智慧建筑低碳运行应用案例分析

陈立征，孙景文，彭 伟

（1. 山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101；2. 山东省智能建筑技术重点实验室，济南 250101；3. 国网山东省电力公司 电力科学研究院，济南 250003）

0 引言

自19世纪30年代发电机发明以来，逐渐形成了由发电、输电、配电、用电组成的传统电网结构［1］。在此基础上，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，覆盖电网各环节，提出了“坚强智能电网”概念［2］，继而实现以远距离输电线路为网架，以输送清洁能源为主导，在全球范围内的“坚强智能电网”、“全球能源互联”愿景及建议方案［3］。2020年国家在第七十五届联合国大会上提出中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，争取在2060 年前实现“碳中和”的目标［4］。

作为电网的重要参与者，随着电网形态的变化，传统建筑也在逐步演变为智慧建筑，并在新型电网架构中发挥重要作用［5］。在传统电网中，建筑是典型的用电负荷，通过消耗电能，为居住者提供住所以及居住环境。建筑内用电负荷种类繁多，两类较大比重用电类型为照明和空调负荷。为实现碳中和目标，智慧建筑研究和应用涵盖办公、建筑、通信、消防、信息管理各方面的自动化［6］，在消耗电能为人类提供舒适环境的同时还涉及自动控制的智能化［7—8］。随着碳排放量的增多，对可再生能源的利用也逐渐融入到建筑中，尤其是光电、风电等微型绿色发电模式。为提高电能质量，解决电能的即发即用问题，在未来智慧建筑中，储能的应用也将改变传统电网格局，提供更安全、高效的电能利用模式［9］。

随着电网形态的变化与建筑的智能化发展，2者的关系也一直在发生变化。建筑由传统电网中的消费者，逐渐转变为产消者，与电网的交互作用主要体现在以下两方面:一是建筑的固定负荷属性变为可调节负荷，负荷调节的目标不再只是满足住户需求，更应包括友好、节能，负荷调节的约束条件根据不同时段电网不同特征而变化，实现削峰填谷、负荷友好；二是建筑的负荷属性之外增加了能源属性，从传统的能源消耗变成了能源的产消，既可以充当建筑能源的自给，又可以为电网提供额外能源。

近几十年间，智慧建筑得到了长足的发展，在电网中的作用也发生了变化。但对于智慧建筑参与电网的框架和运行模式仍然缺乏系统性、明确的论述。本文从智能的内涵、智能技术等对智慧建筑进行了分析与总结，研究了智慧建筑参与电网的方式，提出了智慧建筑在不同负荷需求时期的供电模式。

1 智慧建筑

1.1 智慧建筑定义

传统建筑立足于解决人们的居住属性，随着各领域技术的发展与人们对居住需求的提高，智慧建筑成为建筑行业新的发展方向。自1984 年美国首次提出智慧建筑概念至今，对于智慧建筑的定义、特征等都有了更明确的认识［10］。行业内达成共识，认为智慧建筑以建筑为主体，融合计算机技术、通信技术、控制技术等，建立信息设施系统、建筑设备管理系统、信息化应用系统、公共安全系统等，为人们提供安全、高效、便捷、健康的工作与生活环境，并实现节能与环保［11］。

1.2 建筑智能内涵

（1）能源智能

在传统电网中，建筑作为能源需求侧，具备纯负荷属性，而在未来电网结构中，建筑既是需求侧，又是供给侧。除了有来自远方的传统集中式化石能源供电，在建筑侧中还配置风电、光电等可再生能源发电装置，以及微型储能、电动车充电桩移动式储能等设备。智慧建筑在能源方面，呈现的是化石、风、光等多类型能源协同供电，储能协调等特征，能够实现清洁能源的逐步替代，在稳定供能基础上实现能源比例智能优化。

（2）感知智能

智慧建筑对建筑内各系统变量的感知一定是智能的，包括能源、负荷、温度、亮度等状态量。各系统终端配置的传感器等感知模块能够实时跟踪监测整个建筑的动态变化，并通过即时、可靠的通信系统，实现数据的共享，为智能控制提供数据支撑。感知智能主要包括系统状态的感知与感知数据的传输，是实现其他功能的基础与依据。

