基于企业微电网平台的食用菌工厂的能源管理

摘要：从食用菌生产经营者角度指出食用菌工厂化生产的产品生鲜属性、微生物培养的技术特点和竞争战略难以突破决定了成本控制是经营的核心。分析食用菌生产的成本构成，指出加强能源管理是节本增效的重要途径，从电费的分类和改善方式、灭菌的燃料选择和改善方法、未来能源可拓展方向（太阳能和配合蒸汽使用的溴化锂吸收式制冷机）指明食用菌工厂能源管理的具体途径。提出能源管理的基本思路为确定改善目标、划分区域、明确费用、改善实施和核算结果。

关键词：食用菌；节能分析;能源管理系统；电费分类；太阳能

0引言

2006年以来，中国食用菌工厂化生产得到迅速发展。据报道，2021年全国食用菌工厂化总产量为280.4万吨，比2019年343.68万吨下降了63.28万吨，其中，产量排名前三的品种为金针菇（123.13万吨）、杏鲍菇（66.78万吨）和双孢蘑菇（27.97万吨），金针菇和杏鲍菇两个工厂化生产主要品种合计占年总产量的68%。

1食用菌工厂化生产的特性

1.1产品属性

目前食用菌工厂化生产的产品以鲜品为主，销售主要采用大宗批发模式，在销售定价方面波动较大，属于充分竞争行业。食用菌鲜品销售货架期较短，在采收时价值大，随

时间增加价值降低趋向于零，甚至是因处理成本而出现负值（图1）。食用菌鲜品销售的市场总容量相对较小，其替代品主要是蔬菜类，价格受蔬菜产品的影响较大，顺季蔬菜大量上市时，食用菌产品价格降低，而蔬菜供应不足时，则价格上涨。

1.2技术特点

食用菌工厂化生产属于大型设施类农业，一次性投资较大，运营资金相对较少。由于食用菌属于微生物范畴，因此其技术属性为采用农业栽培模式的微生物培养，受气候变化、品种变异、上游原材料等因素影响较大，生产技术较难稳定，导致生产风险较大。

1.3竞争战略

一般企业的常规竞争战略分为三个：成本为主型、差异化竞争、集中化策略。由于销售渠道和客户的，业内企业一般以成本为主型为主。从食用菌工厂经营的三大要素——收入、成本及生产效率来讲，由于产品的生产周期、生物学效率各个工厂差别较大，因此成本控制是经营的核心要素。食用菌工厂产品销售单价相对较低，以金针菇为例，每千克价格在4.5～5.5元，基础单价每波动0.1元/千克，所对应销售额的影响接近2%。而销售价格定价属于市场充分竞争，波动较大。因此，食用菌经营管理的要点是质量的稳定性与成本的控制能力。

2食用菌生产的成本结构

2.1食用菌生产成本结构

根据金针菇工厂生产的数据统计的食用菌成本构成见图2。食用菌的成本构成中生产成本占比92%，其主要由原材料、人工费用、制造费用和包装费用四大费用构成。其中，制造费用占总成本的20%，占生产成本的21.74%。而制造费又以能源费为主，占制造费用的90%以上，对于成本控制较为重要，其以能源管理为主要着力点。能源管理主要为电费、灭菌燃料费用，而日常产生的设施设备维修费也牵涉到能源的费用；折旧费与设备投资直接相关，不同投资的设备也会产生不同的能源管理费用。

2.2电费的分类

以金针菇工厂化生产为例，设备电费按照技术改善途径可分为两类：工作类和环境类，具体见图3。

（1）工作类。

主要为拌料、装瓶、搔菌、包装、挖瓶等工序设备，其能耗管理基本计算公式为：能耗=工作设备功率×工作时间。

拌料车间。电费主要组成：搅拌锅、输送带、水泵，主要是靠电机带动。对能耗的管理就是通过改善作业流程，缩短工作时间。另外可根据物料不同选用适当的电机功率。

装瓶车间。电费主要组成：空压机、输送线、装瓶机、打孔机、盖盖机、上筐机械手。其中装瓶打孔涉及气动设备，而空压机是高能耗设备，如何保证机器的正常运转，降低设备故障率以及保障压缩空气管道的密封度是管理的核心。然后是各设备之间的匹配问题，生产效率的一致性越高，则相应的能耗就会越低。

