CN106096229A - 一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法 - Google Patents

Abstract

一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法。其包括城市能源对比体系构建；数据采集；城市能源建模量化计算；城市能源对比与分析等步骤。本发明方法立足于城市能源的消费环节，多角度、全面地对城市能源的消费特征进行对比分析。该方法首先构建城市能源对比体系；然后从四方面通过建模量化计算考察城市能源消费的特点；最后利用德尔菲法确定各方面的权重与评价标准，最终得到城市能源的综合对比分析结果。该方法的对比分析结果可以从多方面反映城市各能源消费的特点与优势，辅助寻求城市能源的最优利用方式，有助于提高城市能源的使用效率、减低城市环境污染，对提升我国能源消费意识、推进我国能源消费方式转变具有重要意义。

Description

一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法

技术领域

本发明属于城市能源分析技术领域，特别是涉及一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法。

背景技术

能源是经济社会发展的重要物质基础。人类对能源的利用，从薪柴到石油等化石能源，再到风能等清洁能源发电，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步。但是，全球工业飞速发展的近300年的经验表明：依靠传统化石能源满足能源需求并推动社会经济发展的格局已难以为继。在此形势下，国家电网公司提出了电能替代的理念，意图在能源消费上，以电能替代煤炭、石油、天然气等化石能源，从而提高电能在终端能源消费中的比重。

城市作为全球人口的集中地，不仅是能源消耗的高强度地区，同时也是环境污染最为集中的地区。城市的面积占地球表面不到1％，却消耗了全球76％的煤炭、63％的石油和82％的天然气。2014年全球能源消费总量达到12928百万吨油当量，全球300个主要城市2.5亿人口的能源消费站到50％以上，人均能源消费量是其他地区的31.7倍。2013年以来，我国部分省市雾霾天气频现，严重影响人民的健康生活。据相关人士指出，我国80％的PM2.5污染问题与能源相关，70％以上的温室气体排放与化石燃料的消费有关。随着城市资源能源的逐渐匮乏及其造成的环境污染问题日益严峻，构建承接和融入全球能源互联网、实现更大范围的能源资源配置、促进各类能源与电能转换、提高清洁能源在发电侧和电能在消费侧使用比重的城市能源互联网显得尤为重要。

电能是清洁、高效、便捷的二次能源，其能源利用率高，使用过程清洁、零排放。现阶段国内已有大量的文献阐述了电能替代的必要性与重点，并对电能替代做了一些研究。有些研究以电能替代在热水供应系统中的应用，分析电能替代所带来的经济与环境效益。还有一些研究从节能减排的角度对电能替代进行了评价与分析。PA.Steenhof对比分析了我国煤、电、油的单位GDP能源消费强度变化，运用Laspeyres分解方法，最终得出用电结构调整最为关键的重要结论。Khanh Q.等人运用投入产出模型分析了电价的提高对其他产业价格的影响。Junqueira Reis等人通过分析得出需求侧参与电能替代可以提高电能替代交易的效率。但现如今，国内外针对能源替代方面的研究大多集中在宏观层面上能源替代的理论研究以及能源替代在环保性和经济性方面的评价与应用，而针对局部层面的城市能源替代与城市各能源对比分析的相关研究还需继续深入进行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法。

为了达到上述目的，本发明提供的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)城市能源对比体系构建：该体系由城市能源划分模块和能源对比划分模块构成，其中城市能源划分模块是根据城市能源消费种类，将城市能源分为以下四类：a.电能；b.天然气；c.煤炭；d.油类；能源对比划分模块是根据城市能源消费特点，对城市能源从以下四项指标进行对比：a.经济性；b.安全性；c.环保性；d.便捷性；

步骤2)数据采集：对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标建模量化计算所需数据进行采集，所需数据包括：各能源热值、各能源消耗一定热量时的转换效率、各能源的单价、单位时间内各能源引发的事故总数、各能源引发一场事故带来的经济损失、各能源的CO₂、SO₂和NOx排放因子、各能源的用能半径；

