基于AHP的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜合評價分析

邱留良，任洪波，班銀銀，楊 健，蔡 強

(上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090)

分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling，Heating and Power，CCHP)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用理念基礎(chǔ)上的多聯(lián)供總能系統(tǒng).[1]它是根據(jù)需求側(cè)用戶對能源(冷、熱、電等)的不同需求，將能源供給端和終端能源用戶有效銜接，進行多元化的優(yōu)化整合，以便供需系統(tǒng)進行協(xié)同優(yōu)化，從而實現(xiàn)溫度對口、梯級利用.對常規(guī)冷、熱、電、熱水等單體供能系統(tǒng)的一體化整合，通過按照能量品味高低逐級利用，系統(tǒng)可實現(xiàn)70%以上的總能利用效率.此外，通過能源的就近利用還可減少輸配電損失;通過清潔燃料的轉(zhuǎn)型利用可以減少SO2和 NOx等有害氣體的排放.[2-4]

近年來，隨著CCHP系統(tǒng)的逐漸推廣，國內(nèi)外學者從不同角度對CCHP系統(tǒng)進行了研究.以往的研究或著重于探討 CCHP系統(tǒng)的節(jié)能效果;[5]或注重其經(jīng)濟可行性;[6]隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注，其環(huán)境性能也被廣泛重視.[7]但有些方案的經(jīng)濟性較好但環(huán)境性能并不具有優(yōu)勢，有些方案可以獲得較好的節(jié)能效果但費用較大.為此，要想全面評估CCHP系統(tǒng)的性能，常規(guī)單一指標的評價方法已不再適用.

本文基于多屬性評價的經(jīng)典方法——層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，建立了CCHP系統(tǒng)的多屬性綜合評價模型，并將其應(yīng)用于某醫(yī)院CCHP系統(tǒng)的分析評估中，探討不同原動機類型對該用戶的適用性.

圖1 CCHP系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的能源流動示意

1 CCHP系統(tǒng)物理建模

圖1為CCHP系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的能源流動圖.其中左邊是常規(guī)系統(tǒng)的能源流動圖，右邊是CCHP系統(tǒng)的能源流動圖.CCHP系統(tǒng)主要由原動機和冷熱源設(shè)備組成.原動機發(fā)電滿足用戶電力需求，不足部分從電網(wǎng)購入.發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱一方面可以注入吸收式冷凍機以滿足制冷需求，另一方面可以經(jīng)過余熱鍋爐滿足熱能需求(供暖、熱水等).當發(fā)電余熱不足以滿足冷、熱需求時，可以通過燃氣補燃推動冷熱源設(shè)備，以確保供能的穩(wěn)定性.在本文所設(shè)定的常規(guī)系統(tǒng)中，制冷負荷通過電空調(diào)滿足，而供暖負荷則通過燃氣鍋爐集中供應(yīng).

2 多屬性綜合評價方法

2.1 AHP 方法簡介

AHP方法的基本思想是將復雜問題進行分解形成多個子問題，將這些子問題按支配關(guān)系分組，并形成有序的遞階層結(jié)構(gòu);然后按照一定的比率標度，通過兩兩比較將判斷定量化，形成判斷矩陣，并確定層次諸元素的相對重要性.[8]具體而言，先計算各層指標單排序權(quán)值，然后計算各層指標相對于總目標的組合排序權(quán)值，最后得到諸元素的相對重要性順序.

2.2 評價指標

在AHP方法的實施過程中，評價指標(準則)的選取至關(guān)重要.本文選取了經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)境性3類評價指標.

2.2.1 經(jīng)濟性評價指標

經(jīng)濟性是包括CCHP系統(tǒng)在內(nèi)所有能源系統(tǒng)評價中不可避免的重要因素.為簡單起見，本文選用年總費用(包括投資費用和運行成本)作為經(jīng)濟性評價指標，其計算方法如下.

2.2.2 節(jié)能性評價指標

CCHP系統(tǒng)應(yīng)用的最初動因即是其具有卓越的綜合能源利用效率，因此節(jié)能性是CCHP系統(tǒng)評估的最重要指標之一.本文選用年一次能源消費總量作為節(jié)能性評價指標.

ηgrid，ηboiler——電網(wǎng)和鍋爐的效率.

α——CC HP系統(tǒng)的發(fā)電效率.

