面向高校的综合能源服务应用研究

【摘要】针对高校普遍存在的能源消耗较大、能源管理薄弱等突出问题，以上海电力大学综合能源服务示范项目为实例，提出了面向校园的综合能源服务解决方案，建设并运行了光伏、风电、光电一体化充电站、太阳能空气源热泵热水、混合储能、微电网运行控制系统、建筑群能耗管理系统、智慧能源管控总平台，以满足校园用户定制化的具体需求，展现了技术应 用成效、经济效益及社会效益，为上海电力大学持续打造智慧、低碳的绿色节约型校园奠定基础，并为其他高校及园区开展综合能源系统建设提供示范与指导。 

关键词：综合能源服务；园区；微电网；智慧能源

0  引言

目前，世界范围内能源的重要性日益突显，如何减少传统能源的消耗、提能源的利用率已成为各国政府、企业、科研机构主要关心的问题之一。“节能降耗”、“新能源”、“绿色低碳”、“智慧控制” 等理念也已逐步深入到国民经济和社会生活中。

高校园区承担着科研、教学职能，具有居住人口密集、能源消耗大、管控难度高等特点。为积极应对上述问题，推动新能源利用，国网节能服务有限公司（以下简称“国网节能公司”）与上海电力大学共同实施智能微电网综合能源服务项目，构建全国范围内绿色智慧高校示范园区。

国网节能公司从校园的教学、科研、培训、住宿等方面的实际用能特点出发，以满足用户具体需求为核心，利用企业的投资、建设和运营能力，运用系统性整体思维，鼎力打造智慧、低碳的绿色节约型校园，为上海电力大学推进新能源应用、扩展新技术示范和系列管理平台奠定基础。通过实施国内高校综合能源服务项目，为后续其他高校及园区综合能源系统的建设提供示范与指导。

1  项目实施背景

在能源消费革命的大背景下，国家*新能源司于2017年5月5日下发了《关于新能源微电网示范项目名单的通知》（发改能源〔2017〕870 号），全国28个新能源微电网示范项目获批。国网节能公司承担了其中上海电力大学临港新校区新能源智能微电网示范项目。为了满足*建设节约型校园的要求和上海电力大学建设“绿色、节能、低碳”智慧型校园的需要，项目总承包单位——国网(北京)设计研究院有限公司(以下简称“国网节能设计研究院”)全力推进工程设计、施工、运营等关键环节。

　　临港新校区为上海电力大学的主校区，占地面积0.64 km(2 960 亩)，建筑面积约57.5 万m2，其中校区主体一二期工程于2018年9月投入使用。该示范项目与校区主体工程同步建设，于2018年9月开始运行调试，并于同年12月18日顺利竣工。

2   主要解决方案

示范项目与校园整体规划结合，运用系统性整体思维制定解决方案，来满足校园用户实际需求。具体思路包含三点：一是注重科学发展、统筹兼顾，在提升全校能源管理水平、降低能源消耗、减少能源费用的同时，兼顾学校、部门、学院、师生等各方利益，保证项目的技术性、经济合理性、工程可行性。二是注重更新、示范，在满足*、*、*功能要求的前提下，与绿色校园、可持续校园建设相结合，提升节约型校园管理水平，创造性打造绿色低碳智慧校园。三是注重突出特色、树立*，项目实施过程体现上海电力大学的学科特色，遵循实事求是、以人为本的原则，在保证用能的前提下实施，形成一套数字化、网络化、智能化的绿色能源供应和管理系统。

示范项目在明确校方需求的基础上，结合校区设计总体规划、学科特色和绿色智能能源建设理念，制定了集信息平台、节能减排、新能源、电能替代、智能微电网、绿色建筑等技术为一体的校园电、热等用能系统解决方案，包括分布式光伏发电、分布式风力发电、智慧路灯、光电一体化充电站、太阳能+空气源热泵热水、混合储能等系统，以及微电网运行控制系统、建筑群能耗管理系统、智慧能源管控总平台。项目方案具有较强的可操作性，既有利于学校教学科研事业的发展，又为后勤、物业等相关部门的运维管理工作提供便利。 

2.1 构建智慧能源管控总平台

作为本项目技术架构的核心部分，总平台将各技术体系进行有机的串联，对校园能源进行统一管控，可实现全景数据展示、用能策略计划制订、能效统计与分析、能源系统故障诊断及定位、能源系统设备信息维护及子系统集成开发等功能。同时，总平台是一个开放的、集成化的系统平台，以此为核心基础，有助于推动后续教培、科研、后勤、物业等系列管理平台的扩展集成。

