服務區數智化節能減排管控策略研究

陳汝先

（山西交控汾石高速公路有限公司 山西省呂梁市 033000）

交通運輸是碳排放的重要領域之一，占我國碳排放總量的10%左右[1]。公路交通是交通運輸行業節能減排的重點領域，在我國“雙碳”目標大背景下，理應擔當起減少碳排、保護環境的重任。高速公路服務區作為公路交通重要的服務節點，全年晝夜無休運轉，照明、暖通等能耗巨大[2]，是公路地理單元中的排碳大戶，且隨著新能源車滲透率不斷提高，服務區用能需求不斷增加，供配電穩定性及碳減排壓力逐步加大。開展服務區數智化節能管控技術研究，保障服務區供配電穩定性、用能清潔化、節能化、推動高速公路服務區低碳轉型，已成為現實需求。

本文結合服務區資源稟賦、區位環境、發展定位和建設基礎，分析服務區用能特性，提出以服務區低碳轉型為目標的數智化節能減排管控策略，為我國高速公路服務區低碳轉型提供參考和借鑒。

1 服務區用能特性概述

以山西省具有代表性的某高速公路服務區為例，該服務區占地面積約50 畝，其主要用能系統包括水系統（日常用水、熱水、污水處理）、消防系統、供暖系統、通風系統、動力系統、充電樁系統等，各類系統能耗如表1 所示。

表1：山西某服務區主要設備功率

對該服務區基本情況及用能特性進行調研與估算后發現，服務區用能存在以下特點：

1.1 總體能源需求量較大，但具備清潔能源利用的客觀條件

服務區配套直流充電樁后，負荷水平大幅提升，對能源的需求量也顯著提高。同時，服務區內有大量邊坡、屋頂、車棚、閑置土地等可利用面積，使得服務區具備搭建光伏發電系統的場地條件。

1.2 大功率負荷較為集中，且不同時段用能需求動態變化較大

服務區部分用電負荷，如暖通、消防水泵、污水等，此類大功率負荷非全天候開啟，而是根據季節、環境、人流、車流的變化而動態變化，因此具有較大的節能空間。

1.3 用能類型多樣，交直混合需求顯著

服務區既有交流負荷，又有直流負荷，對交流、直流電源都具有顯著的需求空間。每一級電源變換都存在能源的損耗，因此可利用“宜交則交、宜直則直”的原則進行配置，減少電源變換環節，提高能源使用效率。

1.4 服務區用能負荷種類較多，傳統人工管理難度大、效率低

服務區用電負荷種類多，數量大，傳統的人工資產管理形式存在操作復雜、運維難等問題，影響服務區的整體服務效果，可利用信息化手段提升管理效能和服務水平。

2 數智化節能減排管控策略

基于上述服務區用能特性分析，可針對服務區用電負荷類型及用電需求，從源網荷儲一體化、數智化能源管控系統、綠色建筑、林業碳匯等角度，構建覆蓋整個服務區內所有供能及用能設施的能源互聯網，橫向涵蓋“源-網-荷-儲-管-建”，縱向涵蓋“技術-設備-管理-評估”，提出設備節能、技術節能、管理節能、控制節能等服務區節能減排策略，實現服務區清潔能源的最大化利用、負載的高效運行，從而降低能耗，助力服務區低碳轉型。

2.1 搭建源網荷儲一體化系統

源網荷儲一體化系統是一種基于深度互動的新型電力系統體系架構[3]，通過將電源、電網、負荷、儲能等電力單元深度融合，實現源源互補、源網協調、網荷互動、網儲互動和源荷互動等多種交互形式，提高微電網系統功率動態平衡能力，確保綠電的高效生產和穩定消納。

服務區用能類型多樣，且建設充電站后直流需求顯著，源網荷儲一體化系統中智能配電網可依據宜交則交、宜直則直、宜低則低、宜高則高的原則進行配電，支持交流電壓輸出直接接入低壓饋線柜、直流輸出直接為直流負載供電、低壓輸出為場區內負載供電，中壓輸出為遠距離負載供電，并支持遠程供電系統接入。通過對供配電設備和負載進行系統化分類，實現機電系統按需分配能源，優化供配電結構，減少傳統模式電氣設備冗余配置，實現供配電系統模塊化工作模式，減少因交直流、高低壓變換造成的電能損失。

提高清潔能源使用率與能源效率是降低服務區碳排放水平的重要途徑，服務區源網荷儲一體化系統架構如圖1 所示。源網荷儲一體化系統可組成光伏、市電、柴發、儲能等多種能源融合供給能源網，提升系統高彈性和魯棒性：在服務區建筑樓頂、邊坡、閑置場地及停車區域，采用高效晶硅組件建設建筑樓頂光伏、邊坡光伏、地面分布式光伏電站及光伏發電車棚，同時配備一定容量的儲能電池，吸收光伏多余出力，平滑光伏出力曲線，并采取低充高放的策略實現峰谷價差套利，提升系統供電穩定性及經濟性，實現空間能源化。除此之外還支持市電、柴油發電機等多種能源類型接入，保障系統功率平衡及供電穩定性。

圖1：服務區源網荷儲一體化系統架構

2.2 構建數智化能源管控系統

隨著5G、AI、大數據、數字孿生等技術的快速發展與應用，能源管控系統的功能也愈加豐富，可實現能源實時監測、負荷預測、運行優化等功能[4]，成為能源系統高效利用、配電系統高效運行、用能系統深度節能的重要抓手。

