基于AHP-變異系數(shù)法的樓宇型綜合能源系統(tǒng)評價體系

嚴(yán)嘉倫，林俊光,，樓可煒，張 曦，盛德仁

基于AHP-變異系數(shù)法的樓宇型綜合能源系統(tǒng)評價體系

嚴(yán)嘉倫1，林俊光1,2，樓可煒3，張 曦2，盛德仁1

（1.浙江大學(xué)熱工與動力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310027；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311100；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014）

針對樓宇式綜合能源系統(tǒng)設(shè)計了一套通用評價體系，為系統(tǒng)設(shè)計提供參考。采用多目標(biāo)分析方法，從能耗、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)3個角度定義了14個子指標(biāo)；基于MATLAB軟件，運(yùn)用絕對層次分析法（AHP）確定了各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；采用變異系數(shù)法進(jìn)行了驗證，得到了最終的評價體系。將該體系應(yīng)用于3個樓宇式綜合能源系統(tǒng)項目，按照定義計算各項指標(biāo)，根據(jù)確定的參考范圍對指標(biāo)進(jìn)行無量綱化，計算出每項指標(biāo)的得分并按照權(quán)重系數(shù)計算綜合得分。結(jié)果表明，項目1綜合得分最高，其中綜合能源利用率、清潔能源占比、系統(tǒng)熱效率較高，環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都在正常范圍內(nèi)，而節(jié)能率和冷效率較低，后期可進(jìn)行優(yōu)化。本文提出的評價體系有別于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，考慮了冷熱電能量品質(zhì)、儲能因素和清潔能源占比等因素，具有一定的普適性。

綜合能源系統(tǒng)；絕對層次分析法；變異系數(shù)法；評價指標(biāo)；權(quán)重；能耗；環(huán)境；經(jīng)濟(jì)

綜合能源系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：2018年我國煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的59.0%，比2017年下降了1.4百分點(diǎn)；而天然氣、核電、水電、風(fēng)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的22.1%，提高了1.3百分點(diǎn)[1]。由各類清潔能源驅(qū)動的綜合能源系統(tǒng)能源利用效率高、發(fā)展?jié)摿Υ?，是今后的主要發(fā)展方向。

判斷綜合能源系統(tǒng)設(shè)計是否合理，需提出一個評價分析準(zhǔn)則和評價方法。與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，綜合能源系統(tǒng)評價體系的最大特點(diǎn)在于能源的多樣性以及地域的特異性。此外，控制方式和運(yùn)行特點(diǎn)等都具有較大差異[2]。

目前，很多文獻(xiàn)采用的評價體系均可分為單一目標(biāo)和多目標(biāo)指標(biāo)。單一目標(biāo)大多以經(jīng)濟(jì)性為研究指標(biāo)：Moradi等人[3]建立了以費(fèi)用年值最低為目標(biāo)函數(shù)的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)混合線性優(yōu)化模型，并分析了日本一座生態(tài)校園的系統(tǒng)運(yùn)行特性；Sheikhi等人[4]則以最大凈現(xiàn)值為目標(biāo)函數(shù)，對北京城市住宅冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了研究，模擬 并優(yōu)化得出最佳運(yùn)行策略。除經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外，很多文獻(xiàn)針對行業(yè)的特殊性，以系統(tǒng)能耗性為研究 對象，如Espirito等人[5]通過分析一次能源利用率，將其作為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，同時提到經(jīng)濟(jì)性和節(jié) 能性，提出參數(shù)變量PFI，PFI越高說明系統(tǒng)一次能源利用率越高。

與單一目標(biāo)評價不同，多目標(biāo)評價指標(biāo)從多個角度分析聯(lián)供系統(tǒng)的性能，如：Rezaie等人[6]選取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能以及環(huán)保指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，對某醫(yī)院冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行裝置容量優(yōu)化；張世翔等[7-9]以多屬性綜合評價決策為理論基礎(chǔ)，通過對賓館、寫字樓和住宅建筑群進(jìn)行研究，建立了聯(lián)供系統(tǒng)的綜合評價模型，以某生態(tài)新城為研究對象，除能耗性、環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性（3E指標(biāo)）外，還將系統(tǒng)彈性指標(biāo)考慮在內(nèi)。