2.2 应用新能源发电技术

合理应用风、光资源发电，可以降低常规能源消耗，促进节能减排；同时通过新能源就地消纳，可减少电能升压降压损耗、电缆线路损耗，从而降低学校能源费用。

新能源发电系统其中，分布式光伏发电系统装机容量为2061kW，包含单晶、多晶、新型组件等多种组件形式。利用大部分院系楼、教学楼等建筑较为空旷的屋顶，加装光伏发电系统，所产生的直流电流通过汇流箱汇集后进入逆变器，变成400V/50Hz的交流电，经并网装置就近并入校园10kV低压配电网。

以避开主要建筑物及人员密集区为原则，在校区西北角边缘绿化带中配置一台永磁直驱型风机，装机容量为300kW。风轮直径为38m，额定转速为34rpm，额定风速为12.5m/s，切入、切出风速分别为3m/s和25m/s，轮毂高度为 51.49m，叶片长度为18.25m，扫掠面积为907m2。

在校园合适路段设置智慧路灯，利用风、光等新能源供电，并将道路路灯作为充电桩、紧急呼救和WIFI热点载体，探索城市立体感知新技术。

2.3 建设光电一体化充电站

考虑新校区*车辆、教师通勤车辆及社会车辆的充电需求，基于绿色交通与绿色能源相结合的理念，在适当位置建设光电一体化充电站，美化校区环境、减少尾气污染排放。结合停车场的建设要求，在 18个机动车停车位上方设计光伏车棚，在车棚下安装6台32A落地式充电桩，配置逆变器、汇流箱等设备，为电动汽车提供便利的充电服务。 

2.4 应用太阳能+空气源热泵技术

在新校区公寓楼的屋顶设置了10 套纯铜超导热管型太阳能集热器和空气源热泵。

该系统每天集中供应800t热水，解决了1万余名师生的生活热水使用需求。智能热网系统实现了热水系统水温、水压、水位等数据的实时监测，可自动控制加热时间、加热温度，根据天气情况，利用太阳能加热，大限度的实现节能减排。同时为促进节约用水，热水系统采用计量收费，学生可使用校园一卡通直接刷卡取水。

2.5 构建智能微电网系统

在分布式光伏、风力发电系统基础上构建一套智能微电网系统，实现了风光储智能集中管控，同时为学校师生研究新型电网技术等提供实验和展示平台，推动新校区的学科建设发展。

智能微电网系统应用混合储能、光储一体机等设备，结合电力需求侧管理、电能质量控制等技术， 制定多目标优化运行控制策略，实现新能源接入管理、用电信息自动采集、供电故障快速响应、综合节能管理等功能。其特点在于：一是根据微电网发电量及负荷用电需求，采用多目标优化控制策略实现控制；二是采用不同类型存储技术组合提高储能系统的稳定性；三是采用光储一体机技术提升微电网系统效率。

2.6 应用建筑群能效管理系统平台

通过分类和分项能耗计量装置，采集建筑群能耗数据，实现建筑群能耗在线监测和动态分析，这*国内高校对能耗监测管理和综合节能方案实施的空白。 

3   工程建设过程

2017年7月，国网节能公司与上海电力大学签订投资合作协议，标志着全国新能源微电网大学正式落户上海临港。同月，国网节能设计研究院承担工程总承包任务。项目采用规划、设计、投资、建设、运营全过程的综合能源服务模式。11月，现场项目部成立，制定项目实施方案，理顺组织协调流程，并负责项目施工进度、质量、资料等相关管理工作。

2018年4月，工程承担单位进驻现场，项目建设工作拉开序幕。项目部根据工程设计和现场条件，组织设计、施工单位紧密配合，统筹安装各类机械、电气、通讯设备及管控系统，与上海电力大学临港校区同步建设。9月，上海电力大学临港新校区启用，随着各子系统的建设工作陆续完成，项目进入试运行阶段。12月，项目正式竣工，并通过验收、投入使用。

4   运行结果分析

项目于2018年9月底进入试运行阶段，历经3个月的运行调试，于12月顺利通过竣工验收，进入运营期。项目自建成投运后，各项系统运行良好。本文对示范项目的光伏发电、风力发电、热水供应、智能微电网等部分的运行结果进行分析。

4.1 光伏发电情况

选取项目投运后的某月为典型时段，对校园典型建筑的分布式光伏发电量进行统计。该典型月各建筑屋顶的光伏发电系统发电量与其峰值安装功率相关，项目发挥了各系统的发电能力。按照当地当月峰值日照小时数，可分别计算各屋顶光伏发电系统的综合效率。

典型月各建筑屋顶光伏系统综合效率基本处于0.8 以上，达到了预期目标要求。个别系统的系统综合效率略低于0.8，是由于该月为冬季后期数据，太阳高度角较小，楼层较低的建筑屋顶局部受遮挡，导致辐照强度降低，进而影响了光伏发电量和系统综合效率。 

4.2 风力发电情况

受附近防风林遮挡、微风天气较多、风机高度受限等因素的影响，在现有风力资源条件下，项目截至2019年5月底风机发电量为84529kWh，折算平均年利用小时数为2413h，无弃风现象发生。 

