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【關鍵詞】能源管理模型 ISO50001 基于PDCA模式
1 背景
能源管理被定義為采用系統科學的原理利用管理學和技術創新來提高企業用能水平1。從學術的角度來說,是采用控制、監測等手段來提高能源利用效率。不管如何定義,能源管理已成為全世界用能企業最重要的研究對象,有的國家甚至采用立法、標準的形式加以限制。例如我國《“十三五”節能減排綜合性工作方案》中提出的約束性指標“到十三五末,全縣萬元國內生產總值(GDP)能耗比2015年降低25%,萬元規模以上工業增加值綜合能耗比2015年減低33.3%。”
能源管理方法與現行標準存在極大的區別,目前還沒有非常普適的能源管理方案,不同的能源管理案例來說都有其一定的局限性,從現有的能源管理的理論來說,能源管理的導則的適用范圍較窄。總之,在能源評價標準與用能企業現存狀況之間應當編制一套合理的能源管理模式使兩者建立聯系。
PDCA模型是美國質量管理專家休哈特提出并由戴明采納、宣傳、推廣使用的,主要為計劃(Plan)、執行(Do)、查驗(Check)、修正(Action)四個英文單詞的首寫字母。2從字面意思也可理解為管理的四個環節,即在管理工作中做好計劃、在實踐工程中不斷總結經驗,對總結的檢查結果進行處理,對存在問題進行修正,并適當推廣形成標準化,實現管理的良性循環。
對于國際標準化組織(ISO)來說,能源管理標準是其五個國際發展和技術推進重點領域之一,企業通過引用和消化標準(例如ISO50001)可實現節能增效,美國勞倫斯-伯克利實驗室在能源管理方面做了大量的工作,他們提出從1990年到2000年期間,用能單位在能源管理服務公司上的投入從5000萬增長到20億。
本文研究的目的是通過幾種典型能源管理方法,并比較其優缺點,同時創新的提出一種可借鑒的、普適的基于PDCA模型創建的能源管理方法。這種能源管理方法主要具備以下幾個特點:
(1)構建一種易于理解的能源管理模式;
(2)提供能效持續提升的路線圖;
(3)提供一種可實現的階梯能源管理方案;
(4)可供與其他行業比對的能效評價基準;
(5)能效提升的改造方案。
2 幾種典型的能源管理方法介紹
在以往的能源管理方法研究中,研究人員注重在能源管理系統中重點標識耗能設備及環節,Carbon Trust在2011年發表的能源管理導則和為小微企業設計的愛爾蘭能源持續發展計劃(SEI)都是基于較為成功的案例而形成的。
Carbon Trust的能源管理導則描述能源管理的實施主要從以下幾步進行:
(1)統攬全局:通過對用能企業的基本信息了解企業用能設備狀況及相關管理情況,這步可了解用能企業的業務和管理制度對能源消耗的影響,確定能源消耗的基數;
(2)建立能源管理責任制:在高級管理人員中確定節能負責人,用于與企業管理部門溝通協調;
(3)管理制度的確定:包括建立一系列的基于現實及管理層需求的程序性文件,管理制度需要給出明確的方針和目標,并分解細化,以確保充足的資源和權力來實現目標,這步至少包含人員培訓、職責任命及定期復驗;
(4)管理評審:通過對能源管理制度的在實現,確J制度的正確性和適宜性,重新規定職責和權限,保證管理制度的持續有效運行。
SEI管理制度從以下5個主要步驟實施:
(1)保證:用以保證建立的能效鍋爐制度有效實施,明確能源管理負責人,能效目標細化分解;
(2)識別:基于企業用能狀況研究節能的空間和方案,主要針對領域是用能設備和能源計量;
(3)計劃:描述能源的主要消費計劃,包括用能設備、及用能設備的管理制度;
(4)實施:包括實質的節能工作方案,出其他步驟外,本步驟還應應當包含企業自身節能意識和全員參與等內容;
(5)檢查:利用持續的監測和對比旨在提升企業能源利用效率。
上述兩種方法都是采用分步實施的方式,但是Carbon Trust通過對企業概況的了解建立能源基本的管理制度,然而SEI直接確立能源管理部門來實施。兩種方法都規定了戰略方案和實施方案,以及典型的檢查方案。兩種方案都基本遵循PDCA循環:注重企業在能源利用過程中的重要耗能識別物,建立有效的預防機制并持續提升能效水平。通過用能設備的能源監測,明確能效進一步提升的空間,到達持續提升的目的,這項工作要依托于法規、標準、一些成功實踐案例以及成熟的能效管理模型。
3 基于PDCA模型改進型能源管理方法
上述兩種方法給出了實施的方法與步驟,但相對來說過于簡單,實際操作性較差。