（3）通信智能

智慧建筑内的自动化系统都要建立在通信网络系统基础上。在建筑内，通信主要是对语音、数据、图像等实现传输；在建筑外，实现与外部系统的网络互联与传输，比如通信网络，因特网等，从而保证高效、可靠的信息传递。

（4）控制智能

建筑智能化最直观的体现即控制的智能，基于建筑硬件的能源智能和软件的感知智能，从而实现满足需求的智能化控制。控制是建筑实现智能的手段，相较于传统的控制手段，智能控制能够针对更复杂的感知变量，通过更完善的控制策略，完成预期任务，并实现针对更复杂对象的控制决策。

2 智慧建筑与电网拓扑结构

2.1 传统建模智能化的拓扑变化

与传统建筑相比，智慧建筑的结构发生了显著的变化。首先，相较于之前的不可控纯负荷，智慧建筑的负荷变得智能可控，体现在智能家居等设施中。比如，建筑中的照明系统，可以随时间与电网负荷的变化，实现亮度与明灭的自动调控，空调系统可以随室外环境温度的变化与电网负荷压力的变化，实现人体舒适度范围内的自动控制等。

其次，除了充当电网负荷，智慧建筑配置的分布式可再生能源也能作为电能提供者，为建筑本身，甚至为电网提供能源。随着风能和太阳能在电网中的渗透率显著提高，建筑自身分布式可再生能源的利用，既解决了远距离电能的输送，又提供了清洁能源。

除了发电与负荷之外，智慧建筑还配备储能装置，用来应对可再生能源发电不足场景。储能的种类繁多，智慧建筑配置的主要有两类:一是蓄电池等形式的固定电池储能，用来存储用电低谷期的多余电能；二是移动式储能，即电动汽车，通过智能充电桩，电能汽车的电量能够在满足交通出行的前提下，实现对电网电量的调控，以及充当电网紧张故障时的储备电源。智慧建筑结构组成如图1所示。

图1 智慧建筑结构组成Fig.1 Smart building component

2.2 传统电网智能化的拓扑变化

传统电网由源、网、荷部分组成，分别起到发电、传输、用电的作用。随着传统建筑向智慧建筑的转变，自给发电、自备储能、自调负荷等各类元素在电网中渗透比例逐渐提高，传统电网结构也会发生以下改变。

（1）不可再生能源发电比例缩减

随着智慧建筑配置的自给分布式新能源（风、光等）发电以及储能（室内固定式、汽车移动式）的参与，建筑用电对电网的需求缩减，尤其是不可再生能源发电电量。因此，传统发电厂中不可再生能源发电比例会逐渐减小。

（2）输电∕配电架构优化

与传统电网中高占比集中式发电相匹配的输配电网也会随之优化。集中式发电比例下降必然带来输电网络的简化，与此同时，智慧建筑由单一负荷消费型向产消复合型的转变也会带来配电网进一步复杂与优化，从而满足电网向负荷供电，以及负荷向电网回馈电能的需求。

（3）供需关系发生转变

一方面，传统电网中的集中式供电逐步被智慧建筑中分布式供电替代；另一方面，智慧建筑由传统电网中的需求侧转变为供需侧。传统电网是根据负荷侧波动调整发电侧出力；而智能电网中，由于风、光的参与，发电侧也具有波动性，因此导致电网拓扑结构发生明显变化，新的供电模式应该相应提出。

3 智慧建筑与电网的能量交互

不同于传统建筑在电网中的单一消费者角色，因为具备了分布式发电、微网传输以及自动控制等功能，智慧建筑参与电网的方式也发生了明显改变，逐渐转变成混合型产消者，参与电网的原理根据不同组成部分特性分别如下。

3.1 分布式可再生能源

智慧建筑能源的主要来源为光伏发电、风力发电。由于建设方便、占地小等因素，光伏发电和风力发电可以在建筑周围实现应用，这两类能源具有强间歇性、不确定性等特征。

（1）光伏发电特性

不同于传统能源发电模式，光能主要影响因素是光照，光能特性曲线如图2 所示。光电出力随着光照变化具有鲜明的时域特征，昼夜特性明显，波动较大，尤其在阴天或者光照不足时，光伏发电整体会出力较小。

