《能源系统健康管控与智能运维》以能源流转的产、储、配、用全过程为视角，以保障新一代综合能源系统高效可靠服役为目标，梳理了适应绿色发展新需求的相关技术，以能源系统全生命周期管控和运维为切入点，将人工智能和信息技术与能源的生产、设计、运维环节深度融合，针对不同能源应用场景介绍了评价诊断、动态预测、协同优化、健康管控技术的实施过程和降本增效的典型案例。

目录
前言
第1章 能源产业和技术现状 1
1.1 能源革命 1
1.2 国外能源政策和产业发展 2
1.2.1 欧盟颁布的能源政策 2
1.2.2 北欧地区的节能减排税收政策 2
1.2.3 德国的《可再生能源法》 3
1.2.4 英国电力脱碳措施 4
1.2.5 日本发展低碳经济的历史进程 4
1.3 中国能源生产和消费现状 4
1.4 能源领域的创新技术发展现状 7
1.4.1 能源统计和能效评价方法 7
1.4.2 能源管理监控系统 8
1.4.3 节能服务创新技术 9
1.4.4 新型储能装置 10
1.4.5 分布式能源系统 11
1.5 新一代能源系统的瓶颈问题 11
参考文献 14
第2章 能源系统的评价方法 15
2.1 能源系统评价诊断技术瓶颈 15
2.2 多指标综合评价方法对比 16
2.2.1 定量评价方法 16
2.2.2 定性评价方法 17
2.2.3 定量与定性结合的评价方法 18
2.3 模糊评价方法 18
2.4 层次分析法 20
2.5 VIKOR折中评价方法 22
2.6 基于决策树的运行能效评价 24
2.7 评价指标体系的构建原则 25
2.7.1 评价指标的筛选原则 26
2.7.2 评价指标的筛选方法 26
2.7.3 评价方法构建 27
2.7.4 评价方法的比较 28
参考文献 29
第3章 能源方案评价 30
3.1 集中供热系统的主要形式 30
3.2 集中供热系统的能耗特点 32
3.3 集中供热模式的评价指标 34
3.3.1 技术经济评价指标 34
3.3.2 社会效益评价指标 36
3.4 城市集中供热系统的方案评价 37
3.4.1 工程概况 37
3.4.2 能耗模拟分析 38
3.4.3 供热方案经济性比较 39
3.4.4 供热方案的综合评价 41
3.5 污水源热泵系统的方案评价 45
3.5.1 能源改造项目概况 45
3.5.2 供暖方案的模糊评价指标体系 46
3.5.3 基于拟优一致判断矩阵的改进层次分析法 48
3.5.4 污水源热泵供暖方案的定量评价 49
3.6 污水源热泵系统取水方式的评价 52
3.6.1 常见取水方式及特点 53
3.6.2 基于VIKOR算法的取水方式评价方法 55
3.6.3 基于VIKOR算法的取水方式评价 58
3.6.4 评价结果的验证 67
参考文献 70
第4章 建筑能源系统全过程综合评价 71
4.1 建筑能源系统全过程综合评价的必要性 72
4.2 能源改造方案评价与诊断 73
4.3 水源热泵系统运行能效评价 77
4.3.1 运行能效评价指标的选择 77
4.3.2 地下水流量对系统运行能效的影响 78
4.3.3 换热温差对系统运行能效的影响 78
4.3.4 水源热泵机组COP对系统运行能效的影响 79
4.4 建筑用能基准评价 81
4.5 机房设备群的可靠性评价 84
4.5.1 基于BSS算法的可靠性评价 85
4.5.2 水源热泵机组的健康能效评价 87
4.6 能源系统后评价 90
4.6.1 后评价指标体系 91
4.6.2 权重指标的计算 96
4.6.3 熵技术修正权重 102
4.6.4 指标体系权重计算结果 104
参考文献 106
第5章 用能和产能的动态负荷预测 107
5.1 智能预测技术发展现状 108
5.2 空调系统新风负荷预测 109
5.2.1 建筑概况 109
5.2.2 基于AHP的新风负荷影响因素分析 110
5.2.3 Elman神经网络 111
5.2.4 基于Elman神经网络的动态预测 113
5.2.5 基于遗传算法优化的Elman预测模型 116
5.2.6 新风负荷预测结果分析 119
5.3 空调负荷预测 123
5.3.1 能耗监测系统设计 123
5.3.2 基于BP神经网络的能耗预测模型 127
5.4 短期用电负荷预测 133
5.4.1 支持向量机预测方法 133
