数字化技术在公共机构节能领域 的应用研究与实践

一、我国公共机构节能降碳工作现状

2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，全面部署推进节能降碳工作。党政机关和企事业单位等各行各业积极响应，立足实际推进节能降碳工作。国管局、国家发展改革委印发《“十四五”公共机构节约能源资源工作规划的通知》，国管局、公安部分别出台了《节约型机关创建行动方案》《关于深入推进节约型机关建设的指导意见》等文件，指导落实公共机构和公安部机关及直属单位的节能降碳工作，公安部第三研究所（以下简称三所）对标上述部署要求，主动响应实施。

根据国管局的统计数据，2020年，全国公共机构能源消费总量1.64亿吨标准煤，用水总量106.97亿立方米。单位建筑面积能耗18.48千克标准煤/平方米，人均综合能耗329.56千克标准煤/人，人均用水量21.53立方米/人，与2015年相比，分别下降了10.07%、11.11%和15.07%。同时，能源消费结构持续优化，电力、煤炭消费占比与2015年相比分别提升1.57%和下降5.17%。

通过对国管局遴选的近年来公共机构节能降碳的优秀案例分析发现，目前公共机构节能降碳工作突出体现了新理念、新技术、新能源的特点。其中，数字化技术的应用是牵引节能降碳新措施的主线，成为三所研发建设“数智后保”数字化系统项目的基本理念。

二、公共机构节能领域主要工作范畴与途径研究

（一）节能降碳工作范畴。

明确节能主要领域。三所作为公共机构，能耗主要为建筑能耗和机构运营用能，能源消费结构以电为主、油为辅。多数能耗行为体现在建筑能耗上，因此建筑节能是三所节能工作的主要领域，其节能对象为电。

推进节能技改应用。节能技术改造应用是推进节能降碳的主要方式，需从“开源”“节流”“系统统筹”3个方面着手。在“开源”方面，大力推广和应用光伏、风电等新能源发电技术；在“节流”方面，使用高能效比用能终端；在“系统统筹”方面，采用数字化的技术手段实现用能行为数字化表征和综合管理，优化能源使用方案，提升能源利用效率。

完善节能监管。通过建章立制，切实保障节能降碳工作高效进行。根据《公共机构节能条例》，落实节能政策，为节能监督、管理、审计和奖惩等方面提供支持，有效推动节能工作顺利开展。

（二）节能降碳途径。

管理制度途径。创新管理制度，保障各项节能降碳工作有序推进。管理制度应具有完整性、可操作性、规范性等特征。以三所实践情况为例，公共机构在创新管理制度上应包括但不限于以下内容：1.明确节能降碳目标、任务、责任、考核和监督机制；2.制定空调等用电设备使用制度；3.规范公车使用制度；4.制定用水各项管理制度；5.明确运维人员和监督人员主体责任、工作内容和要求；6.制定用电用能设备的台账管理制度；7.制定报修、运维保养管理制度；8.其他应用类管理制度。能源结构途径。节能降碳的核心在于节约化石能源，重点在于节电。截至2022年底，火力发电量占比超过六成，而火力发电产生了大部分的碳排放。实现碳达峰碳中和的目标，需大比例提升新能源发电占比。从公共机构的自身资源来看，利用建筑屋顶和空地，积极发展分布式光伏发电，是切实可行的方案。

技改应用途径。使用高能效比设备，如高能效比空调、液冷式数据中心、新能源车、LED节能照明产品等。三所作为驻沪公共机构，办公与科研园区均在市区，不具备广阔的物理空间和丰富的自然资源，在发电侧可采用的技术受到限制。因此，因地制宜采用物联网、云计算、大数据等数字化技术手段实现能源的数字化管理，以此赋能节能降碳工作，这是有效的技改途径之一。三所经过实践探索，证明这一技改方式是正确的、可行的。

三、公共机构节能降碳数字化应用研究

（一）公共机构能耗特点分析。

公共机构的能源消耗，具有“点多、线长、面广”的特点。“点多”是指公共机构用能终端多。以三所为例，徐汇、浦东、杨浦三个园区拥有数据中心、空调、照明等众多设备，数量多、种类多。“线长”指时间跨度长，公共机构不同的终端用能特点不一样，例如，照明用电量不大但是平稳，而空调则是用量大且具有一定周期性，其完整用电周期跟踪用时较长。“面广”是指公共机构用能部门多、建筑主体多、分布区域多，极易造成数据提交的格式、标准不一，对能耗管理带来不便。

