淺談基於企業微電網平台的食用菌工廠的能源管理

摘要：從(cong) 食用菌生產(chan) 經營者角度指出食用菌工廠化生產(chan) 的產(chan) 品生鮮屬性、微生物培養(yang) 的技術特點和競爭(zheng) 戰略難以突破決(jue) 定了成本控製是經營的核心。分析食用菌生產(chan) 的成本構成，指出加強能源管理是節本增效的重要途徑，從(cong) 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製冷機）指明食用菌工廠能源管理的具體(ti) 途徑。提出能源管理的基本思路為(wei) 確定改善目標、劃分區域、明確費用、改善實施和核算結果。

關(guan) 鍵詞：食用菌；節能分析;能源管理係統；電費分類；太陽能

0引言

2006年以來，中國食用菌工廠化生產(chan) 得到迅速發展。據報道，2021年全國食用菌工廠化總產(chan) 量為(wei) 280.4萬(wan) 噸，比2019年343.68萬(wan) 噸下降了63.28萬(wan) 噸，其中，產(chan) 量的品種為(wei) 金針菇（123.13萬(wan) 噸）、杏鮑菇（66.78萬(wan) 噸）和雙孢蘑菇（27.97萬(wan) 噸），金針菇和杏鮑菇兩(liang) 個(ge) 工廠化生產(chan) 主要品種合計占年總產(chan) 量的68%。

1食用菌工廠化生產(chan) 的特性

1.1產(chan) 品屬性

目前食用菌工廠化生產(chan) 的產(chan) 品以鮮品為(wei) 主，銷售主要采用大宗批發模式，在銷售定價(jia) 方麵波動較大，屬於(yu) 充分競爭(zheng) 行業(ye) 。食用菌鮮品銷售貨架期較短，在采收時價(jia) 值大，隨

時間增加價(jia) 值降低趨向於(yu) 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(jia) 格受蔬菜產(chan) 品的影響較大，順季蔬菜大量上市時，食用菌產(chan) 品價(jia) 格降低，而蔬菜供應不足時，則價(jia) 格上漲。

1.2技術特點

食用菌工廠化生產(chan) 屬於(yu) 大型設施類農(nong) 業(ye) ，一次性投資較大，運營資金相對較少。由於(yu) 食用菌屬於(yu) 微生物範疇，因此其技術屬性為(wei) 采用農(nong) 業(ye) 栽培模式的微生物培養(yang) ，受氣候變化、品種變異、上遊原材料等因素影響較大，生產(chan) 技術較難穩定，導致生產(chan) 風險較大。

1.3競爭(zheng) 戰略

一般企業(ye) 的常規競爭(zheng) 戰略分為(wei) 三個(ge) ：成本為(wei) 主型、差異化競爭(zheng) 、集中化策略。由於(yu) 銷售渠道和客戶的，業(ye) 內(nei) 企業(ye) 一般以成本為(wei) 主型為(wei) 主。從(cong) 食用菌工廠經營的三大要素——收入、成本及生產(chan) 效率來講，由於(yu) 產(chan) 品的生產(chan) 周期、生物學效率各個(ge) 工廠差別較大，因此成本控製是經營的核心要素。食用菌工廠產(chan) 品銷售單價(jia) 相對較低，以金針菇為(wei) 例，每千克價(jia) 格在4.5～5.5元，基礎單價(jia) 每波動0.1元/千克，所對應銷售額的影響接近2%。而銷售價(jia) 格定價(jia) 屬於(yu) 市場充分競爭(zheng) ，波動較大。因此，食用菌經營管理的要點是質量的穩定性與(yu) 成本的控製能力。

2食用菌生產(chan) 的成本結構

2.1食用菌生產(chan) 成本結構

根據金針菇工廠生產(chan) 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(chan) 成本占比92%，其主要由原材料、人工費用、製造費用和包裝費用四大費用構成。其中，製造費用占總成本的20%，占生產(chan) 成本的21.74%。而製造費又以能源費為(wei) 主，占製造費用的90%以上，對於(yu) 成本控製較為(wei) 重要，其以能源管理為(wei) 主要著力點。能源管理主要為(wei) 電費、滅菌燃料費用，而日常產(chan) 生的設施設備維修費也牽涉到能源的費用；折舊費與(yu) 設備投資直接相關(guan) ，不同投資的設備也會(hui) 產(chan) 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(chan) 為(wei) 例，設備電費按照技術改善途徑可分為(wei) 兩(liang) 類：工作類和環境類，具體(ti) 見圖3。