5.4.2 样本数据的预处理 134
5.4.3 电力负荷预测结果 136
5.5 风电功率的动态预测 137
5.5.1 风电功率预测技术现状 137
5.5.2 风电功率预测 138
参考文献 142
第6章 能源管理系统的节能优化和控制策略 143
6.1 基于物联网的建筑能耗监测系统 144
6.1.1 建筑能耗监测系统设计 144
6.1.2 物联网平台和数据库 146
6.1.3 能耗监测数据的处理 149
6.2 建筑能源系统运行能效评价 150
6.2.1 运行能效评价结果 150
6.2.2 空调系统的节能诊断 153
6.2.3 能效检测结果分析 157
6.3 基于动态负荷预测的负荷率优化 158
6.3.1 冷水机组能耗模型 158
6.3.2 多台冷水机组运行的目标函数 159
6.3.3 基于粒子群优化算法的负荷率分配优化 160
6.4 中央空调系统的协同优化 165
6.4.1 中央空调系统的能耗模型 165
6.4.2 基于粒子群优化算法的运行参数优化 168
6.5 能源系统的节能控制 172
6.5.1 Simulink仿真平台 172
6.5.2 冷却水系统能耗仿真 174
6.5.3 空调箱的自适应模糊PID控制 175
6.6 热泵机房的控制策略 181
6.7 夜间通风节能策略 184
6.7.1 能效诊断分析 185
6.7.2 夜间通风控制策略 185
参考文献 186
第7章 风电热泵储能系统的协同优化 187
7.1 多能互补能源系统的发展趋势 187
7.1.1 新一代绿色电力系统 187
7.1.2 风电储能技术的国内外现状 188
7.2 项目概况和供需侧能耗预测 190
7.2.1 需求侧的建筑能耗预测 192
7.2.2 供应侧风力发电功率预测 193
7.3 风电热泵储能系统的供暖运行模式 197
7.4 风电热泵混合储能系统的数值模型 201
7.4.1 水源热泵数学模型 201
7.4.2 蓄电池数学模型 202
7.4.3 固体蓄热机组 203
7.4.4 运行成本计算模型 205
7.5 基于粒子群优化算法的系统容量配置优化 206
7.5.1 系统的可靠性指标评价 206
7.5.2 混合储能系统容量配置优化模型 208
7.5.3 电储能系统优化方案与分析 210
7.5.4 混合储能系统的配置优化 213
7.6 风电热泵储能系统的优化运行 218
7.6.1 混合储能系统仿真模型的建立 219
7.6.2 热泵蓄热系统的运行能效分析 220
参考文献 224
第8章 复合材料部件缺陷转捩和损伤识别 226
8.1 能源装备健康监测面临的问题 226
8.2 原生缺陷演化过程的温度-应力关联分析 229
8.2.1 含缺陷流变性材料破坏理论 229
8.2.2 气泡缺陷演变的温度场分析 230
8.2.3 缺陷演变的临界温度跃变 231
8.2.4 微裂纹萌生的温度-应力关系 232
8.2.5 缺陷萌生微裂纹的试验研究 234
8.3 原生缺陷演化的转捩机理 241
8.3.1 GFRP层合板疲劳过程的应力特征 241
8.3.2 纤维受力基本方程 243
8.3.3 基体受力基本方程 244
8.3.4 正交各向异性复合层板的基本方程 244
8.3.5 原生缺陷层间开裂的平面应力计算 246
8.4 原生缺陷转捩的能量耗散模型 247
8.4.1 疲劳损伤的能量释放理论 247
8.4.2 试验方法和结果 248
8.4.3 红外热像试验结果与分析 251
8.4.4 内储能计算结果与分析 252
8.5 风力机叶片缺陷转捩的内储能判据 254
8.5.1 缺陷演化过程的能量耗散密度计算模型 255
8.5.2 疲劳试验过程 258
8.6 GFRP复合材料的损伤模式识别 264
8.6.1 AE信号采集系统和特征分析 264
8.6.2 AE信号的k均值聚类算法 266
8.6.3 材料分层缺陷的模式识别 269
参考文献 271
第9章 风力机叶片健康监测与智能运维 273
9.1 风电运维产业现状和发展动态 273
9.1.1 风电运维产业现状 273
9.1.2 风力机叶片健康监测发展动态 275
9.1.3 风力机叶片智能运维管理的发展动态 277
9.2 风力机叶片在线监测系统 278
9.2.1 风力机状态监测系统设计思路 278
