【解決方案】工業園區綜合能源數字化系統建設方案

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

以下內容轉自微信公眾號：PPP產業大講堂，《產業園區中工業廠房的能源綜合配置》。

園區工業地產中能源綜合配置存在的問題

1、能源供應安全保障不足，很多園區由于供電、供氣、供熱等能源供應安全保障不足，影響其經濟發展。

2、能源消費結構不合理，傳統能源的使用比例過高，給園區節能減排帶來巨大壓力。

3、管理方式粗放，管理平臺覆蓋率低，存在管控盲點。

4、新能源應用比例不高，開發利用可再生能源的意識不足。

5、管理方式粗放，數據變量大、屬性雜，對于能源的使用情況難以實時掌控和直觀呈現。

在園區工業地產開展電冷熱（暖）供應、多能協同供應、綜合梯級利用，以及低品位余熱利用等綜合能源服務，可以有效解決園區工業地產的能源利用問題，越來越多的能源互聯網企業為解決園區工業地產用能問題，已在這方面深耕多年。幫助園區工業地產在用能方面：運營精細化、數據可視化、管理多維化。多層次完善園區整體及各項管理流程；運用數字分析手段，整合及協調園區資源，促進園區的產業推進，創建園區科學管理體系。

園區工業地產綜合能源系統架構

園區綜合能源系統架構包含物理層、信息層和服務層。物理層是物質基礎,實現能源生產、傳輸、供應等功能；信息層是數據與控制中心，利用能源數據與信息通信技術, 進行數據的交互與共享、智慧用能控制、數據價值挖掘等；服務層是管理樞紐, 基于綜合能源系統物理架構及數據、信息技術的支撐, 在清潔能源消納、能源效率提升、能源智慧管理等方面提供綜合能源的整體解決方案。園區綜合能源服務的商業模式是基于上述3個層次進行規劃、設計與實施。

園區工業地產的能源消費情況

園區工業地產按其產業類型可分為綜合類、行業類和靜脈產業類園區。綜合類園區工業地產產業集群程度較高, 行業類別較多,資源消耗種類也繁多復雜;行業類園區工業地產一般以某一類行業及其衍生行業為核心, 資源消耗種類相對簡單,靜脈產業類園區主要從事再生資源回收、加工和利用, 其用能類型也相對簡單, 以電等二次能源為主。

除生產用能以外, 園區工業地產內的商業、居民建筑、園區交通等, 也是園區用能的重要組成。目前園區工業地產能源消費面臨著諸多問題, 如：能源消耗總量大, 溫室氣體排放量大；園區內電、水、熱等能源的耦合利用不足, 各類企業資源回收、余能利用不足, 能源綜合利用率不高；因本地資源稟賦、能源網絡調度技術等因素的限制, 導致清潔能源應用比重不高等。

園區綜合能效提升分類指導亟待加強

園區地域分布廣，資源稟賦差異大，個性共性兼具，園區間能耗總量和強度、碳排放總量和強度差異大。按照能源消耗總量和強度雙控向碳排放總量和強度雙控轉變的要求，不同地域不同園區差異很大，控能控碳哪個優先、如何來控，缺乏分類指導。亟需加強園區綜合能效提升的分類指導，推動綠色低碳發展。

園區能源基礎設施規模效率結構性鎖定

園區廣泛推行基礎設施共享，以熱定電為特征的集中式熱電聯產能源基礎設施普及推廣，但同時又呈現出“規模—效率”結構性鎖定，以及以化石能源為主的傳統能源與新能源供給結構失衡，導致溫室氣體排放結構性鎖定。目前，大部分基礎設施服役未到設計壽命的一半，園區基礎設施節能降碳改造需要解決好成本收益的平衡，能源加工轉化效率及系統優化亟待提升。

終端電氣化面臨規模數量成本綜合制約

終端電氣化是園區深化節能降碳的關鍵舉措。當前，園區大部分企業的裝備電氣化面臨單體規模小、數量多的問題，節能提效技術創新及裝備推廣存在投入成本高等短板。課題組對某典型精細化工園區進行了專題研究，分析了其八大類5000臺存量電機設備，總容量100 MW，單臺設備的平均容量約10kW，其中單機容量大于15kW以上的電機設備數量僅占設備總數的35%，容量占81%，小規模電機的能效提升面臨較大挑戰，需要電機技術的整體提升。

