高校綜合能源系統的發展

周 波 王廣濤

1上海市燃氣管理處

2上海電力大學

0 引言

能源是社會發展的動力和基礎，隨著經濟的發展，能源開始出現利用緊張和價格上漲的趨勢，節能減排工作成為非常重要的任務。近年來，隨著我國能源革命的推進，能源的清潔高效利用地位日顯重要，因此，針對不同應用場景的能源利用模式愈加多樣化。

綜合能源系統特指在規劃、建設和運行等過程中，通過對能源的產生、傳輸與分配、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化后，形成的能源產供銷一體化系統[1]。綜合能源系統可以充分利用多元能源，一方面能實現能源的高效互補利用，解決可再生能源的消納問題，另一方面能夠滿足節能減排的要求，是相對于傳統能源利用模式的創新。目前，我國高校分布式能源及綜合能源的發展和實施都有了一定的基礎。本文主要針對高校綜合能源系統的發展和實施情況分析探究，希望對今后高校綜合能源系統的利用提供參考。

1 國內外綜合能源系統發展概述

1.1 國外綜合能源系統的發展

綜合能源系統對于提升能源的利用效率和可再生能源的規?；拈_發利用具有重要的支撐作用[2]，國外許多國家針對本國的能源情況制定了綜合能源的發展模式。從時間角度來看，歐洲是最早提出綜合能源系統概念的地區，同時也進行實踐。英國開展了可再生能源與電力網協同、集中式能源系統與分布式能源系統協同運行的項目，實現多元能源的協調，確保能源供應的安全。德國致力于發展包括智能發電、智能電網、智能消費和智能儲能等方面為主的能源系統與信息系統集成的綜合能源項目。美國在技術上推出分布式能源與冷熱電聯供技術的發展[3]。日本則致力智能社區綜合能源技術的研究，以傳統綜合供能系統為基礎，力求建設覆蓋全社會的氫能供應網絡，以“就近消納、就地平衡”為原則，融合分布式能源、供熱供水系統、電氣化住宅、電氣化交通網絡等基礎設施，形成區域性綜合能源服務系統[4]，同時在能源網絡的終端，不同的能源使用設備、能源轉換和存儲單元共同構成終端綜合能源系統[5]。

1.2 我國綜合能源系統的發展

為了推動能源領域的創新與協調，促進綜合能源系統體系的建設，我國在2010年成立了國家能源委員會，推動能源領域改革，尋求創新發展模式。當前，我國已通過“973”、“863”研究計劃，同時多項與綜合能源技術相關的科技研發項目也已經啟動。此外，我國政府積極尋求與包括新加坡、德國政府在內的相關機構共同合作，建設各類生態文明城市，積極推廣綜合能源利用技術，目的是構建清潔、安全、高效、可持續的綜合能源供應系統和服務體系[2]。

近年來，我國能源革命的持續推進，以電力系統為核心，耦合熱力、燃氣等能源的綜合能源系統也得到發展，綜合能源系統場景適用性也更為廣泛，主要有工業園區、智慧社區、交通樞紐等，其中高校綜合能源系統的應用也逐步得到發展。

2 高校綜合能源系統發展潛力

據統計，2017年全國共有普通高等學校2 631所(含獨立學院265所)，全國各類高等教育在學總規模達到3 779萬，且高效的人均能耗、水耗均是全國人均數值的2～4倍[6]。因此，高校的能源的高效清潔利用具有重要的意義。

3 高校綜合能源系統特征

3.1 負荷特征

負荷特征對于高校綜合能源系統的建設運行至關重要。高校的負荷主要由規模、類型、位置區域等因素決定的。高校的規模體現在在校的師生數量，教學區域等方面。從類型上來看，由于專業或學科的特殊性，理工類高校用能量相對較多[7]。

學校作為教育機構，由教育部門統一管理，因此學校用電特性在一定程度上會有很大的相似之處。用電特征的最顯著特點是用電高峰期內負荷保持穩定。此類特征最顯著學校一天之中從早上開始，負荷逐漸升高，然后穩定在一個負荷值左右，該負荷值在一年中的某個時間段變化不大，隨后慢慢降低，直到降到學校最低負荷并保持穩定。此外，高校園區的用電負荷特性，規劃時必須考慮一年三個月的寒暑假，高校的校園年負荷一般存在兩個用電低谷，這是由于假期，校區用電功率降低導致。

3.2 供應模式

總結綜合能源的供應模式如圖1所示，以傳統的電力、熱力、燃氣為基礎，根據高校地域、氣候等情況，耦合風能、光伏等可再生能源共同構成高校綜合能源供應模式，由于區域規劃的不同，有些高校沒有燃氣供應，熱負荷可以采用熱泵與其它輔助設備共同保障。

3.4 運營模式

綜合能源系統把電、熱、冷、氣等多種能源形式在生產、輸送、存儲、消費等各個環節耦合起來，即在各種新型的能量轉換、儲存與分配設備的支撐下，用戶能夠獲取靈活、高效、即插即用的能源服務。高校的綜合能源系統運營模式主要有各參與主體獨立運營和合作運營兩種模式。

在各參與主體獨立運行模式下，一般電網公司提供主要電力保障，光伏、風電或儲能運營主體與投資主體一致。合作運營模式主要通過各運營主體共同組建合資公司，統一對高校能源進行調配與管理[8]。

4 典型案例介紹

綜合能源系統在我國高校中的應用有許多成功的案例，如天津大學濱海工業研究院綜合能源示范工程、廣州大學城能源站項目、上?？萍即髮W能源中心項目等，參考報告[9-10]，本節以上海電力大學為例，介紹高校綜合能源系統的具體實施情況。

