淺談基于企業微電網平臺的食用菌工廠的能源管理

摘要：從食用菌生產經營者角度指出食用菌工廠化生產的產品生鮮屬性、微生物培養的技術特點和競爭戰略難以突破決定了成本控制是經營的核心。分析食用菌生產的成本構成，指出加強能源管理是節本增效的重要途徑，從電費的分類和改善方式、滅菌的燃料選擇和改善方法、未來能源可拓展方向（太陽能和配合蒸汽使用的溴化鋰吸收式制冷機）指明食用菌工廠能源管理的具體途徑。提出能源管理的基本思路為確定改善目標、劃分區域、明確費用、改善實施和核算結果。

關鍵詞：食用菌；節能分析;能源管理系統；電費分類；太陽能

0引言

2006年以來，中國食用菌工廠化生產得到迅速發展。據報道，2021年全國食用菌工廠化總產量為280.4萬噸，比2019年343.68萬噸下降了63.28萬噸，其中，產量 前三的品種為金針菇（123.13萬噸）、杏鮑菇（66.78萬噸）和雙孢蘑菇（27.97萬噸），金針菇和杏鮑菇兩個工廠化生產主要品種合計占年總產量的68%。

1食用菌工廠化生產的特性

1.1產品屬性

目前食用菌工廠化生產的產品以鮮品為主，銷售主要采用大宗批發模式，在銷售定價方面波動較大，屬于充分競爭行業。食用菌鮮品銷售貨架期較短，在采收時價值大，隨

時間增加價值降低趨向于零，甚至是因處理成本而出現負值（圖1）。食用菌鮮品銷售的市場總容量相對較小，其替代品主要是蔬菜類，價格受蔬菜產品的影響較大，順季蔬菜大量上市時，食用菌產品價格降低，而蔬菜供應不足時，則價格上漲。

1.2技術特點

食用菌工廠化生產屬于大型設施類農業，一次性投資較大，運營資金相對較少。由于食用菌屬于微生物范疇，因此其技術屬性為采用農業栽培模式的微生物培養，受氣候變化、品種變異、上游原材料等因素影響較大，生產技術較難穩定，導致生產風險較大。

1.3競爭戰略

一般企業的常規競爭戰略分為三個：成本為主型、差異化競爭、集中化策略。由于銷售渠道和客戶的，業內企業一般以成本為主型為主。從食用菌工廠經營的三大要素——收入、成本及生產效率來講，由于產品的生產周期、生物學效率各個工廠差別較大，因此成本控制是經營的核心要素。食用菌工廠產品銷售單價相對較低，以金針菇為例，每千克價格在4.5～5.5元，基礎單價每波動0.1元/千克，所對應銷售額的影響接近2%。而銷售價格定價屬于市場充分競爭，波動較大。因此，食用菌經營管理的要點是質量的穩定性與成本的控制能力。

2食用菌生產的成本結構

2.1食用菌生產成本結構

根據金針菇工廠生產的數據統計的食用菌成本構成見圖2。食用菌的成本構成中生產成本占比92%，其主要由原材料、人工費用、制造費用和包裝費用四大費用構成。其中，制造費用占總成本的20%，占生產成本的21.74%。而制造費又以能源費為主，占制造費用的90%以上，對于成本控制較為重要，其以能源管理為主要著力點。能源管理主要為電費、滅菌燃料費用，而日常產生的設施設備維修費也牽涉到能源的費用；折舊費與設備投資直接相關，不同投資的設備也會產生不同的能源管理費用。

2.2電費的分類

以金針菇工廠化生產為例，設備電費按照技術改善途徑可分為兩類：工作類和環境類，具體見圖3。

（1）工作類。

主要為拌料、裝瓶、搔菌、包裝、挖瓶等工序設備，其能耗管理基本計算公式為：能耗=工作設備功率×工作時間。

拌料車間。電費主要組成：攪拌鍋、輸送帶、水泵，主要是靠電機帶動。對能耗的管理就是通過改善作業流程，縮短工作時間。另外可根據物料不同選用適當的電機功率。

裝瓶車間。電費主要組成：空壓機、輸送線、裝瓶機、打孔機、蓋蓋機、上筐機械手。其中裝瓶打孔涉及氣動設備，而空壓機是高能耗設備，如何保證機器的正常運轉，降低設備故障率以及保障壓縮空氣管道的密封度是管理的核心。然后是各設備之間的匹配問題，生產效率的一致性越高，則相應的能耗就會越低。