基于PDCA模型改進型能源管理方法是在Paulk等提出的能力成熟模型(CMM)的基礎上創造出來的,并得到了大量的普及。事實上,該模型在CMM模型的基礎上增加了經濟效益分析及節能預期效果等內容。
其具體實施方案見表1。
在實施的五個階段中,第一階段是獲取用能企業的基本信息;第二階段是作為企業能源管理的第一層次,明確企業用能狀況和能效可提升的空間;第三階段是基于PDCA模型中“DO”步驟,著眼于實施能源提升的改進;第四階段是PDCA循環過程中“Check”步驟,著眼于能效提升的監測;第五階段是PDCA循環過程中“Act”步驟,在這階段中企業需要通過自查找到能耗高的原因并采用切實有效辦法改進。
4 結語
基于PDCA模型改進型能源管理方法可以知道用能單位合理利用資源,不斷提升用能水平從而獲得經濟效益的目的。該模型已經用于計算機、冶金等領域并取得了良好的效果。
參考文獻:
一、山東省重點用能企業能源管理中心建設現狀
2009年以來,山東省部分重點用能企業探索建立能源管理中心,通過對能源的自動化控制提高能源保用效率。
(一)國家激勵政策促進作用明顯。
2009年,工業和信息化部、財政部開始在鋼鐵、有色、化工等行業建設企業能源管理中心,下發了《工業企業能源管理中心建設示范項目財政補助資金管理暫行辦法》,對工業領域開展能源管理中心建設示范項目給予財政獎勵。山東省部分重點用能企業根據辦法規定,積極建設能源管理中心,目前已有65家企業開展了項目建設工作,其中濟南鋼鐵集團、萊蕪鋼鐵集團等12家企業獲得了國家財政支持。
(二)示范項目節能效果顯著。在國家支持建設的企業能源管理中心中,濟南鋼鐵集團示范項目已于2010年12月建成投入使用,萊蕪鋼鐵集團、祥光銅業、成山集團示范項目正組織建設。其中,濟南鋼鐵集團能源管理項目總投資1.23億元,年可節電20億千瓦時,水3298萬噸,高爐煤氣2.5億立方米,焦爐煤氣4291萬立方米,合計年節能量8.4萬噸標準煤,年綜合經濟效益1億元。萊蕪鋼鐵集團項目計劃總投資18116萬元,中央財政補助資金1800萬元,預計實現年節能量24.4萬噸標準煤,產生年經濟效益6750萬元。
(三)部分重點用能企業能源管理基礎夯實。
在國家重點管理的萬家企業中,山東省有1188家重點用能企業,這些企業的自動化管理程度比較高,具備企業能源管理中心建設的基礎條件,其中有68家企業建立了能源管理體系,各項能源管理基礎工作比較扎實。如山東山水集團,實行“母子公司、兩級管理”模式,集團所有水泥生產線全部采用新型干法生產工藝,自動化水平高,所屬的24家子公司均擁有自己獨立的局域網、專業機房、應用系統服務器,集團總部建立核心局域網,與子公司通過網絡連接,實現全集團虛擬局域網模式的無縫聯接,為能源管理中心建設搭建了較好的網絡軟硬件基礎。
(四)省內能源管理中心技術支撐能力進一步增強。
強大的能源調度、分析、平衡功能是實現企業能源系統優化的必要手段,目前,上海寶信軟件股份有限公司、MOX中國自動化公司等企業具備較強的能源管理控制技術能力,在寶鋼集團、天津鋼鐵、湖北興發化工、湖南華菱湘鋼等企業建設了能源管理中心項目,節能效果十分明顯。山東省能源管理中心技術支持企業起步較晚,但是借助廣闊的省內市場,企業成長迅速,山東積成電子股份有限公司、青島高校軟控股份有限公司等企業,發揮自身技術優勢,積極開拓市場,已經成功實施了成山集團、東方汽輪機、萊鋼、濰柴動力等企業能源管理中心項目。積成電子企業能源管理中心系統于2009年3月通過了山東省級技術成果鑒定,認定“iES-E1000企業能源實時監測與管理中心系統技術先進,運行穩定可靠,整體技術達到了國際先進水平”。
二、企業能源管理中心項目建設存在的問題
盡管企業在加強能源管理方面做了大量工作,企業生產的自動化程度有了較大幅度的提高,但在能源管理中心建設方面還存在一些問題。
(一)部分企業能源管理控制水平有待進一步提高。
能源管理中心項目對企業生產現場的自動化程度要求較高,從目前全省重點用能企業來看,企業能源管理中心建設仍處于起步階段,調查的156戶企業中,63%的企業生產現場尚不能滿足能源管理中心項目建設要求,能源供應、使用和產出的計量沒有實現自動采集和匯總,存在企業節能管理基礎薄弱、自動采集系統不完善、能源信息技術落后等問題,難以滿足企業深入開展節能降耗工作的需要。
(二)已建成的企業能源管理中心功能有待于進一步完善。
