服务区数智化节能减排管控策略研究

陈汝先

（山西交控汾石高速公路有限公司 山西省吕梁市 033000）

交通运输是碳排放的重要领域之一，占我国碳排放总量的10%左右[1]。公路交通是交通运输行业节能减排的重点领域，在我国“双碳”目标大背景下，理应担当起减少碳排、保护环境的重任。高速公路服务区作为公路交通重要的服务节点，全年昼夜无休运转，照明、暖通等能耗巨大[2]，是公路地理单元中的排碳大户，且随着新能源车渗透率不断提高，服务区用能需求不断增加，供配电稳定性及碳减排压力逐步加大。开展服务区数智化节能管控技术研究，保障服务区供配电稳定性、用能清洁化、节能化、推动高速公路服务区低碳转型，已成为现实需求。

本文结合服务区资源禀赋、区位环境、发展定位和建设基础，分析服务区用能特性，提出以服务区低碳转型为目标的数智化节能减排管控策略，为我国高速公路服务区低碳转型提供参考和借鉴。

1 服务区用能特性概述

以山西省具有代表性的某高速公路服务区为例，该服务区占地面积约50 亩，其主要用能系统包括水系统（日常用水、热水、污水处理）、消防系统、供暖系统、通风系统、动力系统、充电桩系统等，各类系统能耗如表1 所示。

表1：山西某服务区主要设备功率

对该服务区基本情况及用能特性进行调研与估算后发现，服务区用能存在以下特点：

1.1 总体能源需求量较大，但具备清洁能源利用的客观条件

服务区配套直流充电桩后，负荷水平大幅提升，对能源的需求量也显著提高。同时，服务区内有大量边坡、屋顶、车棚、闲置土地等可利用面积，使得服务区具备搭建光伏发电系统的场地条件。

1.2 大功率负荷较为集中，且不同时段用能需求动态变化较大

服务区部分用电负荷，如暖通、消防水泵、污水等，此类大功率负荷非全天候开启，而是根据季节、环境、人流、车流的变化而动态变化，因此具有较大的节能空间。

1.3 用能类型多样，交直混合需求显著

服务区既有交流负荷，又有直流负荷，对交流、直流电源都具有显著的需求空间。每一级电源变换都存在能源的损耗，因此可利用“宜交则交、宜直则直”的原则进行配置，减少电源变换环节，提高能源使用效率。

1.4 服务区用能负荷种类较多，传统人工管理难度大、效率低

服务区用电负荷种类多，数量大，传统的人工资产管理形式存在操作复杂、运维难等问题，影响服务区的整体服务效果，可利用信息化手段提升管理效能和服务水平。

2 数智化节能减排管控策略

基于上述服务区用能特性分析，可针对服务区用电负荷类型及用电需求，从源网荷储一体化、数智化能源管控系统、绿色建筑、林业碳汇等角度，构建覆盖整个服务区内所有供能及用能设施的能源互联网，横向涵盖“源-网-荷-储-管-建”，纵向涵盖“技术-设备-管理-评估”，提出设备节能、技术节能、管理节能、控制节能等服务区节能减排策略，实现服务区清洁能源的最大化利用、负载的高效运行，从而降低能耗，助力服务区低碳转型。

2.1 搭建源网荷储一体化系统

源网荷储一体化系统是一种基于深度互动的新型电力系统体系架构[3]，通过将电源、电网、负荷、储能等电力单元深度融合，实现源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动等多种交互形式，提高微电网系统功率动态平衡能力，确保绿电的高效生产和稳定消纳。

服务区用能类型多样，且建设充电站后直流需求显著，源网荷储一体化系统中智能配电网可依据宜交则交、宜直则直、宜低则低、宜高则高的原则进行配电，支持交流电压输出直接接入低压馈线柜、直流输出直接为直流负载供电、低压输出为场区内负载供电，中压输出为远距离负载供电，并支持远程供电系统接入。通过对供配电设备和负载进行系统化分类，实现机电系统按需分配能源，优化供配电结构，减少传统模式电气设备冗余配置，实现供配电系统模块化工作模式，减少因交直流、高低压变换造成的电能损失。

提高清洁能源使用率与能源效率是降低服务区碳排放水平的重要途径，服务区源网荷储一体化系统架构如图1 所示。源网荷储一体化系统可组成光伏、市电、柴发、储能等多种能源融合供给能源网，提升系统高弹性和鲁棒性：在服务区建筑楼顶、边坡、闲置场地及停车区域，采用高效晶硅组件建设建筑楼顶光伏、边坡光伏、地面分布式光伏电站及光伏发电车棚，同时配备一定容量的储能电池，吸收光伏多余出力，平滑光伏出力曲线，并采取低充高放的策略实现峰谷价差套利，提升系统供电稳定性及经济性，实现空间能源化。除此之外还支持市电、柴油发电机等多种能源类型接入，保障系统功率平衡及供电稳定性。

图1：服务区源网荷储一体化系统架构

2.2 构建数智化能源管控系统

随着5G、AI、大数据、数字孪生等技术的快速发展与应用，能源管控系统的功能也愈加丰富，可实现能源实时监测、负荷预测、运行优化等功能[4]，成为能源系统高效利用、配电系统高效运行、用能系统深度节能的重要抓手。