（二）运用数字化推动节能降碳的重要性和必要性。

党的十八大以来，习近平总书记多次就数字中国建设提出明确要求。建设数字中国是实现中国式现代化的必然选择。数字化在节能降碳中的应用是生态文明建设的重要组成部分，是推进碳达峰碳中和的重要技术手段。

所谓数字化就是将人、物、事件、流程等线下行为实现数字化表征。应用数字化赋能节能降碳产生了很多案例。例如，北京海淀的“城市大脑”应用数字化打造城市治理的中枢系统，提升城市各环节运行效率，服务政府降碳决策与监管；北京大学第三医院以医院用能数据为导向，推动能源管理精益发展的数字化节能降碳案例等。这些成功案例表明，数字化在节能降碳工作中起到积极推动作用和良好效果。

因此，为了实现低碳转型、可持续发展的目标，公共机构应该积极探索和应用数字化技术。

（三）数字化系统建设赋能节能降碳。

数字化系统建设目标是围绕着能耗数据生成、存储、展示、分析和安全开展的，以技术手段推动节能降碳。建设数字化系统主要有以下几方面关键技术：

1.数据采集与传输。运用物联网、通信技术，实现终端数据自动采集，通过边缘计算对终端原始数据进行预处理，过滤无效数据和干扰数据；数据采集通过有线和无线两种采集设备进行，支持MODBUS、DLT-645、RS-485等多种协议。

2.数据分析与处理。数据分析处理模块通过分布式架构数据库服务器和MessageQueue实现分布式容错和稳定性数据处理。同时，定期对汇总数据预处理，实现快速数据查询和报表显示，提高数据处理和分析的效率。

3.数据挖掘与辅助决策支持。通过采集分析各项终端用能数据，能够清晰地反映用能整体概况、结构和特点。运用大数据分析技术，可自动识别“跑冒滴漏”等用能异常情况。

4.数据加密与信息安全。该系统部署在三所信息中心内网虚拟集群环境中。外网访问须经过华三外部防墙、绿盟Web应用防护系统、内部深信服防火墙，方可到达“数智后保”管理平台所在的虚拟集群，因而数据安全有保障。

（四）数字化能源管理的主要功能特点。

1.数据采集自动化。通过安装智能电表、智能水表和环境监测传感器等智能设备，实现终端用能数据自动采集并实时上传至数字化能源管理平台。

2.能耗数据可视化。数字化能源管理平台将采集到的能耗数据通过图表、图形、报表等形式进行展示，实现能耗数据直观可视。

3.统计分析多元化。能耗统计分析提供了日、周、月、年等多种周期的统计，还可实现同比、环比等对比分析，多维度反映能耗变化情况。

4.管理决策科学化。通过对能耗终端数据的采集、统计与分析，管理者以数据为依据制定用能方案，使决策更加科学、严谨。

5.移动办公高效化。数字化软件采用Ｂ/Ｓ与Ｃ/Ｓ混合的软件体系结构，可在移动端实现系统登录查看与管理。

四、“数智后保”数字化管理系统的应用实践

公安部节能减排领导小组办公室对三所推动节能降碳工作给予了很多政策指导和资源支持，助力三所设计开发了“数智后保”管理平台（以下简称平台）实现能源的数字化改造和管理，赋能节能降碳，并在三所浦东园区先行试点。

“数智后保”数字化管理系统结构为“1+N”模式，其中“1”是平台，“N”指若干个业务模块，如节电、节水和节粮等。

（一）平台。

平台包括硬件系统和软件系统。硬件系统主要包括支持系统运行的服务器、网络设备、运维大屏和各类智能终端等。软件系统采用Ｂ/Ｓ与Ｃ/Ｓ混合的软件体系结构，按功能分成3层，即综合能源管控系统（数据展示层）、数据处理器（数据处理层）、数据网关（采集传输层），共5个模块。

图1软件平台架构

平台通过数字孪生技术实现建筑物等参数可视化，在项目总览中包括项目介绍和项目能耗两部分：项目介绍有建筑面积、建筑功能、能源类型、建筑数量、接入设备及点位数量等信息，项目能耗可以通过点击相应的功能按钮将水电能耗以不同形式显示出来。

