基于AHP和TOPSIS法的电采暖综合效益评价方法研究.pdf

第6 0 卷第8 期2023年8 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023基于AHP和TOPSIS法的电采暖综合效益评价方法研究张泽亚,安佳坤,周兴华,孙鹏飞,容春艳,魏玲3（1.国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄0 50 0 0 0；2.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京10 0 0 8 5；3.清华大学电机系，北京10 0 0 8 4）摘要：在许多供暖方式评价文章中由于评价角度不同,所得结论并不能完全适应人们的不同需要。为此，文章结合层次分析法和TOPSIS法，构建了评估“电采暖”项目综合效益的评价指标体系，进而得到综合评价模型，从经济性、舒适性、可靠性及当地政策等方面进行论证，对常用四种电采暖方式进行分析评价，得出在不同地区、不同气候、不同的环境条件下最优供暖方式的评价模型，并以某市为例进行评价得出针对某市的最优供暖方式，得出一般模型，供用户选用参考。关键词：“电采暖”项目；综合效益比较；层次分析法（AHP）；评价指标法（TOPSIS)D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.016中图分类号：TM925Zhang Zeya,An Jiakun,Zhou Xinghua,Sun Pengfei,Rong Chunyan,Wei Ling(1.Economic and Technological Research Institute,State Grid Hebei Electric Power Supply Co.,Ltd.,Shijiazhuang050000,China.2.Beijing Join Bright Digital Power Technology Co.,Ltd.,Bejing 100085,China.3.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Bejing 100084,China)Abstract:Many articles on the evaluation of heating methods have different evaluation angles,so the conclusions obtainedcannot fully meet the different needs of people.To this end,this paper combines the analytic hierarchy process(AHP)and the technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS)method to construct an evaluation indexsystem to evaluate the comprehensive benefits of the electric heating project,and then,a comprehensive evaluationmodel is obtained,which demonstrates from the aspects of economy,comfort,reliability,and local policies.An evalua-tion model of the optimal heating method in different regions,different climates,and different environmental conditions isobtained through analyzing and evaluating the four commonly used electric heating methods.Finally,taking a city as anexample,the optimal heating method for a city is obtained to get a general model for users to choose for reference.Keywords:electric heating project,comparison of comprehensive benefits,AHP,TOPSIS0引言随着我国东北地区冬季清洁取暖范围的不断扩大，适应不同地区和环境的各种电供暖方式研究也逐步深人1-3 。东北地区在“煤改电”推广过程中，针对不同区域的实际情况以及电采暖设备的用电特点，采取了阶段性、差异化的推广策略。目前在运的主要设备类型包括直热式电采暖、蓄热式电采暖及空气源热泵等。