構建源網荷儲一體化系統后，服務區需對多類能源與負荷數據進行監測、優化，挖掘其節能減排潛力。數智化能源管控系統可基于物聯感知技術構建數字化采集體系和網絡化傳輸體系，實現光伏、儲能、熱泵、智能照明、電力監控等基礎數據的采集、傳輸與監測，并結合用能過程中能源預算、能源質量、負荷監測等功能需求，形成可定制化的能源監測管理體系，實時對能源消耗、能源需量、能耗KPI 等進行分析和管理，為節能減排策略的制定提供數據基礎。系統界面如圖2 所示。

圖2：數智化能源管控系統智慧管控界面

圖3：數智化能源管控系統碳盤查界面

基于各項能源與負荷數據的采集，應用大數據+邊緣計算+AI 深度學習，數智化能源管控系統可采用時序分析方法通過對服務區光伏發電、空氣源熱泵及照明設備等的負荷預測，實現發用電設備的智能分析與管控，自動控制空氣源熱泵、可調光LED 燈具等柔性可調負荷參與需求響應以實現與大電網的良性互動，從而達到系統節能，使源網荷儲多能一體化、產消一體化，提高可再生能源使用率，服務區綜合用能成本最優；最終利用碳排放來源分析、碳排放數據查詢、統計分析、碳排放趨勢預測與預警等功能，實現服務區區域的碳排放統一管理，同時，對區域內碳減排水平進行綜合評價，深入挖掘減排專項并結合專家意見制定相應減排方案。

2.3 引入綠色建筑理念

服務區地理位置的特殊性使其難以接入市政配套設施，故傳統的服務區內必須建設采暖鍋爐、地下水井等設施，且影響高速公路服務區建筑能耗的主要有四大因素：客流量、建筑圍護熱工性能、室外氣象特征、建筑體形[5]，因此，引入綠色建筑理念，采用主被動相結合的方式減少建筑對照明與采暖制冷的依賴也是實現服務區節能減排工作的有效途徑。

服務區處于建設期時，可采用被動式建筑的設計理念[6]，在服務區建筑設計中充分利用自然通風、自然采光和太陽能輻射等各種被動式節能措施，與建筑圍護結構高效節能技術相結合，減少對主動制冷采暖的需求；合理安排建筑陽面陰面房屋功能，安裝導光板、散射板等將太陽光引入室內，提高房屋亮度，減少對主動照明的依賴。通過被動式建筑設計理念的引入，減少服務區因照明與制冷采暖造成的能源消耗。

此外，還可以通過低能耗主動式設備的使用來滿足服務區照明、供水、制冷采暖的需求。采用空氣源熱泵取代傳統鍋爐與分體式空調來滿足服務區建筑的供冷/供熱需求，由于無需鍋爐、無需相應的鍋爐燃料供應系統、除塵系統和煙氣排放系統，可大幅降低服務區采暖制冷造成的能耗與碳排；還可以在服務區內設采用無污泥污水處理一體化地埋裝置加深度處理回用裝置的中水回用系統，服務區內污水經收集處理達標后用于沖廁、綠化澆灑等，大幅提高服務區水資源循環利用率，減少水資源的消耗與污水的排放。

2.4 采用林業碳匯手段

林業碳匯是指利用森林的儲碳功能，通過植樹造林、森林經營等營造活動，把大氣中的二氧化碳固定到植物體和土壤中來實現，并按照相關規則與碳匯交易相結合的過程、活動或機制[7]。與直接減排措施相比，植樹造林等碳匯措施不僅可以達到間接減排的效果，而且操作成本低、效益好、易施行，是降低服務區碳排放的現實直接手段。

在服務區景觀綠化設計中應做到因地制宜，選用適宜當地種植且固碳能力較強的綠植，且綠化設計須和服務區各功能分區的需求、交通安全設計有機結合起來，綜合考慮植物與交通標志的布置，合理設計服務區綠化景觀。根據相應功能及固碳能力確定綠植種類后，還可以計算服務區綠植帶來的碳減排量及林業碳匯資產，可將多余的固碳能力以碳資產形式售出盈利。

3 結語

本文通過對山西省某個具有代表性的高速公路服務區基本情況及用能特性的分析，發現服務區用能存在以下特點：服務區照明、制冷、采暖需求較大，是服務區能耗的主要構成部分，且引入充電樁配套設施后，服務區能耗進一步提高，直流需求提升；服務區負荷受時段、季節及人流影響較大，需制定具有針對性的供用能策略；服務區用能類型多樣，交直混合需求顯著，因交直流變換帶來的電能損失值得關注。針對以上特點，提出了適用于服務區的數智化節能減排策略：搭建源網荷儲一體化系統，提高服務區清潔能源使用率及能源利用效率，減少化石能源使用及光伏棄光率；構建數智化能源管控平臺，實現服務區能源精細化管理及用能設備的深度節能；在服務區建設期引入綠色建筑理念，通過主被動相結合的方式降低服務區照明與暖通需求，從而降低相應的能耗及碳排放；采用林業碳匯手段，通過選用適應當地生態且固碳能力較強的綠植，并將服務區綠化與交通安全設計有機結合，在滿足服務區功能分區劃分與綠化需求的同時，提升服務區綠植固碳能力。通過以上種種措施，以數智化為抓手，最大限度降低服務區能耗與碳排放水平，推動服務區低碳轉型，助力我國“雙碳”目標實現。