9.2.2 叶片主梁裂纹的AE信号采集 280
9.2.3 基于AVMD-WVD的主梁损伤识别 281
9.3 基于红外热像的风力机叶片健康监测 287
9.3.1 风力机叶片无损检测技术 287
9.3.2 红外热像的图像增强算法 287
9.3.3 基于BP神经网络的缺陷类型自动识别 290
9.3.4 基于三维热传导模型的缺陷深度检测 293
9.3.5 风力机叶片缺陷检测和健康预测 297
9.4 随机载荷下风力机叶片主梁寿命预测 299
9.4.1 主梁褶皱缺陷的物理描述 299
9.4.2 疲劳损伤指数的定义 301
9.4.3 损伤累积模型 302
9.4.4 GFRP层合板寿命快速预测方法 303
9.4.5 试验结果和分析 305
9.4.6 随机载荷作用下的叶片主梁寿命预测 310
9.5 风力机叶片的修复方案和策略 315
9.5.1 叶片复合材料修复方法 316
9.5.2 阶梯形搭接挖补修复的仿真模型 318
9.5.3 主梁阶梯形挖补的修复方案分析 320
参考文献 323

第1章能源产业和技术现状
　　？1.1能源革命
　　能源是人类*早利用的自然资源，是社会发展的重要物质基础，其开发和利用有力地推动了人类文明的进步。人类学会使用火既是人类文明的开端也开启了**次能源革命，第二次能源革命是工业革命推动的化石能源替代植物能源。随着全球能源消费总量快速增长，能源相对匮乏且经济较发达的或发展较快的国家成为全球能源进口主要区域，同时，大量化石能源的开发利用造成了全球范围内的环境污染，二氧化碳排放总量持续增加带来了全球气候变暖、极端恶劣天气频发等一系列环境问题。可再生能源代替化石能源的能源革命序幕徐徐拉开。
　　由于我国人口众多、资源相对不足，经济的高速发展需要消耗大量的能源，国家一直致力于构建清洁低碳、安全高效的能源体系，加快调整经济结构，倡导构建市场导向的绿色技术创新体系，壮大清洁能源产业和节能环保产业，强调提高能源利用效率、降低能源消耗总量。1997年11月1日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议通过了《中华人民共和国节约能源法》，并经过多次修订，确立了“节约与开发并举、把节约放在*位的能源发展战略”[1]。
　　目前，能源领域的新业态、新模式、新实践不断涌现，新能源和节能环保正成为我国战略性新兴产业的重要一环，推动着整个工业生产体系提升到一个新的水平，能源的生产和消费变革正引领新一代的工业革命浪潮，是每个国家都关心的焦点。在信息技术浪潮下，人工智能、云计算、大数据、物联网等信息技术已渗透到企业的运营管理和产品的整个生命周期 。将新一代信息技术与能源行业的生产、设计、施工、运维、消费等各个环节融合，研究具有信息感知、评价决策、优化运行、精准控制、运维诊断等功能的新一代能源技术，是多元、复杂、庞大的能源系统实现持续高效可靠运行的基石，也是实现能源技术革命的关键路径之一。
　　随着能源系统的网络化、智能化、信息化建设进程加速，大力创新可再生能源利用技术成为建设资源节约型和环境友好型社会的另一个迫切需求。目前，全球在能源革命的转型思路上达成统一，即实现化石能源体系向低碳能源体系转变。同时，可再生能源作为战略制高点和经济发展的创新领域，全球经济体投入了大量资金支持可再生能源技术研发和产业发展。2019年中国能源活动二氧化碳排放按能源品种统计，燃煤发电和供热排放占能源活动二氧化碳排放的占比为44%，煤炭终端燃烧排放占比为35%，石油排放占比为15%，天然气排放占比为6%；按能源活动统计，能源生产与转换、工业、交通运输、建筑领域的碳排放占能源活动二氧化碳排放的占比分别为47%、36%、9%、8%，其中工业领域的钢铁、建材和化工三大高耗能产业占比分别达到17%、8%和6%[2]。
　　？1.2 国外能源政策和产业发展
　　1.2.1 欧盟颁布的能源政策
　　2002年，欧盟颁布建筑物能效指令，提出计量建筑物能耗的方法，规定新建筑物*低能效标准，建立建筑物能效标识制度。2005年欧盟委员会出台了关于能源效率的绿皮书，并制定了到2020年节能20%的目标。欧洲议会和欧盟理事会公布了关于制定能耗产品环保设计要求框架。2006年欧盟委员会发布了“终端能效和能源服务指令”，以推进能效政策和能源服务市场。2007年，欧盟成员国开始向委员会提交国家能源效率行动计划，并作为终端能效和能源服务指令的一部分。欧盟委员会通过一个新的欧洲能源之星标准，对公共部门办公设备采购的能效要求更为严格[3]。
