基于AHP-变异系数法的楼宇型综合能源系统评价体系

严嘉伦，林俊光,，楼可炜，张 曦，盛德仁

基于AHP-变异系数法的楼宇型综合能源系统评价体系

严嘉伦1，林俊光1,2，楼可炜3，张 曦2，盛德仁1

（1.浙江大学热工与动力系统研究所，浙江 杭州 310027；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311100；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014）

针对楼宇式综合能源系统设计了一套通用评价体系，为系统设计提供参考。采用多目标分析方法，从能耗、环境、经济3个角度定义了14个子指标；基于MATLAB软件，运用绝对层次分析法（AHP）确定了各指标的权重系数；采用变异系数法进行了验证，得到了最终的评价体系。将该体系应用于3个楼宇式综合能源系统项目，按照定义计算各项指标，根据确定的参考范围对指标进行无量纲化，计算出每项指标的得分并按照权重系数计算综合得分。结果表明，项目1综合得分最高，其中综合能源利用率、清洁能源占比、系统热效率较高，环境指标和经济指标都在正常范围内，而节能率和冷效率较低，后期可进行优化。本文提出的评价体系有别于传统能源系统，考虑了冷热电能量品质、储能因素和清洁能源占比等因素，具有一定的普适性。

综合能源系统；绝对层次分析法；变异系数法；评价指标；权重；能耗；环境；经济

综合能源系统具有节能、环保、经济等诸多优点，已广泛应用于各个行业。国家统计局数据显示：2018年我国煤炭消费量占能源消费总量的59.0%，比2017年下降了1.4百分点；而天然气、核电、水电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的22.1%，提高了1.3百分点[1]。由各类清洁能源驱动的综合能源系统能源利用效率高、发展潜力大，是今后的主要发展方向。

判断综合能源系统设计是否合理，需提出一个评价分析准则和评价方法。与传统能源系统相比，综合能源系统评价体系的最大特点在于能源的多样性以及地域的特异性。此外，控制方式和运行特点等都具有较大差异[2]。

目前，很多文献采用的评价体系均可分为单一目标和多目标指标。单一目标大多以经济性为研究指标：Moradi等人[3]建立了以费用年值最低为目标函数的冷、热、电三联供系统混合线性优化模型，并分析了日本一座生态校园的系统运行特性；Sheikhi等人[4]则以最大净现值为目标函数，对北京城市住宅冷、热、电联供系统进行了研究，模拟 并优化得出最佳运行策略。除经济性指标外，很多文献针对行业的特殊性，以系统能耗性为研究 对象，如Espirito等人[5]通过分析一次能源利用率，将其作为目标优化函数，同时提到经济性和节 能性，提出参数变量PFI，PFI越高说明系统一次能源利用率越高。

与单一目标评价不同，多目标评价指标从多个角度分析联供系统的性能，如：Rezaie等人[6]选取技术、经济、节能以及环保指标作为优化目标，对某医院冷、热、电三联供系统进行装置容量优化；张世翔等[7-9]以多属性综合评价决策为理论基础，通过对宾馆、写字楼和住宅建筑群进行研究，建立了联供系统的综合评价模型，以某生态新城为研究对象，除能耗性、环境性、经济性（3E指标）外，还将系统弹性指标考虑在内。

本文基于以上研究，分别从能耗、环境和经济3个方面确定了评价指标，并采用绝对层次分析法对各个指标进行赋权，建立了长江三角洲地区的综合能源冷、热、电联供系统的评价体系，进而通过变异系数法对所建立的评价体系进行优化验证，确定评价体系的合理性和可靠性，最后对某楼宇式综合能源系统进行了评价。

1 评价指标

1.1 能耗指标

1.1.1 综合能源系统利用率

以系统能耗性为研究对象，其中最主要的指标是基于热力学第一定律的综合能源系统利用率，其定义是系统输出的冷、热、电量与系统输入的总能量之比，即

式中：o为系统净输出电量，kW·h；h为系统输出热量，kJ；c为系统输出冷量，kJ；为天然气消耗量，m3；L为天然气低热值，kJ/m3；i为系统净输入电量，kW·h。

1.1.2 㶲效率

基于热力学第二定律，提出以㶲效率作为评价指标，将不同品位的能源转化为同质的能源进行分析。电能的品位最高，因此将各种形式的能源统一转换成电能会使统计分析更加合理。㶲效率ex定义为