搔菌车间。电费主要组成：下筐机械手、输送线、去盖机、搔菌机、除菌渣设备等。以工作类设备为主，气动和电机类较多，具体改善方法与拌料、装瓶车间相同。

包装车间。电费主要组成：输送带、包装机、空压机。包装机主要为电机和气动设备，具体改善方法同上。

挖瓶车间。电费主要组成：输送线、气动式或者机械式挖瓶设备、空压机。具体改善方法同上。

环境类。

主要涉及强冷室、接种室、培养库、出菇房。厂房建设时应注意库房的密闭性及保温性能，库房设计、库板选择和工程安装均应予以重视（图3）。

工厂外在的气候条件因所在地的地理位置及季节不同，与食用菌生长所需的环境相差较大。而不同食用菌不同生长时期对环境条件（温度、湿度、光照和新鲜空气）的需求亦不同。以金针菇为例，培养期菌丝生长的温度一般要求在18℃左右，而出菇温度在3～15℃，湿度、光照和空气在不同的时期要求也不同。需要通过设备调节气候因素，达到周年化生产良好高产食用菌产品的目的。

创造适宜食用菌生长的微气候环境主要是通过暖通设备来完成，不同设备之间差别较大，按照冷却介质不同，主要为风冷式和水冷式；压缩机按其原理一般有涡旋式、活塞式、螺杆式、离心式、磁悬浮式等；空调按冷媒（制冷剂）类型有R22（氟利昂22）、乙二醇溶液、R410A等。一般中小型工厂以风冷式或水冷式氟利昂机组为主，而大型企业常以水冷式螺杆、离心式等为主，磁悬浮因造价过高，除特殊要求外一般不采用。

因地制宜选择不同的生产模式，是食用菌生产能源管理大的影响因素。在工作类设备中，选型尤为重要，不应简单对比设备价格，正确的成本核算应是机器的折旧成本+机器的运行费用，这个指标终影响我们的生产。例如空压机，简单的电机启停类与永磁变频类运行成本有明显的差别，购置价格差别也大，应综合考虑机器折旧费用和运行费用。如果初始投资过大，那么还要考虑因投资产生的利息成本。

在实际生产中，电费占比大的是暖通设备，而暖通设备的专业化程度较高，不同模式差别较大，同等模式不同厂家及安装队伍的差别也较大，而这些设备是建厂的时候即需确定的，所以要慎之又慎。

2.3灭菌费用分析

从新冠疫情开始以后，天然气价格急速变化，导致以天然气为灭菌燃料的食用菌工厂燃料费用大幅上涨，甚至翻倍。燃料费是灭菌费用中大的一项，根据不同地区的环保要求，采用天然气、料渣、生物质颗粒三种燃料的灭菌成本差别巨大，使用成本较低的燃料具有决定性的优势（图4）。其中，菌渣是生产食用菌鲜品的附属产物，以其为燃料，灭菌成本仅锅炉使用产生的少量电费和菌渣成本，费用非常低；生物质颗粒的成本随着能源市场的价格波动，其成本一般比传统的燃煤高20%左右；天然气成本高，其随着市场变化波动较大，例如2022年天然气价格在7元/千克左右，对应灭菌成本比历史平均成本高出200%。灭菌设备主要由锅炉、管道、灭菌柜组成，对于节能，锅炉的能效比是关键，剩余就是管道和灭菌柜的保温。灭菌后的蒸汽排出温度较高，可加以回收利用。目前常用的天然气类型主要是两种：一种是管道天然气（CNG，气态），又叫压缩天然气；另一种是液化天然气（LNG，液态），LNG能量品味（能源所含有用成分的百分率）较高，以−162℃的超低温储存在真空绝热的低温容器（气瓶）内，其气化过程释放大量冷能，可以采取相应的措施进行回收。

3未来能源管理可以扩展的方向

3.1太阳能

太阳能是否能在食用菌工厂使用，其核心指标在于此项投资的回报率。未来可能是我们食用菌企业需要考虑的一个方向，原因有以下几点。

一是食用菌工厂化企业属于高耗能企业，每千瓦时所产生的销售额与其他行业相比明显偏高。二是食用菌在行业划分上属于农业项目，国家给予了农业用电的优惠价格，但应从长远考虑此项政策的可持续性。三是随着目前国家太阳能的快速发展和技术的进步，特别是目前单晶硅的技术革新，光电转化率得到很大提升，而对应太阳能的每千瓦的装机投资额正在逐年降低，也就意味着投资回报率上升。四是食用菌栽培属于大型设施类农业，一般占地面积较大，屋顶面积较多，为使用太阳能提供了安装条件。五是太阳能发电的峰值与食用菌的用电峰值重合，太阳能发电效率高一般在夏季，而此时也是食用菌栽培能耗大的时候。后，从经营角度来讲，食用菌产品价格随着蔬菜价格暴涨暴跌，出于企业稳健经营、持续发展考虑，在追求成本为主同时保有足够的现金留存，防止出现特殊年份类似2018年的价格导致的企业经营问题。但现金留存收益较低，适当投资太阳能也不失为一种办法。

