基于企業能源計量的碳計量智能監測和動態核算研究

張路爭，吳炎，張恒立，周浩

(1.江蘇擎天工業互聯網有限公司，南京 210009；2.安徽南瑞中天電力電子有限公司，合肥 230088)

從2020年“雙碳”目標的提出到2021年“1+N”頂層設計的頒布，“雙碳”工作的思路愈發清晰。此前我國長期大力發展能源計量，開展能耗“雙控”，初衷是從節約能源的角度對企業用能加以限制，但其未考慮可再生能源清潔、低碳特點以及其它碳減排技術等方法。2021年12月，中央經濟工作會議首次提出“盡早實現能耗‘雙控’向碳排放總量和強度‘雙控’轉變”。同月，國務院印發《計量發展規劃(2021—2035年)》(國發〔2021〕37號)，明確提出加強碳排放關鍵計量測試技術研究和應用，健全碳計量標準裝置，為溫室氣體排放可測量、可報告、可核查提供計量支撐[1]。由此可見，服務國家低碳發展戰略，無論是能源計量還是碳計量，打造堅實的計量基礎是準確測算能耗與碳排放量、開展“雙控”并實現“雙碳”目標的重要前提和技術支撐。

1 碳計量改造思路

1.1 碳計量

碳計量即計算碳排放量，也可稱作碳盤查和編制溫室氣體排放清單。碳計量的廣義概念指在低碳發展環境中，能源使用和碳排放等過程涉及的使用、監測、核查、交易等活動與測量或量化有關的計量問題的統稱[2]。

碳計量在我國低碳經濟發展過程中發揮著“眼睛”和“尺子”的作用[3]。現有實際案例的碳計量方法主要有：物聯網采集與監測、遙感監測和碳盤查軟件。物聯網采集與監測是本文重點研究的對象，該方法和技術可歸納為設備直接測定、設備采集和軟件計算。煙氣排放連續監測系統(CEMS)是較特殊的存在，本質上是碳監測。對于設備直接測定，張路爭[4]認為以我國目前主要采用的碳排放核查體系(MRV)為基礎的自動化、數字化在線碳排放量核算也是一種可行的設備直接測定方式，提出采用碳計量一體機實現企業碳排放數據實時可信的碳計量。對于設備采集和軟件計算，林榮捷[5]描述了通過連接網絡的數據采集儀器，將數據收集并實時上傳到平臺上，利用平臺設計好的運算方式對采集到的數據進行計算分析，從該單位碳計量當中獲取碳計量數據。康重慶[6]認為采用自下而上的方式更貼合碳領域的計量方式，提出以云端計算為核心的碳計量技術與碳表，基于本地數據測量和計算得到各環節碳排放信息。

1.2 企業能源計量轉向碳計量改造設想

要想節約能源，就應該找到用能單位節能降耗的關鍵環節，因此必須有準確和必要的計量數據。國家層面相繼出臺了《重點用能單位能源計量審查規范》(JJF 1356—2012)、《用能單位能源計量器具配備和管理通則》(GB 17167—2006)等規范性文件，持續完善強化能源管理體系。

目前，市面上企業級能源計量及監測主要分為：以智能計量表計、數據采集網關、能源管理軟件為核心組成的能源管理系統；以智能計量表計、第三方系統、數據采集網關、能耗在線監測端設備、系統平臺為核心組成的重點用能單位能耗在線監測系統。本文研究內容部分借鑒了重點用能單位能耗在線監測系統總體框架思路，重點以端設備為研究對象，進行碳計量終端及平臺的改造、研發。本次改造目標是在不改變端設備硬件配置的前提下，打造碳排放智能監測和動態核算的碳計量終端及平臺。

2 碳計量終端及平臺設計

2.1 總體定位

碳計量終端是企業數字化碳管理的重要技術支撐，主要功能是實現企業組織層面的碳排放數據實時智能監測和動態核算，開展數字化碳盤查，為企業開展節能降碳、碳核查與認證等工作提供數據服務。終端同時適用排放因子法、物料平衡法、實測法三種核算形式，內嵌重點行業碳排放核算標準庫，適用于發電、鋼鐵、水泥等重點排放行業，以及公共機構、建筑等典型應用場景。