本文基于以上研究，分別從能耗、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)3個方面確定了評價指標(biāo)，并采用絕對層次分析法對各個指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，建立了長江三角洲地區(qū)的綜合能源冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)的評價體系，進(jìn)而通過變異系數(shù)法對所建立的評價體系進(jìn)行優(yōu)化驗證，確定評價體系的合理性和可靠性，最后對某樓宇式綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了評價。

1 評價指標(biāo)

1.1 能耗指標(biāo)

1.1.1 綜合能源系統(tǒng)利用率

以系統(tǒng)能耗性為研究對象，其中最主要的指標(biāo)是基于熱力學(xué)第一定律的綜合能源系統(tǒng)利用率，其定義是系統(tǒng)輸出的冷、熱、電量與系統(tǒng)輸入的總能量之比，即

式中：o為系統(tǒng)凈輸出電量，kW·h；h為系統(tǒng)輸出熱量，kJ；c為系統(tǒng)輸出冷量，kJ；為天然氣消耗量，m3；L為天然氣低熱值，kJ/m3；i為系統(tǒng)凈輸入電量，kW·h。

1.1.2 ?效率

基于熱力學(xué)第二定律，提出以?效率作為評價指標(biāo)，將不同品位的能源轉(zhuǎn)化為同質(zhì)的能源進(jìn)行分析。電能的品位最高，因此將各種形式的能源統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成電能會使統(tǒng)計分析更加合理。?效率ex定義為

式中，h、c、分別為熱能、冷能和天然氣的能質(zhì)系數(shù)，定義為能源理論上最大程度可轉(zhuǎn)換為電能的能力[6-7]。在環(huán)境溫度為0時，溫度為1的熱水的能質(zhì)系數(shù)hw為

溫度為2的蒸汽的能質(zhì)系數(shù)hs為

式中，s為蒸汽的飽和溫度，K。

天然氣燃料的能質(zhì)系數(shù)為

1.1.3 節(jié)能率

相比于傳統(tǒng)的分產(chǎn)系統(tǒng)，將綜合能源系統(tǒng)生產(chǎn)相同的冷、熱、電量時所能節(jié)省的總能量定義為節(jié)能量。節(jié)能率為節(jié)能量與傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)消耗的總能量之比，即

式中0為傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)的燃料消耗量（換算為標(biāo)煤量）。為方便計算，將分產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)一劃定為燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)和電網(wǎng)，則有

式中，P、h、c分別為電網(wǎng)供電效率、制冷機(jī)效率和燃?xì)忮仩t供熱效率。1為綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中從電網(wǎng)購得的電量與從燃?xì)夤举彽玫奶烊粴饽芰恐?，并換算成標(biāo)煤量，即

1.1.4 清潔能源占比

由于綜合能源系統(tǒng)應(yīng)朝著以清潔能源為主的方向發(fā)展，所以各類綠色低碳能源規(guī)劃中清潔能源占比是必不可少的評價指標(biāo)，其定義是清潔能源消耗量占項目總能源消耗量的比例，即

式中，E為各類可再生能源消耗量，包括太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、風(fēng)能等。

1.1.5 水蓄能效率

綜合能源系統(tǒng)中安裝有水蓄能裝置，其中有效利用的熱量與裝置存儲的熱量之比即為水蓄能效率w

式中：h為輸入用戶端的熱水焓值，kJ/kg；1為從用戶端回收的熱水焓值，kJ/kg；w為水在當(dāng)時環(huán)境溫度下的焓值，kJ/kg。

1.1.6 電儲能效率

蓄電池電儲能效率e定義為蓄電元件輸出電量與輸入電量之比，即

1.1.7 熱（冷）效率

綜合能源系統(tǒng)中熱（冷）效率h(c)也是必須考量的因素，其直接影響產(chǎn)熱（冷）效率，定義為

式中：h(c)為消耗的用于發(fā)熱（制冷）的天然氣量，m3；h(c)為熱泵（制冷機(jī)）所消耗的電量，kW·h。

1.2 環(huán)境指標(biāo)