3.2配合蒸汽使用的溴化锂吸收式制冷机

溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂、以溴化锂水溶液为吸收剂，与蒸气压缩式制冷机相比，这种制冷机以热能制冷，有明显的节电特点；运行无毒、无味、无爆炸危险，可靠；能利用如废汽、热水、物料热等低温废热、余热热源作为动力。其主要部件为蒸发器、冷凝器、发生器、吸收器、溶液热交换器、溶液泵和U形管等。蒸发器为高真空容器。水的蒸发能使管内的冷媒水放出热量而降温，获得冷量，所产生的水蒸气流入吸收器。由吸收器泵送来的溴化锂浓溶液有吸收水分的能力，吸收水蒸气后形成稀溶液，并由发生器泵送入真空度较低的发生器。由于水的沸点远低于溴化锂的沸点，水分汽化析出后进入冷凝器，冷却凝结成水，然后经U形管节流降压，进入蒸发器进行再一次的蒸发、制冷。发生器内被浓缩的溶液经过溶液热交换器预冷后再进入吸收器，进行另一次循环。随着国家环保政策的成熟化和环保设备的发展，在满足国家法规的要求下，企业完全可以通过燃烧食用菌生产的副产物废菌渣来提供能源。既满足了灭菌对蒸汽的需求，又能通过蒸汽配合溴化锂空调来提供冷源，在冬季对某些特殊车间又能提供热源，利于食用菌工厂实现能源的自给自足。

4能源管理的基本思路

能源管理是对能源的生产、分配、转换和消耗的全过程进行科学的计划、组织、检查、控制和监督工作的总称。食用菌工厂进行能源管理的基本思路如下。

确定改善目标。目标越明确，意识越强烈，达到目标的成功率就越高。在目标改善的过程中，会面临各式各样的问题，所以需要不断地对目标加以修正。

划分区域。划分区域的目的是找到实际的执行主体，只有深入了解日常的工作，才可能找到可改善的部位。

明确费用。改善之前，要有数字统计的明确费用，清楚改善设备和问题所在。

改善实施。改善实施时，需要对专业的知识和原理有一定的认识。对于一般的设备只需要做简单的替换，牵涉金额较小。但对于大型投资和暖通类设备，需要能够构建模型，把大的设备进行分解，用小区域进行验证，然后逐步改善改进。

核算结果。核算结果，是以明确的金额计算投入和收益各是多少，回报的周期多长。这既是对工作的总结，也可为下一步的改善确定更为明细的目标。

5 AcrelEMS企业微电网

企业微电网的数字化系统(EMS)包含安装于现场的传感器、智能网关和微电网数字化软件。传感器用于监测和控制建筑的负荷设备和分布式发电设备(系统)，现场传感器的数据接入边缘计算智能网关，每个智能网关可以看做是一个区域指挥部，采集所接传感器数据进行协议转换后上传EMS或转发第三方平台，网关可以根据预设阈值或自动学习来执行逻辑计算，并执行EMS的指令。EMS可以看做是企业微电网的指挥部，根据智能网关上传的数据生成各类图表、控制策略和分析结论，并响应虚拟电厂的调度指令，系统架构图如图5所示。

图5企业微电网数字化系统(EMS)网络架构

AcrelEMS企业微电网数字化系统融合企业负荷侧的电力监控、能耗统计、电能质量分析及治理、智能照明控制、主要用能设备监控、充电桩运营管理、分布式光伏监控、储能管理等功能，用户通过一个平台即可全局、整体的对企业微电网进行进行集中监控、统一调度、统一运维，同时满足企业用电可靠、节约、效率、有序用电要求。

5.1电力监控

对企业高低压变配电系统的变压器、断路器、直流屏、母排、无功补偿柜及电缆等配电相关设备的电气参数、运行状态、接点温度进行实时监测和控制，监测企业微电网主要回路的电能质量并进行治理，对故障及时处理并发出告警信息，提高企业供电可靠性。

图6电力监控功能

5.2能耗分析

采集企业电、水、燃气等能源消耗，进行分类分项能耗统计，计算单位面积或单位产品的能耗数据以及趋势，对标主要用能设备能效进行能效诊断，计算企业碳排放，为企业制定碳达峰、碳中和路线提供数据支持。

