北方農(nóng)村地區(qū)分布式能源系統(tǒng)綜合評價

任志剛 陳昕 鄧勤犁 周軍莉

武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

0 引言

隨著建筑面積的擴大和生活水平的提高，建筑能耗在不斷增加[1]。2018 年，我國建筑能耗在社會總能耗中占比達到36%，其中農(nóng)村居住建筑能耗占全國建筑總能耗的22%[2]。分布式能源系統(tǒng)因其對能源的“梯級利用”準則，使得其具備較高的能源利用效率[3]，能有效避免因能效低下產(chǎn)生的能源過度消耗。將分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用于我國農(nóng)村地區(qū)可以有效改善農(nóng)村居住建筑目前“低能效、高能耗”的狀況。

本文建立了考慮能源、經(jīng)濟、環(huán)境三方面效益的評價指標(biāo)體系，提出了基于組合賦權(quán)法和優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS）的分布式能源系統(tǒng)評價方法。以山東省濟南市剛家村為例，構(gòu)建了三套適用于該村的能源系統(tǒng)方案，并利用上述評價指標(biāo)和評價方法對三種方案進行綜合評價。

1 指標(biāo)體系

科學(xué)的指標(biāo)體系不僅是多指標(biāo)綜合評價的前提，也是科學(xué)、公正結(jié)論的保證[4]。本文構(gòu)建如表1 所示的評價指標(biāo)體系，其中能源消耗量是指系統(tǒng)消耗燃氣熱量加上使用電量轉(zhuǎn)換為燃煤消耗的能量；能源利用率是系統(tǒng)輸出的能量與能源消耗的比值。初投資指系統(tǒng)設(shè)備總投資費用；運行維護費用包括系統(tǒng)維護和年燃料費用之合。

表1 分布式能源系統(tǒng)評價指標(biāo)體系

2 評價方法

1）組合賦權(quán)法

由于實際中不同指標(biāo)在系統(tǒng)評價過程中的影響程度不同，因此須對各項指標(biāo)分配權(quán)重以反映其各自的重要程度。權(quán)重是否合理直接關(guān)系到綜合評價結(jié)果的準確性[5]。權(quán)重的確定方法分主觀法和客觀法兩大類[6]。本文采用一種結(jié)合主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的組合賦權(quán)方法來確定不同層次的指標(biāo)權(quán)重以區(qū)分其各自影響程度的差異性。

層次分析法作為一種定性與定量分析系方法相結(jié)合的綜合主觀評價方法，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其主要的計算分為三步[7]：建立比較矩陣；求比較矩陣的最大特征向量，并進行一致性檢驗；歸一化處理得到權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，它是利用各指標(biāo)的熵值所提供的信息量大小來決定指標(biāo)權(quán)重的方法，其計算過程如下[8]：明確評價問題，構(gòu)建決策矩陣；對決策矩陣中各指標(biāo)值進行無量綱化處理；計算各指標(biāo)的熵值及差異系數(shù)；計算指標(biāo)權(quán)重。

2）TOPSIS 評價法

TOPSIS 稱為“優(yōu)劣解距離法”，是一種多目標(biāo)決策方法[10]。該方法是根據(jù)評價對象與理想方案的相對貼近程度，對眾多評價對象整體排序從而確定方案之間的相對優(yōu)劣，具體計算步驟如下[11]：對原始數(shù)據(jù)歸一化處理，并利用組合權(quán)重對處理后的各項數(shù)據(jù)進行賦權(quán)，構(gòu)成歸一化后賦權(quán)的決策矩陣；確定理想解和負理想解；采用加權(quán)的歐幾里得范數(shù)，度量實際解到理想解的歐幾里得距離；計算每個實際解距離理想解的相對貼進度，按由小到大的順序排列方案的優(yōu)劣次序。該值越大，說明方案距離理想解越近，負理想解越遠，說明該方案具有更好的綜合效益。