式中，h、c、分别为热能、冷能和天然气的能质系数，定义为能源理论上最大程度可转换为电能的能力[6-7]。在环境温度为0时，温度为1的热水的能质系数hw为

温度为2的蒸汽的能质系数hs为

式中，s为蒸汽的饱和温度，K。

天然气燃料的能质系数为

1.1.3 节能率

相比于传统的分产系统，将综合能源系统生产相同的冷、热、电量时所能节省的总能量定义为节能量。节能率为节能量与传统分产系统消耗的总能量之比，即

式中0为传统分产系统的燃料消耗量（换算为标煤量）。为方便计算，将分产系统统一划定为燃气锅炉、电制冷机和电网，则有

式中，P、h、c分别为电网供电效率、制冷机效率和燃气锅炉供热效率。1为综合能源系统运行过程中从电网购得的电量与从燃气公司购得的天然气能量之和，并换算成标煤量，即

1.1.4 清洁能源占比

由于综合能源系统应朝着以清洁能源为主的方向发展，所以各类绿色低碳能源规划中清洁能源占比是必不可少的评价指标，其定义是清洁能源消耗量占项目总能源消耗量的比例，即

式中，E为各类可再生能源消耗量，包括太阳能、地热能、生物质能、风能等。

1.1.5 水蓄能效率

综合能源系统中安装有水蓄能装置，其中有效利用的热量与装置存储的热量之比即为水蓄能效率w

式中：h为输入用户端的热水焓值，kJ/kg；1为从用户端回收的热水焓值，kJ/kg；w为水在当时环境温度下的焓值，kJ/kg。

1.1.6 电储能效率

蓄电池电储能效率e定义为蓄电元件输出电量与输入电量之比，即

1.1.7 热（冷）效率

综合能源系统中热（冷）效率h(c)也是必须考量的因素，其直接影响产热（冷）效率，定义为

式中：h(c)为消耗的用于发热（制冷）的天然气量，m3；h(c)为热泵（制冷机）所消耗的电量，kW·h。

1.2 环境指标

1.2.1 废气废水排放量

废气主要指CO、SO2和NO，其排放量按照《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）执行[10]。在综合能源系统运行过程中，涉及的相关污水排放指标标准按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）执行[11]，其基本项目限值如表1所示。

表1 环境空气污染物和地表水环境基本项目限值

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

注：废气CO、SO2、NO测试时间为24 h。

1.2.2噪声等级

按照《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB 12348—2008），在运行设备外1 m处进行检测，系统运行产生的噪声应在70 dB以下[12]。

1.2.3减排率

与传统分产系统相比，输出相同冷热电量所需要消耗的能源转换的废气量的减少百分比称为减排率

将节省的能源量统一换算成标煤量，并按节省1 kg标煤相当于减排2.493 kg的CO2、0.038 kg的NO和0.075 kg的SO2的标准进行废气量换算[9]。

1.3 经济指标

1.3.1 增量投资静态回收期

增量投资静态回收期re定义为利用采用技术策略在运营使用过程中节能产生的收益来抵偿其建造期采用技术策略的增量成本所需要的时间，其计算如下：

式中：re为综合能源系统输出与传统分产系统相同的冷、热、电量所需的增量投资，元；tr和int分别为传统分产系统和综合能源系统的年运行费用，包括燃料成本、人工成本、设备维护成本和设备折旧等，元。

1.3.2费用年值

将投资值等值折算为年值后再与年运行费相加，即可得到费用年值

式中：sys为系统造价，元；为基准收益率，%；为使用寿命，a；为系统年运行费用，元。

2 计算指标权重

2.1 绝对层次分析评价法

传统的层次分析法（AHP）是典型的确定指标权重的一种主观确定方法，其核心原理包括：将问题分解，构建一个多层次分析模型；比较各指标重要程度，并构建权重矩阵；排序做出决策[13]。

在运用AHP得到指标权重的基础上，由于采用的指标较多，因此适用于AHP的绝对评价，即通过分层分别对不同层次的指标单独进行权重确定，最终得到每个指标在整个系统中的权重系数。

按照上文制定的指标，得到综合能源系统评价指标层次分析结构，如图1所示。

图1 综合能源系统评价指标层次分析结构

评价标准中有两级指标：一级指标包括能耗、环境、经济3个指标；二级指标包括14个指标，其中经济指标只有2个子指标，专家须直接对其进行权重划分。按照相对重要性程度构建判断矩阵

