★中国市政工程华北设计研究总院有限公司王亚彬,魏旭超,周志远,么佳麟,章方芳
1 引言
在碳达峰、碳中和目标背景下,碳排放管理已成为能源管理的重要组成部分。国家发改委《“十四五”循环经济发展规划》中明确要求加强产业园区的节能降碳能力建设,推进园区绿色低碳转型[1]。
2022年1月24日,由全国信标委智慧城市标准工作组组织编制的《零碳智慧园区白皮书》正式发布。截至2021年底,中国已经开展了6个低碳省(区)和81个低碳城市、51个低碳工业园区、400余个低碳社区和8个低碳城(镇)试点,形成了全方位、多层次的试点体系[2]。
作为连接工业和社会的重要载体,低碳园区建设势必会成为双碳目标下实现低碳转型和可持续发展的重要手段,因此加强园区低碳化建设已成为园区建设的必然选择。
2 项目背景
本文以天津市某园区为研究对象,针对数字化碳资产管理平台进行了应用研究。该园区占地面积约为10平方公里,以居住、商业、办公业态为主,入驻1000余家企业,常住人口约4万人,耗能主要以电能、热力等为主。在建设绿色低碳园区的过程中,该园区为了达到低碳、环保、可持续发展的目标,积极从两方面推动园区的减碳改革:一方面从控制碳排放入手,采用清洁能源,推动园区降耗节能;另一方面对生产生活过程中产生的碳排放进行固定、吸收、中和。
3 项目分析
为实现低碳化园区这一目标,该园区从能源的供给侧、消费侧进行系统的优化,并建立了相对完善的碳排放管理体系。
在能源供给侧,该园区因地制宜地将绿色清洁能源接入园区的供电系统,减少了对传统电能的使用。
该园区所在地水平面总辐照量为5122.08MJ/m²,太阳能资源丰富,属于B等级“资源很丰富”区域,日照充足,水平面总辐射稳定度为稳定,适合建设光伏发电站。该园区利用园区约10万平方米闲置屋顶建设分布式光伏发电系统,150个地面车位的光伏车棚建设光伏发电系统,总计光伏装机规模约8MW,每年为该园区年提供清洁电力能源约869万kWh,相当于每年可节约标煤1182.60t(以平均标煤煤耗为301.5g/kWh计),相应每年可减少二氧化碳(CO2)排放约3247.75t,节能减排效益显著。针对光伏出力不稳定的问题,园区同时安装22套0.5MW/1MWh分布式电化学储能系统,为园区打造光储一体化的清洁能源供电系统,提高了光伏清洁能源的消纳比例,同时提高了园区供电系统的稳定性。
在能源消费侧,该园区已着手对大约20万平方米的既有建筑进行节能改造工程。通过节能改造工程实现暖通空调、给排水、供配电、电梯、供热、照明等设备的集中监视、管理和分散控制,降低了建筑和设备运行成本,减少了能源消耗,提高了经济效益。通过采用智能化管理系统,本项目的用能相较改造之前降低约10%,同时管理人员数量减少40%,运营成本降低25%。智能化管理系统的运用,极大地提高了建筑能源利用效率,降低了能源消耗,为建筑行业树立了可持续发展的典范。
该园区致力于推动“交通+新能源”模式,在园区内建设了2处智慧充换电驿站,提供了整车充电及电池与车身分开后充电(换电)两种充电方式,以满足公交、环卫等商用车及家庭乘用车的需求。此举旨在推广绿色交通,强化交通领域的节能减排,从而倡导低碳交通和低碳生活,降低园区的碳排放。此外,为了实现低碳园区的目标,该园区在公共区域和小微绿地上种植了紫穗槐等碳汇能力较强的植物。这些植物不仅可以增加园区的绿化覆盖率,还可以充分发挥植物的碳吸收能力,实现园区碳汇能力的最大化。通过打造集休闲、工作、居住、娱乐于一体的多元模式景观,该园区致力于提供一个舒适、健康的生活和工作环境,同时也为减碳固碳事业做出了积极的作用。
综上,该园区从减碳和固碳入手,在园区内开展了大量的减排工作。但碳排放及减碳涉及到园区生产、生活的多个方面,园区的碳排放数据记录量庞大,人工统计难以保证准确性及时效性,并且海量的数据存储管理相当困难。因此园区引入碳资产管理平台系统,实时采集监测跟踪区域能源供给侧、消费侧数据。通过建立综合性的碳资产管理大数据平台,运用大数据、云计算等手段,实时分析园区碳排放情况,监测跟踪园区碳达峰、碳中和进度。另外,该平台可采用虚拟现实技术对复杂经济社会事务变化发展进行多维动态模拟研判,动态演绎碳达峰、碳中和路径,提高了园区对碳减排的管理、监督和预测预警等决策应对能力﹐为该园区双碳目标实现提供了有力支撑。
