基于光伏建筑一體化的綜合能源管控系統設計

宗 龍，趙亞典

（國華能源投資有限公司綠色能源與建筑研究中心，北京 102211）

0 引言

隨著國內對清潔能源的日益重視，各項光伏政策的下發帶動了光伏產業的發展，以分布式光伏發電為基礎的綜合能源應用獲得廣泛應用。綜合能源系統是一種新型能源供應、管理技術，具有源網荷儲一體化、多能互補、供需協調等特點。綜合能源系統利用各種能源子系統在時間和空間上的耦合特性，促進可再生能源消納、減少區域內化石能源用量、降低溫室氣體排放強度，實現綠色低碳發展[1]。

分布式綜合能源系統具有清潔高效、靈活接入、就地消納等特點，通過多種能源形式綜合利用，減少能源網絡的建設與運營成本，從而提高能源利用效率，促進節能減排與碳中和目標的實現[2]。光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV），作為新興起的光伏發電應用形式，充分利用了建筑房頂和外立面，減少了地面電站征地環節，一方面充分利用了清潔能源，同時為建筑能源找到了一種就地生產就地消納的能源形式[3]。本文基于某BIPV 建筑光伏發電系統模型，結合儲能系統、一體化幕墻空腔取熱系統、建筑空調系統、照明系統構建了一個包括能源供給智能控制、能源消耗智能控制、能效分析管理、智慧能源優化調度、智能報警及樓宇智控系統等在內的基于BIPV 的綜合能源管控系統。

1 系統簡介

基于BIPV 的綜合能源管控系統基于光伏建筑一體化設計，以光伏發電、建筑節能應用為核心，融合智能光伏發電、多能源綜合利用、建筑能源互聯、低碳節能、多元化智能樓宇等新技術，可實現基于BIPV 的綠色建筑能源綜合管控，充分利用建設的BIPV建筑能源集控中心（以下簡稱BIPV中心）設計功能和應用場景，實現BIPV建筑的多能源管理與控制，及建筑綠色用能與節能降耗深度耦合。

基于BIPV 的綜合能源管控系統主要功能包括信息數據采集、對產能/耗能設備的控制、能源調度系統三個層級，通過過程控制自驅優、數據診斷自學習、故障處理自恢復、多能互補自適應、決策管理自組織的解決方案，實現綠色能源建筑的能源管控精準分析。

2 系統組成

綜合能源管控系統對建筑供能及用能設備進行數據實時監控，系統監控對象主要包括光伏幕墻、屋面光伏、電化學儲能、混凝土蓄熱、空氣源熱泵、熱泵熱水機組、新風系統、智能照明等，充分利用邊緣數據網關進行數據采集控制，保證設備安全穩定運行，并根據建筑功能和應用場景，對運行設備進行智能化調節。整套系統由采集層、控制層、策略層三部分組成[4]。

2.1 采集層

本地數據采集子系統通過MODBUS TCP/IP、IEC104、UDP 等標準化協議的方式，將建筑內光伏發電系統、空調系統、照明系統等運行數據采集到綜合能源管控系統中，同時綜合能源管控系統具備與上級平臺數據庫交互的接口。

2.2 控制層

控制層根據光伏系統實時發電狀態、儲能系統工作狀態和建筑室內場景設置，對數據進行能流數據分析，根據設定的程序及參數對設備進行最優啟?？刂?、溫濕度及光照等能效優化控制等。

2.3 策略層

策略層對能源供給系統及耗能系統進行分析，根據歷史數據對產能及耗能進行預測，根據發電量智能控制用能設備的能源供給來源，實現建筑能源的多能互補和用能優化調度。

3 網絡架構

綜合能源管控系統將采集到的大量設備實時運行監測數據進行本地數據監視、歷史數據采樣存儲。系統通過網絡連接各子系統或直接通過DCS連接各種現場設備，將建筑內所有設備監控進行集成，形成一個完整的自動化綜合管控系統。系統網絡采用三級架構，即數據采集與控制系統、網絡系統、人機交互系統[4]，綜合能源管控系統網絡結構圖如圖1所示[5]。

3.1 數據采集與控制系統

數據采集與控制系統由各供能和耗能端的采集器與控制系統柜組成，經由網絡系統將數據上送至管理系統。通過邊緣數據網關將數據上傳至虛擬分散處理單元（Virtual Distributed Processing Unit，VDPU）處理后，將數據傳至網絡系統，控制系統柜通過分散處理單元（Distributed Processing Unit，DPU）與網絡系統連接。

