基于AHP-變異系數法的樓宇型綜合能源系統評價體系

嚴嘉倫，林俊光,，樓可煒，張 曦，盛德仁

基于AHP-變異系數法的樓宇型綜合能源系統評價體系

嚴嘉倫1，林俊光1,2，樓可煒3，張 曦2，盛德仁1

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

針對樓宇式綜合能源系統設計了一套通用評價體系，為系統設計提供參考。采用多目標分析方法，從能耗、環境、經濟3個角度定義了14個子指標；基于MATLAB軟件，運用絕對層次分析法（AHP）確定了各指標的權重系數；采用變異系數法進行了驗證，得到了最終的評價體系。將該體系應用于3個樓宇式綜合能源系統項目，按照定義計算各項指標，根據確定的參考范圍對指標進行無量綱化，計算出每項指標的得分并按照權重系數計算綜合得分。結果表明，項目1綜合得分最高，其中綜合能源利用率、清潔能源占比、系統熱效率較高，環境指標和經濟指標都在正常范圍內，而節能率和冷效率較低，后期可進行優化。本文提出的評價體系有別于傳統能源系統，考慮了冷熱電能量品質、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；絕對層次分析法；變異系數法；評價指標；權重；能耗；環境；經濟

綜合能源系統具有節能、環保、經濟等諸多優點，已廣泛應用于各個行業。國家統計局數據顯示：2018年我國煤炭消費量占能源消費總量的59.0%，比2017年下降了1.4百分點；而天然氣、核電、水電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的22.1%，提高了1.3百分點[1]。由各類清潔能源驅動的綜合能源系統能源利用效率高、發展潛力大，是今后的主要發展方向。

判斷綜合能源系統設計是否合理，需提出一個評價分析準則和評價方法。與傳統能源系統相比，綜合能源系統評價體系的最大特點在于能源的多樣性以及地域的特異性。此外，控制方式和運行特點等都具有較大差異[2]。

目前，很多文獻采用的評價體系均可分為單一目標和多目標指標。單一目標大多以經濟性為研究指標：Moradi等人[3]建立了以費用年值最低為目標函數的冷、熱、電三聯供系統混合線性優化模型，并分析了日本一座生態校園的系統運行特性；Sheikhi等人[4]則以最大凈現值為目標函數，對北京城市住宅冷、熱、電聯供系統進行了研究，模擬 并優化得出最佳運行策略。除經濟性指標外，很多文獻針對行業的特殊性，以系統能耗性為研究 對象，如Espirito等人[5]通過分析一次能源利用率，將其作為目標優化函數，同時提到經濟性和節 能性，提出參數變量PFI，PFI越高說明系統一次能源利用率越高。

與單一目標評價不同，多目標評價指標從多個角度分析聯供系統的性能，如：Rezaie等人[6]選取技術、經濟、節能以及環保指標作為優化目標，對某醫院冷、熱、電三聯供系統進行裝置容量優化；張世翔等[7-9]以多屬性綜合評價決策為理論基礎，通過對賓館、寫字樓和住宅建筑群進行研究，建立了聯供系統的綜合評價模型，以某生態新城為研究對象，除能耗性、環境性、經濟性（3E指標）外，還將系統彈性指標考慮在內。

本文基于以上研究，分別從能耗、環境和經濟3個方面確定了評價指標，并采用絕對層次分析法對各個指標進行賦權，建立了長江三角洲地區的綜合能源冷、熱、電聯供系統的評價體系，進而通過變異系數法對所建立的評價體系進行優化驗證，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進行了評價。

1 評價指標

1.1 能耗指標

1.1.1 綜合能源系統利用率

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

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

1.1.2 ?效率

基于熱力學第二定律，提出以?效率作為評價指標，將不同品位的能源轉化為同質的能源進行分析。電能的品位最高，因此將各種形式的能源統一轉換成電能會使統計分析更加合理。?效率ex定義為

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

溫度為2的蒸汽的能質系數hs為

式中，s為蒸汽的飽和溫度，K。

天然氣燃料的能質系數為

1.1.3 節能率

相比于傳統的分產系統，將綜合能源系統生產相同的冷、熱、電量時所能節省的總能量定義為節能量。節能率為節能量與傳統分產系統消耗的總能量之比，即

式中0為傳統分產系統的燃料消耗量（換算為標煤量）。為方便計算，將分產系統統一劃定為燃氣鍋爐、電制冷機和電網，則有

式中，P、h、c分別為電網供電效率、制冷機效率和燃氣鍋爐供熱效率。1為綜合能源系統運行過程中從電網購得的電量與從燃氣公司購得的天然氣能量之和，并換算成標煤量，即

1.1.4 清潔能源占比

由于綜合能源系統應朝著以清潔能源為主的方向發展，所以各類綠色低碳能源規劃中清潔能源占比是必不可少的評價指標，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、地熱能、生物質能、風能等。

1.1.5 水蓄能效率

綜合能源系統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為水在當時環境溫度下的焓值，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

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

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

1.2 環境指標

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《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）執行[10]。在綜合能源系統運行過程中，涉及的相關污水排放指標標準按照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）執行[11]，其基本項目限值如表1所示。

表1 環境空氣污染物和地表水環境基本項目限值

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《工業企業廠界環境噪聲排放標準》（GB 12348—2008），在運行設備外1 m處進行檢測，系統運行產生的噪聲應在70 dB以下[12]。

1.2.3減排率

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

將節省的能源量統一換算成標煤量，并按節省1 kg標煤相當于減排2.493 kg的CO2、0.038 kg的NO和0.075 kg的SO2的標準進行廢氣量換算[9]。