能效局部有效和系統整體有效需要平衡

“十一五”以來，在節能減排約束性指標的持續推動下，用能行業節能挖潛難度日益加大，亟待平衡好局部有效和系統整體有效，并從局部過程節能向全過程、全鏈條、全系統優化節能轉變。以煉油行業為例，全國2020年煉油企業能效水平優于水平的產能約25%，同時有20%的產能其能效低于基準水平。我國火力發電、鋼鐵、化工產業和垃圾焚燒熱電聯產自身的能效已較高，但進一步與周邊城市和社區協同挖掘余熱利用方面，尚有較大潛力。研究顯示，中國北方地區工業余熱供暖潛力約為區域熱需求的1.4 倍。

園區物質流能量流精細化管理短板明顯

《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》（國發〔2021〕23號）要求“加強園區物質流管理”，這里物質流是廣義的概念，既包括生產原料也包括能源。園區物質流能量流管理是全過程節能減污*直接、*有效、*經濟的措施，是推進園區綜合能效提升的重要抓手。但實踐中，物質流能量流管理*基礎的工作——三級計量體系建設尚存在明顯短板、弱項，特別是中小規模企業。

園區工業地產綜合能源配置的商業模式

在國*發布的能源發展指導意見的推動下, 園區綜合能源系統建設及綜合能源服務業態發展得到了有力的推動,改變了傳統能源系統互相獨立的產供消方式，構建 “電、熱、冷、氣”橫向多能耦合、“源-網-荷-儲”縱向多能協同、以及能源生產、傳輸、存儲、消費都靈活的綜合能源系統。這也改變了傳統能源系統“條塊分割”的情況,有利于培育新的市場主體。 

充分了解園區產業結構、用能需求特征和綜合能源服務資源稟賦，建設分布式與集中式供應相結合的綜合能源系統，開展針對傳統能源利用方面的項目規劃建設與投資運營。通過降低能源消費成本、提升能源利用效率獲得收益，同時對優化能源需求、降低終端能耗、減少氣體排放有積極影響。

分布式能源具有靈活性高、排放低、就地利用等優勢，是園區能源利用的主要方式。分布式能源系統建設的業務方向包括:

①基礎設施服務，即能源基礎設施的建設、運行和維護，微能網的規劃、建設及運營，以及存量配電網向智能電網發展的改造等；

② 區域性分布式發電廠的建設運營,如：園區大規模屋頂光伏和立面光伏系統的建設；

③虛擬電廠的建設，利用通信及控制技術,整合不同類型分布式能源，結合儲能側和需求側的可用負荷，實現對發售電側的協調運行；

④發電與其他行業的耦合，如：參與制氫、制甲烷等能源轉換過程。

實際案例

1 位于江蘇無錫的紅豆工業園內有紡織服裝、橡膠輪胎、生物醫藥等多個產業，園區于2001年建設了自備熱電廠，同時滿足園區內客戶的用電及用熱需求。2012年起，利用廠房屋頂建設分布式光伏系統，并投建儲能電站，緩解園區電網調節壓力，平滑整體用電負荷，起到了削峰填谷，多能互補的作用。預計到2020年，園區整體清潔能源占比將提升至15%，單位產值能耗下降8%，綜合用能成本降低10%。 

2 以德國能源市場為例說明。企業可根據可再生能源的資源情況調整生產計劃，當可再生能源資源充足時，實時電價相對較低，在資源欠缺時則相反,企業可據此調節其生產計劃，以降低用能成本，提高其生產經濟效益。德國RegModHarz項目是德國“E-Energy”計劃支持的項目之一，通過制定統一的數據傳輸標準,將風能、抽水蓄能、太陽能、生物質能等能源系統連接起來，并為用能客戶安裝能源管理系統，對發電端和用電端實施雙向管理，基于日前和日內市場的價格調控用戶的用電時間和用電量。

項目為客戶提供供熱、供冷項目的規劃設計、建設、運營等服務，并提供專家服務以實現客戶項目實施過程中的成本控制，在此過程中，客戶能夠專注于其專*領域內，而將能源相關的技術問題交給專*人員處理，為其實現降低用能成本、能源利用的目的。服務內容包括但不限于:

① 能源傳輸、基礎設施分析、需求優化等方面的咨詢和規劃;

②供熱、供冷設備設施的建設及后續運營、維護和故障處理;

③冷、熱管網的建設與運維管理；

④能源審計服務等。

其主要的服務模式包括2種: 合同能源管理與集中式供能。合同能源管理是用能，承包商需利用技術為客戶提供用能服務;集中式供能的則是的能源分配和利用，以*大限度地減少能源消耗、降低成本,服務對象越多則分攤成本越低，提高整體運營效率。

