北方農村地區分布式能源系統綜合評價

任志剛 陳昕 鄧勤犁 周軍莉

武漢理工大學土木工程與建筑學院

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生的能源過度消耗。將分布式能源系統應用于我國農村地區可以有效改善農村居住建筑目前“低能效、高能耗”的狀況。

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

1 指標體系

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

表1 分布式能源系統評價指標體系

2 評價方法

1）組合賦權法

由于實際中不同指標在系統評價過程中的影響程度不同，因此須對各項指標分配權重以反映其各自的重要程度。權重是否合理直接關系到綜合評價結果的準確性[5]。權重的確定方法分主觀法和客觀法兩大類[6]。本文采用一種結合主觀權重和客觀權重的組合賦權方法來確定不同層次的指標權重以區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合的綜合主觀評價方法，在多個領域得到廣泛應用，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；歸一化處理得到權重。熵權法是一種客觀賦權方法，它是利用各指標的熵值所提供的信息量大小來決定指標權重的方法，其計算過程如下[8]：明確評價問題，構建決策矩陣；對決策矩陣中各指標值進行無量綱化處理；計算各指標的熵值及差異系數；計算指標權重。

2）TOPSIS 評價法

TOPSIS 稱為“優劣解距離法”，是一種多目標決策方法[10]。該方法是根據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劣，具體計算步驟如下[11]：對原始數據歸一化處理，并利用組合權重對處理后的各項數據進行賦權，構成歸一化后賦權的決策矩陣；確定理想解和負理想解；采用加權的歐幾里得范數，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。剛家村共有居民353戶，每戶3 至4 人，且各農戶位置分布集中，因此適合分布式能源系統的應用。根據實地調研情況，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，根據總農戶數量和模擬結果推算剛家村的總體供暖熱負荷。依照《建筑給水排水設計規范》（GB50015-2019）[12]中的規定，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。全村每月用電量數據來源于當地電業局，如表2 所示。最后利用逐時分攤系數，得到全年逐時熱水負荷與電負荷。各季節典型日逐時負荷見圖2。

表2 剛家村月用電量

圖2 剛家村各季節典型日負荷

電負荷與熱水負荷的波動與人員作息相關，主要集中于晚間六點至十點。在冬季，農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，農村居住建筑由于家電數量與居民用能習慣等方面的影響，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。二是由于農村住宅圍護結構保溫措施不完善，導致建筑供暖熱負荷較高。

3.2 能源系統方案

根據剛家村的規模和用能需求，本文構建了三種可用于該村的能源系統方案，即：傳統分布式能源系統，天然氣分布式能源系統和沼氣分布式能源系統。系統承擔用戶的電負荷、供暖熱負荷與熱水負荷。

如圖3 所示，傳統分供式系統從電網購電滿足用戶電負荷E，利用燃氣鍋爐和燃氣熱水器承擔用戶供暖熱負荷Qh和熱水負荷Qc。通過建筑負荷和設備參數計算分供式能源系統的項指標數據值。

圖3 傳統分供式能源系統

分布式能源系統的運行模式主要分為兩種，即“以電定熱”和“以熱定電”?？紤]到我國很多農村地區的電力“上網”政策尚不完善，所構建的分布式能源系統以“以電定熱”的模式運行。燃氣供給內燃機發電機進行發電，產生的電能用于建筑電氣照明設備等的供應，即系統優先滿足用戶的電力需求。發電后的系統余熱通過熱回收系統進行回收，以滿足用戶的熱力需求。當熱回收系統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進行模型搭建，分別模擬天然氣分布式能源系統和沼氣分布式能源系統。將用戶負荷和設備參數代入模型進行模擬，以此分別計算天然氣和沼氣分布式能源系統的指標數據。

3.3 結果與分析

計算得到三種能源系統方案的各項指標具體數值如表3 所示?？梢钥吹?，分布式能源系統在能源效益和經濟效益方面顯著優于傳統分供式能源系統。分布式能源系統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境效益。傳統分供式能源系統的初投資為124.8 萬元，低于另外兩種分布式能源系統，這是由于分布能源系統需安裝發電設備，發電設備。沼氣分布式能源系統與天然氣分布式能源系統主要的區別體現在經濟效益方面。沼氣作為燃料，須對沼氣進行凈化、壓縮等預處理，預處理設備所需的費用導致沼氣分布式能源系統的初投資較高，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勢。

采用層次分析法確定主觀權重，通過一致性檢驗。通過熵權法利用指標數據計算得到客觀權重。最后由式（1）得到組合權重。從圖4 中可以看出，主觀和客觀權重之間具有較大差異，主觀權重中經濟效益占據較大比重，而客觀權重中則是能源效益。主觀和客觀權重之間的差異表明，使用單一方法進行賦權會導致結果不準確。綜合主、客觀的組合賦權法將兼顧對指標的主觀偏好，同時又減小主觀隨意性，能使對指標的賦權達到主客觀相統一。

圖4 各評價指標主觀權重、客觀權重以及組合權重

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。各方案由優到劣的排序依次為：天然氣分布式能源系統、沼氣分布式能源系統、傳統分供式能源系統。傳統分供式能源系統的相對貼近度遠小于天然氣和沼氣分布式能源系統，說明在我國北方農村地區，分布式能源系統將比傳統分供式能源系統具有更好的綜合效益。分布式能源系統在初投資方面具有劣勢，但其在其他指標方面的優勢足以彌補這一不足。天然氣分布式能源系統與沼氣分布式能源系統的相對貼近度接近?？紤]到農村地區有大量的生物質資源可用作制備沼氣的原料，沼氣分布式能源系統為農村大量廢棄生物質資源提供了有效的利用途徑，也為當地農民增加了創收機會。因此在一些情況下，沼氣分布式能源系統可作為農村村級分布式能源系統的優先選擇。

表4 方案相對貼近度值

4 結論

本文建立了一套針對我國北方農村地區村級分布式能源系統的綜合評價方法，采用主觀賦權-層次分析法和客觀賦權-熵權法相結合的組合賦權法確定指標權重，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。論文得到以下結論：

1）主觀賦權法與客觀賦權法的結果具有較大差異，綜合主、客觀的組合權重將兼顧對指標的偏好，同時又減小主觀隨意性，使對指標的賦權達到主客觀相統一。

2）在我國北方農村地區，分布式能源系統將比傳統分供式能源系統具有更好的綜合效益，天然氣分布式能源系統略優于沼氣分布式能源系統。若考慮對當地生物質資源的有效利用，沼氣分布式能源系統是我國北方農村地區能源系統的優先選擇。