碳計量終端系統平臺是專門用于運維安裝于企業側碳計量終端的服務平臺，其主要功能是實現碳排放核算模型的遠程更新，特定場景下亦可為政府主管部門、第三方核查機構、技術服務公司提供輔助監測與分析功能。

2.2 碳計量終端

碳計量終端硬件配置、接口類型及數量、供電電源、安裝結構、環境條件參數均可延用能耗在線監測端設備參數。碳計量終端的關鍵在于建立一套支持“邊緣側計算”的碳排放計量模型，模型當前包含我國發改委發布的24個行業方法學以及近年的發電行業修訂版，長期來看還應包含區域、領域、行業、產品、碳減排等方法學。由于我國尚未建立起動態碳排放因子系統，因此碳計量終端完全可以邊緣側計算，不需要實時連接系統平臺。碳計量終端系統架構圖見圖1。

圖1 碳計量終端系統架構圖

1)數據采集。運用物聯網在線監測技術，對企業各類型碳排放源數據進行實時采集和監控。

2)核算方法配置。通過獲取采集數據，建立碳排放源活動數據與核算方法關聯關系，并根據行業對排放類別、排放源、氣體種類、核算公式、公式對應數據項進行配置。

3)碳排放邊界配置。根據核查認證以及關聯核算需要，具有填寫企業基本信息、配置核算單元、配置排放源、確定邊界配置規范操作等功能。

4)數據填報。對于不具備在線采集條件的活動數據，提供手工填報數據的入口。

5)數據多維展示分析。根據不同的行業特性，對企業碳排放數據進行統計、分析與展示。

6)定額管理。實行碳排放總量、核算單元、排放源、重點排放設備排放計劃管理。

7)碳盤查。支持生成月度、季度、年度《溫室氣體盤查報告書》。

8)系統配置。通過碳計量終端與系統平臺連接，實現企業數據獲取、數據上報、核算方法下發。

9)維護更新。通過互聯網、局域網方式完成碳計量終端所需軟件版本升級、參數配置等操作。

2.3 碳計量終端系統平臺

碳計量終端系統平臺最主要的功能是為碳計量終端提供適用的碳排放計量模型，配置可采用聯網下發方式，也可采用U盤導入。碳排放核算方法以模型形式進行建庫、維護、調用。碳計量終端首次配置時通過平臺將核算模型與計量對象的活動數據建立起關聯關系，下發至終端。當核算方法發生變化時，統一由平臺在核算模型進行維護，維護后終端可進行更新。

平臺在應用功能方面可按需設計綜合態勢看板、企業管理等功能頁面。此外，需采用數據、代碼加密技術，企業自愿選擇是否將數據推送至平臺進行分析診斷。

2.4 重點研究內容

本文針對企業碳排放實時監測、精準計量數智化程度低、碳盤查周期長的難點問題，基于企業能源計量，利用邊緣計算、物聯網等現代的信息技術，重點對碳排放核算模型以及以此為核心的碳計量終端進行研究和應用，提出了碳計量智能監測和動態核算的研究方向。

本次研究的測試對象為江蘇省某紡織行業企業，主營印染加工纖維織物，產品有雪紡、棉布類、棉滌紡類等，對其進行排放邊界的構建及數據采集單位的設計，準則參照《工業其他行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》，該企業的主要排放設備為定型機(排放源為天然氣、電力)、織機(排放源為電力)、染色機(排放源為電力、熱力)、污水處理設施(排放源為厭氧過程)。

3 碳計量終端及平臺應用實踐

在企業現場安裝一臺碳計量終端，并在公有云部署系統平臺，對碳計量終端及平臺的實際運行情況進行30天的測試。

3.1 活動數據采集

天然氣消耗：車間用氣設備使用，監測方法采用天然氣表，安裝于天然氣計量站，共計1塊，具有RS485接口、MODBUS協議，通過RS485總線接入碳計量終端。

凈購入電力：廠區用電設備使用，監測方法采用智能三相電表，安裝于配電室，共計23塊，具有RS485接口、MODBUS協議，通過RS485總線接入碳計量終端。

凈購入熱力：車間用汽設備使用，監測方法采用流量計，安裝于室外管道、車間，共計4塊，具有RS485接口、MODBUS協議，因傳輸距離原因，通過RS485總線轉TCP接入碳計量終端。

