一种面向办公楼宇的综合能源评价方法与流程

1.本发明属于能源评价技术领域，特别涉及一种面向办公楼宇的综合能源评价方法。


背景技术：

2.当前，在资源枯竭和环境恶化问题函待解决的今天，开发综合能源利用系统，减少办公建筑能耗，防止我国办公建筑能耗迅猛增长，是一项意义重大的研究课题。
3.由各类清洁能源驱动的综合能源系统由于其能源利用效率高、发展潜力大，兼具节能、环保、经济等诸多优点，正处于一个快速发展的时期，已广泛应用于各个行业。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，综合能源系统评价的最大特点在于能源的多样性以及地域的特异性。目前的评价多由用户所处行业所构建，所具备的专业视角比较受局限，由于综合能源系统是一个包含建筑、能源、社会、人文、经济、环境等多学科交叉的系统，因此需要对其进行较全面的评价。
4.面对越来越多的办公楼宇综合能源系统，评估系统优劣，寻求系统优化改进方向成为发展趋势。对办公楼宇综合能源系统进行全面评估，就必须为办公楼宇综合能源系统建立一个评价方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种面向办公楼宇的综合能源评价方法。
6.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现:
7.一种面向办公楼宇的综合能源评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.步骤1、构建综合能源评价指标，并对各指标数据进行归一化处理；
9.步骤2、确定评价指标权重；
10.步骤3、依据评价指标的归一化数据与评价指标的权重构建综合能源系统评价目标模型，由构建的模型获得评价结果。
11.进一步的：步骤1中的评价指标包括四个一级评价指标，每个一级评价指标包含两个二级评价指标，具体为：
12.5、节能指标
13.节能指标包括综合能源节能率和削峰填谷量两个二级指标
14.1.1综合能源节能率
15.节能量与系统消耗的总能量之比为节能率，用公式(1)表示
[0016][0017]
式中，e0为传统能源系统的燃料消耗量，将传统能源系统的供能端定义为电网和燃煤锅炉，见公式(2)；e1为综合能源系统运行期间，从电网购买的电转化为标准煤的值,定
义为 e1＝3600∑pi；∑pi为系统的净输入电量，kwh。
[0018][0019]
式中，e
p
为电能消耗量转化为标准煤的值；η
p
为电网供电的效率；eh为煤的消耗量；ηh为燃煤锅炉的供热效率；
[0020]
1.2削峰填谷量
[0021]
削峰填谷量λ能反映综合能源系统取得的成果，指的是系统中各个设备参与削峰填谷量的总和，计算公式为：
[0022]
maxλ＝∑vnꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
式中，λ为系统削峰填谷量，kwh；∑vn为设备n的削峰填谷量，kwh；
[0024]
6、减排指标
[0025]
包括减排量和清洁能源利用率两个二级指标
[0026]
2.1减排量
[0027]
减少空气污染物排放量指在统计时间内减少目标系统的空气污染物排放量，包括减少烟尘、so2和no
x
等排放量，计算公式如下：
[0028]
δe＝e
m1-e
m2
ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]
输出相同冷热电量所需消耗的能源转换的废气量的减少百分比称为减排率ε；
[0030][0031]
传统能源系统的空气污染物排放量为:
[0032][0033]
式中，αe为电网线排放因子；p
01
为传统能源系统的输出电量，kwh；q
h1
为传统能源系统的输出热量，kwh；η
h1
为传统能源系统热效率，p
h1
为燃煤锅炉消耗热量，kwh。
[0034]
综合能源系统的空气污染物排放量为:
[0035][0036]
式中，αe为电网线排放因子；p
02
为综合能源系统的输出电量，kwh；q
h2
为综合能源系统的输出热量，kwh；η
h2
为综合能源系统热效率，p
h2
为热泵消耗的电量，kwh；ηe为蓄电池电储能效率,即蓄电元件输出电量p0与输入电量pi之比，
[0037]
将节省的能源量换算成标煤量，并按照节省1kg标煤相当于减掉2.493kg的co2、0.038kg 的no
x
和0.075kg的so2的标准进行废气量的换算；
[0038]
2.2清洁能源利用率
[0039]
清洁能源率xi是指清洁能源贡献的能量与目标系统用能量的比值，其定义为清洁能源的消耗量占项目的总能源消耗量的比例，见公式(8)
[0040][0041]