4.3 热水系统运行情况

项目投运以来每天热水供应量及每天耗电量的变化。2019年1月28日至2月17日为寒假停运阶段。可见，该系统为师生提供了稳定的热水量，并充分利用太阳能集热，降低了空气源热泵热水机组的耗电量，起到了明显的节能效果。热水供应系统稳定运行，为师生的教学生活提供了有力的保障。

4.4  智能微电网运行情况

示范项目投运以来，项目部统筹运行智能微电网系统，多次由并网切换至离网运行，在一定时间内成功维持功率平衡，保证系统内重要负荷的供电质量，成功证明了示范项目智能微电网运行的可行性和可靠性。

5  总体实施效果

截至2019年5月，新能源系统已累计发电约150万kWh，热水系统已为全校近万名师生累计供应热水5万余t，实现了粉尘、SO2、NOX、CO2的减排。项目推动上海电力大学临港校区可再生能源电力渗透率（可再生能源发电装机容量/微电网内峰值负荷）达到55.9%，电量自给率（清洁能源发电量/园区总用电量）达到53.4%，供电可靠性达到99.99%。清洁电力的供应，24h的热水服务，混合储能、多目标优化控制等新技术的示范应用得到了学校师生员工的肯定。

5.1 经济效益

示范项目由国网节能公司投资3500万。项目为学校和企业带来包括节能在内的综合经济效益：一方面通过新能源就地消纳，减少电量经升压再降压的电能损耗、电缆线路损耗；另一方面通过智慧能源管控平台实现对用电设备运行时间及场景的管理。

项目在满足校园“绿色低碳、智慧”建设目标的同时，也实现了经济上可行、总体符合企业的投资经济指标要求。此外，示范项目与上海电力大学临港新校区同步建设，避免了后期改造带来的诸多问题，从经济上为学校和企业节约了相关的潜在投入。 

5.2  社会效益

一是“实用”。示范项目不同于以往校园类智能微电网项目的单纯实验性质，是立足校园真实场景的大规模实景性应用项目。项目规划融入校园整体规划中，做到了服务校园生产生活的实际效果，体现了项目的整体性。

二是“节能”。示范项目采用光热/光伏/风电多能互补、节能等能源供应技术，通过优化节约的能源使用方式，以及专业的运营模式，提高了校园的能源利用率，响应国家节能减排的方针政策，在国内打造绿色低碳智慧校园。

三是“有特色”。示范项目充分考虑了上海电力大学办学特色，将学生培养、辅助科研实验等学科建设与能源系统建设相结合，在担负校区能源供应同时成为了师生科研实验的研究对象、节能技术的展示及教育平台，为学校培养产业人才提供有力支撑。

四是“可推广”。示范项目自投运以来，政府、企业、高校等团体纷纷前来参观交流，并接待中国电力报、电视台等重要媒体采访。参观方不断给予好评，并表达了以此项目为蓝本进行推广复制的意愿。特别是上海市政府表示下一步将在上海市高校范围内进行推广，充分发挥示范项目的作用。

6  安科瑞能源管理云平台功能

6.1 平台结构

6.2 平台功能

6.3 设备选型

7  结语

本示范项目实现了预期目标，是国家*新能源司2017年5月批准的28个新能源微电网示范项目中完成的校园类示范项目，也是*有限公司开展校园/园区综合能源服务业务的典型示范项目。本项目同步于校园规划阶段，以服务校园生产和实际生活为出发点，运用系统性整体思维，因地制宜谋划。作为国内高校综合能源服务项目,向客户提供了综合能源服务定制化解决方案及系统设计、建设、运维、扩展升级等服务。项目使用多种效率提升手段、多信息管理平台、多目标控制策略，具有能源利用率高、供能系统整体自愈能力强等特点。其中，智慧能源管控总平台是国网节能公司提出在校园中运用的集成化的系统平台，对高校的能源管理及节能优化有着积极的探索意义。下一步，项目将进一步分析各子系统的反馈数据，推动协同联动，实现优化运行。

本项目鼎力打造智慧、低碳的绿色节约型校园，为上海电力大学推进新能源应用、新技术示范和系列管理平台扩展奠定关键基础。其系统性整体思维和工程实践经验为后续其他高校及园区开展综合能源系统的规划建设提供了可复制、可推广的宝贵经验，具有重要的示范和借鉴意义。

【参考文献】

[1]马凯琪，吴迪，郑灏.综合能源系统混合仿真技术路线探讨［J］.供用电，2018，35（7）：28-33.

[2]徐杰彦，王鹤，裴冠荣，柴保双，许维克，郝添翼，马松国，洪瑞新,尤明生，面向校园的综合能源服务示范项目应用研究.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版.