构建源网荷储一体化系统后，服务区需对多类能源与负荷数据进行监测、优化，挖掘其节能减排潜力。数智化能源管控系统可基于物联感知技术构建数字化采集体系和网络化传输体系，实现光伏、储能、热泵、智能照明、电力监控等基础数据的采集、传输与监测，并结合用能过程中能源预算、能源质量、负荷监测等功能需求，形成可定制化的能源监测管理体系，实时对能源消耗、能源需量、能耗KPI 等进行分析和管理，为节能减排策略的制定提供数据基础。系统界面如图2 所示。

图2：数智化能源管控系统智慧管控界面

图3：数智化能源管控系统碳盘查界面

基于各项能源与负荷数据的采集，应用大数据+边缘计算+AI 深度学习，数智化能源管控系统可采用时序分析方法通过对服务区光伏发电、空气源热泵及照明设备等的负荷预测，实现发用电设备的智能分析与管控，自动控制空气源热泵、可调光LED 灯具等柔性可调负荷参与需求响应以实现与大电网的良性互动，从而达到系统节能，使源网荷储多能一体化、产消一体化，提高可再生能源使用率，服务区综合用能成本最优；最终利用碳排放来源分析、碳排放数据查询、统计分析、碳排放趋势预测与预警等功能，实现服务区区域的碳排放统一管理，同时，对区域内碳减排水平进行综合评价，深入挖掘减排专项并结合专家意见制定相应减排方案。

2.3 引入绿色建筑理念

服务区地理位置的特殊性使其难以接入市政配套设施，故传统的服务区内必须建设采暖锅炉、地下水井等设施，且影响高速公路服务区建筑能耗的主要有四大因素：客流量、建筑围护热工性能、室外气象特征、建筑体形[5]，因此，引入绿色建筑理念，采用主被动相结合的方式减少建筑对照明与采暖制冷的依赖也是实现服务区节能减排工作的有效途径。

服务区处于建设期时，可采用被动式建筑的设计理念[6]，在服务区建筑设计中充分利用自然通风、自然采光和太阳能辐射等各种被动式节能措施，与建筑围护结构高效节能技术相结合，减少对主动制冷采暖的需求；合理安排建筑阳面阴面房屋功能，安装导光板、散射板等将太阳光引入室内，提高房屋亮度，减少对主动照明的依赖。通过被动式建筑设计理念的引入，减少服务区因照明与制冷采暖造成的能源消耗。

此外，还可以通过低能耗主动式设备的使用来满足服务区照明、供水、制冷采暖的需求。采用空气源热泵取代传统锅炉与分体式空调来满足服务区建筑的供冷/供热需求，由于无需锅炉、无需相应的锅炉燃料供应系统、除尘系统和烟气排放系统，可大幅降低服务区采暖制冷造成的能耗与碳排；还可以在服务区内设采用无污泥污水处理一体化地埋装置加深度处理回用装置的中水回用系统，服务区内污水经收集处理达标后用于冲厕、绿化浇洒等，大幅提高服务区水资源循环利用率，减少水资源的消耗与污水的排放。

2.4 采用林业碳汇手段

林业碳汇是指利用森林的储碳功能，通过植树造林、森林经营等营造活动，把大气中的二氧化碳固定到植物体和土壤中来实现，并按照相关规则与碳汇交易相结合的过程、活动或机制[7]。与直接减排措施相比，植树造林等碳汇措施不仅可以达到间接减排的效果，而且操作成本低、效益好、易施行，是降低服务区碳排放的现实直接手段。

在服务区景观绿化设计中应做到因地制宜，选用适宜当地种植且固碳能力较强的绿植，且绿化设计须和服务区各功能分区的需求、交通安全设计有机结合起来，综合考虑植物与交通标志的布置，合理设计服务区绿化景观。根据相应功能及固碳能力确定绿植种类后，还可以计算服务区绿植带来的碳减排量及林业碳汇资产，可将多余的固碳能力以碳资产形式售出盈利。

3 结语

本文通过对山西省某个具有代表性的高速公路服务区基本情况及用能特性的分析，发现服务区用能存在以下特点：服务区照明、制冷、采暖需求较大，是服务区能耗的主要构成部分，且引入充电桩配套设施后，服务区能耗进一步提高，直流需求提升；服务区负荷受时段、季节及人流影响较大，需制定具有针对性的供用能策略；服务区用能类型多样，交直混合需求显著，因交直流变换带来的电能损失值得关注。针对以上特点，提出了适用于服务区的数智化节能减排策略：搭建源网荷储一体化系统，提高服务区清洁能源使用率及能源利用效率，减少化石能源使用及光伏弃光率；构建数智化能源管控平台，实现服务区能源精细化管理及用能设备的深度节能；在服务区建设期引入绿色建筑理念，通过主被动相结合的方式降低服务区照明与暖通需求，从而降低相应的能耗及碳排放；采用林业碳汇手段，通过选用适应当地生态且固碳能力较强的绿植，并将服务区绿化与交通安全设计有机结合，在满足服务区功能分区划分与绿化需求的同时，提升服务区绿植固碳能力。通过以上种种措施，以数智化为抓手，最大限度降低服务区能耗与碳排放水平，推动服务区低碳转型，助力我国“双碳”目标实现。