智慧建筑低碳運行應(yīng)用案例分析

陳立征，孫景文，彭 偉

（1. 山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101；2. 山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室，濟南 250101；3. 國網(wǎng)山東省電力公司 電力科學研究院，濟南 250003）

0 引言

自19世紀30年代發(fā)電機發(fā)明以來，逐漸形成了由發(fā)電、輸電、配電、用電組成的傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)［1］。在此基礎(chǔ)上，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，覆蓋電網(wǎng)各環(huán)節(jié)，提出了“堅強智能電網(wǎng)”概念［2］，繼而實現(xiàn)以遠距離輸電線路為網(wǎng)架，以輸送清潔能源為主導，在全球范圍內(nèi)的“堅強智能電網(wǎng)”、“全球能源互聯(lián)”愿景及建議方案［3］。2020年國家在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取在2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的目標［4］。

作為電網(wǎng)的重要參與者，隨著電網(wǎng)形態(tài)的變化，傳統(tǒng)建筑也在逐步演變?yōu)橹腔劢ㄖ?，并在新型電網(wǎng)架構(gòu)中發(fā)揮重要作用［5］。在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，建筑是典型的用電負荷，通過消耗電能，為居住者提供住所以及居住環(huán)境。建筑內(nèi)用電負荷種類繁多，兩類較大比重用電類型為照明和空調(diào)負荷。為實現(xiàn)碳中和目標，智慧建筑研究和應(yīng)用涵蓋辦公、建筑、通信、消防、信息管理各方面的自動化［6］，在消耗電能為人類提供舒適環(huán)境的同時還涉及自動控制的智能化［7—8］。隨著碳排放量的增多，對可再生能源的利用也逐漸融入到建筑中，尤其是光電、風電等微型綠色發(fā)電模式。為提高電能質(zhì)量，解決電能的即發(fā)即用問題，在未來智慧建筑中，儲能的應(yīng)用也將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)格局，提供更安全、高效的電能利用模式［9］。

隨著電網(wǎng)形態(tài)的變化與建筑的智能化發(fā)展，2者的關(guān)系也一直在發(fā)生變化。建筑由傳統(tǒng)電網(wǎng)中的消費者，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)消者，與電網(wǎng)的交互作用主要體現(xiàn)在以下兩方面:一是建筑的固定負荷屬性變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)負荷，負荷調(diào)節(jié)的目標不再只是滿足住戶需求，更應(yīng)包括友好、節(jié)能，負荷調(diào)節(jié)的約束條件根據(jù)不同時段電網(wǎng)不同特征而變化，實現(xiàn)削峰填谷、負荷友好；二是建筑的負荷屬性之外增加了能源屬性，從傳統(tǒng)的能源消耗變成了能源的產(chǎn)消，既可以充當建筑能源的自給，又可以為電網(wǎng)提供額外能源。

近幾十年間，智慧建筑得到了長足的發(fā)展，在電網(wǎng)中的作用也發(fā)生了變化。但對于智慧建筑參與電網(wǎng)的框架和運行模式仍然缺乏系統(tǒng)性、明確的論述。本文從智能的內(nèi)涵、智能技術(shù)等對智慧建筑進行了分析與總結(jié)，研究了智慧建筑參與電網(wǎng)的方式，提出了智慧建筑在不同負荷需求時期的供電模式。

1 智慧建筑

1.1 智慧建筑定義

傳統(tǒng)建筑立足于解決人們的居住屬性，隨著各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展與人們對居住需求的提高，智慧建筑成為建筑行業(yè)新的發(fā)展方向。自1984 年美國首次提出智慧建筑概念至今，對于智慧建筑的定義、特征等都有了更明確的認識［10］。行業(yè)內(nèi)達成共識，認為智慧建筑以建筑為主體，融合計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等，建立信息設(shè)施系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，為人們提供安全、高效、便捷、健康的工作與生活環(huán)境，并實現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保［11］。