作为一种电能替代方式，电采暖技术对于解决我国东北采暖季引发的环境问题具有积极作用，通过电基金项目：国网河北省电力有限公司科技项目（SGHEJYOOGHJS1900022)一9 2 一文献标识码：BResearch on comprehensive benefit evaluation of electricheating based on AHP and TOPSIS method面对其进行经济与环境效益的评价。文章编号：10 0 1-13 9 0(2 0 2 3)0 8-0 0 9 2-0 5采暖方式取代散烧煤采暖，能够产生经济效益、环境效益、社会效益等综合效益。因此，如何构建电采暖综合效益批评模型进而得到具有最优综合效益的电采暖方式，值得深人研究。目前，国内外文献对于电采暖方式的研究，主要集中于研究电采暖给电网带来的影响及因此而采取的相应调控措施46 。而针对于电采暖方式效益评价的研究则比较少。文献2-7 对电采暖技术的经济与环境效益进行全面的量化评价。文献8 则提出了利用分布式光伏对现有电采暖方式进行优化的方法，并选取净现值、动态投资回收期、减排所节约的治理费用等方第6 0 卷第8 期2023年8 月15日但上述文献均具有局限性，一方面，文章仅仅是孤立对经济与环境效益进行各自的评价，并未研究如何综合考虑两种效益进而得到一个综合评价值,而另一方面,文章并未考虑不同评价指标的权重差异。此外，现有对于电采暖方式由于评价角度不同，所得结论不能完全适应人们的不同需要。针对上述问题,基于层次分析法（AHP）构建了评估“电采暖”综合效益的评价指标体系，进一步采用TOPSIS法得到综合评价模型。在此基础上，从经济性、舒适性、可靠性及当地政策等方面进行论证，对常用四种电采暖方式进行分析评价，得出在不同地区、不同气候、不同的环境条件下最优供暖方式的评价模型，并以某市为例进行评价得出针对某市的最优供暖方式，相关结果可为“电采暖”项目的实施提供指导与参考作用。1电采暖综合性能评价模型构建基于层次分析法，综合经济性、舒适性、可靠性及当地政策等四个维度，构建了电采暖综合效益评价指标体系，如图1所示。经济性电采暖综合性能评价指标体系舒适性可靠性易操作程度政补贴电价策力度补贴时限赏罚机制图1电采暖综合性能评价指标体系Fig.1Electric heating comprehensive performanceevaluation index system1.1 经济性(1)初始投资。初始投资包含采暖设备采购、配电网改造建设等方面的费用。Cg=Ch+Ca+C,-C,式中C为房屋改造费用;C.为采暖设备采购费；C.为配电网改造建设费用；C,为设备购置补贴。(2)运行成本。运行成本是电采暖实施后，电采暖设备的运行费用，主要是电采暖运行产生的电费等。C=E C,+E。C。电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation式中E为补贴电价时段采暖设备用电量kWh；C。为补贴电价，元/（kWh）;E。为正常时间采暖设备用电量kWh;C.为正常电价,元/（kWh）。(3)维护费用。维护费用是指电采暖实施后，用于维护电采暖正常运行所产生的费用。1.2舒适性(1)热环境。热环境主要反映的是采暖设备的供热效果，采用PMV（Pr e d i c t e d M e a n V o t e）人体舒适性模型进行评价，其计算公式详见文献9 。PMV模型采用了7 级分度,如表1所示。表1PMV指标分级Tab.1PMV index classification人体舒适性感觉PMV值热+3暖+2微暖+1适中0微?-1初始投资?运行成本冷维护费用(2)噪音、灰尘。热环境噪音灰尘稳定度使用寿命Vol.60 No.8Aug.15,2023-2-3噪音、灰尘则主要反映的是电采暖设备对于环境产生的影响。采用声压级度量电采暖设备的噪音。以01用以度量电采暖设备运行产生的灰尘量,越接近1,表示电采暖设备产生的灰尘量越多,越接近0，表示电采暖设备产生的灰尘量越少。1.3可靠性(1)稳定度。稳定度是指采暖设备对于供暖效果的维持程度，采用实测室温数据来评价电采暖设备的制热情况。冬季采暖室内温度标准为16 2 4,选取一定比例典型用户进行室温测量，计算公式如下：NRTQR 100%N式中RTQR为室温合格率,用以表示采暖设备的稳定度；N为室温合格户数；N.为总测量户数。(2)使用寿命。(1)使用寿命反映的是采暖设备本身的特性，不同采暖设备的使用寿命不尽相同。(3）易操作程度。易操作程度是指电采暖设备的使用是否方便，操作性是否友好。以0 1表示易操作程度,越接近1，表示电采暖设备越容易操作，越接近0，表示电采暖设备(2)越不容易操作。(3)一9 3 一第6 0 卷第8 期2023年8 月15日1.4政策力度补贴电价、补贴时限主要是政府对于电采暖的补贴程度，赏罚机制则是政府对于不同采暖方式采用不同的鼓励/不鼓励的程度。对于“赏罚机制”评价指标,其计算公式如下：AW100%?=Wo式中m表示“赏罚机制”指标w,表示在整个电采暖项目中某地区政府对某种电采暖设备的补贴；Wo为电采暖项目的总投资。2层次分析法与TOPSIS 法2.1层次分析法层次分析法（Analytic Hierarchy Process，A H P），由美国运筹学家托马斯塞蒂于2 0 世纪7 0 年代中期提出。