基于数字孪生的零碳高校能源管理系统：技术模型构建与实时优化优势验证

易允恒 安科瑞电气股份有限公司

摘要 在国家“双碳”战略背景下，高校作为社会能源消耗的重要主体，亟需构建智慧化能源管理体系以推动绿色低碳发展。本文基于安科瑞电气股份有限公司提出的校园智慧能源系统解决方案，结合政策背景、技术架构与典型案例，系统分析了传统能源管理模式的痛点，提出了多阶段分层的智慧能源管理平台建设路径。通过集成物联网、大数据与人工智能技术，该方案实现了校园能源数据的实时监测、智能分析与动态优化，覆盖电力、照明、空调、用水等多个子系统。实际应用案例表明，该系统可降低校园运营成本10%以上，并显著提升能源安全性与管理效率，为高校能源数字化转型提供了可复制的实践范式。

1. 引言

随着《“十四五”现代能源体系规划》与《绿色低碳发展国民教育体系建设实施方案》等政策的出台，高校被明确要求建立能耗监测体系，推动能源管理智能化。当前，高校普遍面临建筑规模大、用能场景复杂、能耗监管粗放等问题，传统能源管理模式存在数据孤岛、响应滞后、人工依赖度高、安全隐患多等缺陷。在此背景下，基于物联网架构的智慧能源管理系统成为破解高校能源管理困境的关键路径。本文以安科瑞电气股份有限公司开发的智慧能源管理平台为核心，探讨其技术架构、功能设计及实际应用价值。

2. 客户痛点分析

2.1 传统能源管理系统的局限性

信息孤岛严重：电力监控、空调控制、消防报警等子系统独立运行，数据无法互通，难以实现全局优化。

管理效率低下：依赖人工抄表与巡检，能耗统计滞后，异常响应周期长，缺乏实时预警能力。

安全隐患突出：电气火灾、设备过载等问题难以及时发现，消防系统独立运行导致联动能力不足。

节能潜力未释放：照明、空调等设备缺乏精细化调控策略，公区长明灯、空调超低温运行现象普遍，造成能源浪费。

2.2 高校能源管理的特殊需求

高校建筑类型多样（教学区、宿舍、实验室等），用能需求差异显著，需实现分区、分时、分场景的精准管理。此外，校园需兼顾安全、节能与师生体验，例如宿舍需识别违规电器并设置用电配额，实验室需保障精密仪器供电质量。

3. 解决方案设计

3.1 系统架构与功能规划

安科瑞智慧能源管理平台采用“感知层-传输层-平台层-应用层”四层架构（图1），支持多源异构数据融合与跨系统协同：

感知层：部署智能电表、水表、温湿度传感器等设备，实时采集电力、环境、设备状态等数据。

传输层：通过5G/局域网实现数据高效传输，支持OPC、Modbus等协议对接第三方系统。

平台层：基于云计算与边缘计算构建数据中心，集成MySQL、MongoDB等数据库，实现数据清洗、存储与分析。

应用层：开发WEB/APP交互界面，提供能耗监测、设备控制、安全预警、费用统计等12项核心功能模块。

图1 系统技术架构示意图

3.2 核心子系统设计

综合能耗分析系统：基于能耗拓扑、空间拓扑与组织拓扑三维模型，实现分楼宇、分房间的能耗动态统计与对标管理。

宿舍电控计费系统：支持5路独立计量，识别恶性负载（如电热毯、电炉），设置用电额度与定时通断策略，并与校园一卡通联动。

智能照明/空调群控系统：通过策略下发（时控、策控、群控）优化公区设备运行，例如根据光照强度自动调节照明亮度，依据课表控制教室空调启停。

电气安全监测系统：集成电气火灾监控、消防电源监测与应急疏散指示，实现隐患自动切除与多级报警（短信、微信、平台弹窗）。

3.3 分阶段实施路径

EMS-EDU 1.0阶段：打破信息壁垒，建立统一数据平台，实现基础监控与运维自动化。

EMS-EDU 2.0阶段：引入定额管理与能效指标，通过AI算法优化节能策略，降低管理能耗。

EMS-EDU 3.0阶段：构建“源网荷储”一体化微电网，集成光伏、储能与充电桩，实现多能互补与碳中和目标。

4. 应用案例与效益分析

4.1 典型案例

空天信息大学（新建校区）：部署35kV变电所监控与配电室环境监测系统，实现变压器状态实时评估与非电参量（烟感、水浸）联动报警，年节省运维成本15%。

西交利物浦大学：通过LEED金级认证的智慧校园中，平台集成电力监控与能耗分析模块，使公共区域照明能耗降低22%。

吉首大学（改造项目）：建立“一户一表”定额管理体系，攻克信息孤岛问题，数据互通支持跨校区协同管理，直接节能效益达12%。

4.2 综合效益

安全效益：电气火灾隐患识别率提升90%，故障响应时间缩短至5分钟内。

节能效益：平均降低校园综合能耗10%-15%，光伏系统贡献清洁能源占比超30%。

管理效益：运维人力需求减少40%，能源管理决策效率提升50%。

社会效益：助力高校年均减碳2000吨，为“双碳”目标提供可量化支撑。

5. 结论与展望

本文提出的校园智慧能源管理系统通过技术创新与模式重构，有效解决了传统能源管理的痛点，实现了安全、节能与智能化的统一。未来，随着数字孪生与区块链技术的引入，系统可进一步优化能源交易与碳足迹追踪功能。建议高校结合自身特点分阶段实施，同时加强跨学科合作，将能源数据应用于教学科研，深化智慧校园的可持续发展内涵。

审核编辑 黄宇