2.2 计算权重

以其中1位专家的结果为例进行计算。首先以1—7能耗指标按AHP构建判断矩阵1

采取2种方式求取判断矩阵，根据式(18)将矩阵1每一列进行归一化处理，获得判断矩阵1

将判断矩阵1按照式(19)对每一列取算术平均，得到权重矩阵1=[h]×1，

同时，将判断矩阵1通过式(20)求得另一个权重矩阵1=[k]×1，

最后将2个权重矩阵按照相应元素几何平均模式得到最终的权重矩阵1

求得矩阵1的最大特征根max为8.196 4，按照式(22)评估判断矩阵的一致性：

式中，为判断矩阵的阶。

随机一致性比率CR为

式中，RI为平均随机一致性指标，其取值标准见 表2[13]。

表2 平均随机一致性指标取值标准

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

当CR＜0.1时，认为构建的判断矩阵具有一致性。一致性偏差太大时应舍弃此份数据。矩阵1的CR=0.019 9，满足一致性检验。

由于评价体系中各一级指标所含二级指标个数相差较大，因此一级指标的权重矩阵同时考虑所含指标个数所占权重以及专家重要性权重，取两者算术平均值，如式(24)所示。

2.3 合理性验证

变异系数法（CV）是一种客观赋权方法，根据各项指标包含的信息，通过计算得到指标权重。其基本原理为：指标取值差异性越大，该指标包含 的信息量越多，所占的权重越大。可将CV作为一种验证方法，对AHP确定的评价体系进行合理 性验证[14-15]。

各项指标的变异系数计算公式为

各项指标的权重为

结合一级指标的权重矩阵，得到该专家的综合能源系统评价体系。类比上述步骤，得到所有专家的权重矩阵。其中，有1名专家的判断矩阵不符合一致性检测，剔除相应数据，最终得到综合能源系统评价体系权重分配见表3。

表3 综合能源系统评价体系权重分配

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

2.4 评价分级标准

为了计算各指标具体得分，通过专家制定相关指标数据的取值范围，将具体项目中的各指标参数按照式(27)进行无量纲化处理，处理后的系统评分结果计算取值在0~1。

在评价指标中，有些表示项目收益的指标越大代表评分越高，称为正向指标，而评价系统中的成本性指标越小代表评分越高，因此需要将各指标规范为同趋势，将所有指标转化为正向指标。

对于环境指标中的废水废气排放标准，规定在标准范围内该项评分为1，未达到要求的评分为0。通过各指标权重计算得出系统的最终评分。

3 案例分析

以3个楼宇式综合能源系统项目为例，验证上文评价体系的合理性和通用性。

项目1为长江三角洲地区某商业大厦，其总用地面积约2.41万m2，是一个覆盖办公、商务酒店、街区商业的中高端综合体。

项目2为中部平原地区某国际机场，其总建筑面积达21.2万m2，配备有综合能源系统站。

项目3为沿海地区某新建学校，占地总面积 17万m2，有42个教学班，能源站主要供能于教学楼及宿舍楼，是一个提倡使用清洁能源的示范项目。

3个项目的部分系统主要运行参数见表4。根据制定的评价体系对上述项目各指标进行计算，结果见表5。

表4 3个楼宇式综合能源系统主要运行参数

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

表5 3个项目各指标计算结果和得分

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

将各指标按照式(27)进行无量纲化，根据表3的权重分配，得到项目1、项目2、项目3的最终综合得分分别为74.5、50.4、50.1。可见，项目1综合得分最高，另外2个项目得分相近。

同时，可以通过各项指标具体得分，分析该项目的优劣势。如项目1中得分较高的为1、4、6、1等指标，说明该系统综合能源利用率、清洁能源占比、热效率和增量投资回收期是优势指标，而3、5、4等得分较低，则表明其节能率和水蓄能效率有待提升和优化。

项目2和项目3虽然得分相近，但2个项目的优劣势指标却不同：项目2的优势指标主要为1、2，说明该项目更注重经济性指标，能耗性指标的竞争力则相对较弱，如综合能源利用率、㶲效率、冷效率指标得分均较低，表明其为了获得较为可观的经济效益，能源浪费较为严重；而项目3最主要的优势指标为4，即清洁能源占比大，其他能耗指标如热效率冷效率较低，与项目2相反，其增量投资回收期较长，经济收益相对不是很乐观。

从以上分析可以看出，本文提出的综合能源系统评价体系既可以较全面地评价一个系统，也可以通过具体指标得分明确系统的优劣势。

4 结 论

1）本文评价体系包含指标较多，旨在对楼宇型综合能源系统在设计阶段进行参数优化。对其他形式的综合能源系统，如大型区域型综合能源系统，同样具备一定的参考意义，但是需要基于该评价体系对其中的指标进行适当地修改或增减，以增加其实用性和通用性。

2）利用本文评价体系对某楼宇式综合能源系统进行评价，根据各指标的具体得分可判断系统的优劣势，可为今后的系统运行优化提供思路。

［1］ 国家统计局. 中华人民共和国2018年国民经济和社会发展统计公报[R/OL]. (2019-02-28)[2019-04-04]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201902/t20190228_1651265.html.