在已經建成的企業能源管理中心項目中,部分能源管理中心不夠完善。調查企業中,有8家企業對生產現場改造不完備,部分生產環節的能源數據不能實現即時的采集上傳。6家企業能源的控制調度功能不完備,雖然對企業進行信息化建設和集成自動化控制改造,實施DCS、PLC、QIS等工業過程控制系統和相應的生產制造自動化技術的應用,但是在能源的單獨控制、調度等方面還需要進一步優化。
(三)企業認識有待于進一步提高。
部分企業對能源管理中心建設的必要性認識不足,對通過能源的生產、輸送、分配和使用優化實現節能的認識不到位。大部分企業只注重擴大生產規模或改造生產工藝,缺少對各個生產環節能源供需的平衡,根據生產環節用能的平均值或峰值供應能源,不能動態控制調節,造成某段時間或部分環節能源供應時供大于求,降低能源利用效率。
(四)激勵政策有待于進一步完善。
2009年國家出臺了對能源管理中心項目建設的扶持政策,對鋼鐵行業的示范項目給予獎勵,2010年后,又陸續增加了有色、建材、化工等行業,支持范圍進一步擴大。但省級以下的各級政府還沒有建立相關激勵政策,僅依靠國家政策支持,很難覆蓋到中小型企業,不利于能源管理中心的普及。
三、推進山東省重點用能企業能源管理中心建設的途徑
(一)統一企業能源管理中心建設標準。
盡管部分企業建立了能源管理中心,但是建設內容和功能還不完善,不能很好的發揮企業能源管理中心的作用。要探索企業能源管理中心建設標準模式,充分發揮能源調度優化作用。
能源管理中心應包括“三個系統”,即現場控制系統改造、數據采集系統建設和信息管理系統建設,實現能源計劃、能源計量管理、能源監控、能耗分析、數據報送、重點設備能耗管理等功能。一是現場控制系統改造。現場控制系統是能源管理中心建設的基礎。主要是通過企業對能源輸送、生產、應用控制系統進行改造,為能源管理中心的采集、傳輸、調控提供用能現場數據支撐。包括能源輸送控制系統改造、能源生產控制系統改造和關鍵生產環節現場改造等。二是數據采集系統建設。數據采集系統是能源管理中心建設的保障。企業各能源介質存在于工業現場的不同環境中,因性質不同,計量設備的計量方式差異較大,針對不同介質和不同計量方式,結合現場實際情況,采用不同采集方式建設數據系統。包括配備能源計量器具、定期檢定計量儀表和健全能源計量管理制度等。三是信息管理系統建設。信息管理系統是能源管理中心建設的核心。通過基礎軟件、控制系統、基礎硬件、現場視頻監控和能源管理中心大廳建設,實現企業能源管理的集中控制。包括基礎軟件建設、控制系統建設、基礎硬件建設、現場視頻監控建設和能源管理中心大廳建設等。
(二)加快企業能源管理中心建設。
要以市場為導向,以企業為主體,以提高能源利用效率為核心,綜合運用現代化信息技術,在全省重點用能企業中建設能源管理中心,促進工業化和信息化相互融合,推動重點企業能源利用由粗放式管理向集約化管理轉變。堅持“三個結合”的原則推進建設進度,即堅持整體部署與分步實施相結合,堅持重點推進與全面實施相結合,堅持企業實施與政府引導相結合。通過建設企業能源管理中心,實現企業能源管理的“三個轉變”,即由條塊分割的能源管理向以遠程綜合監控為基礎的扁平化、高效率的運行管理模式轉變;由分散的能源管理向以集中管控為核心的一體化能源管理模式轉變;由傳統的能源管理向以建立能源系統評價和考核體系為宗旨的價值管理模式轉變。“十二五”期間,以鋼鐵、有色、建材、化工、煤炭、紡織、造紙等行業為重點,爭取建成100個省級能源管理中心示范項目,實現年節約標準煤120萬噸以上。
(三)加強政策扶持和技術研發。
一是企業利用好資金扶持政策。建設能源管理中心的企業要積極爭取國家節能獎勵資金,享受國家財政補貼。同時,積極爭取世界銀行、亞洲開發銀行等國際組織資金支持,推進項目建設。二是拓寬能源管理中心項目建設渠道。通過合同能源管理財政補貼政策,鼓勵以合同能源管理模式組織項目實施,通過節能效益分享型、融資租賃型等多種形式進行合作。利用各類金融機構開辟的綠色通道和直通車,爭取金融機構的貸款支持。三是完善激勵約束政策。各級財政應通過獎勵、補貼、貼息等不同形式加強對企業的資金扶持。各級節能主管部門應加強管理,對建設能源管理中心示范項目的企業,可列入各級節能目標責任考核內容。四是加強技術研發。企業要加強與高校、科研單位及有關專業服務機構的合作,加大科技研發投入,開發具有自主知識產權的新技術、新產品和適用于能源管理中心要求的軟件系統,不斷拓展能源管理中心功能,優化系統配置,充分發揮能源管理中心可監測、可分析、可調控作用,為企業合理使用能源提供可靠的技術支撐。同時,要不斷提高生產現場自動化程度,培養能源管理中心應用專業人才,熟練操控管理系統,根據企業生產工藝、流程變化情況,及時調整優化,實現能源管理中心對企業生產的全覆蓋。