3.2 網絡系統

系統的控制層通過網絡系統與管理層連接，網絡系統實現數據采集、控制系統與管理工作站之間的信息交互。

3.3 人機交互系統

人機交互系統指由工作人員向管理工作站發出指令或設定預定操作，使系統向執行端下發指令，從而使設備執行相關操作。人機交互工作站按功能設計工程師站、操作員站、歷史數據記錄站、計算站、接口工作站等。設計允許在一臺計算機內可同時安裝多種功能的人機交互工作站軟件，構建綜合性人機交互工作站。

4 系統主要功能

4.1 分布式光伏發電系統

分布式光伏監控系統負責完成對光伏電站地理位置、光伏陣列、匯流箱、逆變器等關鍵設備的各種數據采集、故障監測，并進行匯總。包括顯示系統框架、項目總貌、電站電氣綜合監測數據、電氣系統圖、設備運行詳細信息及運行狀態監視總圖等內容。

4.2 光伏幕墻控制系統

在BIPV建筑中，光伏組件替代傳統幕墻成為建筑的外圍護結構，在產生電能的同時為建筑提供保溫及遮陽效果[6]。光伏幕墻控制系統可根據太陽角度變化對屋面光伏板開啟角度進行控制，根據建筑展示場景進行立面活動光伏組件角度控制，同時設置多種模式，在不同條件下自動觸發控制系統動作。遇雨或其他特殊情況下，自動觸發系統保護信號關閉光伏板，情況嚴重時光伏組件及光伏開啟裝置斷電，確保設備安全。

4.3 空腔取熱控制系統

光伏組件在發電的過程中不斷散熱，背板溫度升高，加熱了幕墻空腔內的空氣。采用對組件背板取熱，并對其產生的熱量（余熱）加以利用，可以與建筑采暖、通風及空調（Heating，Ventiliating and Air Conditioning，HVAC）和生活熱水系統完美結合，從而使建筑光伏一體化內容更加豐富[7]。

通過電動百葉窗、空腔熱利用機組等的聯動，采用自然通風、強制通風、空腔密閉、光伏板開啟相結合的方式，根據不同的時間、季節或其他要求采取不同的運行策略與模式，實現空腔的運行模式智能化主動式控制?？涨蝗嵯到y工作條件下，光伏板需要散熱時，通風百葉窗打開一定角度使空腔取熱系統強制通風；冬季室內需要保暖時，通風百葉窗關閉，空腔取熱系統密閉。夜晚或其他條件下，通風百葉窗返回到關閉狀態。將空腔數據加以分析，可以通過排出或回收熱量，提高光伏組件的發電效率，同時將光伏余熱作為熱源應用于多聯機組，提升機組能效比（Coeffieient of Performance，COP）[8]。

4.4 空調與新風系統

隨著冷熱設備技術的發展，多聯機、熱泵、新風等設備可進行更精準的采集與遠程調控?？照{與新風系統長時間運行產生的大量運行數據，為模擬計算不同時令、各個時段的室內冷熱負荷，進而為實現負荷預測提供了重要前提[9]。

綜合能源管控系統將空調與新風系統通過溫濕度、CO2濃度等傳感器，根據人員存在與否提供了供暖、通風、空調之間的功能聯動和相互作用，智能控制溫度、風機運行速度和風門開度，優化空氣質量。此外，綜合能源管控系統可提供現場端手動調節以及瀏覽器、平板電腦或智能手機等終端進行操作調節[10]。

4.5 智能照明

智能照明系統可根據現場光照強度、是否有人等，通過設定的程序，對LED 燈進行光照強度及色溫調節。系統優先使用太陽能LED照明，太陽能照明系統故障時，市政電照明可以滿足照明要求，夜間優先使用存儲的光伏系統發電。此外，系統還提供現場端手動調節以及瀏覽器、平板電腦等終端進行操作調節[10]。

5 綜合能源管理

基于光伏發電的波動性特點，合理分配負荷，使其充分利用新能源電力，通過調節負荷間多種能源的交換，以穩定安全的方式消納新能源電力，將有效提高BIPV建筑的供需平衡，大幅提升光伏發電整體利用效率。因此，綜合能源管理是本文設計的建筑能源綜合管控系統的核心[11]。建筑能源主要涉及電、冷、熱、水、氣等，因此，通過技術手段對上述能源進行智能管控可有效促進建筑能源整體利用效率[12]。其對建筑內部各用能設施進行能流檢測，并建立多能源協調控制中心，在負載側設調控裝置，在負荷需調度時對其進行優化調節，可實現各項目供能側/用能側自動監測分析、所有用能設備運行參數實時監測、負荷追隨優化控制；實現供能和用能的動態匹配、追隨控制，并提高電力供應的可靠性與安全性，提升能源綜合利用率[13]。