National Bureau of Statistics of China. Statistical Communique of the People’s Republic of China on the 2018 national economic and social development[R/OL]. (2019-02-28)[2019-04-04]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/z xfb/201902/t20190228_1651265.html.

［2］ 曾鸣, 刘英新, 周鹏程, 等. 综合能源系统建模及效益评价体系综述与展望[J]. 电网技术, 2018, 42(6): 1697-1708.

ZENG Ming, LIU Yingxin, ZHOU Pengcheng, et al. Review and prospects of integrated energy system modeling and benefit evaluation[J]. Power System Technology, 2018, 42(6): 1697-1708.

［3］ MORADI M H, HAJINAZARI M, JAMASB S. An energy management system strategy for combined heat and power(CHP) systems based on a hybrid optimization method employing fuzzy programming[J]. Energy, 2013, 49: 86-101.

［4］ SHEIKHI A, RANJBAR A M, ORAEE H. Financial analysis and optimal size and operation for a multicarrier energy system[J]. Energy & Buildings, 2012, 48: 71-78.

［5］ ESPIRITO SANTO D B. Energy and exergy efficiency of a building internal combustion engine trigeneration system under two different operational strategies[J]. Energy and Buildings, 2012, 53: 28-38.

［6］ REZAIE B, REDDY B V, ROSEN M A. An enviro-economic function for assessing energy resources for district energy systems[J]. Energy, 2014, 70: 159-164.

［7］ 张世翔, 吕帅康. 面向园区微电网的综合能源系统评价方法[J]. 电网技术, 2018, 42(8): 2431-2439.

ZHANG Shixiang, LÜ Shuaikang. Evaluation method of park-level integrated energy system for microgrid[J]. Power System Technology, 2018, 42(8): 2431-2439.

［8］ 韩中合, 祁超, 向鹏, 等. 分布式能源系统效益分析及综合评价[J]. 热力发电, 2018, 47(2): 31-36.

HAN Zhonghe, QI Chao, XIANG Peng, et al. Benefit analysis and comprehensive evaluation for distributed energy system[J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(2): 31-36.

［9］ 刘天杰. 区域能源系统评价体系研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018: 19-35.

LIU Tianjie. Research on evaluation system of district energy systems[D]. Harbin: Harbin Institute of Techno-logy, 2018: 19-35.

［10］ 环境空气质量标准: GB 3095—2012[S]. 北京: 中国环境出版社, 2012.

Ambient air quality standards: GB 3095—2012[S]. Beijing: China Environmental Press, 2012.

［11］ 地表水环境质量标准: GB 3838—2002[S]. 北京: 中国环境出版社, 2002.

Environmental quality standards for surface water: GB 3838—2002[S]. Beijing: China Environmental Press, 2002.

［12］ 工业企业厂界环境噪声排放标准: GB 12348—2008[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2008.

Emission standard for industrial enterprises noise at boundary: GB 12348—2008[S]. Beijing: China Environmental Press, 2012.

［13］ 董福贵, 张也, 尚美美. 分布式能源系统多指标综合评价研究[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(12): 3214-3223.

DONG Fugui, ZHANG Ye, SHANG Meimei. Multi-criteria comprehensive evaluation of distributed energy system[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(12): 3214-3223.

［14］ 张文朝, 顾雪平. 应用变异系数法和逼近理想解排序法的风电场综合评价[J]. 电网技术, 2014, 38(10): 2741-2746.

ZHANG Wenchao, GU Xueping. Comprehensive evaluation of wind farms using variation coefficient method and technique for order preference by similarity to ideal solution[J]. Power System Technology, 2014, 38(10): 2741-2746.

［15］ 周依希, 李晓明, 瞿合祚, 等. 基于AHP-灰色关联度的复杂电网节点综合脆弱性评估[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(23): 86-93.

ZHOU Yixi, LI Xiaoming, QU Hezuo, et al. Node integrated vulnerability assessment of complex power grid based on AHP-gray relational degree method[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(23): 86-93.

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

严嘉伦, 林俊光, 楼可炜, 等. 基于AHP-变异系数法的楼宇型综合能源系统评价体系[J]. 热力发电, 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

严嘉伦(1995)，男，硕士，主要研究方向为综合能源系统相关技术，yanjl@zju.edu.cn。

盛德仁(1960)，男，教授，shengdr@zju.edu.cn。

（责任编辑 李园）