4 园区碳资产管理平台概述
园区碳资产管理服务平台的开发与应用,顺应国家能源革命和“双碳”战略目标[3]。园区碳资产管理平台基于物联网、云计算等技术,由物联网感知层、网络传输层、应用层三大部分构成。碳资产管理平台也可以看作是能耗管理系统的功能的延伸,它通过对园区能源供给及消耗碳排放数据及生产、生活中的可能产生碳排放行为进行监测和分析,实现园区碳排放情况的智能化精细化管理,以达到提高碳排放管理效率,保证生产安全和经济、环境效益的目的。碳资产管理平台可为政府机构、园区及第三方机构等市场主要客户群体,提供实现全方位碳监测与计量、多维度碳分析与评估、综合性碳资产管理、个性化碳账户与减排服务等功能,打造“能源+双碳”的一体化智慧管控大脑和资源中枢,助力数智双碳综合服务生态圈的构建[4]。
园区碳资产管理平台通过数据采集终端将现场环境、设备运行状态、公共交通、生产生活碳排放等数据通过物联网技术上传至平台数据中心,然后通过数据中心内置算法及大数据库对采集到的数据进行统一的分析和处理,为园区提供了辅助决策和分析功能,实现了对碳排放的实时监控、碳排放情况的智能分析、设备运行状态的实时监测、设备故障报警等功能,最终实现了园区能耗碳排放情况可视化、碳排放管理精细化、碳排放管理系统智能化。
5 园区碳资产管理平台的总体架构
5.1 总体架构
该园区碳资产管理平台的总体架构采用典型的云架构,由基础设施服务层(IAAS)、平台服务层(PAAS)和软件运营层(SAAS)三部分组成。该平台基于底层数据的采集、辨识、上传,通过数据挖掘、数据分析等手段,为园区碳资产管理平台功能应用提供支持[5]。碳资产管理平台可为园区不同的应用场景提供多种展示渠道,既可以通过大屏监控集中展示监控中心,又可以通过Web端应用和手机App实时推送数据至移动终端,实现了全面、实时、高效、精准的监控服务输出。总体架构如图1所示。
图1 碳资产管理平台总体架构
5.2 功能架构
根据园区需求,该园区碳资产管理平台设计了多个子应用模块,如图2所示,其中包括:碳排放核算与管理、能耗双控管理、碳履约管理、产品碳足迹测算及认证应用、第三方服务机构管理、污染物排放管理、低碳建筑与绿色交通、碳普惠管理。该平台通过建立自动化数据采集、智能化分析与管控的运行机理,以大数据分析为基础、模型算法为支柱、信息化管理方式为手段,帮助园区摸清碳家底、精准核算碳排放、科学预测减碳路径,助力园区完成双碳任务。该平台功能采用模块化设计,可根据用户的需求差异提供个性化定制功能。
图2 碳资产管理平台应用架构
5.3 部署架构
该园区碳资产管理平台基于防火墙、VPN等网络安全防护保护系统,采用监控与管理层、数据平台层及数据采集与控制层三层架构部署云平台。
数据采集与控制层:在能源系统监控中心部署实时数据库,与园区各建筑能源及碳排放管理系统进行远程通讯,实现远程数据采集、设备运行监控、对工艺生产区进行监测报警[6]。其主要的监测范围,包括园区能源系统(含光伏发电储能系统)、建筑能耗、充换电站运行状态、生产能耗、碳排放量、其他生产生活行为等。
数据平台层:通过磁盘阵列、虚拟化平台构建碳资产管理平台数据库系统,用于采集到的生产生活相关数据存储,并应用大数据进行精准分析。为了解决网络安全问题,系统监控网络采用物理隔离手段,通过专用加密网络同生产生活网络隔离,避免入侵或信息泄露。
监控与管理层:通过虚拟化平台、云平台系统,可实现碳资产管理平台的功能层[7]。该平台功能采用模块化设计,可根据用户的需求差异提供个性化定制及功能扩展。
该平台可通过物联网技术实时对园区内化石燃料燃烧、外购热力和电力、生产生活过程、废弃物处理、交通系统、景观绿地产生的二氧化碳排放量进行精准采集计算。
6 应用及效果分析
(1)该园区借助前端物联网设备对现有能源系统(含光伏发电系统)、建筑节能、交通设施(含新能源交通)等数据进行实时自动化采集,并通过数字化、智能化、可视化的园区碳资产管理平台,迅速查清碳排放底数、精确核算碳排放量、深度分析碳减排方案。项目初期主要减碳效果如表1所示。