5.1 能源優化控制

傳統建筑能源管理系統（Energy Management System for Intelligent Building，EMS）主要是由樓宇自動化系統（Building Automation System，BAS）來實現，對建筑的電力（含光伏發電等新能源）、采暖、燃氣、水等能耗數據進行采集、處理，并對建筑能耗狀況、新能源使用比例及節能量進行分析，以實現建筑節能應用[14]。

本文設計的綜合能源管控系統除以上功能外，根據設計場景對電負荷、照明、空調及儲能等設備進行最優化的管理，并最大限度地使用光伏發電、光伏熱等綠色能源，從而達到節能的目的。系統設計最優啟停功能和室溫回設功能，可根據室內溫濕度以及是否有人確定最佳啟動、停止時間；智能控制空調系統和冷熱水溫度，節約能源；以電力系統的最大需求控制和優化調節為目標，充分利用光伏電力等新能源，減少外供電量，尤其是減少高峰電力負荷。綜合能源管控系統框圖如圖2所示。

圖2 建筑能源綜合管控系統框圖Fig.2 Block diagram of building energy integrated control system

綜合能源管控系統通過光伏發電、空腔取熱及儲能調度等能源供給系統的產能歷史數據形成產能預測模型，根據所在地的地理位置、天氣情況智能預測產能量；再通過當地天氣、溫度、照度、建筑內人數及其他安排等，根據建筑內環境的預設參數智能預測耗能量[15]。當有額外用能需求時，系統智能分析用能策略，并將不同策略的能耗進行比較，選擇最優用能方式。系統用能時優先使用光伏發電、空腔取熱的直接產能，實現產能就地消納，充分利用儲能，在負荷無法及時消納產生電能時進行存儲，以便產能不足時調配使用[16]。

5.2 多智能體協同控制

基于多智能體協同理論，設計頂層協調控制策略。將光伏系統、空腔取熱系統、空調與新風系統及各類熱電冷負荷設備視為一個個智能體, 從而構造一個由一群具有通信、計算、感知、交流以及執行能力的智能體連接而形成的網絡[17]。通過上層交互，產生出整體大于部分和的效果，是一種分布式協調合作系統，具有協調性、自主性和智能性的特征。在功率或者負荷變化條件下，各部件可以自發調整自身狀態，以適應外界條件變化，處理運行環境的不確定性和多變性，采用實時優化技術實現全過程優化，給出設備的最優動態運行參考軌跡。該系統通過自抗擾控制來控制熱泵及加熱量，實現對溫度、流量及壓力參數的高精度快速跟蹤控制，并提高對于不確定參數及外界干擾的魯棒性[18]。

構建平臺運維管理系統，通過內置的設備全生命周期模型進行數據分析，對設備故障進行預警，從而觸發一系列流程，實現多能運管。

5.3 智能預警

綜合能源管控系統可針對組件上的熱斑、癮裂、積灰等問題快速定位報警并分析原因，并采用機器學習、故障樹推理、模式識別等相關算法，綜合分析歷史與實時數據，對組件及逆變器等異常工況和異常狀態進行提前預報，避免工況進一步惡化。

6 系統應用

設計的綜合能源管控系統在北京某BIPV 建筑進行了實際應用。該建筑總裝機容量為112.6 kW，并部署一套100 kW/180 kWh的儲能系統，實現光伏發電與負荷柔性調控。綜合能源管控系統已實現在該建筑的部署與實際運行，可通過對建筑內設備的實時監控、智能調控，結合建筑產能及用能情況，實現建筑能源的智慧調度。

6.1 空腔熱利用系統

空腔熱利用系統的運行狀態與輻照度、環境溫度、室內環境、室內冷熱源需求等息息相關[19]。綜合能源管控系統結合實際需求，對空腔熱利用系統進行智能調控，主要包括對幕墻百葉、空腔熱利用機組、排風機等進行實際控制。

通過空腔溫度、蓄熱混凝土溫度、空氣流速等數據，結合天氣因素、自然環境等變化，智能計算百葉開合狀態、空腔熱利用機組及風機的頻率等。此外，系統設置冬、夏季運行模式，根據不同季節及環境智能調整運行模式，實現空腔余熱的有效利用。提升建筑整體能源利用效率?？涨粺崂脵C組控制邏輯見圖3。

圖3 空腔熱利用機組控制邏輯Fig.3 Control logic of cavity heat utilization unit

6.2 空調、新風控制

該建筑占地面積750.78 m2，共安裝5組多聯機，共計22臺室內機，均已接入綜合能源管控系統進行智能調度。系統結合建筑內多點位布置的24 臺六合一傳感器、人員運動傳感器及人流統計攝像頭，對室內環境進行綜合測算，實時統計室內冷熱負荷及空調、新風出力情況，并智能調節空調及新風機組運行狀態。