式中：∑ei为各类可再生能源消耗量，包括地热能、太阳能、生物质能、风能等，单位为kw；
[0042]
7、经济指标
[0043]
经济指标包括费用年值和静态回收期两个二级指标
[0044]
3.1费用年值
[0045]
将投资值折算为年值后和年运行费相加，得到费用年值w：
[0046][0047]
式中：c
sys
为系统的总造价，单位元；i为设置好的基准收益率，％；n为系统设备的使用寿命，a；f为系统的年运行费用，单位元；
[0048]
3.2静态回收期
[0049]
增量投资静态回收期t
re
定义为利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：
[0050][0051]
式中：c
re
为综合能源系统输出和传统的能源系统相同的热电量所需的增量投资，单位元； f
tr
和f
int
分别为传统能源系统以及综合能源系统的年运行费用，其中包括燃料成本、人工成本、设备的初始成本、设备的维护成本和设备折旧，单位元；
[0052]
8、可靠指标
[0053]
可靠指标包括功能可靠率和储能率两个二级指标
[0054]
4.1供能可靠率
[0055]
能源系统可靠率指的是在统计期内系统供电的可靠性、供热的可靠性以及供冷的可靠性，用能源缺额率表示，计算公式如下：
[0056][0057]
式中：δwe为系统中电能缺额量，单位kwh；δwh为系统中热能缺额量，单位kwh；we为系统中电能总需求量，单位kwh；wh为系统中热能总需求量，单位kwh；
[0058]
4.2储能率
[0059]
蓄电池电储能效率ηe定义为蓄电元件输出电量p0与输入电量pi之比:
[0060][0061]
所述综合能源节能率、削峰填谷量、减排量、清洁能源利用率、功能可靠率和储能率六个二级指标为效益型指标，所述费用年值和静态回收期为成本型指标。
[0062]
更进一步的：对各指标数据进行归一化处理包括对效益型指标的处理方式和对成
本型指标的处理，具体为：
[0063]
1、效益型指标的处理方式
[0064]
效益型指标指当第i项指标为正指标，对其进行如下处理:
[0065][0066]
式中，yi——归一化后的数据；
[0067]
2、成本型指标的处理方式
[0068]
成本型指标指当第i项指标为负指标，对其进行如下处理:
[0069][0070]
式中，yi——归一化后的数据。
[0071]
进一步的：步骤2包括如下步骤：
[0072]
2.1、构建判断矩阵
[0073]
1)确定序关系
[0074]
若综合评价指标间满足如下关系:xi》xj(i,j＝1,2,3
……
)称xi的重要程度高于xj。
[0075]
根据此种方法选取综合评价指标集中的评价指标进行重要度最高的指标记为x1*，再从剩下的n-1个评价指标中选出重要度最高的指标记为x2*。以此类推，直到最终选取出指标xn*。从而确定综合评价指标间的序关系如下:
[0076][0077]
2)相对重要性判定
[0078]
设专家对于综合评价指标xk*和x
k-1
*的重要程度的理性判断之比为rk；
[0079]
在前后两指标同等重要，rk取1；在前者比后者稍微重要，rk取3；在前者比后者明显重要，rk取5；在前者比后者更重要，rk取7，在前者重要程度远远高于后着，rk取9，其他根据重要情况，rk取2,4,6,8
[0080]
3)按照rk构建判断矩阵d，元素d
ij
表示第i个指标和第j个指标比较之后的标度值；
[0081]
2.2计算权重系数,具体为：
[0082]
1)计算判断矩阵每行元素的乘积
[0083][0084]
2)计算每行ki的n次根
[0085][0086]
3)归一化处理，求得特征向量，ki即为指标i的权重系数
[0087][0088]
根据对式(15)中对序关系的定义，可得评价指标集x＝{x1*,x2*，
…
xn*}的权重向
量为w＝[k1,k2,
…kn
]
t
[0089]
2.3一致性检验
[0090]
求得判断矩阵的最大特征根和其对应的特征向量，若判断矩阵一致性通过，则特征向量即为权向量；计算步骤如下：
[0091]
1)计算判断矩阵d的最大特征根
[0092][0093]
2)计算一致性
[0094][0095]
计算一致性比率
[0096][0097]
式中，r为平均随机一致性指标
[0098]
当y《0.1时，则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，或者对判断矩阵数据进行修改和调整，再次执行上述操作，直到获得满足要求的一致性测试结果。
[0099]
进一步的：步骤3构建的综合能源系统评价目标模型为：
[0100][0101]
式中，qi为项目得分；
