淺談基于企業(yè)微電網(wǎng)平臺的食用菌工廠(chǎng)的能源管理

摘要：從食用菌生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者角度指出食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)的產(chǎn)品生鮮屬性、微生物培養的技術(shù)特點(diǎn)和競爭戰略難以突破決定了成本控制是經(jīng)營(yíng)的核心。分析食用菌生產(chǎn)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(lèi)和改善方式、滅菌的燃料選擇和改善方法、未來(lái)能源可拓展方向（太陽(yáng)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(chǎng)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(shí)施和核算結果。

關(guān)鍵詞：食用菌；節能分析;能源管理系統；電費分類(lèi)；太陽(yáng)能

引言

2006年以來(lái)，中國食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。據報道，2021年全國食用菌工廠(chǎng)化總產(chǎn)量為280.4萬(wàn)噸，比2019年343.68萬(wàn)噸下降了63.28萬(wàn)噸，其中，金針菇（123.13萬(wàn)噸）、杏鮑菇（66.78萬(wàn)噸）和雙孢蘑菇（27.97萬(wàn)噸），金針菇和杏鮑菇兩個(gè)工廠(chǎng)化生產(chǎn)主要品種合計占年總產(chǎn)量的68%。

1、食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)的特性

1.1產(chǎn)品屬性

目前食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)的產(chǎn)品以鮮品為主，銷(xiāo)售主要采用大宗批發(fā)模式，在銷(xiāo)售定價(jià)方面波動(dòng)較大，屬于充分競爭行業(yè)。食用菌鮮品銷(xiāo)售貨架期較短，在采收時(shí)價(jià)值大，隨

時(shí)間增加價(jià)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(xiāo)售的市場(chǎng)總容量相對較小，其替代品主要是蔬菜類(lèi)，價(jià)格受蔬菜產(chǎn)品的影響較大，順季蔬菜大量上市時(shí)，食用菌產(chǎn)品價(jià)格降低，而蔬菜供應不足時(shí)，則價(jià)格上漲。

1.2技術(shù)特點(diǎn)

食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)屬于大型設施類(lèi)農業(yè)，一次性投資較大，運營(yíng)資金相對較少。由于食用菌屬于微生物范疇，因此其技術(shù)屬性為采用農業(yè)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(chǎn)技術(shù)較難穩定，導致生產(chǎn)風(fēng)險較大。

1.3競爭戰略

一般企業(yè)的常規競爭戰略分為三個(gè)：成本為主型、差異化競爭、集中化策略。由于銷(xiāo)售渠道和客戶(hù)的，業(yè)內企業(yè)一般以成本為主型為主。從食用菌工廠(chǎng)經(jīng)營(yíng)的三大要素——收入、成本及生產(chǎn)效率來(lái)講，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、生物學(xué)效率各個(gè)工廠(chǎng)差別較大，因此成本控制是經(jīng)營(yíng)的核心要素。食用菌工廠(chǎng)產(chǎn)品銷(xiāo)售單價(jià)相對較低，以金針菇為例，每千克價(jià)格在4.5～5.5元，基礎單價(jià)每波動(dòng)0.1元/千克，所對應銷(xiāo)售額的影響接近2%。而銷(xiāo)售價(jià)格定價(jià)屬于市場(chǎng)充分競爭，波動(dòng)較大。因此，食用菌經(jīng)營(yíng)管理的要點(diǎn)是質(zhì)量的穩定性與成本的控制能力。

2、食用菌生產(chǎn)的成本結構

2.1食用菌生產(chǎn)成本結構根據金針菇工廠(chǎng)生產(chǎn)的數據統計的食用菌成本構成見(jiàn)圖2。食用菌的成本構成中生產(chǎn)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(chǎn)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(zhù)力點(diǎn)。能源管理主要為電費、滅菌燃料費用，而日常產(chǎn)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(guān)，不同投資的設備也會(huì )產(chǎn)生不同的能源管理費用。

2.2電費的分類(lèi)

以金針菇工廠(chǎng)化生產(chǎn)為例，設備電費按照技術(shù)改善途徑可分為兩類(lèi)：工作類(lèi)和環(huán)境類(lèi)，具體見(jiàn)圖3。

（1）工作類(lèi)。

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(shí)間。

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

裝瓶車(chē)間。電費主要組成：空壓機、輸送線(xiàn)、裝瓶機、打孔機、蓋蓋機、上筐機械手。其中裝瓶打孔涉及氣動(dòng)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(wèn)題，生產(chǎn)效率的一致性越高，則相應的能耗就會(huì )越低。

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

包裝車(chē)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(dòng)設備，具體改善方法同上。

挖瓶車(chē)間。電費主要組成：輸送線(xiàn)、氣動(dòng)式或者機械式挖瓶設備、空壓機。具體改善方法同上。

（2）環(huán)境類(lèi)。

主要涉及強冷室、接種室、培養庫、出菇房。廠(chǎng)房建設時(shí)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(chǎng)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(cháng)所需的環(huán)境相差較大。而不同食用菌不同生長(cháng)時(shí)期對環(huán)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(cháng)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(shí)期要求也不同。需要通過(guò)設備調節氣候因素，達到周年化生產(chǎn)良好高產(chǎn)食用菌產(chǎn)品的目的。