針對園區內高能耗、粗放型的能源消費方式， 有必要促進其能源精細管理和循環利用，提高資源配置效率，形成節約的能源消費體系。

推進園區工業地產節能降碳重*工程

從系統工程和全局視角，推進園區經濟—能源—環境（“3E”）系統整體優化，實施園區節能降碳增效工程。鼓勵優先利用可再生能源，實施能—水統籌，強化節約、提效、開源，產業和能源結構雙優化、雙清潔化，優化資源要素配置；以園區基礎設施為重*，推動能源、環境基礎設施系統優化和循環共生；構建智慧管理平臺，推動能源管理與園區安全、環保、物流等智慧化。為此，園區節能降碳建議優先抓好以下工程。

園區節能降碳分類指導能力建設工程

“一園一策”，研究制定園區分類管理方法。從綠色發展水平、經濟規模、產業特征、能源結構、能源效率、碳排放等維度，對園區分級分類；從產業結構優化、生態產業鏈網、能源系統優化、基礎設施升級等方面，明確各類園區能效提升。

總體來看，園區作為實體經濟主戰場，未來隨著經濟持續增長能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長。針對園區能源消耗及碳排放特點，課題組提出“以地定產、以產見能(碳)、以能(碳)優產”的碳達峰方略，將園區綜合能效提升作為關鍵，系統有序推進產業結構優化、能效提升、能源結構轉型、碳捕集等四大措施，深化工業園區節能降碳。

研究顯示，通過有序實施上述四類減排措施，2015-2035年和2035-2050年期間，全生命周期碳排放量可分別減排28%和51%。現階段園區應優先實施產業結構調整與能效提升減碳工程，挖掘其*大減排潛力；其次是提高園區非化石能源占比和增加CCUS應用。從時間維度分析，2035-2050年期間通過產業結構優化、能效提升、能源結構轉型的減排潛力基本釋放，進一步深*減排則需要依靠工業生產的系統優化、產業空間布局優化和必要的CCUS。

推動園區能源結構優化，可著力生活垃圾、生物質和污泥能源化，并輔以工藝過程余熱回收，“一園一策”發展風、光、氫能等能源。已有研究顯示，2035年后預期對園區碳減排貢獻較大的途徑主要為氫能、風電和光伏，到2050年其潛在減排貢獻率約為73%~81%，其中氫能在2015-2035年期間有望減碳36%~37%，預期2035-2050年達到46%~50%，將對園區深*減碳起到積極作用。

園區三級計量精細化物質流能量流管理提升工程

完善企業三級計量，是“加強園區物質流管理”的重要支撐。推動園區深入開展精細化數字化計量工程，配齊能、水、料三級計量監測設施，實現數據驅動管理；推行數字化智能化計量工作，建立實時數據驅動的智慧化物質流管理系統。

設立園區及企業能效專職崗位，推動用能、用水量大的企業配全三級計量設備，并適當超前配備數字化智能化儀表，逐步實現園區全覆蓋，實時采集能量流、物質流信息并接入園區智慧化管理平臺，建立多源時間序列數據驅動的園區智能分析和精細管理決策，做好園區能源和物質平衡管理，在此基礎上建立數字化碳管理系統。

通過完善園區企業用戶側分時三級計量表計的建設改造，自下而上厘清園區多產品、多元素、多層級的物質能量代謝結構、路徑、過程等特征，定量揭示全生命周期的環境影響，提出靶向減污降碳調控措施，推動企業內、企業間、產業間物料閉路循環，并持續循環迭代優化。

園區基礎設施共生節能減污降碳提效工程

針對工業園區能源基礎設施的三大特點，課題組建立了年份—存量減碳模型，研究了五種主要技術措施的減碳潛力及成本效益，主要包括：天然氣替代燃煤熱電聯產、垃圾焚燒熱電聯產替代燃煤、抽凝/純凝式汽輪機升級為背壓式汽輪機、將小容量燃煤機組用大容量機組替代、發展天然氣聯合循環機組替代燃煤小機組。研究發現，通過五種措施綜合應用，溫室氣體可減排8%~16%，同時能減排SO2 24%~31%、減排NOx 10%~14%，并有34%~39%的節水潛力。五種措施綜合作用情景下，可獲得519元/噸CO2當量收益（按2015年可比價）。

園區能源基礎設施和環境基礎設施之間建立余熱利用、污水深*處理資源化、污泥能源化等為主的能—水耦合共生系統，可同時實現節能節水減污。課題組研究表明，全國80%的園區有集中式能源環境基礎設施，72%的園區有集中式污水處理廠，園區水環境基礎設施和能源基礎設施之間建立能--水耦合的共生關系是減污降碳的重要舉措。