1.2 建筑智能內(nèi)涵

（1）能源智能

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，建筑作為能源需求側(cè)，具備純負荷屬性，而在未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，建筑既是需求側(cè)，又是供給側(cè)。除了有來自遠方的傳統(tǒng)集中式化石能源供電，在建筑側(cè)中還配置風電、光電等可再生能源發(fā)電裝置，以及微型儲能、電動車充電樁移動式儲能等設(shè)備。智慧建筑在能源方面，呈現(xiàn)的是化石、風、光等多類型能源協(xié)同供電，儲能協(xié)調(diào)等特征，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔能源的逐步替代，在穩(wěn)定供能基礎(chǔ)上實現(xiàn)能源比例智能優(yōu)化。

（2）感知智能

智慧建筑對建筑內(nèi)各系統(tǒng)變量的感知一定是智能的，包括能源、負荷、溫度、亮度等狀態(tài)量。各系統(tǒng)終端配置的傳感器等感知模塊能夠?qū)崟r跟蹤監(jiān)測整個建筑的動態(tài)變化，并通過即時、可靠的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為智能控制提供數(shù)據(jù)支撐。感知智能主要包括系統(tǒng)狀態(tài)的感知與感知數(shù)據(jù)的傳輸，是實現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)與依據(jù)。

（3）通信智能

智慧建筑內(nèi)的自動化系統(tǒng)都要建立在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)上。在建筑內(nèi)，通信主要是對語音、數(shù)據(jù)、圖像等實現(xiàn)傳輸；在建筑外，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與傳輸，比如通信網(wǎng)絡(luò)，因特網(wǎng)等，從而保證高效、可靠的信息傳遞。

（4）控制智能

建筑智能化最直觀的體現(xiàn)即控制的智能，基于建筑硬件的能源智能和軟件的感知智能，從而實現(xiàn)滿足需求的智能化控制。控制是建筑實現(xiàn)智能的手段，相較于傳統(tǒng)的控制手段，智能控制能夠針對更復雜的感知變量，通過更完善的控制策略，完成預(yù)期任務(wù)，并實現(xiàn)針對更復雜對象的控制決策。

2 智慧建筑與電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)建模智能化的拓撲變化

與傳統(tǒng)建筑相比，智慧建筑的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。首先，相較于之前的不可控純負荷，智慧建筑的負荷變得智能可控，體現(xiàn)在智能家居等設(shè)施中。比如，建筑中的照明系統(tǒng)，可以隨時間與電網(wǎng)負荷的變化，實現(xiàn)亮度與明滅的自動調(diào)控，空調(diào)系統(tǒng)可以隨室外環(huán)境溫度的變化與電網(wǎng)負荷壓力的變化，實現(xiàn)人體舒適度范圍內(nèi)的自動控制等。

其次，除了充當電網(wǎng)負荷，智慧建筑配置的分布式可再生能源也能作為電能提供者，為建筑本身，甚至為電網(wǎng)提供能源。隨著風能和太陽能在電網(wǎng)中的滲透率顯著提高，建筑自身分布式可再生能源的利用，既解決了遠距離電能的輸送，又提供了清潔能源。

除了發(fā)電與負荷之外，智慧建筑還配備儲能裝置，用來應(yīng)對可再生能源發(fā)電不足場景。儲能的種類繁多，智慧建筑配置的主要有兩類:一是蓄電池等形式的固定電池儲能，用來存儲用電低谷期的多余電能；二是移動式儲能，即電動汽車，通過智能充電樁，電能汽車的電量能夠在滿足交通出行的前提下，實現(xiàn)對電網(wǎng)電量的調(diào)控，以及充當電網(wǎng)緊張故障時的儲備電源。智慧建筑結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智慧建筑結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Smart building component

2.2 傳統(tǒng)電網(wǎng)智能化的拓撲變化

傳統(tǒng)電網(wǎng)由源、網(wǎng)、荷部分組成，分別起到發(fā)電、傳輸、用電的作用。隨著傳統(tǒng)建筑向智慧建筑的轉(zhuǎn)變，自給發(fā)電、自備儲能、自調(diào)負荷等各類元素在電網(wǎng)中滲透比例逐漸提高，傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也會發(fā)生以下改變。

（1）不可再生能源發(fā)電比例縮減

隨著智慧建筑配置的自給分布式新能源（風、光等）發(fā)電以及儲能（室內(nèi)固定式、汽車移動式）的參與，建筑用電對電網(wǎng)的需求縮減，尤其是不可再生能源發(fā)電電量。因此，傳統(tǒng)發(fā)電廠中不可再生能源發(fā)電比例會逐漸減小。

