源、智慧生活方式和健康等。信息通信技术的广泛应用正在改变社会，它可以助力各行业的碳减排和碳中和。有可能在未来10年内通过信息通信技术帮助全球碳排放量减少20%。大数据、物联网、区块链等技术结合能源、建筑、交通、工业、农业等行业，均可推广应用场景以减少碳排放。因此将信息技术与建筑物运行能源管理相结合，是降低建筑物生命周期内碳排放量的有利探索方向之一。

2 能源管理信息化平台运用分析

2.1 校园能源管理信息化平台分析

高校信息化开始于20世纪80年代中期，早期从普及电脑操作到第一代校园网络建设，中期校园网络覆盖率及网速升级并与数字校园门户整合。近年来基于无线网及4G网络的校园门户网站内的业务与服务开始整合，并向手机等移动办公设备覆盖。2018年4月，教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，预计2022年基本实现数字校园建设覆盖全体学校，随之发展基于互联网的教育服务模式。

校园能源管理是校园信息化管理中的重要组成。2007年教育部为贯彻落实《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》精神，发布《教育部关于开展节能减排学校行动的通知》，启动“节能减排学校行动”。行动从节能减排措施、节能环境教育、节能主题宣传、节能社会实践等各个方面开展。2013年《教育部关于勤俭节约办教育建设节约型校园的通知》发布，再次强调建设节约型校园的重要意义，要求抓关键环节实行精细化管理，加强校园供暖、空调、照明等主要用能设备维护管理，强化节能措施[6]。近年来国内大部分高等院校都建立能源管理信息化平台，以校园园区作为高校能源消耗及管理边界进行分析，其具有以下典型特点：①教学、科研、生产、生活功能齐全，各类能耗消耗关系复杂；②人员密集且随教学科研活动具备固定流动性，能源使用随之具有潮汐特性；③重人才培养和科学研究，但对校园能源使用及成本核算意识较为淡薄。

2.2 化工大学能源管理信息化平台简介

北京化工大学新校区位于北京市昌平区南口镇南涧路29号。新校区分期开发投产，一期30万平方米校园于2017年正式启用。建筑物分为4类，第一教学楼及体育馆为教学区，五栋实验楼群为科研区，宿舍楼及食堂为生活区，图书馆及行政楼办公区。新校区自设计及建设阶段，即充分考虑节能减排。从建筑材料到室内设备，从灯光照明到供水、排水，从冬季供暖到夏季空调，均按节能建筑设计规范进行建设，并配套搭建能源监管信息平台及楼宇设备自控平台。

化工大学新校区节能监管信息平台承担全校供电设备用电量、供水点位耗水量的用量记录及数据统计。平台对不同类型的建筑物，不同时段的能源消耗可开展分析。管理人员可随时发现能耗异常波动，确定异常数据传感器位置，判断断电、漏水故障点位。MLN（Management Level Network，控制系统网络管理中央站）设置在后勤服务楼一层中控室内，并可通过校园网在校区内其他电脑上进行浏览观测，节能监管信息平台界面如图3所示。

图3 节能监管信息平台界面

化工大学新校区楼宇设备自控平台承担全校空调制冷主机系统、换热站系统、空调末端设备、新风系统、空调冷热水管道系统、排水系统、环境监测系统、电梯系统、污水处理系统、太阳能热水系统的运行和监管功能，控制系统中央站（MLN）设置在后勤服务楼一层中控室内，两台客户端设置在锅炉房控制室和教学楼动力保障值班室，通过校园网在客户端电脑上进行编程及操作，楼宇自控平台控制界面如图4所示。

图4 楼宇自控平台控制界面

2.3 能源管理信息化平台应用方向分析

能源监管信息平台实现建筑物运行期间关键能源数据的收集，这些数据是寻找楼宇设备运行过程中能源节约的基础。楼宇设备自控平台实现对建筑物重要的用电设备、照明系统的远程可编程控制，是运行节能操作的利器。通过信息平台的数据分析，找到能源消耗规律，通过科学的分析手段，寻找调整设备自动控制平台的方法，希望实现建筑物运行能耗的降低。

教学楼总建设用地31 729 m2，总建筑面积33 200 m2（均为地上建筑）。建筑高5层，23.3 m（局部3层，21.3 m）。主要包括普通教室、阶梯教室、教师休息室、教室控制室、设备间等房间。作为典型的教学建筑，教学楼具有建筑面积大、教室使用率高、房间里学生密集、潮汐人员流动的特性。其制冷、供暖、照明和教学电器全面的电气化，特别是供暖与空调系统采用地源热泵作为冷热源。通过能源监管信息平台可以逐时记录教学楼设备、照明、供水消耗信息，通过楼宇设备自控平台可以启停并调整空调主机、房间末端、室内照明运行状态。因此以教学楼为样本开展信息化能源管理平台的运用探索，可为节能运行提供切实可行的方向，其典型性对北方高校同类建筑物节能运行也有一定指导性。