介紹建筑能源管理系統的必要性,分析某實驗室建筑能源管理系統的需求,提出了綜合應用無線通信技術、動態組網技術及數據挖掘技術的建筑能源管理系統方案,并詳細介紹了系統的架構、功能和特點。該系統采用900MHz頻段的無線通信,提供了數據可視化、數據挖掘分析等功能,為實驗室管理人員實現科學的節能管理,提高能源利用效率提供數據支持。
關鍵詞:
能源管理;無線通信;900MHz頻段;數據挖掘分析
引言
隨著我國經濟水平的提高,能源供應日趨緊張,建筑高能耗的問題日益突出,據統計,目前建筑能耗在我國能源總消費中所占比例已高達27.6%,綜合能耗為發達國家的3倍[1],而且90%以上為高耗能建筑[2],節能潛力很大。據統計分析,如果對公共建筑按節能50%的標準進行改造,總的節能潛力約為1.35億t標準煤[3],以上海為例,僅2000年,上海市公共建筑的節能潛力合計達到了1999年上海市總能耗的18.27%[4]。對企業而言,當前能源費用呈上升趨勢,能耗成本在企業成本中所占比例越來越大。如何通過技術化手段建立科學的能源監控和管理模式,對企業的經營發展和提高經濟效益具有重要意義[5]。建筑運行能耗數據是開展節能工作重要的基礎,建筑節能要以數據為依據。國家相關文件也明確指出,需要加強高耗能企業的能源監管體系建設,利用現代化技術手段,大力推進高耗能企業能耗在線監測平臺的建設,實現對重點用能設備的能耗動態監測,是加強高耗能企業節能運行管理,建立和完善能效測評、能耗統計、用能定額、節能服務等制度的重要基礎性工作。Herzog的研究表明,通過能源管理系統可在很少投入的基礎上節約10%~25%的能耗[6],即通過對建筑用能系統的合理化操作維護可以實現建筑節能的目的[7]。針對上述問題,提出了綜合應用有線/無線通信技術、動態自組組網技術、數據挖掘技術的建筑能源管理系統,該系統以建筑能源監測管理為重點,通過對能源信息與設備信息的采集、基礎分析展示與高級應用分析,實現能源信息的可視化監測、能耗數據管理、系統運行監視,為建筑能源監測管理體系提供技術支撐,為建筑運行提供能源與運行監視手段,為管理決策部門提供管理決策依據。詳細介紹該系統在上海某企業高耗能實驗室的應用,并針對系統特點,簡單介紹了另外2個應用案例。
1實驗室概況
某實驗室位于上海市徐匯區某大樓的裙房,上下2層,建筑面積約為4000m2,配有28臺恒溫恒濕箱,用于檢驗電子產品、電子元件在濕熱環境下的性能指標。據實驗室管理方透露,該實驗室1年的用電量約為550萬kWh,屬于高耗能實驗室,其配電系統的配電結構.實驗室管理方具體需求為:監測一/二/三級配電箱開關點位的電流、電壓、電量等相關參數,其中PG-M,PG-M1,PG-M23個一級開關點位位于獨立配電房中,OR1-OR66個二級開關點位位于實驗室一樓,28個三級開關點位中的20個位于一樓,8個位于二樓。
2實驗室建筑能源管理系統
2.1系統架構
實驗室建筑能源管理系統由現場設備層、數據傳輸層、系統應用層組成,如圖1所示。(1)現場設備層:現場9個一、二級配電開關點位裝有帶RS-485接口的多功能數顯表,通過加裝MESH采集模塊采集并保存對應點位的用能數據;現場28個三級配電開關點位原沒有采集計量表計,通過加裝導軌表和MESH采集模塊,采集并保存各用能設備的用能數據。(2)數據傳輸層:數據傳輸層主要是由RS-485總線網絡、MESH采集模塊、思科柱狀路由器、無線通信網絡組成,該層是數據信息交換的橋梁。數據傳輸層分為下層傳輸和上層傳輸:下層傳輸即現場采集的用能數據通過MESH采集模塊實時傳輸到柱狀路由器,采用900MHz頻段無線傳輸方式;上層傳輸為柱狀路由器到服務器之間的通信,采用光纖有線的傳輸方式。(3)系統應用層:系統應用層對采集的現場各類數據信息進行建模、計算、分析與處理,依托各種能耗分析模型,對設備的能耗進行綜合評價,利用圖形、表格等方式直觀展現現場能耗狀況,并出具各類能耗統計報表。(4)軟件運行環境:操作系統為RedhatLinux企業版;數據庫采用Oracle。
2.2系統功能
如圖2所示,系統共有5個應用類,其中3個為前臺應用類,包括我的空間、能耗管理、運行管理;2個為后臺應用類,包括信息維護、系統管理,系統共13個應用功能項。
2.2.1前臺功能-我的空間
(1)賬戶管理:為用戶提供賬戶密碼修改,賬戶信息修改功能。(2)站內消息:為用戶提供站內設備告警信息與異常信息的彈出告警。
2.2.2前臺功能-能耗管理