（2）輸電∕配電架構(gòu)優(yōu)化

與傳統(tǒng)電網(wǎng)中高占比集中式發(fā)電相匹配的輸配電網(wǎng)也會隨之優(yōu)化。集中式發(fā)電比例下降必然帶來輸電網(wǎng)絡(luò)的簡化，與此同時，智慧建筑由單一負荷消費型向產(chǎn)消復合型的轉(zhuǎn)變也會帶來配電網(wǎng)進一步復雜與優(yōu)化，從而滿足電網(wǎng)向負荷供電，以及負荷向電網(wǎng)回饋電能的需求。

（3）供需關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變

一方面，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的集中式供電逐步被智慧建筑中分布式供電替代；另一方面，智慧建筑由傳統(tǒng)電網(wǎng)中的需求側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)楣┬鑲?cè)。傳統(tǒng)電網(wǎng)是根據(jù)負荷側(cè)波動調(diào)整發(fā)電側(cè)出力；而智能電網(wǎng)中，由于風、光的參與，發(fā)電側(cè)也具有波動性，因此導致電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，新的供電模式應(yīng)該相應(yīng)提出。

3 智慧建筑與電網(wǎng)的能量交互

不同于傳統(tǒng)建筑在電網(wǎng)中的單一消費者角色，因為具備了分布式發(fā)電、微網(wǎng)傳輸以及自動控制等功能，智慧建筑參與電網(wǎng)的方式也發(fā)生了明顯改變，逐漸轉(zhuǎn)變成混合型產(chǎn)消者，參與電網(wǎng)的原理根據(jù)不同組成部分特性分別如下。

3.1 分布式可再生能源

智慧建筑能源的主要來源為光伏發(fā)電、風力發(fā)電。由于建設(shè)方便、占地小等因素，光伏發(fā)電和風力發(fā)電可以在建筑周圍實現(xiàn)應(yīng)用，這兩類能源具有強間歇性、不確定性等特征。

（1）光伏發(fā)電特性

不同于傳統(tǒng)能源發(fā)電模式，光能主要影響因素是光照，光能特性曲線如圖2 所示。光電出力隨著光照變化具有鮮明的時域特征，晝夜特性明顯，波動較大，尤其在陰天或者光照不足時，光伏發(fā)電整體會出力較小。

圖2 光電出力波動曲線Fig.2 Photoelectric output fluctuation curve

（2）風力發(fā)電特性

風力發(fā)電出力對風速的依賴性很強，靈敏度高，波動大。風力發(fā)電的主要影響因素是風向與風速，相較于光照強度，風的變化更具隨機性。風、光等分布式能源參與電網(wǎng)主要通過兩個途徑:一是就地消納，即提供建筑本身負荷需求，替代傳統(tǒng)化石能源的遠距離輸電，實現(xiàn)方法為直接供能和儲能備用；二是充當電源，通過微網(wǎng)，對外供能，實現(xiàn)就近負荷的自給自足。

3.2 可控負荷

智慧建筑中的用電負荷也具有智能特征，主要體現(xiàn)在兩方面:一是可觀，即負荷的需求以及狀態(tài)可以通過傳感和通信實現(xiàn)感知和傳輸；二是可控，即負荷可以通過智能控制實現(xiàn)設(shè)定目標的優(yōu)化。

基于上述智慧建筑的負荷智能特性，在電網(wǎng)中，智慧建筑不再是固定負荷，而是可觀可控的智能負荷。因此，對于建筑內(nèi)的負荷，可以通過智能感知和智能控制實現(xiàn)調(diào)節(jié)，而智慧建筑中的負荷可以通過自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)削峰填谷。對于一些可調(diào)節(jié)負荷，比如樓宇中照明、空調(diào)等，在用電高峰期，可以在滿足建筑需求基礎(chǔ)上，進行適度范圍內(nèi)暫時的調(diào)節(jié)，在不同時段，實現(xiàn)不同優(yōu)先度調(diào)節(jié)目標的方案。