AHP是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，由于其在处理复杂的决策问题上的实用性和有效性，很快在各个领域得到广泛应用 AHP的流程图如图2 所示。开始构建层次结构模型构造判断矩阵YN层次单排序及一次性检验Y层次总排序及一次性检验求解方案层权重选型结果结束图2 层次分析法的流程图Fig.2Flow chart of AHP假定有n个评价指标,其构成的指标集记为D=(D,D，D）,并且指标集构成一个n 阶的判断矩阵A,即:alla12a21a22A=Lanlan2式中,表示指标i与指标D,之间相对重要程度的比值。若;1,则表示指标D,比指标 D,重要；若;=1,则表示指标D;与指标D,同样重要；若1,则表示指标D,比指标D,重要。计算得到矩阵A的特征值，假设最大的特征值为入max,其对应的归一化后的特征向量为W,即：一9 4一电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationW=w1,w1,w,T则指标 D,对应的权重值为W;。2.2 TOPSIS 法逼近理想排序法（Technique for Order Preference bySimilarity to Ideal Solution,TOPSIS）,是一种适合多指标、多方案决策分析的系统评价方法。它通过构造“正理想(4)解”与 负理想解 来对多个决策方案进行排序12 13 所谓“正理想解”，是一种设想的最优解（或方案），它的各个属性值都达到各候选方案中的最优的值。所谓“负理想解”，是一种设想的最坏解（或方案），它的各个属性值都达到各候选方案中的最坏的值。TOPSIS 法通过计算某一方案与正理想解、负理想解之间的加权欧氏距离，得出该方案与正理想解的接近程度，以此作为评价各方案优劣的依据。TOPSIS法思路清晰、计算简便、应用灵活，被广泛地使用。2.3基于AHP与TOPSIS法的电采暖综合效益评价模型构建针对前述所建立的综合效益评价指标体系,进一步基于AHP与TOPSIS法构建电采暖综合效益评价模型。2.3.1原始决策矩阵假设给定了个电采暖方案，并且每个方案设置有n个评价指标,则其构成了原始决策矩阵X,即：X1211x22X=：LXmlXm2式中;表示第i个方案第k个评价指标的值。根据上节所见综合评价指标体系，可知,评价指标数n=12。为了消除各指标量纲不同对方案决策带来的影响，需要对决策矩阵进行无量纲化处理,采用以下式子构建标准化矩阵V=（u g）mn，即：对于越大越优型指标：U;-min(x,)ainu=max(a,)-min(x,)a2n(5)：Vol.60 No.8Aug.15,2023(6)1n2m：Xmn对于越小越优型指标：max(x,)-UjDu=max(a)-min(a)ann式中V,为x归一化后的值;max(,）、m i n（x）分别为第j个指标的最大值和最小值。2.3.2基于AHP的加权决策矩阵采用AHP法计算得到各指标权重W,W可根据式(2)计算得到。将指标权重W与无量纲化矩阵V相乘,进一步得(7)第6 0 卷第8 期2023年8 月15日到加权决策矩阵R=（r g）mx n，即：Ty=w,v,(i=1,2,m;j=1,2,n)式中r表示加权后第i个方案第k个评价指标的标准化值。2.3.3正理想解与负理想解进一步,分别计算得到正理想解与负理想解,其计算式子如下：maxirl，j=1,2,n;D,为越大越优型指标S,t=1imminir,，j=1,2,n;D,为越小越优型指标1im(9)minir;，j=1,2,n;D,为越大越优型指标S1immaxir,，j=1,2,n;D,为越小越优型指标1im(10)2.3.4 相对贴近度计算各方案与正负理想解间的距离，在计算时,采用欧式距离：Sd=(St-r,),i=1,2,mSd;=一(S,-r,),i=1,2,m进一步计算得到各方案与正理想解的相对贴近度n;,即：Sd;n:=Sd+Sdi式中m;越大，则表明决策方案M,越接近正理想解,方案M,越优。3算例分析以北方某市（地区)为例,基于文章所提评价方法对某市的供暖方式进行分析，得出针对于该市的最优供暖方式。根据调研，得到该市不同电采暖方式的各项信息，具体如表2 所示。根据调研结果,计算得到不同电采暖方式的各项评价指标值,并对其进行无量纲化处理,其结果如表3 所示。基于AHP法计算得到各评价指标的权重值,其结果如表4与图3 所示。由以上结果可知，初始投资、运行费用、政府补贴在评价指标中所占的权重较大，可见，经济性对于电采暖方式的选择具有较大的影响。进一步采用TOPSIS法计算得到不同采暖方式的综合评价值，其结果如表5、图4所示，其中，电采暖方式编号1 4分别对应于蓄热式电采暖、直热式电采暖、空气源热泵、地源热泵。