图7能耗分析功能

5.3照明控制

智能照明控制功能可以根据企业情况实现定时控制、光照感应控制、场景控制、调光控制等，并结合红外传感器、超声波传感器，实现人来灯亮、人走灯灭，并可以根据系统的控制策略实现集中控制，为企业节约照明用电。

图7照明控制功能

5.4分布式光伏监控

监测企业分布式光伏电站运行情况，包括逆变器运行数据、光伏发电效率分析、发电量及收益统计以及光伏发电功率控制。

图9分布式光伏发电监测

5.5储能管理

监测储能系统、电池管理系统(BMS)和储能变流器(PCS)运行，包括运行模式、功率控制模式，功率、电压、电流、频率等预定值信息、储能电池充放电电压、电流、SOC、温度，根据企业峰谷特点和电价波动以及上级平台指令设置储能系统的充放电策略，控制储能系统充放电，实现削峰填谷，降低企业用电成本。

图10储能管理

5.6充电桩运营管理

监测企业充电桩的运行状态，提供充电桩收费管理和状态监测功能，并根据企业负荷率变化和虚拟电厂的调度指令调节充电桩的充电功率，使企业微电网稳定运行。

图11充电桩管理

5.7需求响应

根据企业负荷波动数据，再结合虚拟电厂的调度指令，决定以何种方式参与电网需求响应，平台可通过给储能系统下发控制策略，调整充发电时间。平台在需求响应时间段调整可控负荷功率，停止给可中断负荷供电，并且可以根据企业可控负荷数据制定需求响应控制策略，实现一键响应。

图12企业微电网数字化系统需求响应示意图

6微电网数字化系统硬件设备

安科瑞针对企业微电网数字化系统除了软件外，还具备现场传感器、智能网关等设备，组成了完整的“云-边-端”数字化体系，具体包括高低压配电综合保护和监测产品、电能质量在线监测装置、电能质量治理、照明控制、新能源充电桩、电气消防类解决方案等，可以为企业微电网数字化提供一站式服务能力，部分设备见表1。

名称	图片	型号	功能	应用
中高压微机保护装置		AM6、AM5SE	实现110kV至10kV回路的保护、测量和自动控制功能	110kV、10kV回路断路器
电能质量在线监测装置		APView500	实时监测电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波等电能质量，记录各类电能质量事件，记录事件发生前后的波形，辅助用户分析电能质量发生的原因,定位扰动源。	高低压进线回路
动态谐波无功补偿系统		AnCos/-GⅠ型	同时具备谐波治理、无功功率线性补偿与三相电流平衡治理和稳定电压的功能,响应时间快，精度高、运行稳定，能根据系统的无功特性自动调整输出，动态补偿功率因数；	0.4kV电能质量治理
网络电力仪表		APM500	具有全电量测量，谐波畸变率、电压合格率统计、电能统计，开关量输入输出，模拟量输入输出。	主要用于高低压电能监测和电能管理
电能表		DTSD1352	具有全电量测量，电能统计，80A内可直接接入，导轨安装。	低压配电箱
物联网仪表		ADW300W	主要用于计量中低压配电的三相电气参数，采集状态量并控制断路器，可灵活安装于配电箱内，自带开口式互感器，可实现不停电安装，具备RS485、4G、LoRaWan无线通信功能，适用于配电系统数字化改造。	微电网数字化改造
物联网仪表		ARCM300	三相交流电能计量、漏电电流测量、谐波分析、4路温度采集功能，通过对配电回路的剩余电流、导线温度等火灾危险参数实施监控和管理，可采集状态量或控制断路器，具备RS485通讯或4G通讯功能。	微电网电气消防和数字化改造
直流电能表		DJSF1352-RN	可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等，配套霍尔传感器(可选)。	直流计量
马达保护		ARD3M	电动机保护控制器，适用于额定电压至660V的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机运行，强大的逻辑可编程功能可以满足各种控制要求，多种可选配的通讯方式适应现场不同的总线通讯需求。	电机保护控制
遥信遥控单元		ARTU-KJ8	8路状态量采集，8路控制输出，导轨式安装，485通讯，可实现断路器或接触器的远程控制和状态量采集。	状态量采集和控制输出
充电桩		AEV-AC007D	7kW交流充电桩和30/60/120kW直流充电桩。具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。	充电桩运营和充电控制
智能网关		ANet-2E4SM	边缘计算网关，嵌入式linux系统，网络通讯方式具备Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等需求，支持断点续传，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议	电能、环境等数据采集、转换和逻辑判断