3 能源管理信息化平台运用方法

3.1 实地调研

教学楼采用地源热泵式冷水机组为夏季供冷，冬季供热，地源热泵机房应设置在本楼地下一层，两台螺杆式制冷机组夏季空调冷冻水供水温度为7℃、回水温度为12℃，冬季热水的供水温度为45℃、回水温度为40℃。设计夏季总冷负荷3262.4 kW，冷负荷指标98.1 W/m2，冬季总热负荷2386 kW，冷负荷指标71.8 W/m2。教学区域（30人、60人、90人教室）空调末端为风机盘管加新风系统，在屋面设置集中新风热回收机组，全热回收效率不低于60%。阶梯教室采用定风量一次回风全空气系统，空调季按照最小新风量运行，过渡季通过焓差控制新风阀，实现10%～100%新风调节控制，中央制冷机房如图5所示，末端空气处理机组如图6所示。空调水系统采用一次泵变流量系统，风机盘管和组合式空调机组水管自制冷机房集、分水器处分开设置。末端风机盘管、组合式空调机组均采用两管制系统，风机盘管每层的水平分支管上设置压差平衡阀，风机盘管回水管上设置电动两通阀，组合式空调机组的回水管上设置带压力平衡的电动调节阀。

图5 中央制冷机房

图6 末端空气处理机组

3.2 信息平台数据记录分析

选取典型房间进行48 h（包含一工作日、一休息日）的室内温度环境监测，并记录其室内环境变化，各测点整体室内环境情况见表1。

表1 各测点整体室内环境情况

以时刻为X轴、温度为Y轴绘制曲线，观察室内环境变化规律。自2019年7月6日20：00至7月8日20：00共计48 h，记数间隔为1 h，时刻以1～48的时刻序号代替，温度变化规律如图7所示。

图7 温度变化规律图

从规律图中分析，休息日工作时间温湿度变化幅度远小于工作日工作时间的变化幅度，特别是休息日夜间各房间温度数值及趋势相似。教室类房间当人员较少时温度变化不大，当人数增加时温度快速增加，空调开启后温度又快速下降，局部出现峰值。办公室除夜间时刻外，波动值小于教室类房间。

3.3 搭建数据模型并校核

根据建筑概况、围护结构概况、室内外设计参数概况及空调系统概况，结合能源监管信息平台记录的数据规律，在能源模型软件中建立模型并将基本能源数据录入，教学楼建筑模型如图8所示。

图8 教学楼建筑模型

根据现场调研地源热泵地埋管信息。地源热泵机组夏季空调供水温度7℃、回水温度12℃，地埋管侧进水温度25℃、出水温度30℃；冬季空调供水温度为45℃、回水温度为40℃，地埋管侧进出水温度10℃、出水温度5℃。室外地埋管换热器布置在建筑南北侧场地内，共设置800个钻孔，钻孔间距5 m×5 m，钻孔直径为150 mm，钻孔内设双U形地埋管换热器，换热器单孔深度为70 m，公称外径为De32（壁厚3.0 mm），总长度为56 000 m。供回水主管管径为De50，每4个孔为一组。随后对模型的制冷主机及设备、空调末端设备、室内照明设备等数据进行输入。根据实地调研结合人员活动特点，调整教学房间与办公房间的空调启闭控制时间及照明启闭时间表。

根据2019年记录的各月份能耗数据，比对建筑物能源建模并修正后得到的能耗，进行逐月能耗、全年总能耗、能耗变化趋势的验证，2019年逐月实际能耗与模拟能耗对比如图9所示。经验证在，最大误差在15%以内，且超过10%的仅有3个月份，基本认定模型较准确。

3.4 寻求可行节能方案

根据2019年能耗数据，将建筑能耗逐月、分项统计，2019年建筑物能耗逐月分项统计如图10所示。针对教学建筑，影响能耗最主要因素为建筑使用规律与季节变化。假期月份的前后能耗将出现大幅度波动；季节变化导致制冷、制热情况变化也将引起能耗大幅度波动。除此之外，照明与设备的使用受季节变化影响较小，且数值与变化规律相近。因使用变频控制，风机水泵的能耗占总能耗比重较小。

图10 2019年建筑物能耗逐月分项统计

基于可信的建筑物能源模型，调整其中某项能源运行策略设置，得出相应的年度能源变化趋势，进行能源调整所带来的成本分析，由此提出10种节能设想方案，能源节约分析见表2。

表2 能源节约分析

在不考虑建筑物节能体系而只选择一项节能改造时，仅需考虑节能率与成本来选择最佳方案，因此第7策略成为节能改造的首选，10种策略节能率对比如图11所示。改变主机冷冻水温控模式，将主机冷冻水供水温度设定值由7℃改为出口水温T随建筑负荷改变，提高冷冻水系统的动态性能。该方案无需投资也无需后期维护，经济可行。以能源监管信息平台的数据记录为基础，以建筑物能源模型辅助，调整楼宇设备自控平台运行程序，对主机冷冻水出水进行了相关设置，实现了建筑物电能耗的降低，冷水机组运行控制界面如图12所示。

图11 10种策略节能率对比

图12 冷水机组运行控制界面

4 结语

通过能源监管信息平台与楼宇设备自控平台的有机结合，可以更加方便快捷地寻找到既有建筑节能普遍规律及改造方向。对于投入使用一年的建筑，通过计算分析建筑固有的碳排放量和标准运行工况下的碳排放量，可进一步采取相关节能减排措施降低碳排放。两个信息平台用于高校后勤日常运行，对学校内的建筑物运行、设施设备维护、水电能源消耗，提供了有力支撑，实现了节能降耗及运行维护的有机结合。进一步挖掘信息平台的运用方法，对提高校园能源管理能力，提升校园能源使用效率带来更多益处。