电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation表2 某市不同电采暖方式的比较(8)Tab.2Comparison of different electric heatingmethods in a city蓄热式直热式指标名称电采暖初始投资0.7 1.0（万元/户）运行成本0.2480（万元/采暖季）维护费用0.03（万元/年）热环境噪音(dB)灰尘稳定度使用寿命810年易操作程度0.91补贴电费0.20（万元/户）补贴时限（月）赏罚机制（%）9.92表3不同电采暖方式的评价指标值(11)Tab.3Evaluation index value of differentelectric heating methods蓄热式直热式空气源指标编号指标名称电采暖电采暖热泵1初始投资0.647 12运行成本0.4248i=1,2,.m(12)Vol.60 No.8Aug.15,2023空气源地源电采暖热泵0.50.81.2 3.50.40320.21670.060.060.250.125550.100.120.970.99810年0.900.2036328.470.690 303维护费用0.622 54热环境0.666 75噪音0.577 46灰尘0.431 97稳定度0.533 68使用寿命0.419 29易操作程度0.51330.507 710补贴电价0.632 511补贴时限0.553812赏罚机制0.57150.488 0表4指标权重值Tab.4Index weight value指标编号指标权重值10.116 620.066 330.024 240.038 650.029 960.058 3热泵4.05.00.130.30-0.6250.8754850.160.050.650.9810年以上15年以上0.930.810.100.1034269.356.61地源热泵0.323 600.510 40.747 70.55340.553 40.666 70.333 30.577 400.259 200.545 50.355 80.419 20.503 10.524 60.632 50.316 20.495 50.530 40.5387指标编号指标权重值70.017 780.022 190.016 2100.272.8110.271 3120.066 0一9 5一000.577 40.863 90.539 60.628 80.451 30.316 20.408 00.380 8第6 0 卷第8 期2023年8 月15日0.30.250.20.150.10.050023456789101112指标编号图3 指标权重值Fig.3 Index weight value表5不同电采暖方式的综合评价值Tab.Comprehensive evolution value of differentelectric heating methods电采暖方式编号电采暖方式1蓄热式电采暖2直热式电采暖3空气源热泵4地源热泵0.40.30.20.10蓄热式电采暖图4不同电采暖方式的综合评价值Fig.4Comprehensive evolution value ofdifferent electric heating methods根据以上结果可知,对于北方某市，蓄热式电采暖是最优的采暖方式，其次是直热式电采暖方式，这与实际情况相一致。一方面,由于北方冬季较为寒冷,而空气源热泵的性能与室外温度密切相关，其性能极易受低温条件的限制；另一方面,相对于我国其他地区，北方地区的地热资源相对不足，而地源热泵对地热资源及地质条件要求较高。综上分析，可知，空气源热泵与地源热泵对于该市的综合效益不高。直热式电采暖直接将电能直接转化为热能，对北方寒冷的气候具有较好的适应度；相较于直热式电采暖，蓄热式电采暖对于气温的敏感度更高。因此，对于北方某市，采用蓄热式电采暖，能够产生最优的综合效益。4结束语结合层次分析法和TOPSIS法，构建了评估“电采暖”项目综合性能的评价指标体系，进而得到综合评价模型。并以某市为例进行算例分析。可以得到以下结论：一9 6 一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation(1)综合效益评价模型综合考虑了经济性、舒适性、可靠性及当地政策等方面，评价指标体系较为全面客观；(2)所提综合效益评价模型具有普适性，能够适用于不同地区、不同气候、不同的环境条件下最优供暖方式的选择；（3）文章的相关结果可为“电采暖”项目的实施提供指导与参考作用。参考文献1 Sanbao Y E,Diao Y,Zhao Y.Heat Storage-Release Property of Phase-Change Thermal Storage System with New Flat Heat Pipe J.ElectricPower Construction,2014,35(7):136-140.2周景宏，王春建，王静电采暖典型技术综合效益评价研究J.价值工程，2 0 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一），女，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统。Email:104一