[0102]yij
为归一化后的指标得分；
[0103]uij
为指标的最终权重。
[0104]
本发明具有的优点和积极效果：
[0105]
本发明建立了包含节能，减排，经济和可靠4个一级指标和8个二级指标的综合能源综合评价方法。通过本发明的综合评价方法对办公楼宇综合能源系统进行评价，可以获得以下效果：
[0106]
(1)有利于指导办公楼宇综合能源系统的方案设计和优化运行策略的调整。办公楼宇综合能源系统中设备多，能源形式复杂。在系统运行过程中，需要对其进行不断的优化调控。通过对系统做科学合理的评价，有利于对系统的方案设计、优化运行和系统优化运行策略调整起到重要的指导作用。
[0107]
(2)有利于指导既有办公楼宇能源系统的升级改造。目前，很多已经建成的办公楼宇能源系统不能满足节能减排的要求，需要一次甚至多次的升级改造。通过建立科学合理的综合评价方法可以保证系统方案的合理选择和健康发展，对系统的升级改造起着重要的指导作用，为后续的工作开展提供一定的基础。
[0108]
(3)对办公楼宇综合能源系统进行科学合理的综合评价是对系统运行情况的客观反映。通过建立科学有效的综合评价方法，对办公楼宇综合能源系统建设、运行、改造过程中存在的问题进行合理的总结和分析，为更好的利用能源、促进社会的发展与生态环境的
保护提供理论依据。
附图说明
[0109]
图1是本发明综合能源评价方法流程图；
[0110]
图2是本发明综合能源评价指标构架图；
[0111]
图3是本发明指标权重计算流程图。
具体实施方式
[0112]
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
[0113]
一种面向办公楼宇的综合能源评价方法，请参加图1-3，包括如下步骤：
[0114]
步骤1、构建综合能源评价指标，并对各指标数据进行归一化处理；
[0115]
步骤2、确定评价指标权重；
[0116]
步骤3、依据评价指标的归一化数据与评价指标的权重构建综合能源系统评价目标模型，由构建的模型获得评价结果。
[0117]
其中，步骤1中的评价指标包括四个一级评价指标，分别为：节能指标、减排指标、经济指标和可靠指标，每个一级评价指标包含两个二级评价指标，具体为：
[0118]
节能指标：
[0119]
节能指标包括综合能源节能率和削峰填谷量两个二级指标。
[0120]
1.1综合能源节能率
[0121]
节能量与系统消耗的总能量之比为节能率，用公式(1)表示
[0122][0123]
式中，e0为传统能源系统的燃料消耗量，将传统能源系统的供能端定义为电网和燃煤锅炉，见公式(2)；e1为综合能源系统运行期间，从电网购买的电(转化为标准煤,定义为 e1＝3600∑pi；∑pi为系统的净输入电量，kwh。
[0124][0125]
式中，e
p
为电能消耗量转化为标准煤的值；η
p
为电网供电的效率；eh为煤的消耗量；ηh为燃煤锅炉的供热效率；
[0126]
1.2削峰填谷量
[0127]
削峰填谷量λ能反映综合能源系统取得的成果，指的是系统中各个设备参与削峰填谷量的总和，计算公式为：
[0128]
maxλ＝∑vnꢀꢀꢀ
(3)
[0129]
式中，λ为系统削峰填谷量，kwh；∑vn为设备n的削峰填谷量，kwh；
[0130]
减排指标：
[0131]
包括减排量和清洁能源利用率两个二级指标
[0132]
2.1减排量
[0133]
减少空气污染物排放量意味着在统计时间内减少目标系统的空气污染物排放量，
包括减少烟尘、so2和nox等排放量，计算公式如下：
[0134]
δe＝e
m1-e
m2
ꢀꢀꢀ
(4)
[0135]
输出相同冷热电量所需消耗的能源转换的废气量的减少百分比称为减排率ε；
[0136][0137]
传统能源系统的空气污染物排放量为:
[0138][0139]
式中，αe为电网线排放因子；p
01
为传统能源系统的输出电量，kwh；q
h1
为传统能源系统的输出热量，kwh；η
h1
为传统能源系统热效率，p
h1
为燃煤锅炉消耗热量，kwh。
[0140]
综合能源系统的空气污染物排放量为:
[0141][0142]
式中，αe为电网线排放因子；p
02
为综合能源系统的输出电量，kwh；q
h2
为综合能源系统的输出热量，kwh；η
h2
为综合能源系统热效率，p
h2
为热泵消耗的电量，kwh；ηe为蓄电池电储能效率,即蓄电元件输出电量p0与输入电量pi之比，
[0143]
将节省的能源量换算成标煤量，并按照节省1kg标煤相当于减掉2.493kg的co2、0.038kg 的no
x
和0.075kg的so2的标准进行废气量的换算。
[0144]
2.2清洁能源利用率
[0145]