2.2.3 環(huán)境性評價指標

可觀的環(huán)境效益是促進CCHP系統(tǒng)應(yīng)用的另一要因.雖然CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用也可降低區(qū)域性污染物(SOx和NOx等)的排放，本文只考慮導致氣候變化的CO2的排放量，并以年CO2排放量作為環(huán)境性評價指標.常規(guī)系統(tǒng)的年 CO2排放量包括從天然氣中CO2的排放量及系統(tǒng)電力的CO2排放量，計算式為:

類似地，CCHP系統(tǒng)的年 CO2排放量計算式為:

3 案例分析

3.1 研究對象

本文以上海某醫(yī)院為研究對象，醫(yī)院全年6月至9月供冷負荷較高，最大冷負荷需求值為1 337 kW;在10月至次年2月熱負荷需求較高，最大熱負荷需求值為3 821 kW;在6月至9月電負荷需求較高，最大電負荷需求值為3 861 kW.

在CCHP系統(tǒng)中，原動機是核心部件，決定著其他相關(guān)部件在系統(tǒng)中采用的可能性和有效性.本文以基于燃料電池、燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機3種原動機的CCHP備選系統(tǒng)與常規(guī)供能系統(tǒng)作為候選系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)如表1所示，[9]表1中效率均為設(shè)計工況值.

表1 3種備選系統(tǒng)的參數(shù)值

3.2 原動機容量設(shè)定

關(guān)于原動機容量的設(shè)定，目前在工程實踐中大多是根據(jù)經(jīng)驗來確定的，而學術(shù)界則提出了很多優(yōu)化決策方法.本文基于最大矩形法確定CCHP系統(tǒng)原動機的容量，同時假定系統(tǒng)采取以電定熱的運行模式.[10-11]該方法的核心理念是確保系統(tǒng)全年在額定負荷下的發(fā)電總量最大，以盡量延長系統(tǒng)在高效率下的運行時間，如圖2所示.

首先，將全年逐時(8 760 h)電力負荷按從大到小繪制在時間-負荷坐標軸中，形成遞減的負荷曲線.然后以該曲線上任意一點和原點(0，0)構(gòu)成的矩形為考察對象，當矩形面積最大時，曲線上該點所對應(yīng)的縱坐標數(shù)值即為所要選取的原動機容量.根據(jù)上述方法，可以推算出原動機容量為1 430 kW，相應(yīng)全年滿負荷運行時間為4 723 h.需要指出的是，由于系統(tǒng)采用以電定熱的運行模式，余熱量與用戶熱需求并不能完全匹配，可能會產(chǎn)生多余或不足的情形.當余熱不足時，可通過余熱鍋爐補燃;而當余熱多余時，則排放到外界環(huán)境中造成能源浪費.因此，從系統(tǒng)效率性角度來說，上述系統(tǒng)的設(shè)計與運行策略并非最佳方案，但卻是一種簡單易行又兼顧系統(tǒng)效率的折中方案.

圖2 全年逐時電力負荷曲線

3.3 單屬性評價結(jié)果

根據(jù)前述評價指標的計算公式，可計算得到基于燃料電池、燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機的CCHP系統(tǒng)及常規(guī)供能系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)境性指標數(shù)值，如表2所示.由表2可以看出，如果只考慮系統(tǒng)節(jié)能性，則選擇燃料電池系統(tǒng);如果要求系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)，則選擇燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng);如果要求最環(huán)保，則燃料電池系統(tǒng)是最佳選擇.

表2 單屬性評價結(jié)果

3.4 多屬性評價結(jié)果

3.4.1 確定權(quán)重向量

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型 根據(jù)AHP方法，設(shè)定3個層次，即目標層、準則層、方案層.本文中多屬性評價主要考慮3個準則，即年總能耗、年總費用和年CO2排放量.方案層共4個，即3個CCHP系統(tǒng)和1個常規(guī)系統(tǒng).

(2)構(gòu)造判斷矩陣 假設(shè)所設(shè)定的3個準則具有相同的重要性，得到多屬性評價準則權(quán)重表，并構(gòu)造判斷矩陣:

(3)計算權(quán)重向量 根據(jù)判斷矩陣A，求出最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量ω，經(jīng)歸一化處理為各個評價準則的重要性排序，即權(quán)重向量:

(4)一致性檢驗 為確認前面求出的權(quán)重向量是否合理，還需要對其進行一致性檢驗.通常認為，一致性比例率小于0.1時，AHP方法的求解結(jié)果才有效.