創(chuàng )造適宜食用菌生長(cháng)的微氣候環(huán)境主要是通過(guò)暖通設備來(lái)完成，不同設備之間差別較大，按照冷卻介質(zhì)不同，主要為風(fēng)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(lèi)型有R22（氟利昂22）、乙二醇溶液、R410A等。一般中小型工廠(chǎng)以風(fēng)冷式或水冷式氟利昂機組為主，而大型企業(yè)常以水冷式螺桿、離心式等為主，磁懸浮因造價(jià)過(guò)高，除特殊要求外一般不采用。

因地制宜選擇不同的生產(chǎn)模式，是食用菌生產(chǎn)能源管理大的影響因素。在工作類(lèi)設備中，選型尤為重要，不應簡(jiǎn)單對比設備價(jià)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(gè)指標終影響我們的生產(chǎn)。例如空壓機，簡(jiǎn)單的電機啟停類(lèi)與永磁變頻類(lèi)運行成本有明顯的差別，購置價(jià)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(guò)大，那么還要考慮因投資產(chǎn)生的利息成本。

在實(shí)際生產(chǎn)中，電費占比大的是暖通設備，而暖通設備的專(zhuān)業(yè)化程度較高，不同模式差別較大，同等模式不同廠(chǎng)家及安裝隊伍的差別也較大，而這些設備是建廠(chǎng)的時(shí)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(kāi)始以后，天然氣價(jià)格急速變化，導致以天然氣為滅菌燃料的食用菌工廠(chǎng)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(huán)保要求，采用天然氣、料渣、生物質(zhì)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(yōu)勢（圖4）。其中，菌渣是生產(chǎn)食用菌鮮品的附屬產(chǎn)物，以其為燃料，滅菌成本僅鍋爐使用產(chǎn)生的少量電費和菌渣成本，費用非常低；生物質(zhì)顆粒的成本隨著(zhù)能源市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)，其成本一般比傳統的燃煤高20%左右；天然氣成本高，其隨著(zhù)市場(chǎng)變化波動(dòng)較大，例如2022年天然氣價(jià)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(guān)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(lèi)型主要是兩種：一種是管道天然氣（CNG，氣態(tài)），又叫壓縮天然氣；另一種是液化天然氣（LNG，液態(tài)），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(guò)程釋放大量冷能，可以采取相應的措施進(jìn)行回收。

3、未來(lái)能源管理可以擴展的方向

3.1太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是否能在食用菌工廠(chǎng)使用，其核心指標在于此項投資的回報率。未來(lái)可能是我們食用菌企業(yè)需要考慮的一個(gè)方向，原因有以下幾點(diǎn)。

一是食用菌工廠(chǎng)化企業(yè)屬于高耗能企業(yè)，每千瓦時(shí)所產(chǎn)生的銷(xiāo)售額與其他行業(yè)相比明顯偏高。二是食用菌在行業(yè)劃分上屬于農業(yè)項目，國家給予了農業(yè)用電的優(yōu)惠價(jià)格，但應從長(cháng)遠考慮此項政策的可持續性。三是隨著(zhù)目前國家太陽(yáng)能的快速發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是目前單晶硅的技術(shù)革新，光電轉化率得到很大提升，而對應太陽(yáng)能的每千瓦的裝機投資額正在逐年降低，也就意味著(zhù)投資回報率上升。四是食用菌栽培屬于大型設施類(lèi)農業(yè)，一般占地面積較大，屋頂面積較多，為使用太陽(yáng)能提供了安裝條件。五是太陽(yáng)能發(fā)電的峰值與食用菌的用電峰值重合，太陽(yáng)能發(fā)電效率高一般在夏季，而此時(shí)也是食用菌栽培能耗大的時(shí)候。后，從經(jīng)營(yíng)角度來(lái)講，食用菌產(chǎn)品價(jià)格隨著(zhù)蔬菜價(jià)格暴漲暴跌，出于企業(yè)穩健經(jīng)營(yíng)、持續發(fā)展考慮，在追求成本為主同時(shí)保有足夠的現金留存，防止出現特殊年份類(lèi)似2018年的價(jià)格導致的企業(yè)經(jīng)營(yíng)問(wèn)題。但現金留存收益較低，適當投資太陽(yáng)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(diǎn)；運行無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)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(dòng)力。其主要部件為蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器、吸收器、溶液熱交換器、溶液泵和U形管等。蒸發(fā)器為高真空容器。水的蒸發(fā)能使管內的冷媒水放出熱量而降溫，獲得冷量，所產(chǎn)生的水蒸氣流入吸收器。由吸收器泵送來(lái)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(fā)生器泵送入真空度較低的發(fā)生器。由于水的沸點(diǎn)遠低于溴化鋰的沸點(diǎn)，水分汽化析出后進(jìn)入冷凝器，冷卻凝結成水，然后經(jīng)U形管節流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行再一次的蒸發(fā)、制冷。發(fā)生器內被濃縮的溶液經(jīng)過(guò)溶液熱交換器預冷后再進(jìn)入吸收器，進(jìn)行另一次循環(huán)。隨著(zhù)國家環(huán)保政策的成熟化和環(huán)保設備的發(fā)展，在滿(mǎn)足國家法規的要求下，企業(yè)可以通過(guò)燃燒食用菌生產(chǎn)的副產(chǎn)物廢菌渣來(lái)提供能源。既滿(mǎn)足了滅菌對蒸汽的需求，又能通過(guò)蒸汽配合溴化鋰空調來(lái)提供冷源，在冬季對某些特殊車(chē)間又能提供熱源，利于食用菌工廠(chǎng)實(shí)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(chǎn)、分配、轉換和消耗的全過(guò)程進(jìn)行科學(xué)的計劃、組織、檢查、控制和監督工作的總稱(chēng)。食用菌工廠(chǎng)進(jìn)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(guò)程中，會(huì )面臨各式各樣的問(wèn)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(shí)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(wèn)題所在。