搔菌車間。電費主要組成：下筐機械手、輸送線、去蓋機、搔菌機、除菌渣設備等。以工作類設備為主，氣動和電機類較多，具體改善方法與拌料、裝瓶車間相同。

包裝車間。電費主要組成：輸送帶、包裝機、空壓機。包裝機主要為電機和氣動設備，具體改善方法同上。

挖瓶車間。電費主要組成：輸送線、氣動式或者機械式挖瓶設備、空壓機。具體改善方法同上。

.       環境類。

主要涉及強冷室、接種室、培養庫、出菇房。廠房建設時應注意庫房的密閉性及保溫性能，庫房設計、庫板選擇和工程安裝均應予以重視（圖3）。

工廠外在的氣候條件因所在地的地理位置及季節不同，與食用菌生長所需的環境相差較大。而不同食用菌不同生長時期對環境條件（溫度、濕度、光照和新鮮空氣）的需求亦不同。以金針菇為例，培養期菌絲生長的溫度一般要求在18℃左右，而出菇溫度在3～15℃，濕度、光照和空氣在不同的時期要求也不同。需要通過設備調節氣候因素，達到周年化生產良好高產食用菌產品的目的。

創造適宜食用菌生長的微氣候環境主要是通過暖通設備來完成，不同設備之間差別較大，按照冷卻介質不同，主要為風冷式和水冷式；壓縮機按其原理一般有渦旋式、活塞式、螺桿式、離心式、磁懸浮式等；空調按冷媒（制冷劑）類型有R22（氟利昂22）、乙二醇溶液、R410A等。一般中小型工廠以風冷式或水冷式氟利昂機組為主，而大型企業常以水冷式螺桿、離心式等為主，磁懸浮因造價過高，除特殊要求外一般不采用。

因地制宜選擇不同的生產模式，是食用菌生產能源管理大的影響因素。在工作類設備中，選型尤為重要，不應簡單對比設備價格，正確的成本核算應是機器的折舊成本+機器的運行費用，這個指標終影響我們的生產。例如空壓機，簡單的電機啟停類與永磁變頻類運行成本有明顯的差別，購置價格差別也大，應綜合考慮機器折舊費用和運行費用。如果初始投資過大，那么還要考慮因投資產生的利息成本。

在實際生產中，電費占比大的是暖通設備，而暖通設備的專業化程度較高，不同模式差別較大，同等模式不同廠家及安裝隊伍的差別也較大，而這些設備是建廠的時候即需確定的，所以要慎之又慎。

2.3滅菌費用分析

從 疫情開始以后，天然氣價格急速變化，導致以天然氣為滅菌燃料的食用菌工廠燃料費用大幅上漲，甚至翻倍。燃料費是滅菌費用中大的一項，根據不同地區的環保要求，采用天然氣、料渣、生物質顆粒三種燃料的滅菌成本差別巨大，使用成本較低的燃料具有決定性的優勢（圖4）。其中，菌渣是生產食用菌鮮品的附屬產物，以其為燃料，滅菌成本僅鍋爐使用產生的少量電費和菌渣成本，費用非常低；生物質顆粒的成本隨著能源市場的價格波動，其成本一般比傳統的燃煤高20%左右；天然氣成本高，其隨著市場變化波動較大，例如2022年天然氣價格在7元/千克左右，對應滅菌成本比歷史平均成本高出200%。滅菌設備主要由鍋爐、管道、滅菌柜組成，對于節能，鍋爐的能效比是關鍵，剩余就是管道和滅菌柜的保溫。滅菌后的蒸汽排出溫度較高，可加以回收利用。目前常用的天然氣類型主要是兩種：一種是管道天然氣（CNG，氣態），又叫壓縮天然氣；另一種是液化天然氣（LNG，液態），LNG能量品味（能源所含有用成分的百分率）較高，以?162℃的超低溫儲存在真空絕熱的低溫容器（氣瓶）內，其氣化過程釋放大量冷能，可以采取相應的措施進行回收。

3未來能源管理可以擴展的方向

3.1太陽能

太陽能是否能在食用菌工廠使用，其核心指標在于此項投資的回報率。未來可能是我們食用菌企業需要考慮的一個方向，原因有以下幾點。

一是食用菌工廠化企業屬于高耗能企業，每千瓦時所產生的銷售額與其他行業相比明顯偏高。二是食用菌在行業劃分上屬于農業項目，國家給予了農業用電的優惠價格，但應從長遠考慮此項政策的可持續性。三是隨著目前國家太陽能的快速發展和技術的進步，特別是目前單晶硅的技術革新，光電轉化率得到很大提升，而對應太陽能的每千瓦的裝機投資額正在逐年降低，也就意味著投資回報率上升。四是食用菌栽培屬于大型設施類農業，一般占地面積較大，屋頂面積較多，為使用太陽能提供了安裝條件。五是太陽能發電的峰值與食用菌的用電峰值重合，太陽能發電效率高一般在夏季，而此時也是食用菌栽培能耗大的時候。后，從經營角度來講，食用菌產品價格隨著蔬菜價格暴漲暴跌，出于企業穩健經營、持續發展考慮，在追求成本為主同時保有足夠的現金留存，防止出現特殊年份類似2018年的價格導致的企業經營問題。但現金留存收益較低，適當投資太陽能也不失為一種辦法。