3.4.2 原始數(shù)據(jù)處理

由于本文中所設(shè)定的3類評價指標代表不同的含義，也具有不同量綱，相互之間沒有可比性.因此，單屬性評價計算所得到的原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過歸一化處理才能進行多屬性評價計算.

式中:Pi——將基于同一準則的任意兩個方案i和j的評價結(jié)果進行兩兩比較后所得到的數(shù)值;

Qmax，Qmin——指標值的最大值和最小值;

N——方案層的個數(shù).

根據(jù)表2計算得到的單屬性評價結(jié)果，可以分別得到3個評價指標，以及所有案例的兩兩比較矩陣，進而得到權(quán)重向量，如表3至表5所示.

表3 基于年總能耗的兩兩對比矩陣數(shù)據(jù)

表4 基于年總費用的兩兩對比矩陣數(shù)據(jù)

表5 基于年CO2排放量的兩兩對比矩陣數(shù)據(jù)

根據(jù)表 3 所得權(quán)重向量為(0.45，0.30，0.15，0.10)T，根據(jù)表 4 所得權(quán)重向量為(0.26，0.45，0.20，0.09)T，根據(jù)表 5 所得權(quán)重向量為(0.40，0.31，0.21，0.08)T.

3.4.3 多屬性評價計算

由表3至表5可獲得基于3個準則的備選方案的權(quán)重矩陣，綜合式(8)的權(quán)重向量，可最終獲得方案的優(yōu)先度數(shù)值如下:

由計算結(jié)果可知，在各準則同等重要的情況下，選擇S1系統(tǒng)最合適，S4系統(tǒng)最不合適.

3.4.4 敏感性分析

前述計算是在假設(shè)各準則同等重要的條件下實施的，如果要求重視某一準則，則可能會得到完全不同的決策結(jié)果.根據(jù)對總能耗、總費用和總排放重視程度的差異性，設(shè)定4種情景進行分析，具體如下.

情景1 均等重視，即假設(shè)3個準則同等重要，權(quán)重向量為(0.33，0.33，0.33)T;

情景2 總能耗重視，即假設(shè)節(jié)能性更重要，權(quán)重向量為(0.60，0.20，0.20)T;

情景3 總費用重視，即假設(shè)經(jīng)濟性更重要，權(quán)重向量為(0.20，0.60，0.20)T;

情景4 總排放重視，即假設(shè)環(huán)境性更重要，權(quán)重向量為(0.20，0.20，0.60)T.

基于前述計算過程，最終得到CCHP系統(tǒng)多屬性評價結(jié)果如表6所示.在各準則同等重要的情況下，選擇S1系統(tǒng)最合適，S2系統(tǒng)次之，S4系統(tǒng)最不合適.如果重點關(guān)注系統(tǒng)經(jīng)濟性，則S2系統(tǒng)是最佳選擇，S1系統(tǒng)次之.節(jié)能性重視和環(huán)境性重視這兩類情景的評價結(jié)果類似，S1系統(tǒng)均為最佳選擇.另外，無論從經(jīng)濟性、節(jié)能性或環(huán)境性角度來說，S3系統(tǒng)對本案例所分析的醫(yī)院的適用性均較差.

表6 不同情景下多屬性評價結(jié)果匯總

4 結(jié)語

本文基于層次分析法對上海某醫(yī)院CCHP系統(tǒng)進行多屬性綜合評價.根據(jù)評價結(jié)果，如果對節(jié)能性、經(jīng)濟性、環(huán)保性同等重視，則選擇燃料電池CCHP系統(tǒng)最優(yōu);如果突出節(jié)能優(yōu)先或環(huán)境優(yōu)先，則選擇燃料電池CCHP系統(tǒng)最優(yōu);如果突出重視費用，則選擇燃氣內(nèi)燃機CCHP系統(tǒng)最優(yōu).通過評價計算可知，相對于CCHP系統(tǒng)而言，常規(guī)系統(tǒng)除了前期設(shè)備投資費用較低外，其他各種劣勢暴露無遺，既不節(jié)能，也不經(jīng)濟，更不環(huán)保.因此，決策者應(yīng)具有長遠眼光，在全面、綜合評估的基礎(chǔ)上應(yīng)著力推進CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用.

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