1.2.1 廢氣廢水排放量

廢氣主要指CO、SO2和NO，其排放量按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）執(zhí)行[10]。在綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中，涉及的相關(guān)污水排放指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）執(zhí)行[11]，其基本項目限值如表1所示。

表1 環(huán)境空氣污染物和地表水環(huán)境基本項目限值

Tab.1 The environmental air pollutants and surface water emission limits

注：廢氣CO、SO2、NO測試時間為24 h。

1.2.2噪聲等級

按照《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008），在運(yùn)行設(shè)備外1 m處進(jìn)行檢測，系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲應(yīng)在70 dB以下[12]。

1.2.3減排率

與傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)相比，輸出相同冷熱電量所需要消耗的能源轉(zhuǎn)換的廢氣量的減少百分比稱為減排率

將節(jié)省的能源量統(tǒng)一換算成標(biāo)煤量，并按節(jié)省1 kg標(biāo)煤相當(dāng)于減排2.493 kg的CO2、0.038 kg的NO和0.075 kg的SO2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行廢氣量換算[9]。

1.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.3.1 增量投資靜態(tài)回收期

增量投資靜態(tài)回收期re定義為利用采用技術(shù)策略在運(yùn)營使用過程中節(jié)能產(chǎn)生的收益來抵償其建造期采用技術(shù)策略的增量成本所需要的時間，其計算如下：

式中：re為綜合能源系統(tǒng)輸出與傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)相同的冷、熱、電量所需的增量投資，元；tr和int分別為傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，包括燃料成本、人工成本、設(shè)備維護(hù)成本和設(shè)備折舊等，元。

1.3.2費(fèi)用年值

將投資值等值折算為年值后再與年運(yùn)行費(fèi)相加，即可得到費(fèi)用年值

式中：sys為系統(tǒng)造價，元；為基準(zhǔn)收益率，%；為使用壽命，a；為系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，元。

2 計算指標(biāo)權(quán)重

2.1 絕對層次分析評價法

傳統(tǒng)的層次分析法（AHP）是典型的確定指標(biāo)權(quán)重的一種主觀確定方法，其核心原理包括：將問題分解，構(gòu)建一個多層次分析模型；比較各指標(biāo)重要程度，并構(gòu)建權(quán)重矩陣；排序做出決策[13]。

在運(yùn)用AHP得到指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，由于采用的指標(biāo)較多，因此適用于AHP的絕對評價，即通過分層分別對不同層次的指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行權(quán)重確定，最終得到每個指標(biāo)在整個系統(tǒng)中的權(quán)重系數(shù)。

按照上文制定的指標(biāo)，得到綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)層次分析結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)層次分析結(jié)構(gòu)

評價標(biāo)準(zhǔn)中有兩級指標(biāo)：一級指標(biāo)包括能耗、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)3個指標(biāo)；二級指標(biāo)包括14個指標(biāo)，其中經(jīng)濟(jì)指標(biāo)只有2個子指標(biāo)，專家須直接對其進(jìn)行權(quán)重劃分。按照相對重要性程度構(gòu)建判斷矩陣

2.2 計算權(quán)重

以其中1位專家的結(jié)果為例進(jìn)行計算。首先以1—7能耗指標(biāo)按AHP構(gòu)建判斷矩陣1

采取2種方式求取判斷矩陣，根據(jù)式(18)將矩陣1每一列進(jìn)行歸一化處理，獲得判斷矩陣1

將判斷矩陣1按照式(19)對每一列取算術(shù)平均，得到權(quán)重矩陣1=[h]×1，

同時，將判斷矩陣1通過式(20)求得另一個權(quán)重矩陣1=[k]×1，

最后將2個權(quán)重矩陣按照相應(yīng)元素幾何平均模式得到最終的權(quán)重矩陣1

求得矩陣1的最大特征根max為8.196 4，按照式(22)評估判斷矩陣的一致性：

式中，為判斷矩陣的階。

隨機(jī)一致性比率CR為

式中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值標(biāo)準(zhǔn)見 表2[13]。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 Thestandard of setting values for the average random consistency indexes