(1)能耗監測:實時監測每一級配電開關點位的電壓、電流、功率、電量等運行參數。(2)能耗統計:允許有瀏覽權限的用戶對每一級配電設備的能耗數據及總能耗進行展示,包括表格、餅圖、折線圖、柱狀圖形式,相應的時間尺度包括:按小時、按天、按月、按年。(3)能耗對比:展示當前每一級配電設備的能耗數據及總能耗數據與去年同期能耗的同比及與上月同期能耗的環比情況。
2.2.3前臺功能-運行管理
(1)設備告警管理:系統可對每一級配電設備監測到的各項參數設定閥值,并根據采集到的能耗數據進行判定,以聲光、短信、郵件、推送站內告警信息等方式進行告警提示,用戶對告警信息進行確認、清除或處理,當故障排除或處理后,可消除告警,將告警歸入歷史庫,提供告警信息查詢功能。(2)運行日志管理:對數據采集情況和設備告警情況進行記錄和展示,用戶可查詢最近一年的運行日志。(3)運行報表管理:用戶可以查看告警、能源消耗等報表并支持導出和打印功能。
2.2.4后臺功能-信息維護
(1)設備信息維護:包括配電設備、采集設備、計量設備信息的建檔、錄入、刪除、查詢。(2)報表維護:用戶在該模塊中定義、修改和查看報表模版。2.2.5后臺功能-系統管理用戶可在該模塊對組織機構、人員、角色、權限和系統資源等進行配置。2.3系統特點本項目采用集成思科通信芯片的MESH采集模塊(自行研發生產)和思科的柱狀路由器,計量表計和MESH采集模塊集中安裝,MESH采集模塊和思科柱狀路由器之間采用900MHz頻段無線通信,此通信頻段和手機相同,通信距離可達1km,隔墻通信也很穩定,避免了布線帶來的破壞裝修、人工費用高及通信不穩定等問題。經過經濟性分析,此項目采用該形式比常規有線通信形式可節省約30%的經濟支出。
3系統其他應用案例
3.1案例1
海寧市供電公司辦公大樓共15層,地下1層,地上14層,總建筑面積為9510m2。在此樓加裝建筑能源管理系統,對其能耗進行采集、計量、展示、分析,依據業主方需求,照明插座用電分項采集空間顆粒度需要做到分層,其中12樓要做到分房間,由此帶來以下問題:(1)采集終端安裝在低壓配電室(以下簡稱低配室),與表計的通信距離遠,而且由于低配室在地下室,通信信號較差。(2)各樓層和12樓房間都已裝修,安裝計量表計及RS-485線需要破壞原有裝修。(3)每層的照明插座配電箱和管道井分別位于樓層的兩側,距離較遠,RS-485線安裝工程量較大。海寧市供電公司大樓建筑能源管理系統針對照明插座用電分項采用MESH采集模塊采集、無線通信的方式,在低配室布置思科柱狀路由器,每層及12樓各個房間的照明插座配電箱安裝計量表計和MESH采集模塊,MESH采集模塊自主組網,與柱狀路由器進行無線通信,很好地解決了以上3個問題。大樓其他用電分項的計量直接在低配室的回路上安裝計量表計,通過RS-485線與采集終端連接,實現有線通信。自2014年11月系統投入運行以來,采用有線通信方式的其他用電分項采集不穩定,有數據中斷的現象發生,但采用MESH無線通信方式的照明插座用電分項采集穩定,未發生任何問題。通過經濟性分析,照明插座用電分項采用有線通信的方式比MESH無線采集方式初期多投入3萬。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析,應用本系統后,該大樓能耗降低了8%。
3.2案例2
海鹽縣供電公司辦公大樓主樓共15層,建筑面積為12217m2,輔樓5層,建筑面積3812m2,有單獨的低配室和空調主機房,距離主樓和輔樓約80m。在該樓加裝建筑能源管理系統,對70談宏飛,等:建筑能源管理系統的設計及應用其能耗進行采集、計量、展示、分析。系統分為一期和二期,一期只需實現低配室分回路計量,二期的采集空間顆粒度要做到分層、分區域,每層2個區域。經過現場調研,發現以下問題:(1)一期只需在低配室安裝1個采集終端,所有計量回路的表計采用RS-485線通過管線通道與采集終端連接,實現回路的計量。但二期需要做到分層、分區域,由于主樓和輔樓離低配室距離較遠,又要考慮到樓層高度、橫向走廊寬度,RS-485線通信距離不能滿足現場要求。(2)每層分區域的2個配電箱布置在樓層,直接裝在墻上,若要敷設RS-485線,在墻上挖槽或者走PVC管線安裝的工作量都很大,而且影響美觀。(3)布線安裝工程量較大。考慮到以上3個問題以及大樓建筑能源管理系統一、二期項目的統一性,決定采用MESH無線通信的方式,在低配室取消采集終端的布置,用MESH采集模塊和柱狀路由器代替,一期所有回路表計通過MESH采集模塊采集,二期各樓層區域配電箱安裝計量表計和MESH采集模塊,MESH采集模塊自主組網,與柱狀路由器進行無線通信、無線采集。系統自2015年3月投入運行以來,通信穩定,未出現數據終端問題。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析,應用本系統后該大樓的能耗降低了10%。