3.2配合蒸汽使用的溴化鋰吸收式制冷機

溴化鋰吸收式制冷機以水為制冷劑、以溴化鋰水溶液為吸收劑，與蒸氣壓縮式制冷機相比，這種制冷機以熱能制冷，有明顯的節電特點；運行無毒、無味、無爆炸危險，可靠；能利用如廢汽、熱水、物料熱等低溫廢熱、余熱熱源作為動力。其主要部件為蒸發器、冷凝器、發生器、吸收器、溶液熱交換器、溶液泵和U形管等。蒸發器為高真空容器。水的蒸發能使管內的冷媒水放出熱量而降溫，獲得冷量，所產生的水蒸氣流入吸收器。由吸收器泵送來的溴化鋰濃溶液有吸收水分的能力，吸收水蒸氣后形成稀溶液，并由發生器泵送入真空度較低的發生器。由于水的沸點遠低于溴化鋰的沸點，水分汽化析出后進入冷凝器，冷卻凝結成水，然后經U形管節流降壓，進入蒸發器進行再一次的蒸發、制冷。發生器內被濃縮的溶液經過溶液熱交換器預冷后再進入吸收器，進行另一次循環。隨著國家環保政策的成熟化和環保設備的發展，在滿足國家法規的要求下，企業 可以通過燃燒食用菌生產的副產物廢菌渣來提供能源。既滿足了滅菌對蒸汽的需求，又能通過蒸汽配合溴化鋰空調來提供冷源，在冬季對某些特殊車間又能提供熱源，利于食用菌工廠實現能源的自給自足。

4能源管理的基本思路

能源管理是對能源的生產、分配、轉換和消耗的全過程進行科學的計劃、組織、檢查、控制和監督工作的總稱。食用菌工廠進行能源管理的基本思路如下。

確定改善目標。目標越明確，意識越強烈，達到目標的成功率就越高。在目標改善的過程中，會面臨各式各樣的問題，所以需要不斷地對目標加以修正。

劃分區域。劃分區域的目的是找到實際的執行主體，只有深入了解日常的工作，才可能找到可改善的部位。

明確費用。改善之前，要有數字統計的明確費用，清楚改善設備和問題所在。

改善實施。改善實施時，需要對專業的知識和原理有一定的認識。對于一般的設備只需要做簡單的替換，牽涉金額較小。但對于大型投資和暖通類設備，需要能夠構建模型，把大的設備進行分解，用小區域進行驗證，然后逐步改善改進。

核算結果。核算結果，是以明確的金額計算投入和收益各是多少，回報的周期多長。這既是對工作的總結，也可為下一步的改善確定更為明細的目標。

5 AcrelEMS企業微電網

企業微電網的數字化系統(EMS)包含安裝于現場的傳感器、智能網關和微電網數字化軟件。傳感器用于監測和控制建筑的負荷設備和分布式發電設備(系統)，現場傳感器的數據接入邊緣計算智能網關，每個智能網關可以看做是一個區域指揮部，采集所接傳感器數據進行協議轉換后上傳EMS或轉發第三方平臺，網關可以根據預設閾值或自動學習來執行邏輯計算，并執行EMS的指令。EMS可以看做是企業微電網的指揮部，根據智能網關上傳的數據生成各類圖表、控制策略和分析結論，并響應虛擬電廠的調度指令，系統架構圖如圖5所示。

圖5企業微電網數字化系統(EMS)網絡架構

AcrelEMS企業微電網數字化系統融合企業負荷側的電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，用戶通過一個平臺即可全局、整體的對企業微電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，同時滿足企業用電可靠、節約、效率、有序用電要求。

5.1電力監控

對企業高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控制，監測企業微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發出告警信息，提高企業供電可靠性。

圖6電力監控功能

5.2能耗分析

采集企業電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業碳排放，為企業制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖7能耗分析功能

5.3照明控制

智能照明控制功能可以根據企業情況實現定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現人來燈亮、人走燈滅，并可以根據系統的控制策略實現集中控制，為企業節約照明用電。

圖7照明控制功能

5.4分布式光伏監控

監測企業分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發電效率分析、發電量及收益統計以及光伏發電功率控制。

圖9分布式光伏發電監測

5.5儲能管理

監測儲能系統、電池管理系統(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，降低企業用電成本。

圖10儲能管理

5.6充電樁運營管理

監測企業充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，并根據企業負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節充電樁的充電功率，使企業微電網穩定運行。

圖11充電樁管理

5.7需求響應

根據企業負荷波動數據，再結合虛擬電廠的調度指令，決定以何種方式參與電網需求響應，平臺可通過給儲能系統下發控制策略，調整充發電時間。平臺在需求響應時間段調整可控負荷功率，停止給可中斷負荷供電，并且可以根據企業可控負荷數據制定需求響應控制策略，實現一鍵響應。

圖12企業微電網數字化系統需求響應示意圖

6微電網數字化系統硬件設備

安科瑞針對企業微電網數字化系統除了軟件外，還具備現場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"數字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控制、新能源充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為企業微電網數字化提供一站式服務能力，部分設備見表1。