平台通过“建筑总览”展现建筑物的实景图片、基础信息、地理位置、采集网关和设备数量等详细信息。平台主要实现以下功能：

三维视图功能。查看项目总体布局状态、建筑外观及分布、能源系统信息运行概览。

电子地图功能。展示园区各个建筑的地理分布位置，查看建筑基础信息、总能耗、分项能耗等信息。

设备地图功能。显示智能设备所在位置，并可查看设备基本信息、运行状态。

设备监测功能。以图表方式展示所有设备的数据，还可对一些带控制功能的设备进行远程控制。

报表统计功能。提供按区域、能耗类型、设备类型等多种数据统计方式，提供日、周、月、年等多种周期的统计方式。

损耗分析功能。通过对比1级表、2级表的能耗输入输出数据，计算得出用能的损耗值、损耗率等数据信息。

预警功能。对设备、能耗数据、网络、管理等异常提供多种预警方式，包括声音提示、邮件提醒、公众号推送、短信通知等。

任务（工单）管理功能。预警信息自动生成工单，主动上报平台转发派单，并可查看详细信息。

（二）业务模块。

1.节电模块。经过持续推进平台建设，目前三所已完成浦东园区共计253个各类智能设备、智能表具及传感器的安装调试；实现新能源发电和用电数据实时采集，全方位掌握园区用能情况；园区的室外照明路灯、围墙灯、草坪灯均采用“可再生能源光伏发电+储能”的形式，通过“光－电－光”的能量转化过程，实现零碳照明。依托平台实时展示园区的用电情况。

在节电改造中，主要采取了以下措施：在张江园区A座办公楼屋顶安装太阳能光伏发电系统，年均发电量约13万kWh。室外照明采用光储能路灯、太阳能围墙灯、太阳能草坪灯，实现零碳照明。完成张江园区A、B、C三座办公楼外围及楼宇内管线敷设以及191块智能电表安装调试，并接入平台投入使用，实现用电数据实时采集与统计。

2.节水模块。三所在平台建设中，以浦东园区为试点，更换节水感应龙头100余个，预计每年节水约2000m³。通过安装中水回用系统，对办公楼内饮水机中水、空调冷凝水的回收再利用，年节约用水约300m³；完成建设两个容量分别为10m³、31m³雨水节水池，收集雨水用于绿化浇灌，每年实现自来水替代率达4000m³；安装替换智能水表50多个，所采集的用水数据实时传送至平台，实现用水智能化监测、统计和分析。

3.节粮模块。后勤保障部门开发订餐小程序，做到精准备餐，减少浪费。节粮模块主要实现以下功能：

预订服务。通过手机端线上预订餐饮、自制及优选商品换购等，实时查询订餐明细，实现精准备餐。

客流统计。实时了解餐厅就餐人数，评估就餐拥挤情况，给就餐时间选择和决策提供数据参考。

餐厨垃圾。通过厨余垃圾处理装置二次改造，增加智能称重设备，将厨余湿垃圾产出量降低50%左右。

提供互动窗口，不断优化服务流程。增加食堂与干部职工的线上沟通，如菜品评分、意见建议，帮助提升食堂的服务水平和菜品品质。

（三）“数智后保”数字化管理系统取得的成效。

1.社会效益。“数智后保”数字化管理系统起到创新引领作用，受到国管局公共机构节能管理司和公安部节能减排领导小组办公室的积极评价。三所先后获得“节约型公共机构示范单位”“公共机构能效领跑者”“上海市节约用水示范（标杆）单位”“节约型公共机构示范单位创建示范案例”“上海市公共机构水效领跑者”等称号。

2.降碳效益。三所在浦东园区安装的太阳能光伏系统自2020年底上线以来，累计发电30.08万kWh，其中2022年屋顶光伏发电13万kWh。另外太阳能围墙灯年节电5000kWh，光储能路灯年节电4000余kWh，太阳能草坪灯年节电650kWh。浦东园区每年替代城市用电约14万kWh、减少二氧化碳排放近百吨。

节水包括中水回用、雨水回用和节水龙头3部分，每年共计节水约6300m³，相当于减少二氧化碳排放886千克。

节粮模块每年减少餐厨垃圾250桶，节省垃圾处理费用20000元。

表1节能模块降碳效益分析

3.间接经济效益。平台上线后，自动生成水电数据，减少了巡检频次以及换购人力投入，预计每年节省38万元；能耗降低5%，每年节约50万元；设备资产寿命延长1至2年，相当于实现资产保值30万元/年。以上合计间接实现经济效益118万元/年。

表2平台间接经济效益分析

综上所述，“数智后保”是以能源管理为核心的数字化管理平台，它通过对传统线下业务线上化，实现各项能耗行为的数字化，并以数据为决策依据，优化用能设备控制策略，实现智慧监控和能耗预警。实践证明，该平台可明显提高公共机构能源使用效率，降低碳排放，具有广阔的应用前景。

（文/公安部第三研究所“数智后保”项目课题组）