當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為構(gòu)建的判斷矩陣具有一致性。一致性偏差太大時應(yīng)舍棄此份數(shù)據(jù)。矩陣1的CR=0.019 9，滿足一致性檢驗。

由于評價體系中各一級指標(biāo)所含二級指標(biāo)個數(shù)相差較大，因此一級指標(biāo)的權(quán)重矩陣同時考慮所含指標(biāo)個數(shù)所占權(quán)重以及專家重要性權(quán)重，取兩者算術(shù)平均值，如式(24)所示。

2.3 合理性驗證

變異系數(shù)法（CV）是一種客觀賦權(quán)方法，根據(jù)各項指標(biāo)包含的信息，通過計算得到指標(biāo)權(quán)重。其基本原理為：指標(biāo)取值差異性越大，該指標(biāo)包含 的信息量越多，所占的權(quán)重越大?？蓪V作為一種驗證方法，對AHP確定的評價體系進(jìn)行合理 性驗證[14-15]。

各項指標(biāo)的變異系數(shù)計算公式為

各項指標(biāo)的權(quán)重為

結(jié)合一級指標(biāo)的權(quán)重矩陣，得到該專家的綜合能源系統(tǒng)評價體系。類比上述步驟，得到所有專家的權(quán)重矩陣。其中，有1名專家的判斷矩陣不符合一致性檢測，剔除相應(yīng)數(shù)據(jù)，最終得到綜合能源系統(tǒng)評價體系權(quán)重分配見表3。

表3 綜合能源系統(tǒng)評價體系權(quán)重分配

Tab.3 The weight distribution for the comprehensive energy system evaluation system

2.4 評價分級標(biāo)準(zhǔn)

為了計算各指標(biāo)具體得分，通過專家制定相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的取值范圍，將具體項目中的各指標(biāo)參數(shù)按照式(27)進(jìn)行無量綱化處理，處理后的系統(tǒng)評分結(jié)果計算取值在0~1。

在評價指標(biāo)中，有些表示項目收益的指標(biāo)越大代表評分越高，稱為正向指標(biāo)，而評價系統(tǒng)中的成本性指標(biāo)越小代表評分越高，因此需要將各指標(biāo)規(guī)范為同趨勢，將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)。

對于環(huán)境指標(biāo)中的廢水廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)該項評分為1，未達(dá)到要求的評分為0。通過各指標(biāo)權(quán)重計算得出系統(tǒng)的最終評分。

3 案例分析

以3個樓宇式綜合能源系統(tǒng)項目為例，驗證上文評價體系的合理性和通用性。

項目1為長江三角洲地區(qū)某商業(yè)大廈，其總用地面積約2.41萬m2，是一個覆蓋辦公、商務(wù)酒店、街區(qū)商業(yè)的中高端綜合體。

項目2為中部平原地區(qū)某國際機(jī)場，其總建筑面積達(dá)21.2萬m2，配備有綜合能源系統(tǒng)站。

項目3為沿海地區(qū)某新建學(xué)校，占地總面積 17萬m2，有42個教學(xué)班，能源站主要供能于教學(xué)樓及宿舍樓，是一個提倡使用清潔能源的示范項目。

3個項目的部分系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表4。根據(jù)制定的評價體系對上述項目各指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果見表5。

表4 3個樓宇式綜合能源系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

Tab.4Main operation parameters of the above three building comprehensive energy systems

表5 3個項目各指標(biāo)計算結(jié)果和得分

Tab.5The calculation results and scores of each indicator in the above three projects