表1 项目初期减碳效果
·燃油车行驶100公里耗按照8升测算,汽油燃烧产生0.0192t二氧化碳,这些汽油生产过程中产生0.035t二氧化碳,两者总计0.0542t二氧化碳。
·新能源汽车的百公里按耗电量15Kwh测算。
(2)该园区通过实施监测和评估,对能源、建筑、交通等领域的碳排放量和减碳成效进行精确统计,并以可视化方式进行成果展示。碳资产管理平台可全方面、多角度地展示该园区的关键碳指标、碳排放变化趋势、时空分布、行业排放特征、产业关联性等详细情况,特别针对重点区域、重点问题,做出醒目提示,帮助该园区双碳工作决策能够找准目标,明确方向。碳资产管理平台驾驶舱展示图如图3所示。
图3 碳资产管理平台驾驶舱展示图
(3)以碳资产管理平台内的国内外现行碳排放核算方法学为基础,借助碳资产管理平台的强大数据库及碳领域专家顾问的指导功能,可为该园区定制一套符合其特点的个性化碳排放监测计量和量化核算标准体系。该体系针对该园区的能源活动消费集中、能源品种类型多样的特点,对园区内的能源活动、居民生活、废弃物处理等所产生的碳排放数据进行科学精准核算。同时,碳资产管理平台可依托企业、居民活动数据收集与交互系统,为该园区企业、居民提供碳资产、碳普惠管理平台,积极引导该园区向低碳环保的生产与生活方式转变。
(4)基于SBTi、CFOS、CREOS方法论,对碳资产管理平台采集的该园区多领域、多维度大数据进行深入的数据分析和建模。通过精细的建模过程,建立该园区的碳达峰、碳中和路径规划模型。该模型能够自动生成针对该园区的个性化减排路径建议方案,为该园区的碳减排目标提供了科学、精准的决策支持。
7 结论
碳资产管理平台的应用能够全面摸清园区的碳排放情况、规范碳排放核算方法、实现碳资产管理以及碳排放的数字化追踪。数字技术的运用使得碳排放数据的获取、传输、存储、计算、统计更加精准、便捷、安全、可靠。
通过碳资产管理平台构建全面的园区碳资产管理体系,运用先进的大数据和云计算等技术手段,能够帮助园区实时且方便地获取与碳相关的各类信息,能够使园区的“碳”管理实现规范化、精准化,从而更好地跟踪和管理碳排放。
此外,碳资产管理平台的应用还有助于提升园区对碳减排的管理、监督和预测预警能力。通过采用虚拟现实技术,对复杂的经济社会事务变化发展进行多维动态模拟研判,园区可以实时演绎碳达峰、碳中和的路径,从而更好地监测和跟踪区域碳达峰、碳中和的进度。
总之,该综合平台可以为园区的双碳目标实现提供强有力的支持,帮助园区更好地实现碳减排目标。
作者简介:
王亚彬(1984-),男,天津人,高级工程师,硕士,现就职于中国市政工程华北设计研究总院有限公司,主要从事供配电、新能源应用相关设计及研究工作。
参考文献:
[1] 高晗博, 严坤, 吕一铮, 等. 我国工业园区碳达峰路径优化分析模型及实证研究[J]. 中国能源, 2023, 45 (Z1) : 67 - 81.
[2] 全国信标委智慧城市标准工作组. 零碳智慧园区白皮书[R]. 2022,1:7.
[3] 杨富强, 吴迪. "十四五" 时期我国能源转型实现碳达峰的路径建议[J]. 可持续发展经济导刊, 2021, (Z2) : 21 - 22.
[4] 陈赟, 刘昌维, 潘智俊, 等. 新形势下智慧 "能源+双碳" 服务平台的建设与应用[J]. 供用电, 2022, 39 (2) : 15 - 21.
[5] 赵莎莎, 朱雅魁, 王悦. 基于大数据分析的综合能源系统负荷特性聚类分析[J]. 电测与仪表, 2023, 60 (2) : 10 - 15 + 52
[6] 夏咸明, 何书申, 郝存. 智慧园区低碳综合管理平台建设探讨[J]. 上海节能, 2018, (4) : 228 - 231
[7] 贾志鹏, 余杰, 周婷, 等. 工业互联网平台在油气生产物联网系统的设计及应用[J]. 自动化博览, 2022, 39 (6) : 42 - 47.
摘自《自动化博览》2024年8月刊