針對級經開區的研究顯示，210余家園區可建立518條共生關系，其中239條基于能源交換，279條基于水資源交換；通過共生，能源和水資源節約潛力分別為7%和73%，可獲得的節水潛力、節能潛力、降碳潛力分別為12.8億立方米/年、90.9萬噸標煤/年、572萬噸CO2當量/年。

園區數智強鏈數字化電氣化工程

推動數字要素、智能制造加快向園區集聚發展，促進企業層面和園區層面數字化、智能化、綠色化融*發展，強化電力管理智能化，提升產業鏈、供應鏈、創新鏈協同配套能力，提高產業鏈韌性，增強產業鏈安全性，催生“產業化+數字化+智能制造”新業態；加強園區企業生產計劃、工藝技術、物料配送、設備監控維護、質量管控以及能量流物質流智能化跟蹤管理。

搭建數據驅動的園區節能降碳決策支撐平臺，設計開發園區基礎數據庫，并定期動態更新，由專*機構和科研單位聯合運維并開展數據挖掘研究，支撐管理決策。

加強園區電氣化建設。針對園區海量中低壓小容量電力用戶，開發終端智控裝置和資源群控平臺，建立碎片資源喚醒聚合互動新模式，以“小裝置”感知、柔性調節、本地控制用戶多類型設備，以“大平臺”聚合可調資源，智能輔助決策，開展分層分級響應；以“強服務”注重用戶無感體驗，拓展節能降費增值服務，實現政*、用戶、電網多方共贏。

加強園區電力資源配置優化。通過能源系統綜合規劃、多用戶互動、電網協調控制及智能化改造，實現冷熱電氣協同、源網荷儲集群聯控；通過優化負荷和儲能有功控制及電力電子設備無功調控對沖有功和無功沖擊，提升園區電能質量；通過智慧電務，基于設備級用能數據，開展精細化綜合能源服務。

園區綜合能效提升系統工程

立足園區產業結構和用能特點，加強工業園區能源系統建設，突出系統優化和全生命周期思想，著力三個轉變：一是橫向多能互補，從單一能源向綜合能源轉變；二是縱向建立“源、網、荷、儲”協調，形成多樣化能源的供給、需求及儲能調節的動態平衡；三是集中與分布式相協調。

以化工園區為例，首先，針對園區能源生產—能源供應—化工生產等多系統，綜合運用生產工藝綠色化、電網系統優化、電機設備升級、余熱回收等推進園區系統性節能和效率提升。其次，強化生產過程—產業鏈接—基礎設施—安全環境管理協同，抓住綠色化學與綠色化工技術集成的關鍵，加強短流程原子經濟合成技術開發，實現源頭減污和源頭節能，通過多產品多過程共生耦合，實現園區整體性能效提升和減污降碳。

當前，中國經濟發展的仍在工業，工業發展重在以工業地產為載體的產業園區。作為工業化和城鎮化快速發展的載體，工業園區和園區工業地產的綠色發展是中國經濟發展和生態文明建設的重要組成。揭示工業園區人地關系的內涵，協同優化工業園區人地關系，是化解園區工業地產中園區與環境的矛盾、推進園區綠色發展的必然選擇。

--以上內容轉自微信公眾號：PPP產業大講堂，2023年5月23日《產業園區中工業廠房的能源綜合配置》。

1. 文章解讀

文章指出當前園區工業地產能源配置存在的主要問題，包括能源供應保障不足、傳統能源比例過高、能源管理方式粗放、新能源利用比例偏低、對多種能源的使用情況無法實時掌握等。通過園區綜合能源架構：物理層、信息層、服務層三個層次進行園區綜合能源的規劃、設計與實施，推進園區工業地產節能降碳工程包括五個方面：園區節能降碳分類指導能力建設工程、園區三級計量精細化物質流能量流管理提升工程、園區基礎設施共生節能減污降碳提效工程、園區數智強鏈數字化電氣化工程和園區綜合能效提升系統工程。

近三年來，多部門發文均有提及針對工業園區節能減排工作指導意見，要求提升工業園區能源利用效率，加快園區能源數字基礎設施建設，利用數字技術構建智慧能源體系，打造綠色低碳型工業園區。

工業園區能源數字化系統構成

把一個工業園區的能源系統看成一個微網，這個能源微網可能由微電網、給/排水網、供冷/熱管網、燃氣管網等等組成。要提高園區的能源利用效率，管理者首先要實現對園區各類能源的精細化管理，實現多級能源計量和評估，這就需要建立一套園區能源的數字化系統，系統可以反饋整個園區能源的運行情況。能源數字化系統包括物理系統、感知系統和信息系統三個維度。