由于综合能源系统应要朝向清洁能源为主的发展，因此清洁能源在不同绿色能源和低碳计划中的比例是评估的必不可少的指标，清洁能源率xi是指清洁能源贡献的能量与目标系统用能量的比值，其定义为清洁能源的消耗量占项目的总能源消耗量的比例。财政部，住房和城乡建设部联合发布的《关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知》明确指出，到2020 年，建筑领域中的可再生能源消费量将占建筑物能耗的15％以上，见公式(8)
[0146][0147]
式中：∑ei为各类可再生能源消耗量，包括地热能、太阳能、生物质能、风能等，单位为kw；
[0148]
经济指标：
[0149]
经济指标包括费用年值和静态回收期两个二级指标
[0150]
3.1费用年值
[0151]
将投资值折算为年值后和年运行费相加，得到费用年值w：
[0152][0153]
式中：c
sys
为系统的总造价，单位元；i为设置好的基准收益率，％；n为系统设备的使用寿命，a；f为系统的年运行费用，单位元；
[0154]
3.2静态回收期
[0155]
增量投资静态回收期t
re
定义为利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：
[0156][0157]
式中：c
re
为综合能源系统输出和传统的能源系统相同的热电量所需的增量投资，单位元； f
tr
和f
int
分别为传统能源系统以及综合能源系统的年运行费用，其中包括燃料成本、人工成本、设备的初始成本、设备的维护成本和设备折旧，单位元；
[0158]
可靠指标：
[0159]
可靠指标包括功能可靠率和储能率两个二级指标
[0160]
4.1供能可靠率
[0161]
能源系统可靠率指的是在统计期内系统供电的可靠性、供热的可靠性以及供冷的可靠性，用能源缺额率表示，计算公式如下：
[0162][0163]
式中：δwe为系统中电能缺额量，单位kwh；δwh为系统中热能缺额量，单位kwh；we为系统中电能总需求量，单位kwh；wh为系统中热能总需求量，单位kwh；
[0164]
4.2储能率
[0165]
蓄电池电储能效率ηe定义为蓄电元件输出电量p0与输入电量pi之比:
[0166][0167]
上述的综合能源节能率、削峰填谷量、减排量、清洁能源利用率、功能可靠率和储能率六个二级指标为效益型指标，所述费用年值和静态回收期为成本型指标。
[0168]
对各指标数据进行归一化处理包括对效益型指标的处理方式和对成本型指标的处理，具体为：
[0169]
1、效益型指标的处理方式
[0170]
效益型指标指当第i项指标为正指标，也就是指标的数值越大越好，对其进行如下处理:
[0171][0172]
式中，yi——归一化后的数据；
[0173]
2、成本型指标的处理方式
[0174]
成本型指标指当第i项指标为负指标，也就是指标的数值越小越好，对其进行如下处理:
[0175][0176]
式中，yi——归一化后的数据。
[0177]
其中，步骤2包括如下步骤：
[0178]
2.1、构建判断矩阵
[0179]
1)确定指标序关系
[0180]
若综合评价指标间满足如下关系:xi》xj(i,j＝1,2,3
……
)称xi的重要程度高于xj。
[0181]
根据此种方法选取综合评价指标集中的评价指标进行重要度最高的指标记为x1*，再从剩下的n-1个评价指标中选出重要度最高的指标记为x2*。以此类推，直到最终选取出指标xn*。从而确定综合评价指标间的序关系如下:
[0182][0183]
2)相对重要性判定
[0184]
设专家对于综合评价指标xk*和x
k-1
*的重要程度的理性判断之比为rk；rk衡量表如表一所示：
[0185]
表一rk衡量表
[0186]rk
具体含义rk具体含义1同等重要3前者比后者稍微重要5前者比后者明显重要7前者比后者更重要9前者重要程度远远高于后者2,4,6,8处于中间值
[0187]
3)按照rk构建判断矩阵d，元素d
ij
表示第i个指标和第j个指标比较之后的标度值；
[0188]
2.2计算权重系数,具体为：
[0189]
1)计算判断矩阵每行元素的乘积
[0190][0191]
2)计算每行ki的n次根
[0192][0193]
3)归一化处理，求得特征向量，ki即为指标i的权重系数
[0194][0195]
根据对式(15)中对序关系的定义，可得评价指标集x＝{x1*,x2*，
…
xn*}的权重向量为w＝[k1,k2,
…kn
]
t
[0196]
2.3一致性检验
[0197]
求得判断矩阵的最大特征根和其对应的特征向量，若判断矩阵一致性通过，则特征向量即为权向量；计算步骤如下：
[0198]
1)计算判断矩阵d的最大特征根
