在前不久刚结束的全市科技大会暨科学技术 奖励大会上 ,上海电器科学研究所集团有限公司吴 小东教高团队承担的上海重大专项项目《面向城市 低碳建筑集群的数智化微能源网关键技术及应用》荣获了 2023 年度上海市科技进步二等奖的殊荣。
今天我们带领大家走进绿色低碳建筑 ,为大 家科普何为低碳建筑微能源网 ,为什么要建设低 碳建筑微能源网 , 以及我国科技人员是如何攻克 建筑微能源网建设中数智化关键难题以及他们取得的创新研究成果。
数智化微能源网是建设低碳建筑 的内核
据国际能源署统计 ,如今建筑物耗能约占全 球能源消耗的 30%和能源电力的 50%以上 , 因此 建筑行业是全球资源消耗和能源排放的最重要领 域 。绿色低碳建筑配置了多种分布式可再生能 源 ,实现建筑物内各种能源的互相融合、灵活使 用 ,可以大大减少建筑物总能源需求 ,有效地节约 成本并降低排放 , 目前已经成为建筑领域节能降 耗的主要手段。
低碳建筑的新型微能源网系统架构如下图 所示。
* 基金项目:上海市科委科普项目资助(24DZ2304500)
由上图我们可以看到 ,低碳建筑已经不再是 过去传统意义上的纯用电负载 ,而是由原来妥妥 的用能大户转变为兼具发电、储能、调节、用电等 功能的新型建筑 。建筑实现智能化的微能源网架 构和多功能应用后 ,一是能通过可再生能源(主 要为屋顶光伏)的利用 ,显著减少对化石能源的 依赖 ,减少建筑物的能耗和碳排放;二是能够整合 建筑物内的各种分布式能源 ,并根据新能源时间 特征和区域特性实现多能互补 ,显著提高建筑的 能源利用效率 ,减少能源损耗;三是可以通过储能 设备和智能调度系统 ,做好“ 源 荷 网”的动态调 节 ,使建筑用电由目前的刚性负载转变为柔性负 载 ,确保电力供应的稳定性和可靠性 。此外 ,微能 源网还可以作为应急电源 ,增强配电系统的韧性。
这其中 ,建筑微能源网需要精确的数智化 控制系统来实现发储配用之间的优化计算和控 制 , 以达到各能源功率和使用效率的最大化 ,使 建筑能效提升 。 同时 ,利用数智化技术 ,可以帮 助建筑实现后期的智慧运维 。未来 , 低碳建筑 微能源网不但在单栋建筑中应用 , 还将扩展到 区域级、城市级 ,形成园区和城市的综合能源服 务、区域“ 虚拟电厂”等新业态 ,带动更大规模的 社会经济效应 。届时 , 对建筑配电系统的数智 化需求将更大。
绿色建筑数智化微能源网的技术瓶颈
建筑微能源网作为微型综合能源系统 ,具有 绿色环保、降低能耗、减少碳排放等显著特点 , 同 时能提供电、冷、热综合能源服务 ,建成后对供能 侧、用能侧、能源传输侧等各个方面都有较大益 处 , 因此成为建筑领域未来绿色低碳的发展方向。 — ” —
由于我国低碳建筑微能源网起步较晚 ,与国 外相比还有一定差距 ,在关键技术上还存在诸多 技术瓶颈 ,主要包括这几个方面:一是多能源接入 后如何协调融合问题是微能源网正常运行的关键 瓶颈 ,其中提高各能源单元的效率和利用率是关 键 ;二是微能源网需要研发高效的数智化控制系 统来实现发电、储存和配网之间的优化计算和控 制 ,以达到功率和效率的最大化;三是需要建立规 范、完善的数智化微能源网体系技术标准和规范 , 促进建筑微能源网的推广和应用 ; 四是需要加大 物联网和大数据技术的研究 ,实现对微能源网各 环节的全面感知和智能应用 ;五是微能源网配套 控制设备的数字化智能化水平和可靠性有待提 升等。
潜心研究 ,攻克难关
前述的技术瓶颈在一定程度上制约了我国绿 色低碳建筑的发展 。尽快加大对建筑微能源网配 电系统技术研究和开发 ,掌握关键核心技术 ,提高 我国建筑配电系统的控制和保护装备的智能化水 平 ,优化系统协调能力和系统调控水平 ,缩短与先 进国家的距离 ,是保障我国双碳目标的重大战略 需求 ,也成为摆在我国科研人员面前迫在眉睫的 重要课题。
面对国家战略发展的迫切需求 ,针对绿色建 筑微能源网的技术难题 , 上海电器科学研究所 (集团)有限公司吴小东教高领衔的团队联合上 海城市建筑研究院、上海交通大学等一批合作伙 伴 ,共同承担了上海市重大专项项目 ,经过多年潜 心研究 ,攻坚克难 ,项目团队通过一系列的创新性 技术研发和实践应用 ,成功解决了许多面向低碳 建筑多源化协同优化控制关键技术难题 ,成功探
索出低碳建筑多源化配电网稳定运行的系统解决 方案 。项目团队取得的创新性成果主要有:
(1) 团队根据多源异构数据融合后的能源网 状态感知、信息集成及智能网络装备现状和存在 的技术瓶颈 ,经过多年潜心研究 ,攻克基于复杂环 境特征与用户行为模式的云 -边信息处理技术 , 创新提出面向多协议多介质的能源大数据传输转 换解决方案 ,并开发出智能化网络控制成套装备。
(2) 团队创新研究出计及环境友好性的多能 互补协同优化技术及综合能源管理系统 ,该系统 根据多能流混合时间尺度的滚动优化与精细调度 控制策略 ,构建多场景服务驱动型的微能源网分 层信息管理架构 ,实现对建筑微能源网的有效管 控 ,并在此基础上开发出了系列化 SEARITM用户 端综合能源管理平台软件。
(3) 面对当前我国缺乏规范、完善的数智化 微能源网体系技术标准和规范的现状 , 项 目搭 建了面向智慧城市微能源网的技术标准体系与 创新孵化平台 ,建立了用户端能源管理系统的 国家标准体系 ,并且牵头 IEC国际标准工作组 , 建成国家与区域两级创新孵化平台 , 形成持续 创新能力 , 为我国建筑微能源网的推广和应用 打下坚实基础。
(4) 项目对我国城市数智化治理的微能源网 信息基础建设与重大工程进行了有力支撑 ,被广 泛应用在上海主要公共基础设施的城市微能源网 信息基础设施中 ,包括上海中心大厦、后世博园 区、浦东机场等在内的一系列国家重大工程 ,为这 些建筑提供了高效、绿色的能源供应保障。
除此之外 ,项目研制过程中还取得和发表了 一批专利成果和研究论文 ,成功研制了众多专用建筑微能源网控制设备产品 ,促进了我国城市低 碳建筑微能源网的推广和应用建设进程。
结 语
目前 ,城市建筑采用绿色微能源网配电模式 已经成为国内建筑配电系统下一步的发展方向 , 成为未来城市发展零碳能源和智慧城市的重要支 柱 。可以预期 ,随着“双碳目标”和能源转型战略 的实施 , 由多种可再生能源组成的绿色低碳、高效 数智化建筑将会获得更大的发展空间 ,助力我国 “ 双碳目标”的早日实现。
写到这里 ,相信大家已经对城市低碳建筑微 能源网和我国科研人员为此所做的攻关创新工作 有了一定的了解 ,我们期待与大家在下一篇科普 文章再见。
* 上海电器科学研究所(集团)有限公司科普团队
( 科学性审查人员:邹其文 高级工程师)