3.3 復合儲能

未來智慧建筑考慮儲能功能的實現(xiàn)，主要通過兩種方式:一是蓄電池等固定式儲能模塊；二是通過智能充電樁接入電動汽車實現(xiàn)移動式儲能［12］。

智慧建筑中的儲能模塊參與電網(wǎng)主要有以下作用:一是存儲過剩能量，當負荷側(cè)需求量較小時，先儲存起來，滿足負荷需求過大時的需要，實現(xiàn)削峰填谷；二是存儲可再生能源低質(zhì)量能量，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可控能源，提高可再生能源利用率，改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性；三是通過電動汽車，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，即負荷需求小時電網(wǎng)向汽車充電，需求大時汽車向電網(wǎng)放電。

4 智慧建筑的供電模式

基于以上智慧建筑不同情況下在電網(wǎng)中參與方式，根據(jù)智慧建筑中能源出力比例的不同，具有下列供電模式。

（1）自給供電（P1＞P2）

自給供電模式如圖3所示。

圖3 智慧建筑自給供電Fig.3 Smart building self-supplied power supply

當智慧建筑自身發(fā)電較充足，電能首先用來滿足建筑內(nèi)用電負荷的需要，其它多余電量通過建筑內(nèi)微型儲能裝置以及電動汽車移動式儲能實現(xiàn)存儲。此時能源充足，用電負荷維持高性能狀態(tài)運行。

（2）儲能供電（P1＜P2且P3＞0）儲能供電模式如圖4所示。

圖4 智慧建筑儲能參與供電Fig.4 Smart building energy storage participating in the power supply

當智慧建筑發(fā)電有限，無法完全滿足用電負荷需求時，優(yōu)先調(diào)度建筑內(nèi)的儲能單元，通過儲能補充，滿足用電負荷需求。

（3）電網(wǎng)供電（P1＜P2且P3=0）

當智慧建筑發(fā)電有限，且儲能被完全消耗時，需要通過外部電網(wǎng)供電，如圖5所示。

圖5 智慧建筑與電網(wǎng)并行供電Fig.5 Parallel power supply between smart building and power grid

5 智慧建筑參與電網(wǎng)應(yīng)用案例

本文以山東建筑大學被動式裝配樓所在的智慧園區(qū)建設(shè)為例，展示智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)。

5.1 案例模型

智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同實質(zhì)是功率的交互，因此在研究中不同模塊分別采用相應(yīng)的功率模型。

（1）光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電功率主要受光照和溫度影響，基于以下模型實現(xiàn)

式中:PPV為光伏輸出功率；nPV為光伏單元數(shù)量；PS為額定輸出功率；k為功率溫度系數(shù)；TC為實際溫度；TS為標況溫度；GC為實際太陽輻射度；GS為標準條件太陽輻射度。

（2）風力發(fā)電模型

風電出力主要受到風速，尤其是葉尖風速影響，采用以下模型

式中:PWIND為風電出力；PE為額定功率；vr、ve、vc分別為切入、額定、切出風速。

（3）儲能模型

儲能的狀態(tài)與充放電之間存在關(guān)系，采用以下模型描述。

式中:Psave、Pdischarge、Pesave分別為儲能充電效率、放電效率以及額定容量；T0為初始時刻；SOC(t)為儲能t時刻的電量。

（4）負荷模型

負荷Pload根據(jù)建筑內(nèi)的用電負荷各類及占比，比如照明、空調(diào)等，分別采用不同的功率模型。對于呈現(xiàn)周期性規(guī)律的負荷，可以采用跟蹤建筑歷史數(shù)據(jù)的24 h功率曲線描述。

（5）智慧建筑能量模型

智能建筑參與電網(wǎng)也要遵循能量守恒，即

式中:PSOC為儲能充放電功率；PGrid為智慧建筑與電網(wǎng)的交互功率。

5.2 案例介紹

山東建筑大學智慧建筑與電網(wǎng)協(xié)同分為兩部分，首先是依托教學實驗綜合樓的建筑內(nèi)智能感知與智能控制，旨在降低能耗，提供電能利用率；其次是校園內(nèi)1 MW 光伏工程的鋪設(shè)，能夠提高對可再生能源的利用率，通過以下幾個模塊共同實現(xiàn)智慧建筑內(nèi)部的耗能優(yōu)化以及外部的可再生能源接入。