[0199][0200]
2)计算一致性
[0201][0202]
计算一致性比率
[0203][0204]
式中，r为平均随机一致性指标，其取值见表二：
[0205]
表二平均随机一致性指标取值表
[0206]
矩阵阶数r矩阵阶数r1061.242071.3230.5881.4140.9091.4551.12101.49
[0207]
当y《0.1时，则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，或者对判断矩阵数据进行修改和调整，再次执行上述操作，直到获得令人满意的一致性测试结果。
[0208]
其中，步骤3构建的综合能源系统评价目标模型为：
[0209][0210]
式中，qi为项目得分；
[0211]yij
为归一化后的指标得分；
[0212]uij
为指标的最终权重。
[0213]
以下述具体实施例对本发明坐进一步说明：
[0214]
1、建立判断矩阵
[0215]
根据图2的综合能源系统评价指标和专家的问卷调查，经过整理对比数据后得出各层次的判断矩阵。表三、表四、表五、表六、表七分别为各级评价指标的判断矩阵。
[0216]
表三一级指标的判断矩阵
[0217]
指标节能a1减排a2经济a3可靠a4节能a111/31/21/3减排a23122经济a321/212可靠a431/21/21
[0218]
表四节能二级指标的判断矩阵
[0219]
指标综合能源节能率a11削峰填谷量a12综合能源节能率a1113
削峰填谷量a121/31
[0220] 表五减排二级指标的判断矩阵
[0221]
指标减排量a21清洁能源率a22减排量a2112清洁能源率a221/21
[0222]
表六经济二级指标的判断矩阵
[0223]
指标费用年值a31静态回收期a32费用年值a3111/2静态回收期a3221
[0224]
表七可靠二级指标的判断矩阵
[0225]
指标供能可靠率a41储能率a42供能可靠率a4113储能率a421/31
[0226]
2、一级指标权重的确定
[0227]
由表三可得一级指标的判断矩阵为
[0228][0229]
求得一级指标的判断矩阵的权重为：
[0230]
w＝[0.0394,0.5793,0.2365,0.1448]t
[0231]
判断矩阵的最大特征根λ
max
＝4.1431
[0232]
并且，
[0233]
计算得：通过了一致性检验。
[0234]
3、节能指标和可靠指标权重的确定
[0235]
由表四、表七可得节能和可靠二级指标的判断矩阵为
[0236][0237]
求得节能和可靠二级指标的判断矩阵的权重均为：
[0238]
w＝[0.750,0.250]t
[0239]
判断矩阵的最大特征根λ
max
＝2
[0240]
并且，
[0241]
计算得：y＝0＜0.1，通过了一致性检验。
[0242]
4、减排指标和经济指标权重的确定
[0243]
由表五、表六可得减排和经济指标的判断矩阵为
[0244][0245]
求得减排和经济二级指标的判断矩阵的权重均为：
[0246]
w＝[0.667,0.333]t
[0247]
判断矩阵的最大特征根λ
max
＝2.0
[0248]
并且，
[0249]
计算得：y＝0＜0.1，通过了一致性检验。
[0250]
5、项目评价结果
[0251]
结合具体的项目进行评价，包括项目设计、项目运行实验报告以及项目预期达到效果对比，并进行合理性验证。对于某个及具体能源方案，如果可以获取详细数据的指标，则通过前面指标的定义公式来计算；对于无法获取详细数据的指标，通过该领域的10位专家根据相关的数据进行对比打分，取其平均值作为指标的大小来进行评价；最后根据得到的所有指标的数据来对比分析。各指标归一化后的数据如表八所示。
[0252]
表八项目各指标数据
[0253][0254]
按照前面计算的权重系数，将得分与权重系数相乘再求和便得到该项目的整体评价。结果如表九所示。
[0255]
表九项目各指标计算结果
[0256][0257]
表十项目各指标得分
[0258][0259]
由表十可得项目综合得分为0.7101。从综合得分可以看出项目的优劣性有所不同。项目的节能指标较低，而减排指标较高。后期可根据具体情况，对项目进行针对性改进。
[0260]
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。
[0261]
本发明在评价指标的选择上不单纯的依靠传统的能源系统指标，其对节能、减排、经济和可靠等多方面的指标进行全面考虑，真正的做到对系统进行综合评价。
[0262]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。