4結語
基于MESH900MHz無線通信的建筑能源管理系統為科學用能、合理用能、節能管理提供支持平臺,為建筑管理人員提供決策支持,實現節能工作的科學管理及能源效率的持續改進,值得大力推廣應用。
參考文獻:
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關 鍵 詞:能源管理;信息系統;云服務
隨著能源危機的加劇和信息技術的發展,對能源利用狀況實施有效管理的迫切性和現實性已經成為擺在各級政府面前的重要課題,按照《中華人民共和國節約能源法》有關規定:重點用能單位應當向管理節能工作的部門報送能源利用狀況報告,“能源利用狀況包括能源消費情況、能源利用效率、節能目標完成情況和節能效益分析、節能措施等內容”。杭州市城市能源管理信息系統以“準確、及時、完備、增效”為信息化建設目標,按照“總體設計,分步實施”的指導方針,現已覆蓋全市千余家千噸標煤以上的重點用能單位,有效提升了杭州市能源監察管理的水平。
一、系統概述與特點
1.系統簡介
杭州市能源管理信息系統是一個基于云計算平臺的,面向全市重點用能單位、區縣能源監察機構和市能源監察中心的,提供能源利用狀況數據采集、統計分析和節能監管服務的系統。各用能單位在區縣能源監察機構公告后,能夠進行能源利用狀況的申報,申報信息分月報、半年報與年報,申報內容有企業能源收支平衡表、主要耗能產品單位能耗及綜合能耗表、產值能耗表、企業用水情況表、工藝生產線表、主要熱能設備表和主要用電設備表等。企業申報完成后,杭州市及區縣、企業均可授權上網查看本企業、本地區或全市的能源利用狀況,各級管理員可進行本地區和行業的匯總分析,監控本地區企業的申報進度等。
2.系統特點
與企業能源管理信息系統[1]、行業能源管理信息系統[2]相比,杭州市能源管理信息系統的特點是宏觀性、本體化和效益率。宏觀性是指系統不局限于一個企業或單位,而是面向全市所有用能單位,依法有效對經濟法人實施能源監察;本體化是指在網頁技術實現方面根據管理信息的本質規律,在動態網頁腳本中嵌入基于本體理論[3]的數組實現技術,并且在網頁元素標識上采用序數法連續編號,編程效率高,架構清晰,易于維護;效益率是指系統引入產值、增加值、生產成本、能源費用等一系列價值指標,將數據挖掘分析作為重要的手段,實現能源利用有效服務經濟發展,推動節能降耗,提升監管水平的目標。
二、結構設計
1.功能模塊設計
杭州市能源管理信息系統包括企業子系統、區縣子系統和宏觀分析子系統,如圖1所示,其分別面向用能單位、區縣管理員和杭州市級管理員,以及各級能源主管領導。系統實現企業數據采集、監管和統計分析功能,用能單位在上級能源管理部門在線公告、注冊登記后可以按月申報數據,區縣及職能部門在線注冊登記并獲得市能源監察中心授權后可以按月在線進行本地區數據的監管與分析。
2.數據庫架構設計
云計算環境的管理信息需求更為多樣、動態和不確定,針對由此帶來的管理信息系統開發成本高、效率低、周期長等諸多問題,系統采用N層數據庫架構(圖2),結合元數據管理,改善程序代碼環境,快速實現能源管理信息系統設計、開發、集成、部署、運行和管理。系統網站采用B/S模式、ASP開發平臺和SQL Server數據庫,符合一般云計算的基本特征,由底層基礎設施、中間件平臺和前臺應用軟件若干層次組成,體現了基礎設施即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)及軟件即服務(SaaS)的思想。
3.指標及其勾稽關系設計
為了使全市的“節能增效”監管落到實處,杭州市根據實際情況,嚴格遵守國家和省市統計指標格式規范,結合能源技術領域的專業要求,引入了工業總產值、工業增加值、生產總成本、能源總費用等體現效益與成本的統計指標(圖3),全面、科學歸納了計算類、控制類、提示類等指標勾稽關系(表1),幫助企業樹立“節能降耗、綠色發展”的新理念。
三、應用設計
1.業務流程設計