將各指標(biāo)按照式(27)進(jìn)行無量綱化，根據(jù)表3的權(quán)重分配，得到項目1、項目2、項目3的最終綜合得分分別為74.5、50.4、50.1?？梢?，項目1綜合得分最高，另外2個項目得分相近。

同時，可以通過各項指標(biāo)具體得分，分析該項目的優(yōu)劣勢。如項目1中得分較高的為1、4、6、1等指標(biāo)，說明該系統(tǒng)綜合能源利用率、清潔能源占比、熱效率和增量投資回收期是優(yōu)勢指標(biāo)，而3、5、4等得分較低，則表明其節(jié)能率和水蓄能效率有待提升和優(yōu)化。

項目2和項目3雖然得分相近，但2個項目的優(yōu)劣勢指標(biāo)卻不同：項目2的優(yōu)勢指標(biāo)主要為1、2，說明該項目更注重經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，能耗性指標(biāo)的競爭力則相對較弱，如綜合能源利用率、?效率、冷效率指標(biāo)得分均較低，表明其為了獲得較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益，能源浪費(fèi)較為嚴(yán)重；而項目3最主要的優(yōu)勢指標(biāo)為4，即清潔能源占比大，其他能耗指標(biāo)如熱效率冷效率較低，與項目2相反，其增量投資回收期較長，經(jīng)濟(jì)收益相對不是很樂觀。

從以上分析可以看出，本文提出的綜合能源系統(tǒng)評價體系既可以較全面地評價一個系統(tǒng)，也可以通過具體指標(biāo)得分明確系統(tǒng)的優(yōu)劣勢。

4 結(jié) 論

1）本文評價體系包含指標(biāo)較多，旨在對樓宇型綜合能源系統(tǒng)在設(shè)計階段進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。對其他形式的綜合能源系統(tǒng)，如大型區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)，同樣具備一定的參考意義，但是需要基于該評價體系對其中的指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦薷幕蛟鰷p，以增加其實(shí)用性和通用性。

2）利用本文評價體系對某樓宇式綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行評價，根據(jù)各指標(biāo)的具體得分可判斷系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，可為今后的系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化提供思路。

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Evaluation system for building integrated energy systembased on AHP-CV method

YAN Jialun1, LIN Junguang1,2, LOU Kewei3, ZHANG Xi2, SHENG Deren1

(1. Institute of Thermal Science and Power System, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Zhejiang Energy Group Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 311100, China;3. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)

A general evaluation system is designed for the building integrated energy system to provide reference for system design. By using multi-objective analysis method, 14 sub-indicators are defined from three perspectives of energy consumption, environment and economy. Based on MATLAB software, the weight coefficient of each index is determined by using absolute analytic hierarchy process (AHP) and the coefficient of variation method. The system is applied to three building-type integrated energy system projects. Each indicator is calculated and dimensionless according to the determined reference range. The comprehensive score of each project is calculated according to the weight coefficient. The results show that the score of Project 1 is the highest. Its comprehensive energy utilization, clean energy ratio, system thermal efficiency, environmental indicators and economic indicators are in the normal range, while the energy saving rate and cooling efficiency are low, which can be optimized at the later stage. The evaluation system proposed is different from the conventional energy system, it considers the factors such as the energy quality, energy storage and proportion of clean energy, and it has certain universality.

integrated energy system, absolute analytic hierarchy process, coefficient of variation method, evaluation index, weight, energy consumption, environment, economy

TK019

A

10.19666/j.rlfd.201904162

嚴(yán)嘉倫, 林俊光, 樓可煒, 等. 基于AHP-變異系數(shù)法的樓宇型綜合能源系統(tǒng)評價體系[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 25-30. YAN Jialun, LIN Junguang, LOU Kewei, et al. Evaluation system for building integrated energy system based on AHP-CV method[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 25-30.

2019-04-23

嚴(yán)嘉倫(1995)，男，碩士，主要研究方向為綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，yanjl@zju.edu.cn。

盛德仁(1960)，男，教授，shengdr@zju.edu.cn。

（責(zé)任編輯 李園）