（1）被動式+裝配式超低能耗智慧建筑

裝有智能設(shè)備的智慧建筑如圖6所示。

圖6 山東建筑大學智慧建筑Fig.6 Smart building of Shandong Jianzhu University

山東建筑大學教學實驗綜合樓是國內(nèi)首個鋼結(jié)構(gòu)裝配式+被動式建筑，遵循被動式超低能耗建筑基本原則，采用地源熱泵以及高隔熱保溫的圍護結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)建筑物的節(jié)能減排。

（2）建筑內(nèi)智能測量模塊

智慧建筑內(nèi)的智能測量模塊如圖7所示。

圖7 智慧建筑內(nèi)測量模塊Fig.7 Measurement module of smart building

在智慧建筑內(nèi)部布置了豐富的傳感器，能夠通過物聯(lián)節(jié)點采集室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、PM2.5 濃度、照度等環(huán)境參數(shù)的值。另外通過智能插座實現(xiàn)對電網(wǎng)各采用的跟蹤，包括電壓、電流、功率的實時測量，電能、功率、用電時間的實時計量，監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 智慧建筑用電量監(jiān)控軟件界面Fig.8 Power monitoring software interface of smart building

（3）建筑內(nèi)智能控制模塊

基于智能監(jiān)測結(jié)果，案例實現(xiàn)了以節(jié)能為目標的優(yōu)化控制，模塊包括空調(diào)、照明等系統(tǒng)。以照明為例，如圖9所示，能根據(jù)室內(nèi)光照自動調(diào)節(jié)燈的照度，從而高效節(jié)能，實現(xiàn)時段控制以及用電管理等功能。

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

（4）建筑外可再生能源發(fā)電模塊

在園區(qū)內(nèi)，利用學生公寓、辦公樓和圖書館等樓頂面積，通過5 428塊電池板，完成了1 MW“光伏建筑一體化”示范工程，平均年上網(wǎng)電量120萬kWh，主要用于滿足所在建筑內(nèi)部與配套工程區(qū)域內(nèi)的辦公、照明等部分日常用電，在假期用電低谷，還能將余電輸送到配電網(wǎng)，供其他負載使用，示范工程如圖10所示。

圖10 1 MW“光伏建筑一體化”示范工程Fig.10 1 MW“photovoltaic building integration”demonstration project

（5）智能建筑能效分析

通過建筑內(nèi)的智能感知測量模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對能耗的實時跟蹤，能耗分析工具如圖11所示?；诒粍邮匠湍芎脑O(shè)計，該建筑能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能率約為92%，其中分區(qū)、定時、感應(yīng)的節(jié)能控制策略能夠降低30%以上照明能耗。通過光伏接入等，實現(xiàn)100%就地消納與零碳建筑目標。光伏25年運營期理論減少1 萬tce，減排二氧化碳約3 萬t，為雙碳實現(xiàn)提供較好的解決方案。

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

6 結(jié)束語

為應(yīng)對未來能源與環(huán)境發(fā)展需求，實現(xiàn)碳中和目標，本文從能源、控制、感知等方面明確了智慧建筑概念，提出了智慧建筑與電網(wǎng)的能量交互以及不同場景下的供電模式，最后結(jié)合山東建筑大學智慧建筑示范工程，提出了可行的解決方案與實施路徑。未來仍有以下工作需要進一步開展。

（1）智慧建筑硬件發(fā)展

目前智慧建筑停留在概念理論較多，實現(xiàn)參與電網(wǎng)的用電調(diào)節(jié)首先需要實現(xiàn)智慧建筑的能源、感知、通信以及控制智能?；谥腔劢ㄖ目稍偕茉匆约皬秃闲蛢δ軐崿F(xiàn)建筑角色的轉(zhuǎn)變，利用感知信息實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的跟蹤，才能實現(xiàn)主動智能調(diào)控。

（2）智慧建筑參與電網(wǎng)策略研究

由于智慧建筑的多屬性特征，其參與電網(wǎng)的具體策略以及對電網(wǎng)的影響需要理論研究結(jié)合實驗支撐，建立考慮智慧建筑接入的電網(wǎng)運行框架，制定各態(tài)勢下電網(wǎng)運行策略。D