（1）工作類。

主要為(wei) 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(wei) ：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(ye) 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。然後是各設備之間的匹配問題，生產(chan) 效率的一致性越高，則相應的能耗就會(hui) 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(wei) 主，氣動和電機類較多，具體(ti) 改善方法與(yu) 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(wei) 電機和氣動設備，具體(ti) 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(ti) 改善方法同上。

1. 環境類。

主要涉及強冷室、接種室、培養(yang) 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(yu) 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(wei) 例，培養(yang) 期菌絲(si) 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(chan) 良好高產(chan) 食用菌產(chan) 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(wei) 風冷式和水冷式；壓縮機按其原理一般有渦旋式、活塞式、螺杆式、離心式、磁懸浮式等；空調按冷媒（製冷劑）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(wei) 主，而大型企業(ye) 常以水冷式螺杆、離心式等為(wei) 主，磁懸浮因造價(jia) 過高，除特殊要求外一般不采用。

因地製宜選擇不同的生產(chan) 模式，是食用菌生產(chan) 能源管理大的影響因素。在工作類設備中，選型尤為(wei) 重要，不應簡單對比設備價(jia) 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(ge) 指標終影響我們(men) 的生產(chan) 。例如空壓機，簡單的電機啟停類與(yu) 永磁變頻類運行成本有明顯的差別，購置價(jia) 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，那麽(me) 還要考慮因投資產(chan) 生的利息成本。

在實際生產(chan) 中，電費占比大的是暖通設備，而暖通設備的專(zhuan) 業(ye) 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(cong) 新冠疫情開始以後，天然氣價(jia) 格急速變化，導致以天然氣為(wei) 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(jue) 定性的優(you) 勢（圖4）。其中，菌渣是生產(chan) 食用菌鮮品的附屬產(chan) 物，以其為(wei) 燃料，滅菌成本僅(jin) 鍋爐使用產(chan) 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(jia) 格波動，其成本一般比傳(chuan) 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(jia) 格在7元/千克左右，對應滅菌成本比曆史平均成本高出200%。滅菌設備主要由鍋爐、管道、滅菌櫃組成，對於(yu) 節能，鍋爐的能效比是關(guan) 鍵，剩餘(yu) 就是管道和滅菌櫃的保溫。滅菌後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(liang) 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(chu) 存在真空絕熱的低溫容器（氣瓶）內(nei) ，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，其核心指標在於(yu) 此項投資的回報率。未來可能是我們(men) 食用菌企業(ye) 需要考慮的一個(ge) 方向，原因有以下幾點。

一是食用菌工廠化企業(ye) 屬於(yu) 高耗能企業(ye) ，每千瓦時所產(chan) 生的銷售額與(yu) 其他行業(ye) 相比明顯偏高。二是食用菌在行業(ye) 劃分上屬於(yu) 農(nong) 業(ye) 項目，國家給予了農(nong) 業(ye) 用電的優(you) 惠價(jia) 格，但應從(cong) 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，特別是目前單晶矽的技術革新，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。四是食用菌栽培屬於(yu) 大型設施類農(nong) 業(ye) ，一般占地麵積較大，屋頂麵積較多，為(wei) 使用太陽能提供了安裝條件。五是太陽能發電的峰值與(yu) 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。後，從(cong) 經營角度來講，食用菌產(chan) 品價(jia) 格隨著蔬菜價(jia) 格暴漲暴跌，出於(yu) 企業(ye) 穩健經營、持續發展考慮，在追求成本為(wei) 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(jia) 格導致的企業(ye) 經營問題。但現金留存收益較低，適當投資太陽能也不失為(wei) 一種辦法。

3.2配合蒸汽使用的溴化鋰吸收式製冷機

溴化鋰吸收式製冷機以水為(wei) 製冷劑、以溴化鋰水溶液為(wei) 吸收劑，與(yu) 蒸氣壓縮式製冷機相比，這種製冷機以熱能製冷，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、餘(yu) 熱熱源作為(wei) 動力。其主要部件為(wei) 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(wei) 高真空容器。水的蒸發能使管內(nei) 的冷媒水放出熱量而降溫，獲得冷量，所產(chan) 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，吸收水蒸氣後形成稀溶液，並由發生器泵送入真空度較低的發生器。由於(yu) 水的沸點遠低於(yu) 溴化鋰的沸點，水分汽化析出後進入冷凝器，冷卻凝結成水，然後經U形管節流降壓，進入蒸發器進行再一次的蒸發、製冷。發生器內(nei) 被濃縮的溶液經過溶液熱交換器預冷後再進入吸收器，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(ye) 可以通過燃燒食用菌生產(chan) 的副產(chan) 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，利於(yu) 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(chan) 、分配、轉換和消耗的全過程進行科學的計劃、組織、檢查、控製和監督工作的總稱。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(hui) 麵臨(lin) 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(ti) ，隻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(zhuan) 業(ye) 的知識和原理有一定的認識。對於(yu) 一般的設備隻需要做簡單的替換，牽涉金額較小。但對於(yu) 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，然後逐步改善改進。

