基于AHP的分布式冷热电联产系统综合评价分析

邱留良，任洪波，班银银，杨 健，蔡 强

(上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090)

分布式冷热电联产(Combined Cooling，Heating and Power，CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用理念基础上的多联供总能系统.[1]它是根据需求侧用户对能源(冷、热、电等)的不同需求，将能源供给端和终端能源用户有效衔接，进行多元化的优化整合，以便供需系统进行协同优化，从而实现温度对口、梯级利用.对常规冷、热、电、热水等单体供能系统的一体化整合，通过按照能量品味高低逐级利用，系统可实现70%以上的总能利用效率.此外，通过能源的就近利用还可减少输配电损失;通过清洁燃料的转型利用可以减少SO2和 NOx等有害气体的排放.[2-4]

近年来，随着CCHP系统的逐渐推广，国内外学者从不同角度对CCHP系统进行了研究.以往的研究或着重于探讨 CCHP系统的节能效果;[5]或注重其经济可行性;[6]随着人们对环境问题的日益关注，其环境性能也被广泛重视.[7]但有些方案的经济性较好但环境性能并不具有优势，有些方案可以获得较好的节能效果但费用较大.为此，要想全面评估CCHP系统的性能，常规单一指标的评价方法已不再适用.

本文基于多属性评价的经典方法——层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，建立了CCHP系统的多属性综合评价模型，并将其应用于某医院CCHP系统的分析评估中，探讨不同原动机类型对该用户的适用性.

图1 CCHP系统与常规系统的能源流动示意

1 CCHP系统物理建模

图1为CCHP系统与常规系统的能源流动图.其中左边是常规系统的能源流动图，右边是CCHP系统的能源流动图.CCHP系统主要由原动机和冷热源设备组成.原动机发电满足用户电力需求，不足部分从电网购入.发电过程中产生的余热一方面可以注入吸收式冷冻机以满足制冷需求，另一方面可以经过余热锅炉满足热能需求(供暖、热水等).当发电余热不足以满足冷、热需求时，可以通过燃气补燃推动冷热源设备，以确保供能的稳定性.在本文所设定的常规系统中，制冷负荷通过电空调满足，而供暖负荷则通过燃气锅炉集中供应.

2 多属性综合评价方法

2.1 AHP 方法简介

AHP方法的基本思想是将复杂问题进行分解形成多个子问题，将这些子问题按支配关系分组，并形成有序的递阶层结构;然后按照一定的比率标度，通过两两比较将判断定量化，形成判断矩阵，并确定层次诸元素的相对重要性.[8]具体而言，先计算各层指标单排序权值，然后计算各层指标相对于总目标的组合排序权值，最后得到诸元素的相对重要性顺序.

2.2 评价指标

在AHP方法的实施过程中，评价指标(准则)的选取至关重要.本文选取了经济性、节能性和环境性3类评价指标.

2.2.1 经济性评价指标

经济性是包括CCHP系统在内所有能源系统评价中不可避免的重要因素.为简单起见，本文选用年总费用(包括投资费用和运行成本)作为经济性评价指标，其计算方法如下.

2.2.2 节能性评价指标

CCHP系统应用的最初动因即是其具有卓越的综合能源利用效率，因此节能性是CCHP系统评估的最重要指标之一.本文选用年一次能源消费总量作为节能性评价指标.

ηgrid，ηboiler——电网和锅炉的效率.

α——CC HP系统的发电效率.

2.2.3 环境性评价指标

可观的环境效益是促进CCHP系统应用的另一要因.虽然CCHP系统的应用也可降低区域性污染物(SOx和NOx等)的排放，本文只考虑导致气候变化的CO2的排放量，并以年CO2排放量作为环境性评价指标.常规系统的年 CO2排放量包括从天然气中CO2的排放量及系统电力的CO2排放量，计算式为:

类似地，CCHP系统的年 CO2排放量计算式为:

3 案例分析

3.1 研究对象

本文以上海某医院为研究对象，医院全年6月至9月供冷负荷较高，最大冷负荷需求值为1 337 kW;在10月至次年2月热负荷需求较高，最大热负荷需求值为3 821 kW;在6月至9月电负荷需求较高，最大电负荷需求值为3 861 kW.

在CCHP系统中，原动机是核心部件，决定着其他相关部件在系统中采用的可能性和有效性.本文以基于燃料电池、燃气内燃机和燃气轮机3种原动机的CCHP备选系统与常规供能系统作为候选系统，相关参数如表1所示，[9]表1中效率均为设计工况值.

表1 3种备选系统的参数值

3.2 原动机容量设定

关于原动机容量的设定，目前在工程实践中大多是根据经验来确定的，而学术界则提出了很多优化决策方法.本文基于最大矩形法确定CCHP系统原动机的容量，同时假定系统采取以电定热的运行模式.[10-11]该方法的核心理念是确保系统全年在额定负荷下的发电总量最大，以尽量延长系统在高效率下的运行时间，如图2所示.