4.1 案例概況

該項目入選國家發改委、能源局在2017年5月批準的全國首批28個項目之一，是上海市首個新能源微電網示范項目，為全國高校中的唯一一個校園的示范項目。項目高起點、高標準的建設新能源微電網，打造“智能、低碳、環保、節能”的綠色校園。上海電力大學臨港新校區智能微電網綜合能源服務項目由國網節能服務有限公司投資，國網節能設計研究院負責設計實施。

圖1 高校綜合能源系統典型供應模式

4.2 系統組成

項目主要包括風力發電系統、儲能系統、多類型光伏系統、太陽能與熱泵耦合熱水系統、一體化智慧路燈系統、智能微電網系統，以及建筑能耗的管理監測系統。通過各個系統的協調配合，共同實現了源、網、荷、儲的協同運行以及綜合管理。項目建設了10棟公寓樓空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統、約2 MW光伏發電系統（單晶、多晶、BHPV、高效組件等多種組件）、300 kW風力發電系統、1套混合儲能系統（150 kW×2 h鉛炭電池、100 kW×2 h磷酸鐵鋰電池及100 kW×10 s的超級電容），49 kW光電一體化充電站以及一體化智慧路燈,通過智慧能源管理系統，實現建筑能效管理、綜合節能管理和“源網荷儲充”協同運行，各系統組成有以下6個部分。

1）分布式光伏發電系統

分布于全校21棟建筑屋面及一個光電一體化充電站車棚棚頂，安裝總裝機容量2 061 kW。光伏組件采用單晶、多晶、BHPV、PERC、切半、疊片等多種組件形式，供應清潔電力的同時，為學校師生免費提供了研究新能源技術的場所。

2）風力發電系統

采用一臺300 kW水平軸永磁直驅風力發電機組，與光伏發電系統、儲能系統組成微電網系統。

3）儲能系統

系統配置有容量為100 kW×2 h的磷酸鐵鋰電池、150 kW×2 h的鉛炭電池和100 kW×10 s的超級電容儲能設備。三種儲能設備與學校的不間斷電源相連，一并接入微網系統。

4）太陽能+空氣源熱泵的智能熱網

在新校區公寓樓的屋頂，設置了太陽能集熱器和空氣源熱泵，集中供應生活熱水。同時，通過系統平臺實現了熱水系統的監測、控制和節能優化。10套系統，每天800 t熱水，解決了10 000余名師生的生活熱水使用需求。

5）智能微電網

采用光伏、風力等發電及儲能技術，智能變壓器等智能變配電設備，結合電力需求側管理和電能質量控制等技術，構建智能微網系統，實現用電信息自動采集、供電故障快速響應、綜合節能管理、智慧辦公互動、新能源接入管理。在切斷外部電源的情況下，微電網內的重要設備可離網運行1～2 h。

6）智慧能源管控系統

智慧能源管控系統主要監測風電、光伏、儲能、太陽能+空氣源熱泵熱水系統的運行情況，實現與智能微網、智能熱網、校園照明智能控制系統及校園微網系統的信息集成及數據共享，滿足學校對新能源發電、園區用電、園區供水等綜合能源資源的動態實時監控與管理，通過對數據分析與挖掘，實現各種節能控制系統綜合管控。值班室實行智能集控（智能能源管控系統總平臺、智能微網子系統、建筑群能耗監測管理子系統等組成），通過2 000多個監測點，對校園內所有的變電站、建筑用電、用水、用氣等監測，實現對資源情況的一體化布控。通常校內財務、物業、后勤等部門的信息系統并不打通，而在能源監控系統中，各個分系統的底層數據是一體化的，這成為“智慧校園”節能減排的信息化基礎架構。比如在寒暑假，系統用戶管理功能可以遠程監測異常電耗，若某一處發生“狀況”，也可遠程查明甚至關斷相應電源，替代了以往勤手勤腳的傳統巡查手段。此外，如比較常見的地下水管內漏現象，系統也能靈敏察覺。智慧能源管控系統作用與效果如圖2所示。

圖2 綜合能源管控系統作用與效果圖

4.3 經濟效益及運行成效

項目中的熱水收益主要來自熱水供應收費，光伏和風電通過收取電費（自發自用+余電上網）獲得經濟效益，而儲能和管控平臺不能直接產生經濟效益，由于學校為公共事業單位，用能穩定，風險很小，盡管收益率不是很高，但收益穩定，因此具有示范推廣意義。

該項目承擔了臨港校區約20%的電力供應，同時將綜合能源智慧管理系統融入到師生的學習生活中，通過新能源自主供電和能效管理，學校能耗比同規模校園降低了近25%，預計年減排 2 243 tCO2，年減排67 tSO2。

擁有新能源微電網的智慧校園通過新能源自主供電和能效管理，可比正常校園能耗降低約30%，減排效果如表1所示。

表1 上海電力大學臨港校區節能減排數據

5 總結與展望

從能源的利用角度來看，高校有固定的能源負荷和用能模式，采用綜合能源系統的運行模式能夠深入挖掘高校節能潛力。高校采用新能源、清潔能源多元能源融合的綜合能源系統供能，有利于降低污染物的排放，形成示范效應。

針對以能源電力為特色的高校，可以充分利用學?？蒲兴?，形成產學研相互促進發展模式，進一步完善高校綜合能源系統，也帶動高校相關專業的發展。

綜合能源的創新發展，未來高校綜合能源的發展將會更加智能化，能源信息網互聯互通。針對高校產能負荷、用能負荷的變化，通過信息化手段精準預測、實時優化匹配，在能源高效利用層面將會有新的突破。