用能單位在杭州市能源監察中心或區縣能源監察機構公告后,方能進行能源利用狀況的申報,申報信息分月報、半年報與年報。企業申報完成后,杭州市及各區縣、用能單位均可被授權上網查看本單位、本地區或全市的能源利用狀況,各級管理員可進行本地區和行業的匯總分析,監控本地區用能單位的申報進度等,圖為申報、查詢及管理操作業務流程,如圖4所示。
2.管理界面設計
各級管理員在分析能源利用狀況指標時,需要對某些指標、樣本有所取舍,因此,杭州市能源管理信息系統設計了足夠的自定義條件查詢與匯總功能(圖5)。圖中的①可以實現所有指標的任意K-V(Key -Value)查詢;②表示可任意取舍所需指標欄目;③則將常用的企業查詢、行業查詢、區縣查詢以及年月查詢單列,供管理員用戶選擇使用,鑒于在樣本較多的情況下,頁面容量受到限制;④提供了翻頁功能,而且在打印時還能提供分本的功能。
四、應用效果
經一年多運行,杭州市能源管理信息系統在全市的能源監察管理中發揮了很好的作用,全市1000—3000噸標煤規模的市管用能企業達到700余家,能源監察總規模已達到173萬噸(等價)標煤,各項統計數據一目了然,能源監察效率和管理服務水平極大提高,這標志杭州市在節能增效,有效開展能源利用狀況監察方面取得了顯著效果。
參考文獻
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關鍵字:合同能源管理;節能;利益分配;納什談判解
中圖分類號:F274
一、引言
能源緊缺是影響全國乃至全球發展的重要瓶頸,中國已成為全球第一能源消費國,而根據“十二五”規劃,到2015年我國一次能源消費總量必須控制在42億噸標準煤以內,這意味著未來幾年內我國節能降耗的任務將十分艱巨,但同時也意味著未來我國節能市場潛力非常巨大。
合同能源管理是國際上20世紀70年代逐步發展起來的一種全新的節能機制。在世界銀行(WB)的幫助下,合同能源管理于1998年引入中國,并迅速發展起來。其實質就是用客戶未來減少的能源費來支付節能項目的全部投資并分享其節能效益的商業模式。節能效益分享型是合同能源管理的三大運營模式之一。在這種模式下,用能企業和節能服務公司簽訂節能服務合同,并約定合同期內的效益分配比例。用能企業不需要支付任何改造和服務費用,而由節能服務公司對項目進行融資,提供資金和服務,并在客戶配合下實施節能項目。合同期滿后,項目節能效益和節能項目所有權歸用能企業所有。
合同能源管理要發展,成功的關鍵是節能服務公司和用能企業雙方都能夠受益,達到合作雙贏的良好愿望,而雙方都能夠分享節能效益的前提是制定合理的效益分享原則。但目前,合同能源管理在我國尚處于發展初期,節能效益分配還沒有科學合理的方法和原則,因而在很大程度上制約和阻礙了合同能源管理模式在中國的發展。本文運用合作博弈理論,將用能企業和節能服務公司作為參與雙方,構建了二人合作博弈模型,應用納什談判解很好的解決了節能效益分享型合同能源管理中的利益分享問題。
二、納什談判公理:一個分析框架
合作博弈是研究人們達成合作時如何分配合作所得到的利益,即利益分配問題。在20世紀50年代,納什創造性的發展了合作博弈理論,并用公理化的方法構建了二人討價還價模型。合作解完整、公正,體現了美感,彌補了在非合作博弈中,納什均衡對效率考慮的缺失。如何使局中人能得到的收益達到公平合理,納什給出了納什談判公理,并推導出納什談判解的結果。
合作博弈必須遵守如下假設:
第一,合作博弈允許兩位局中人在博弈前進行協商。
第二,合作博弈中局中人一旦達成協議,則協議即產生了強制約束力,雙方必須遵守。
納什方法的基本思想是,如果局中人同意把這幾條公理作為一般原則,那么他們自己就可以在任何情況下應用符合這些公理的仲裁程序而不必求助于實際的仲裁人。納什公理體系如下:
公理1(個體合理性) (F,U)≥U,即 (F,U)優超于U;
這一原則表明,用能企業和節能服務公司在通過合同能源管理合作后,其收益要比不合作時多。合作不能損害雙方利益,否則局中人會退出合作。
公理2(可行性)(F,U)∈F;
公理2表明,雙方的談判解是可行的。
公理3 (帕累托最優性) 若 (F,U)∈F,且對F中任何一x,若x≥ (F,U),則x= (F,U);
這一公理表明,博弈的局中人只關心帕累托最優贏得,實施合同能源管理后,其最終的節能效益分配方案是最優的,優超于其他分配方案,更確切的說,這至少使其中一方得到的效益更多。
公理4(無關方案的獨立性) 若有任意凸集G,若,且(F,U)∈G,則(G,U)=(F,U);
這一公理表明,在雙方談判過程中,擴充的方案仍在原方案范圍中,那么增加的談判方案不會影響原來的談判結果。