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

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(cháng)。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(yè)微電網(wǎng)

企業(yè)微電網(wǎng)的數字化系統(EMS)包含安裝于現場(chǎng)的傳感器、智能網(wǎng)關(guān)和微電網(wǎng)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(fā)電設備(系統)，現場(chǎng)傳感器的數據接入邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)，每個(gè)智能網(wǎng)關(guān)可以看做是一個(gè)區域指揮部，采集所接傳感器數據進(jìn)行協(xié)議轉換后上傳EMS或轉發(fā)第三方平臺，網(wǎng)關(guān)可以根據預設閾值或自動(dòng)學(xué)習來(lái)執行邏輯計算，并執行EMS的指令。EMS可以看做是企業(yè)微電網(wǎng)的指揮部，根據智能網(wǎng)關(guān)上傳的數據生成各類(lèi)圖表、控制策略和分析結論，并響應虛擬電廠(chǎng)的調度指令，系統架構圖如圖5所示。

圖5企業(yè)微電網(wǎng)數字化系統(EMS)網(wǎng)絡(luò )架構

AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)數字化系統融合企業(yè)負荷側的電力監控、能耗統計、電能質(zhì)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(yíng)管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，用戶(hù)通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對企業(yè)微電網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一調度、統一運維，同時(shí)滿(mǎn)足企業(yè)用電可靠、節約、效率、有序用電要求。

5.1電力監控

對企業(yè)高低壓變配電系統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無(wú)功補償柜及電纜等配電相關(guān)設備的電氣參數、運行狀態(tài)、接點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和控制，監測企業(yè)微電網(wǎng)主要回路的電能質(zhì)量并進(jìn)行治理，對故障及時(shí)處理并發(fā)出告警信息，提高企業(yè)供電可靠性。

圖6電力監控功能

5.2能耗分析

采集企業(yè)電、水、燃氣等能源消耗，進(jìn)行分類(lèi)分項能耗統計，計算單位面積或單位產(chǎn)品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進(jìn)行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達峰、碳中和路線(xiàn)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(yè)情況實(shí)現定時(shí)控制、光照感應控制、場(chǎng)景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實(shí)現人來(lái)燈亮、人走燈滅，并可以根據系統的控制策略實(shí)現集中控制，為企業(yè)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(yè)分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統計以及光伏發(fā)電功率控制。

圖9分布式光伏發(fā)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(yè)峰谷特點(diǎn)和電價(jià)波動(dòng)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(shí)現削峰填谷，降低企業(yè)用電成本。

圖10儲能管理

5.6充電樁運營(yíng)管理

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

圖11充電樁管理

5.7需求響應

根據企業(yè)負荷波動(dòng)數據，再結合虛擬電廠(chǎng)的調度指令，決定以何種方式參與電網(wǎng)需求響應，平臺可通過(guò)給儲能系統下發(fā)控制策略，調整充發(fā)電時(shí)間。平臺在需求響應時(shí)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(yè)可控負荷數據制定需求響應控制策略，實(shí)現一鍵響應。

圖12企業(yè)微電網(wǎng)數字化系統需求響應示意圖

6、微電網(wǎng)數字化系統硬件設備

安科瑞針對企業(yè)微電網(wǎng)數字化系統除了軟件外，還具備現場(chǎng)傳感器、智能網(wǎng)關(guān)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(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、新能源充電樁、電氣消防類(lèi)解決方案等，可以為企業(yè)微電網(wǎng)數字化提供一站式服務(wù)能力，部分設備見(jiàn)表1。

表1企業(yè)微電網(wǎng)數字化建設部分硬件設備

參考文獻

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[2]黃晨陽(yáng),陳強,趙夢(mèng)然.中國食用菌工廠(chǎng)化生產(chǎn)現狀與問(wèn)題分析[J].農業(yè)工程技術(shù)(溫室園藝),2022(4):12-14

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作者簡(jiǎn)介:魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，手機:13681652469(微信)