圖1 園區微電網數字化系統的三維構成

物理系統是能源的物質基礎,實現能源生產、傳輸、供應等功能，以微電網為例，包括市電、新能源(光伏、風力發電等)、變壓器、輸配電開關柜、儲能系統、用電負荷（空調、照明、電機等）、V2G充電樁等等。

很多物理系統不具備數字化通訊能力，需要配置感知設備實現對物理系統的數字化展現，主要為二次設備，其中包括保護控制裝置、監測和計量儀表、電量變送器、電能質量分析治理設備等，這些二次設備組成了園區能源數字化的感知系統。

*后還需要把感知系統的數據通過簡單易懂的界面展示給管理人員，并提供分析建議和控制策路以達到園區能源管理和節能降耗的目的。感知系統的大量數據通過邊緣計算網關采集并初步處理后傳輸給人機界面--信息系統，提供能源數據服務和控制、運維功能，網絡架構見圖2。

圖2 能源數字化建設網絡架構

工業園區能源數字化系統功能

AcrelEMS工業園區能源管理系統幫助搭建工業園區的能源計量體系和能源管理，結合物聯網、大數據技術，可實現園區電網電力監控、能耗統計、負荷預測、照明控制、負荷監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能控制管理、用水監測、暖通管網監測、環境監測、能源計費等功能，通過一套平臺實現園區能源數字化集中管理，達到可靠、安全、節約、低碳用能的目的。

圖3 園區能源管理系統功能一覽圖

電力監控，提升園區電網運行安全

AcrelEMS對園區變電站、高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態、漏電電流、接點溫度進行實時監測和控制，監測園區電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發出告警信息，提高園區供電可靠性。

圖4 電力監控和溫度監測

新能源接入，提升園區能源供應安全

AcrelEMS接入園區分布式光伏電站運行數據，包括逆變器、箱變、計量儀表及電能質量監測裝置，協助管理者進行光伏發電效率分析、發電量及收益統計，擴展園區供電容量，降低用電成本，減少碳排放。

圖5 光伏發電曲線對照分析

儲能策略控制，提升新能源消納

AcrelEMS接入儲能系統（EMS）、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)數據，為管理者提供運行模式監視和控制策略選擇，系統監測電芯電流、溫度、SOC、SOH，檢測直流系統絕緣狀況，并根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，促進新能源消納，降低園區用電成本。

圖6 儲能系統PCS監測和電池監測

能耗管理，搭建計量體系

AcrelEMS采集園區電、水、熱、燃氣等能源消耗，搭建三級能源計量體系，進行分類分項能耗統計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業碳排放，為園區實現能源精細化管理，制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖7 能耗分析

負荷控制及計費，精細化管理降低能耗

AcrelEMS系統通過對園區建筑內部和公共照明的集中控制、感應控制、定時控制等方式節約照明能源，還可以幫助管理者更好地管理轉供電的能源收費，做到欠費提前通知、欠費控制以及支付對接，通過算法消納園區能耗公攤，避免不合理收費，保障能源收支平衡。

圖8 照明智能控制和能源預付費管理

負荷預測，協調控制，保障園區供用平衡

AcrelEMS系統基于歷史負荷數據，結合天氣因素、園區生產計劃等，預測園區功率需求、光伏發電功率、充電需求，根據變壓器負載率和負荷變化，對園區可調可控設備進行統一協調控制，引導有序充電，調整儲能充放電計劃，為園區制定能源計劃、優化用能結構提供技術支持。

圖9 充電樁控制和功率預測

能源數字化系統感知設備

園區能源數字化系統除了軟件外，還離不開安裝于現場的各類感知設備，包括高低壓配電保護控制裝置、監測和計量儀表、電量變送器、電能質量分析治理設備、照明控制器、有線/無線溫度傳感器、水表、燃氣表、能量表等各類產品，安科瑞可以為園區能源數字化系統建設提供一站式服務。

工業園區能源數字化系統的建設意義

園區作為實體經濟主戰場，未來隨著經濟持續增長能耗總量和碳排放總量仍將繼續增長。要實現雙碳計劃，工業園區節能減排任務相當緊迫，碳排放評價試點產業園區也開始實施，如果我們還在依靠傳統的手段來管理園區的能源體系顯然是不可取的。主管部門陸續出臺政策推動產業園區數字化轉型，打造綠色低碳產業園區，因此園區的能源數字化管理系統也是勢在必行。

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為微電網能效管理和環保安全用電。