為充分利用綠色能源，減少市電供給，綜合能源管控系統根據建筑發電情況及儲能系統電能儲備，智能分配電力供需，在一定范圍內以供定需，智能調節空調及新風機組風量及溫度，最大限度提升建筑新能源利用率。

此外，根據該建筑展示與實驗需求，綜合能源管控系統將能源應用場景劃分為參觀模式、工作模式、會議模式、離開模式等，并通過多個控制終端一鍵切換。參觀模式下，室內空調、照明按照最大能耗運行，按照預約時間，空調預約運行，電能充分利用光伏發電和前一天儲能系統電源，減少市電使用占比。工作模式下，室內空調、照明按照節能策略運行，充分利用光伏發電，啟用儲能充放電功能，光伏余電優先給儲能系統充電。會議模式下，按舒適模式運行，優先使用光伏電，利用儲能系統進行電能調節，減少使用市電。離開模式下，整個建筑處于最低能耗運行，除應急照明所有照明關閉，空調系統根據季節調整，冬季保持最低溫度不低于14 ℃，夏季設置室內溫度不超過30 ℃。同時系統支持預約功能，對于未來的使用需求，可設置預約啟停及模式切換，在操作便捷的同時最大化滿足室內人員需求，降低能耗。具體空調控制邏輯如圖4 所示。

圖4 空調控制邏輯Fig.4 Air conditioning control logic

6.3 光伏發電與儲能調節

本項目采用了配備儲能系統的低壓直流配電系統，儲能與直流系統數據均接入綜合能源管控系統，實現監測發用電設備運行狀態、存儲和分析運行數據、優化調度電能等功能，實現光伏發電利用最大化、削峰填谷等目標。

并網模式下，由市電經整流器穩定直流母線電壓，直流負荷優先由光伏系統供電，光伏發電不足的部分由電網補充，多余的電能存入蓄電池組。通過控制蓄電池的充放電功率，能以恒定功率或者跟隨電網給定功率大小的方式從電網取電，從而減少建筑交流配電容量、降低配電初始投資成本；解決電力負荷峰谷差等問題，提高光伏建筑接入電網的友好性，以最大程度消納可再生能源[20]。

當電網計劃停電或意外斷電時，切除非重要負荷，蓄電池組通過雙向變流器穩定直流母線電壓，由光伏發電和蓄電池組共同供電給負荷，提高了供電的可靠性及穩定性[21]。

6.4 用能預測與負荷調度

綜合能源管控系統建設以提高整體能源利用效率、降低能耗為主要目標，因此，用能預測成為能源綜合管控的重要環節。對于該建筑而言，用能主要包括電、冷、熱，因其不涉及燃氣使用，制冷、制熱主要依靠空調機組，而其所處環境使得在冬夏季對冷熱設備的需求較大，因此，對空調、新風機組的用能預測及調控作為重點方向[22]。

綜合能源管控系統對各用能子系統分別進行建模，通過數據模型及神經網絡算法對建筑能耗進行大量數據分析，結合北京地區溫度變化規律及相似日數據情況，計算當日用能預測曲線，同時與實時曲線進行擬合，不斷優化算法模型，計算出更加準確的產能、用能預測，為負荷智能調控、供需匹配提供重要依據及數據支撐[18]。具體用能預測曲線見圖5[23-24]。系統根據預測結果及產能、用能實時狀態，對建筑內設備進行智能調度，在光伏大發時段充分利用綠電，在產能有限時盡可能降低負荷，從而有效利用新能源電力，降低棄光率，減少市電供給，提升建筑整體能源利用效率。

圖5 用能預測曲線Fig.5 Energy consumption prediction curves

經過實際運行數據對比分析，綜合能源管控系統提升了建筑能源的綜合利用率，使建筑整體能效提高5%～10%。

7 結語

本文所設計的基于BIPV 的綜合能源管控系統改變了傳統建筑的供配電系統的運行方式，將BIPV建筑特點與建筑節能相結合，對建筑產能、用能和設備運行進行了統一的調度和管理，實現了建筑節能與優化[25]，為建筑智能化、能源自主化提供了更好的能源供給方式，提升建筑采暖、通風及空調（HVAC）系統、給排水系統能效比，降低了建筑能源消耗。經過實際運行數據對比分析，綜合能源管控系統可有效提升建筑能源的綜合利用率，降低建筑整體能耗。

將建筑光伏發電、儲能系統、光熱系統、能源管理系統與樓宇自控系統融合，開發的全新的綠色建筑能源綜合管控系統將進一步對光伏發電監控、樓宇自動化控制、能源調控提出更高要求，為綠色建筑或零碳建筑的大力發展創造了有利條件。