污水中有機物總量：污水處理，監測方法采用流量計，安裝于排污口，共計1塊，具有RS485接口、MODBUS協議，通過RS485總線接入碳計量終端。

3.2 安裝調試

在企業監控室機柜里安裝一臺碳計量終端，安裝現場如圖2所示。通過系統平臺對自動采集的智能表計采集點進行核算方法配置。企業涉及但未進行配置的排放源由企業能源管理崗按天在系統中填報。

圖2 碳計量終端安裝

3.3 運行情況

碳計量終端安裝調試后，可以處于本地化、邊緣化24 h不間斷運行。碳計量終端系統運行流程見圖3。

圖3 碳計量終端運行流程圖

本次測試主要依靠企業內部管理制度規范以及碳計量終端內置的數據質量控制規則進行數據質量控制。一方面，建立活動數據來源一覽表，包含測量設備名稱及型號、安裝位置、監測方法、測量頻次、設備精度、校準頻次、關聯的排放源活動等。另一方面，建立活動數據質量分析表，對采集、處理、核算的數據設定閾值，并對數據缺失進行內部審定登記，保障采集數據的實時性、正確性和合理性。

測試完成后，結合客戶給出的評價意見，總結出碳計量終端對企業碳管理具有碳排放“定量”、指標“定額”、異常“定位”成效。

(1)碳排放“定量”

企業碳排放活動數據能夠按采集點位進行實時監測。從表1可以看出，企業能夠對碳排放進行月度盤查，總排放量為5 258.66 tCO2。通過此方法改變以往完全依托人工線下對企業進行固定周期的碳盤查與核查的方式，實現了數字化、智能化。

表1 企業碳盤查

(2)指標“定額”

企業通過將月度碳排放指標進行拆解，按照總量、核算單元、碳排放源進行合理的目標拆解，使排放有計劃、數據有比對、指標有預警，未出現超標。

(3)異常“定位”

企業通過將碳排放源及對應活動數據來源按照坐標位置、所屬區域等多維度進行區分，使任意地方排放出現異常都能夠快速定位。

從以上測試可以看出，在能源計量基礎上開展碳計量智能監測和動態核算，碳計量終端可為數字化碳計量提供一條可行的路徑。

4 碳計量終端及平臺存在問題

在企業碳計量智能監測和動態核算實踐過程中主要存在三個問題。首先，碳計量數智化的發展缺少落地的詳細政策規劃，目前仍停留在試點階段。其次，目前能源等數據的自動采集在企業中仍有待大面積推廣，數據采集的全廠-車間-設備的三級計量體系尚未建立，導致在實際的工業應用中大多采用自動采集+手工填報相結合的數據采集方式，無法實現全廠全量碳排放數據的實時核算與監測。最后，雖然碳計量終端可以自動進行碳排放核算并生成碳盤查報告，但此類結果數據仍需通過傳統的第三方認證機構進行線下認證后才具備一定的公信力。政府主管部門、第三方核查機構亟需創新完善出一套數字化碳計量與數字化碳核查管理體系，建立一套相關標準對碳計量終端及其內置的核算方法進行計量檢測，以實現從數據采集、碳排放核算到碳排放量認證的全流程自動化。

5 結語

碳計量終端將傳統能源計量技術與現代碳計量技術相結合，為政府主管部門、第三方核查機構、計量技術機構、研發服務公司、企業用戶提供了一個碳排放智能監測和動態核算的路徑。隨著我國碳達峰、碳中和標準計量體系逐步建立健全，碳計量終端的產品研制和市場需求將迎來快速的發展，該技術還有望在企業的高耗能高排放工藝、產品碳足跡等方面發揮更大的數據量化和優化價值，提升碳排放計量的可行性、實時性、精確性、可信性，為碳達峰、碳中和提供更多支撐和助力。