1.3 經濟指標

1.3.1 增量投資靜態回收期

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

式中：re為綜合能源系統輸出與傳統分產系統相同的冷、熱、電量所需的增量投資，元；tr和int分別為傳統分產系統和綜合能源系統的年運行費用，包括燃料成本、人工成本、設備維護成本和設備折舊等，元。

1.3.2費用年值

將投資值等值折算為年值后再與年運行費相加，即可得到費用年值

式中：sys為系統造價，元；為基準收益率，%；為使用壽命，a；為系統年運行費用，元。

2 計算指標權重

2.1 絕對層次分析評價法

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

在運用AHP得到指標權重的基礎上，由于采用的指標較多，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單獨進行權重確定，最終得到每個指標在整個系統中的權重系數。

按照上文制定的指標，得到綜合能源系統評價指標層次分析結構，如圖1所示。

圖1 綜合能源系統評價指標層次分析結構

評價標準中有兩級指標：一級指標包括能耗、環境、經濟3個指標；二級指標包括14個指標，其中經濟指標只有2個子指標，專家須直接對其進行權重劃分。按照相對重要性程度構建判斷矩陣

2.2 計算權重

以其中1位專家的結果為例進行計算。首先以1—7能耗指標按AHP構建判斷矩陣1

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

將判斷矩陣1按照式(19)對每一列取算術平均，得到權重矩陣1=[h]×1，

同時，將判斷矩陣1通過式(20)求得另一個權重矩陣1=[k]×1，

最后將2個權重矩陣按照相應元素幾何平均模式得到最終的權重矩陣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。

隨機一致性比率CR為

式中，RI為平均隨機一致性指標，其取值標準見 表2[13]。

表2 平均隨機一致性指標取值標準

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

當CR＜0.1時，認為構建的判斷矩陣具有一致性。一致性偏差太大時應舍棄此份數據。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所含二級指標個數相差較大，因此一級指標的權重矩陣同時考慮所含指標個數所占權重以及專家重要性權重，取兩者算術平均值，如式(24)所示。

2.3 合理性驗證

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

各項指標的變異系數計算公式為

各項指標的權重為

結合一級指標的權重矩陣，得到該專家的綜合能源系統評價體系。類比上述步驟，得到所有專家的權重矩陣。其中，有1名專家的判斷矩陣不符合一致性檢測，剔除相應數據，最終得到綜合能源系統評價體系權重分配見表3。

表3 綜合能源系統評價體系權重分配

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

2.4 評價分級標準

為了計算各指標具體得分，通過專家制定相關指標數據的取值范圍，將具體項目中的各指標參數按照式(27)進行無量綱化處理，處理后的系統評分結果計算取值在0~1。

在評價指標中，有些表示項目收益的指標越大代表評分越高，稱為正向指標，而評價系統中的成本性指標越小代表評分越高，因此需要將各指標規范為同趨勢，將所有指標轉化為正向指標。

對于環境指標中的廢水廢氣排放標準，規定在標準范圍內該項評分為1，未達到要求的評分為0。通過各指標權重計算得出系統的最終評分。

3 案例分析

以3個樓宇式綜合能源系統項目為例，驗證上文評價體系的合理性和通用性。

項目1為長江三角洲地區某商業大廈，其總用地面積約2.41萬m2，是一個覆蓋辦公、商務酒店、街區商業的中高端綜合體。

項目2為中部平原地區某國際機場，其總建筑面積達21.2萬m2，配備有綜合能源系統站。

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

3個項目的部分系統主要運行參數見表4。根據制定的評價體系對上述項目各指標進行計算，結果見表5。

表4 3個樓宇式綜合能源系統主要運行參數

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

表5 3個項目各指標計算結果和得分

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

將各指標按照式(27)進行無量綱化，根據表3的權重分配，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，可以通過各項指標具體得分，分析該項目的優劣勢。如項目1中得分較高的為1、4、6、1等指標，說明該系統綜合能源利用率、清潔能源占比、熱效率和增量投資回收期是優勢指標，而3、5、4等得分較低，則表明其節能率和水蓄能效率有待提升和優化。

項目2和項目3雖然得分相近，但2個項目的優劣勢指標卻不同：項目2的優勢指標主要為1、2，說明該項目更注重經濟性指標，能耗性指標的競爭力則相對較弱，如綜合能源利用率、?效率、冷效率指標得分均較低，表明其為了獲得較為可觀的經濟效益，能源浪費較為嚴重；而項目3最主要的優勢指標為4，即清潔能源占比大，其他能耗指標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，經濟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評價體系既可以較全面地評價一個系統，也可以通過具體指標得分明確系統的優劣勢。

4 結 論

1）本文評價體系包含指標較多，旨在對樓宇型綜合能源系統在設計階段進行參數優化。對其他形式的綜合能源系統，如大型區域型綜合能源系統，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進行適當地修改或增減，以增加其實用性和通用性。

2）利用本文評價體系對某樓宇式綜合能源系統進行評價，根據各指標的具體得分可判斷系統的優劣勢，可為今后的系統運行優化提供思路。

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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

嚴嘉倫, 林俊光, 樓可煒, 等. 基于AHP-變異系數法的樓宇型綜合能源系統評價體系[J]. 熱力發電, 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

嚴嘉倫(1995)，男，碩士，主要研究方向為綜合能源系統相關技術，yanjl@zju.edu.cn。

盛德仁(1960)，男，教授，shengdr@zju.edu.cn。

（責任編輯 李園）