　　2008年欧盟委员会建议实施高效节能措施，并公布建筑物能效新指令，修订家电能源标签指令。2009年欧盟生态设计和能效标识法规委员会通过了有关电冰箱、洗衣机、洗碗机和电视机等产品的新能效标识和生态设计要求的一系列提案。2010年，欧洲议会通过新的建筑节能标准，要求2020年后新建筑物必须“在实质上达到碳中性”。欧盟可再生能源指令还进一步明确了各成员国可再生能源占国内能源供给和*终消费份额的目标，规定了可再生能源占总能耗的比重以及能源效率均要提高20%。从以上政策可以看出，近年来欧盟重视能源消费终端的用能效率，以高效节能政策来引导能源服务市场[4]。
　　1.2.2 北欧地区的节能减排税收政策
　　北欧地区在能源利用效率、绿色可持续发展上处于世界的前列，并且在原来的基础上不断取得新的进展与突破，这与北欧各国长期以来采取的可持续发展理念与环境政策密不可分[5]。节能减排税收政策是实现节能减排的有效方法，主要的节能减排税种包括能源税、二氧化碳税（以下简称碳税）、二氧化硫税等，其目的在于提高能源特别是化石能源的使用成本，以及有害气体和固体的排放成本，将其外部成本内部化，即节能减排税具有节能效应及能源替代效应。另外，税收资金可以为节能技术研发及新能源的发展提供支持，通过税收优惠和税收返还政策，可以引导企业积极开展节能减排。因此，节能减排税也被称为“绿色税收”，节能减排税对北欧地区能源需求的下降及新能源的发展起到了重要的促进作用，其政策的设计和实践经验值得借鉴。
　　芬兰是世界上**个推行碳税的国家，1990年开始征收碳税，税率从开始的每吨1.2欧元逐步上升至2019年的每吨20欧元以上。芬兰碳税的征收从开始以能源中含碳量为依据，过渡到按含碳量和含能量确定，*后完全根据二氧化碳排放量征收碳税。芬兰还充分利用国内丰富的森林资源，走出了一条生物质能利用的成功之路。芬兰生物燃料的主体为森林废弃物、人造能源林及造纸工业的副产品和残余废物。瑞典紧随芬兰之后于1991年引入碳税，是碳税率*高的国家之一，初始碳税率高达每吨40美元，随后提高到每吨60美元。从1995年开始，瑞典对碳税率进行了动态调整，并与消费者物价指数（consumer price index，CPI）和通货膨胀率挂钩[6]。
　　为了大力发展可再生能源并降低电热生产过程中的碳排放，丹麦早在1992年便开始对天然气、生物质能及风能发电进行补贴。丹麦已成为风能占发电量比例*高的国家，2011年占比达到30%，到2030年将达到75%。从北欧地区的新能源与能效补贴政策看出，北欧国家能够基于不同国情，因地制宜地制定调控措施，实现了降碳提效和环境控制双目标[5]。
　　1.2.3 德国的《可再生能源法》
　　德国《可再生能源法》*早于2000年出台，是开发和利用可再生能源，加强节能环保的纲领性法规，后随时间推移和形势变化多次修改补充。2009年新的《可再生能源法》设定2020年德国可再生能源在电力消费中的占比目标为30%。德国《可再生能源法》的基本政策方针是可再生能源优先以固定费率入网，即电网运营商必须以法律规定的固定费率收购可再生能源供应商的电力。2010年3月3日，德国联邦内阁批准了对《可再生能源法》的修改草案，鉴于目前光伏设备价格下降近40%，今后的太阳能发电补贴应与市场发展形势相适应，故对安装在屋顶的太阳能设备的上网电价下调16%，对空地部分的上网电价下调11%，对其他的下调15%。从这些政策看出，德国的新能源入网价格之所以每年递减，是因为生产量增加、技术进步带来的红利，相信随着新能源技术的不断发展和节能产品规模的日益扩大，可再生能源供应成本将会逐年下降[7]。
　　1.2.4 英国电力脱碳措施
　　英国在减少电力领域的煤炭使用方面取得了巨大进展。2020年，英国43.2% 的电力来自可再生能源，包括风能（24.2%）、生物能源（12.6%）、太阳能（4.2%） 和水电（2.2%），煤炭仅占当年发电量的1.8%，核能发电有所提升，占到了16.1%，而2012年前煤炭的这一比例为40%。2020年，英国有5000 h没有使用燃煤发电，2022年初则创下了一个新的风力发电纪录—英国1/3以上的电能来自风能。通过可再生能源创新技术的激励政策英国减少了对煤炭发电的依赖。这一电力领域的脱碳举措，使国家变得更加清洁、绿色。