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(wei) 下一步的改善確定更為(wei) 明細的目標。

5 AcrelEMS企業(ye) 微電網

企業(ye) 微電網的數字化係統(EMS)包含安裝於(yu) 現場的傳(chuan) 感器、智能網關(guan) 和微電網數字化軟件。傳(chuan) 感器用於(yu) 監測和控製建築的負荷設備和分布式發電設備(係統)，現場傳(chuan) 感器的數據接入邊緣計算智能網關(guan) ，每個(ge) 智能網關(guan) 可以看做是一個(ge) 區域指揮部，采集所接傳(chuan) 感器數據進行協議轉換後上傳(chuan) EMS或轉發第三方平台，網關(guan) 可以根據預設閾值或自動學習(xi) 來執行邏輯計算，並執行EMS的指令。EMS可以看做是企業(ye) 微電網的指揮部，根據智能網關(guan) 上傳(chuan) 的數據生成各類圖表、控製策略和分析結論，並響應虛擬電廠的調度指令，係統架構圖如圖5所示。

圖5企業(ye) 微電網數字化係統(EMS)網絡架構

AcrelEMS企業(ye) 微電網數字化係統融合企業(ye) 負荷側(ce) 的18luck新客户端、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控製、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲(chu) 能管理等功能，用戶通過一個(ge) 平台即可全局、整體(ti) 的對企業(ye) 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(ye) 用電可靠、節約、效率、有序用電要求。

5.118luck新客户端

對企業(ye) 高低壓變配電係統的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償(chang) 櫃及電纜等配電相關(guan) 設備的電氣參數、運行狀態、接點溫度進行實時監測和控製，監測企業(ye) 微電網主要回路的電能質量並進行治理，對故障及時處理並發出告警信息，提高企業(ye) 供電可靠性。

圖618luck新客户端功能

5.2能耗分析

采集企業(ye) 電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，計算單位麵積或單位產(chan) 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(ye) 碳排放，為(wei) 企業(ye) 製定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖7能耗分析功能

5.3照明控製

智能照明控製功能可以根據企業(ye) 情況實現定時控製、光照感應控製、場景控製、調光控製等，並結合紅外傳(chuan) 感器、超聲波傳(chuan) 感器，實現人來燈亮、人走燈滅，並可以根據係統的控製策略實現集中控製，為(wei) 企業(ye) 節約照明用電。

圖7照明控製功能

5.4分布式光伏監控

監測企業(ye) 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製。

圖9分布式光伏發電監測

5.5儲(chu) 能管理

監測儲(chu) 能係統、電池管理係統(BMS)和儲(chu) 能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控製模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲(chu) 能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業(ye) 峰穀特點和電價(jia) 波動以及上級平台指令設置儲(chu) 能係統的充放電策略，控製儲(chu) 能係統充放電，實現削峰填穀，降低企業(ye) 用電成本。

圖10儲(chu) 能管理

5.6充電樁運營管理

監測企業(ye) 充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，並根據企業(ye) 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(ye) 微電網穩定運行。

圖11充電樁管理

5.7需求響應

根據企業(ye) 負荷波動數據，再結合虛擬電廠的調度指令，決(jue) 定以何種方式參與(yu) 電網需求響應，平台可通過給儲(chu) 能係統下發控製策略，調整充發電時間。平台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，並且可以根據企業(ye) 可控負荷數據製定需求響應控製策略，實現一鍵響應。

圖12企業(ye) 微電網數字化係統需求響應示意圖

6微電網數字化係統硬件設備

安科瑞針對企業(ye) 微電網數字化係統除了軟件外，還具備現場傳(chuan) 感器、智能網關(guan) 等設備，組成了完整的“雲(yun) -邊-端"數字化體(ti) 係，具體(ti) 包括高低壓配電綜合保護和監測產(chan) 品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控製、新能源充電樁、電氣消防類解決(jue) 方案等，可以為(wei) 企業(ye) 微電網數字化提供一站式服務能力，部分設備見表1。

表1企業(ye) 微電網數字化建設部分硬件設備

參考文獻

1. 穀繼永.食用菌工廠能源管理的思考[J]食藥用菌.2023，31（1）：7～11

2. 黃晨陽,陳強,趙夢然.中國食用菌工廠化生產(chan) 現狀與(yu) 問題分析[J].農(nong) 業(ye) 工程技術(溫室園藝),2022(4):12-14

[3] 安科瑞企業(ye) 微電網選型手冊(ce) 2023.02版

安科瑞侯文莉