首先，将全年逐时(8 760 h)电力负荷按从大到小绘制在时间-负荷坐标轴中，形成递减的负荷曲线.然后以该曲线上任意一点和原点(0，0)构成的矩形为考察对象，当矩形面积最大时，曲线上该点所对应的纵坐标数值即为所要选取的原动机容量.根据上述方法，可以推算出原动机容量为1 430 kW，相应全年满负荷运行时间为4 723 h.需要指出的是，由于系统采用以电定热的运行模式，余热量与用户热需求并不能完全匹配，可能会产生多余或不足的情形.当余热不足时，可通过余热锅炉补燃;而当余热多余时，则排放到外界环境中造成能源浪费.因此，从系统效率性角度来说，上述系统的设计与运行策略并非最佳方案，但却是一种简单易行又兼顾系统效率的折中方案.

图2 全年逐时电力负荷曲线

3.3 单属性评价结果

根据前述评价指标的计算公式，可计算得到基于燃料电池、燃气内燃机、燃气轮机的CCHP系统及常规供能系统的经济性、节能性和环境性指标数值，如表2所示.由表2可以看出，如果只考虑系统节能性，则选择燃料电池系统;如果要求系统经济性最优，则选择燃气内燃机系统;如果要求最环保，则燃料电池系统是最佳选择.

表2 单属性评价结果

3.4 多属性评价结果

3.4.1 确定权重向量

(1)建立层次结构模型 根据AHP方法，设定3个层次，即目标层、准则层、方案层.本文中多属性评价主要考虑3个准则，即年总能耗、年总费用和年CO2排放量.方案层共4个，即3个CCHP系统和1个常规系统.

(2)构造判断矩阵 假设所设定的3个准则具有相同的重要性，得到多属性评价准则权重表，并构造判断矩阵:

(3)计算权重向量 根据判断矩阵A，求出最大特征值λmax所对应的特征向量ω，经归一化处理为各个评价准则的重要性排序，即权重向量:

(4)一致性检验 为确认前面求出的权重向量是否合理，还需要对其进行一致性检验.通常认为，一致性比例率小于0.1时，AHP方法的求解结果才有效.

3.4.2 原始数据处理

由于本文中所设定的3类评价指标代表不同的含义，也具有不同量纲，相互之间没有可比性.因此，单属性评价计算所得到的原始数据必须经过归一化处理才能进行多属性评价计算.

式中:Pi——将基于同一准则的任意两个方案i和j的评价结果进行两两比较后所得到的数值;

Qmax，Qmin——指标值的最大值和最小值;

N——方案层的个数.

根据表2计算得到的单属性评价结果，可以分别得到3个评价指标，以及所有案例的两两比较矩阵，进而得到权重向量，如表3至表5所示.

表3 基于年总能耗的两两对比矩阵数据

表4 基于年总费用的两两对比矩阵数据

表5 基于年CO2排放量的两两对比矩阵数据

根据表 3 所得权重向量为(0.45，0.30，0.15，0.10)T，根据表 4 所得权重向量为(0.26，0.45，0.20，0.09)T，根据表 5 所得权重向量为(0.40，0.31，0.21，0.08)T.

3.4.3 多属性评价计算

由表3至表5可获得基于3个准则的备选方案的权重矩阵，综合式(8)的权重向量，可最终获得方案的优先度数值如下:

由计算结果可知，在各准则同等重要的情况下，选择S1系统最合适，S4系统最不合适.

3.4.4 敏感性分析

前述计算是在假设各准则同等重要的条件下实施的，如果要求重视某一准则，则可能会得到完全不同的决策结果.根据对总能耗、总费用和总排放重视程度的差异性，设定4种情景进行分析，具体如下.

情景1 均等重视，即假设3个准则同等重要，权重向量为(0.33，0.33，0.33)T;

情景2 总能耗重视，即假设节能性更重要，权重向量为(0.60，0.20，0.20)T;

情景3 总费用重视，即假设经济性更重要，权重向量为(0.20，0.60，0.20)T;

情景4 总排放重视，即假设环境性更重要，权重向量为(0.20，0.20，0.60)T.

基于前述计算过程，最终得到CCHP系统多属性评价结果如表6所示.在各准则同等重要的情况下，选择S1系统最合适，S2系统次之，S4系统最不合适.如果重点关注系统经济性，则S2系统是最佳选择，S1系统次之.节能性重视和环境性重视这两类情景的评价结果类似，S1系统均为最佳选择.另外，无论从经济性、节能性或环境性角度来说，S3系统对本案例所分析的医院的适用性均较差.

表6 不同情景下多属性评价结果汇总

4 结语

本文基于层次分析法对上海某医院CCHP系统进行多属性综合评价.根据评价结果，如果对节能性、经济性、环保性同等重视，则选择燃料电池CCHP系统最优;如果突出节能优先或环境优先，则选择燃料电池CCHP系统最优;如果突出重视费用，则选择燃气内燃机CCHP系统最优.通过评价计算可知，相对于CCHP系统而言，常规系统除了前期设备投资费用较低外，其他各种劣势暴露无遗，既不节能，也不经济，更不环保.因此，决策者应具有长远眼光，在全面、综合评估的基础上应着力推进CCHP系统的应用.

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