公理5表明,節能效益分配方案與其結果有線性關系,使得局中人的收益可以用效益函數來表示。
公理6表明雙方的地位是平等的,且當雙方談判的基點相等時,他們的收益是相等的。
滿足上述6條定理的節能效益分配方案,以談判雙方的利益為出發點,又體現了個體的理性。不僅符合公平公正的原則,又考慮到了效率問題。這種分配方案的合理性會被雙方接受,從而保持合作。
在上述公理體系基礎上,納什證明了納什談判解的存在及合理性。在用能企業和節能服務公司的合作博弈過程中,存在唯一的解(F,U),且這個解滿足公理1:
三、應用算例
應用算例包含模型假設和應用兩個部分。
(一)模型假設
節能服務公司和用能企業之間的合作就是一種合作博弈的關系。對于雙方而言,合作所創造的利益至少不低于不合作時所創造的利益,否則他們不會達成一致。
根據利益分配協商的納什談判解,我們可以構建用能企業與節能服務公司之間二人合作的節能利益分享模型。設P為實施合同能源管理后總的節能收益, 為第Ui(i=1,2)個效用函數,雙方談判的起點為向量U=(U1,U2),它表示在合同能源管理過程中,用能企業與節能服務公司各自愿意接受的節能利益分配的下限值。則二者的利益分配向量為X=約束條件(1)說明:二者分配的利益之和即為實施合同能源管理后總的節能效益
約束條件(2)說明:實施合同能源管理后分配的利益不小于非合作狀態下各自的收益。
根據前文公式1,我們可以推導出用能企業和節能服務公司利益分配模型的解。通過對公式 (F,U)進行一階求導,又知 X1+X2 =P,我們可以求得:
(二)模型應用
遼寧省某供暖中心的供熱對象大多是20世紀80年代初期的建筑,且原來的設備比較落后,耗煤量很大,存在較大的能源浪費現象。對此,該供暖中心引進了合同能源管理項目,并約定采用節能效益分享型的合作模式。簽訂能源服務合同后,節能服務公司投資200萬元(從銀行貸款)從技術、設備、管理等方面實施了全方位節能項目改造工程。合作后總的節能收益為180萬元/年;若不合作,那么該供暖中心節能收益僅為5萬元(只能通過減少浪費和不必要的能源損耗等簡單方式來進行節能),節能服務公司收益為零。雙方簽訂了合作協議:第一年,節能服務公司獲得全部收益,第二年、第三年、第四年節能服務公司與供暖中心按比例分享節能收益,第四年以后,節能收益全部歸遼寧省某
即得納什談判解為(92.5,87.5),那么,第一年總節能收益為180萬元,節能服務公司得到全部收益;第二年、第三年和第四年每年總節能收益均為180萬元,其中供暖中心分配92.5萬元,節能服務公司得到87.5萬元。第四年以后,供暖中心獲得全部節能收益。
我們將合同期內(前四年)雙方的節能收益水平進行統計,如表3-1所示,
將供暖中心和節能服務公司合作前后收益水平變化情況進行比較,如表3-2所示:
由表3-2可以看出,供暖中心和節能服務公司的收益均有不同程度的上漲,并且供暖中心的收益增長增加稍多,而且從第四年以后,供暖中心會獲得全部節能收益。這對于用能企業本身來說,沒有承擔任何風險,便能取得逐年遞增的節能效益;對節能服務公司來說,完全取得了“借雞下蛋”的收益效果。這樣更有利于調動用能企業進行節能改造的積極性,同時也讓節能服務公司得以生存、發展和壯大。
四、結論及引申
本文運用合作博弈理論,將用能企業和節能服務公司作為參與雙方,構建了二人合作博弈模型,應用納什談判解很好的解決了節能效益分享型合同能源管理中的利益分配問題。通過以上研究可得如下啟示:
第一,通過合同能源管理節能模式在企業中的應用,不僅大大減少了資源浪費,還增加了用能企業的額外收益,調動了企業節能減排的積極性,也讓節能服務公司得以生存發展。
第二,節能收益的分配方案,即納什談判解的基礎是以公平公正為原則,所以博弈雙方易于接受,從而達成合作。
第三,納什談判解計算較為簡便,避免了合作雙方無休止的討價還價過程和繁瑣的計算程序,因而節省了時間成本和機會成本,使雙方盡快達成一致。
第四,基于納什談判公理6,不難發現,我們研究的是在談判主體雙方地位平等情況下的合作,因此,若一方處于壟斷地位,則不適合應用本方法。值得注意的是,合作博弈考慮了更多的道德因素,但是在現實社會中,人們為了追求經濟利益的最大化,往往忽略了道德因素,因此,納什談判解或許更適合商業道德和素質較高的企業間的合作。此外,納什談判解傾向于平均主義,需要進一步引進市場競爭因素來規范合同能源管理節能效益的分配機制。
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