　　1.2.5 日本发展低碳经济的历史进程
　　日本是一个能源消费大国，且本国资源匮乏，许多关键资源依赖进口，日本政府对生产和消费各领域的节能减排非常重视。早在20世纪70年代，由于石油危机爆发，日本政府开始发展替代能源，在全国推行“阳光计划”，重点对煤炭、氢能、地热能、太阳能等技术进行研发，优化本国的能源供给，降低本国经济的石油依赖度。1993年开始在全国实施“新阳光计划”，对新能源、节能、地球环境等技术进行综合性开发和推进。通过上述途径，日本太阳能产业得到快速发展，其太阳能的发电量和电池产量在2002年成为世界**，占世界新增装机容量的50%以上。2004年，日本环境省设立地球环境研究基金，针对日本2050年的低碳社会发展进行情景研究，分别为交通运输、信息通信、城市发展情景，对日本2050 年的低碳社会可能的情景及路线图进行专题研究[8， 9]。
　　？1.3 中国能源生产和消费现状
　　我国是发展中国家，煤炭和石油消费占一次能源消费比例高于全球平均水平，碳排放值居高不下的主要根源在于能源消费总量，其中，煤炭、石油消费是碳排放的主要来源。根据《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》，我国能源消费总量稳步增长，如图1.1所示，2020年能源消费总量达49.8亿t标准煤，而2010年我国能源消费总量则是32.5亿t标准煤，10年增长了53.2%。根据图1.2，直至2020年能源生产总量才刚突破40亿t标准煤，说明我国能源消费与生产的不平衡问题是比较突出的，一方面要大幅减少煤炭等传统一次能源的开发利用，另一方面要尽快提升可再生能源的规模化生产，在清洁低碳的前提下保持能源产销平衡。
　　建筑行业属于高耗能行业。随着我国经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，国内每年新增的建筑面积中公共建筑占比已近20%，而且建筑能耗一直居高不下，如图1.3所示[10]。“大力发展新能源”和“推进清洁供暖”是目前我国建筑领域的两项重要任务。这是由于我国人均能源拥有量远低于全球平均水平，同时庞大的城市建设规模也带来了惊人的能源消耗。2016年，我国建筑能耗就已占社会总能耗的1/3，其中北方地区城镇采暖能耗达1.4亿t标准煤，约占我国建筑总能耗的36%，传统城镇采暖方式会燃烧大量化石能源而导致了严重的雾霾天气[10]。
　　遗憾的是，能源安全和环境劣化问题并非只出现在建筑领域，还存在于交通运输、钢铁、有色金属、建材、石油化工等重点高耗能行业中，长久以来的粗放的能耗管理模式积重难返。由于节能减排是一个系统工程，相关领域处于理论领先、创新有限、应用不足的状态，亟待破旧立新，重塑产业价值链。2021年《国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》（国发〔2021〕33号）中提出“十四五”节能减排综合工作方案的总体要求[11]。
　　我国电力系统将向以可再生能源为主体的新型电力系统转型，实现低碳化、清洁化、多元化、高效化、电气化、智能化、网络化的能源结构体系。主要技术特征有可再生能源高比例接入、多能互补综合能源、信息物理融合的智能系统。关键技术包括了太阳能和风能发电技术、高效低成本长寿命储能技术、高可靠性低损耗输配电技术、氢能生产储运技术、能源互联网等。根据国家能源局统计数据，截至2021年底，我国可再生能源发电装机达到10.63亿kW，占总发电装机容量的44.8%；新增装机1.34亿kW，占全国新增发电装机的76.1%。其中，水电新增2349万kW、风电新增4757万kW、光伏发电新增5488万kW、生物质发电新增808万kW，分别占全国新增装机的13.3%、27.0%、31.2%和4.6%[11]。我国陆上风能主要分布在三北地区，风能功率密度在200～300W/m2，太阳能资源西部地区高于东部地区[12]。然而，随着风电、太阳能发电渗透率的逐年提升，其间歇性、随机性和波动性给电力系统带来了安全性、稳定性和电能质量问题。
　　近年来，在我国的电力需求侧推广了很多能源管控项目，依托能源互联网将供需要素协同化、运管智能化，使得能