图2 光电出力波动曲线Fig.2 Photoelectric output fluctuation curve

（2）风力发电特性

风力发电出力对风速的依赖性很强，灵敏度高，波动大。风力发电的主要影响因素是风向与风速，相较于光照强度，风的变化更具随机性。风、光等分布式能源参与电网主要通过两个途径:一是就地消纳，即提供建筑本身负荷需求，替代传统化石能源的远距离输电，实现方法为直接供能和储能备用；二是充当电源，通过微网，对外供能，实现就近负荷的自给自足。

3.2 可控负荷

智慧建筑中的用电负荷也具有智能特征，主要体现在两方面:一是可观，即负荷的需求以及状态可以通过传感和通信实现感知和传输；二是可控，即负荷可以通过智能控制实现设定目标的优化。

基于上述智慧建筑的负荷智能特性，在电网中，智慧建筑不再是固定负荷，而是可观可控的智能负荷。因此，对于建筑内的负荷，可以通过智能感知和智能控制实现调节，而智慧建筑中的负荷可以通过自动调节，实现削峰填谷。对于一些可调节负荷，比如楼宇中照明、空调等，在用电高峰期，可以在满足建筑需求基础上，进行适度范围内暂时的调节，在不同时段，实现不同优先度调节目标的方案。

3.3 复合储能

未来智慧建筑考虑储能功能的实现，主要通过两种方式:一是蓄电池等固定式储能模块；二是通过智能充电桩接入电动汽车实现移动式储能［12］。

智慧建筑中的储能模块参与电网主要有以下作用:一是存储过剩能量，当负荷侧需求量较小时，先储存起来，满足负荷需求过大时的需要，实现削峰填谷；二是存储可再生能源低质量能量，转化为稳定可控能源，提高可再生能源利用率，改善电能质量，提高供电可靠性；三是通过电动汽车，实现统一调度，即负荷需求小时电网向汽车充电，需求大时汽车向电网放电。

4 智慧建筑的供电模式

基于以上智慧建筑不同情况下在电网中参与方式，根据智慧建筑中能源出力比例的不同，具有下列供电模式。

（1）自给供电（P1＞P2）

自给供电模式如图3所示。

图3 智慧建筑自给供电Fig.3 Smart building self-supplied power supply

当智慧建筑自身发电较充足，电能首先用来满足建筑内用电负荷的需要，其它多余电量通过建筑内微型储能装置以及电动汽车移动式储能实现存储。此时能源充足，用电负荷维持高性能状态运行。

（2）储能供电（P1＜P2且P3＞0）储能供电模式如图4所示。

图4 智慧建筑储能参与供电Fig.4 Smart building energy storage participating in the power supply

当智慧建筑发电有限，无法完全满足用电负荷需求时，优先调度建筑内的储能单元，通过储能补充，满足用电负荷需求。

（3）电网供电（P1＜P2且P3=0）

当智慧建筑发电有限，且储能被完全消耗时，需要通过外部电网供电，如图5所示。

图5 智慧建筑与电网并行供电Fig.5 Parallel power supply between smart building and power grid

5 智慧建筑参与电网应用案例

本文以山东建筑大学被动式装配楼所在的智慧园区建设为例，展示智慧建筑与电网协同架构。

5.1 案例模型

智慧建筑与电网协同实质是功率的交互，因此在研究中不同模块分别采用相应的功率模型。

（1）光伏发电模型

光伏发电功率主要受光照和温度影响，基于以下模型实现

式中:PPV为光伏输出功率；nPV为光伏单元数量；PS为额定输出功率；k为功率温度系数；TC为实际温度；TS为标况温度；GC为实际太阳辐射度；GS为标准条件太阳辐射度。

（2）风力发电模型

风电出力主要受到风速，尤其是叶尖风速影响，采用以下模型

式中:PWIND为风电出力；PE为额定功率；vr、ve、vc分别为切入、额定、切出风速。

（3）储能模型

储能的状态与充放电之间存在关系，采用以下模型描述。

式中:Psave、Pdischarge、Pesave分别为储能充电效率、放电效率以及额定容量；T0为初始时刻；SOC(t)为储能t时刻的电量。

（4）负荷模型

负荷Pload根据建筑内的用电负荷各类及占比，比如照明、空调等，分别采用不同的功率模型。对于呈现周期性规律的负荷，可以采用跟踪建筑历史数据的24 h功率曲线描述。