3 實例分析

3.1 研究對象

本文以山東濟南市商河縣剛家村為研究對象，其位于濟南市北部，屬于寒冷地區(qū)。剛家村共有居民353戶，每戶3 至4 人，且各農(nóng)戶位置分布集中，因此適合分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用。根據(jù)實地調(diào)研情況，本文選取該村一棟典型住宅，其建筑平面圖如圖1 所示。典型住宅外墻為“三七”墻，內(nèi)墻為“二四”墻；屋頂為坡屋頂；窗為木框單層玻璃，窗高均為1.5 m；冬季采暖區(qū)域為兩個臥室以及客廳。

圖1 剛家村典型住宅建筑平面圖

利用EnergyPlus 軟件對典型住宅供暖熱負荷進行模擬，根據(jù)總農(nóng)戶數(shù)量和模擬結(jié)果推算剛家村的總體供暖熱負荷。依照《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2019）[12]中的規(guī)定，生活熱水為每人每天40 L，冬季、夏季和過渡季的生活熱水加熱溫差分別取35、25、30。全村每月用電量數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)仉姌I(yè)局，如表2 所示。最后利用逐時分攤系數(shù)，得到全年逐時熱水負荷與電負荷。各季節(jié)典型日逐時負荷見圖2。

表2 剛家村月用電量

圖2 剛家村各季節(jié)典型日負荷

電負荷與熱水負荷的波動與人員作息相關(guān)，主要集中于晚間六點至十點。在冬季，農(nóng)村居住建筑對供熱的熱力需求遠大于對電力需求，主要原因有兩點：一是，與城市居住建筑相比，農(nóng)村居住建筑由于家電數(shù)量與居民用能習(xí)慣等方面的影響，建筑的電力需求尚處于較低水平，戶均月用電量僅為100 kW·h。二是由于農(nóng)村住宅圍護結(jié)構(gòu)保溫措施不完善，導(dǎo)致建筑供暖熱負荷較高。

3.2 能源系統(tǒng)方案

根據(jù)剛家村的規(guī)模和用能需求，本文構(gòu)建了三種可用于該村的能源系統(tǒng)方案，即：傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)，天然氣分布式能源系統(tǒng)和沼氣分布式能源系統(tǒng)。系統(tǒng)承擔(dān)用戶的電負荷、供暖熱負荷與熱水負荷。

如圖3 所示，傳統(tǒng)分供式系統(tǒng)從電網(wǎng)購電滿足用戶電負荷E，利用燃氣鍋爐和燃氣熱水器承擔(dān)用戶供暖熱負荷Qh和熱水負荷Qc。通過建筑負荷和設(shè)備參數(shù)計算分供式能源系統(tǒng)的項指標(biāo)數(shù)據(jù)值。

圖3 傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)的運行模式主要分為兩種，即“以電定熱”和“以熱定電”。考慮到我國很多農(nóng)村地區(qū)的電力“上網(wǎng)”政策尚不完善，所構(gòu)建的分布式能源系統(tǒng)以“以電定熱”的模式運行。燃氣供給內(nèi)燃機發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生的電能用于建筑電氣照明設(shè)備等的供應(yīng)，即系統(tǒng)優(yōu)先滿足用戶的電力需求。發(fā)電后的系統(tǒng)余熱通過熱回收系統(tǒng)進行回收，以滿足用戶的熱力需求。當(dāng)熱回收系統(tǒng)所回收的熱量無法滿足用戶的熱力需求時，則通過燃氣鍋爐進行補充供熱。

利用TRNSYS 軟件對分布式能源系統(tǒng)進行模型搭建，分別模擬天然氣分布式能源系統(tǒng)和沼氣分布式能源系統(tǒng)。將用戶負荷和設(shè)備參數(shù)代入模型進行模擬，以此分別計算天然氣和沼氣分布式能源系統(tǒng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果與分析

計算得到三種能源系統(tǒng)方案的各項指標(biāo)具體數(shù)值如表3 所示。可以看到，分布式能源系統(tǒng)在能源效益和經(jīng)濟效益方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)具有較高的能源利用率與較少的能能源消耗量，與之伴隨的是燃料費用降低和更好的環(huán)境效益。傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)的初投資為124.8 萬元，低于另外兩種分布式能源系統(tǒng)，這是由于分布能源系統(tǒng)需安裝發(fā)電設(shè)備，發(fā)電設(shè)備。沼氣分布式能源系統(tǒng)與天然氣分布式能源系統(tǒng)主要的區(qū)別體現(xiàn)在經(jīng)濟效益方面。沼氣作為燃料，須對沼氣進行凈化、壓縮等預(yù)處理，預(yù)處理設(shè)備所需的費用導(dǎo)致沼氣分布式能源系統(tǒng)的初投資較高，但沼氣價格低于天然氣價格，使其在運行維護費用方面占有優(yōu)勢。

采用層次分析法確定主觀權(quán)重，通過一致性檢驗。通過熵權(quán)法利用指標(biāo)數(shù)據(jù)計算得到客觀權(quán)重。最后由式（1）得到組合權(quán)重。從圖4 中可以看出，主觀和客觀權(quán)重之間具有較大差異，主觀權(quán)重中經(jīng)濟效益占據(jù)較大比重，而客觀權(quán)重中則是能源效益。主觀和客觀權(quán)重之間的差異表明，使用單一方法進行賦權(quán)會導(dǎo)致結(jié)果不準確。綜合主、客觀的組合賦權(quán)法將兼顧對指標(biāo)的主觀偏好，同時又減小主觀隨意性，能使對指標(biāo)的賦權(quán)達到主客觀相統(tǒng)一。

圖4 各評價指標(biāo)主觀權(quán)重、客觀權(quán)重以及組合權(quán)重

利用TOPSIS 方法對各方案進行綜合評價。各方案距理想解的相對貼進度見表4 所示。各方案由優(yōu)到劣的排序依次為：天然氣分布式能源系統(tǒng)、沼氣分布式能源系統(tǒng)、傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)。傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)的相對貼近度遠小于天然氣和沼氣分布式能源系統(tǒng)，說明在我國北方農(nóng)村地區(qū)，分布式能源系統(tǒng)將比傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)具有更好的綜合效益。分布式能源系統(tǒng)在初投資方面具有劣勢，但其在其他指標(biāo)方面的優(yōu)勢足以彌補這一不足。天然氣分布式能源系統(tǒng)與沼氣分布式能源系統(tǒng)的相對貼近度接近。考慮到農(nóng)村地區(qū)有大量的生物質(zhì)資源可用作制備沼氣的原料，沼氣分布式能源系統(tǒng)為農(nóng)村大量廢棄生物質(zhì)資源提供了有效的利用途徑，也為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增加了創(chuàng)收機會。因此在一些情況下，沼氣分布式能源系統(tǒng)可作為農(nóng)村村級分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。

表4 方案相對貼近度值

4 結(jié)論

本文建立了一套針對我國北方農(nóng)村地區(qū)村級分布式能源系統(tǒng)的綜合評價方法，采用主觀賦權(quán)-層次分析法和客觀賦權(quán)-熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，運用TOPSIS 評價方法，計算各方案的相對貼近度，以此對方案進行優(yōu)劣排序。最后以山東省商河縣剛家村為例進行實例分析。論文得到以下結(jié)論：

1）主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法的結(jié)果具有較大差異，綜合主、客觀的組合權(quán)重將兼顧對指標(biāo)的偏好，同時又減小主觀隨意性，使對指標(biāo)的賦權(quán)達到主客觀相統(tǒng)一。

2）在我國北方農(nóng)村地區(qū)，分布式能源系統(tǒng)將比傳統(tǒng)分供式能源系統(tǒng)具有更好的綜合效益，天然氣分布式能源系統(tǒng)略優(yōu)于沼氣分布式能源系統(tǒng)。若考慮對當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源的有效利用，沼氣分布式能源系統(tǒng)是我國北方農(nóng)村地區(qū)能源系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。