（5）智慧建筑能量模型

智能建筑参与电网也要遵循能量守恒，即

式中:PSOC为储能充放电功率；PGrid为智慧建筑与电网的交互功率。

5.2 案例介绍

山东建筑大学智慧建筑与电网协同分为两部分，首先是依托教学实验综合楼的建筑内智能感知与智能控制，旨在降低能耗，提供电能利用率；其次是校园内1 MW 光伏工程的铺设，能够提高对可再生能源的利用率，通过以下几个模块共同实现智慧建筑内部的耗能优化以及外部的可再生能源接入。

（1）被动式+装配式超低能耗智慧建筑

装有智能设备的智慧建筑如图6所示。

图6 山东建筑大学智慧建筑Fig.6 Smart building of Shandong Jianzhu University

山东建筑大学教学实验综合楼是国内首个钢结构装配式+被动式建筑，遵循被动式超低能耗建筑基本原则，采用地源热泵以及高隔热保温的围护结构体系实现建筑物的节能减排。

（2）建筑内智能测量模块

智慧建筑内的智能测量模块如图7所示。

图7 智慧建筑内测量模块Fig.7 Measurement module of smart building

在智慧建筑内部布置了丰富的传感器，能够通过物联节点采集室内温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5 浓度、照度等环境参数的值。另外通过智能插座实现对电网各采用的跟踪，包括电压、电流、功率的实时测量，电能、功率、用电时间的实时计量，监控界面如图8所示。

图8 智慧建筑用电量监控软件界面Fig.8 Power monitoring software interface of smart building

（3）建筑内智能控制模块

基于智能监测结果，案例实现了以节能为目标的优化控制，模块包括空调、照明等系统。以照明为例，如图9所示，能根据室内光照自动调节灯的照度，从而高效节能，实现时段控制以及用电管理等功能。

图9 智慧建筑照明控制Fig.9 Lighting control of smart building

（4）建筑外可再生能源发电模块

在园区内，利用学生公寓、办公楼和图书馆等楼顶面积，通过5 428块电池板，完成了1 MW“光伏建筑一体化”示范工程，平均年上网电量120万kWh，主要用于满足所在建筑内部与配套工程区域内的办公、照明等部分日常用电，在假期用电低谷，还能将余电输送到配电网，供其他负载使用，示范工程如图10所示。

图10 1 MW“光伏建筑一体化”示范工程Fig.10 1 MW“photovoltaic building integration”demonstration project

（5）智能建筑能效分析

通过建筑内的智能感知测量模块，能够实现对能耗的实时跟踪，能耗分析工具如图11所示。基于被动式超低能耗设计，该建筑能够实现建筑节能率约为92%，其中分区、定时、感应的节能控制策略能够降低30%以上照明能耗。通过光伏接入等，实现100%就地消纳与零碳建筑目标。光伏25年运营期理论减少1 万tce，减排二氧化碳约3 万t，为双碳实现提供较好的解决方案。

图11 能耗分析工具界面Fig.11 Energy analysis software interface

6 结束语

为应对未来能源与环境发展需求，实现碳中和目标，本文从能源、控制、感知等方面明确了智慧建筑概念，提出了智慧建筑与电网的能量交互以及不同场景下的供电模式，最后结合山东建筑大学智慧建筑示范工程，提出了可行的解决方案与实施路径。未来仍有以下工作需要进一步开展。

（1）智慧建筑硬件发展

目前智慧建筑停留在概念理论较多，实现参与电网的用电调节首先需要实现智慧建筑的能源、感知、通信以及控制智能。基于智慧建筑的可再生能源以及复合型储能实现建筑角色的转变，利用感知信息实现对数据的跟踪，才能实现主动智能调控。

（2）智慧建筑参与电网策略研究

由于智慧建筑的多属性特征，其参与电网的具体策略以及对电网的影响需要理论研究结合实验支撑，建立考虑智慧建筑接入的电网运行框架，制定各态势下电网运行策略。D