步骤3)城市能源建模量化计算：根据步骤2)中采集的数据，对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性分别进行建模量化计算；

步骤4)城市能源对比与分析：首先利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与评价标准函数，然后利用上述步骤3)获得的经济性、安全性、环保性和便捷性指标量化结果和评价标准函数得到城市能源消费的评价得分，之后结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分，最后对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。

在步骤3)中，所述的建模量化计算方法包括如下步骤：

步骤3.1)经济性建模量化计算：

3.1a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算：

$E_i=\frac{Q}{C_i\·{\mathrm{\η}}_i}---\left(1\right)$

其中，E_i代表消耗一定热量所需第i种能源的消耗量，Q代表消耗的热量值，C_i代表第i种能源的热值，η_i代表第i种能源消耗Q热量时的转换效率；

3.1b.不同能源的经济性建模计算：

P_i＝E_i·p_i (2)

其中，P_i代表第i种能源的经济性指标，p_i代表第i种能源的单价；

步骤3.2)安全性建模量化计算：

S_i＝A_i·s_i (3)

其中，S_i代表第i种能源的安全性指标，A_i代表单位时间内第i种能源引发的事故总数，s_i代表第i种能源引发一场事故带来的经济损失；

步骤3.3)环保性建模量化计算：

3.3a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算见式(1)；

3.3b.消耗不同能源造成的污染物排放量建模计算：

3.3b1)CO₂排放量建模计算：

O_i＝E_i·o_i (4)

其中，O_i代表第i种能源的CO₂排放量，o_i代表第i种能源的CO₂排放因子；

3.3b2)SO₂排放量建模计算：

G_i＝E_i·g_i (5)

其中，G_i代表第i种能源的SO₂排放量，g_i代表第i种能源的SO₂排放因子；

3.3b3)NOx排放量建模计算：

N_i＝E_i·n_i (6)

其中，N_i代表第i种能源的NOx排放量，n_i代表第i种能源的NOx排放因子；

步骤3.4)便捷性建模量化计算：

利用步骤2)中采集的第i种能源的用能半径α_i来反映各能源的便捷性。

在步骤4)中，所述的城市能源对比与分析方法包括如下步骤：

步骤4.1)利用德尔菲法确定权重和评价标准函数：

由相关领域的专家利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标以及污染物排放量的相关权重和评价标准函数，具体包括以下步骤：

4.1a：确定权重，所采用的计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{n},j=1,2,...,m---\left(7\right)$

式中，n为专家的数量；m为评价指标总数，ω_j为第j个指标的权重平均值；ω_ij为第i个专家给第j个指标赋予的权重；

4.1b：首先确定评价标准函数，所述的评价标准函数包括污染物排放量评价标准函数和经济性、安全性和便捷性三项指标的评价标准函数，然后将步骤3.3)中获得的各种污染物排放量指标带入污染物评价标准函数中得到各种污染物的评价得分，将步骤3.1)、3.2)和3.4)中获得的经济性、安全性和便捷性指标分别带入经济性、安全性和便捷性评价标准函数中得到经济性、安全性和便捷性的评价得分；

步骤4.2)运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分：

结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分采用式(8)得到城市能源消费的最终得分：

Y_i＝ω_ij·y_ij (8)

式中，Y_i为第i种能源或污染物的经加权求和得到的最终得分；ω_ij为第i种能源第j项指标或污染物的权重平均值；y_ij为第i种能源第j项指标经评价标准函数计算得到的相应评价得分；

4.3)对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。

本发明提供的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法的有益效果：

本发明弥补了城市能源对比分析研究中的不足，顺应我国城市能源消费方式转变的大趋势。该方法立足于城市能源的消费环节，多角度、全面地对城市能源的消费特征进行对比分析。该方法首先构建城市能源对比体系；然后从四方面通过建模量化计算考察城市能源消费的特点；最后利用德尔菲法确定各方面的权重与评价标准，最终得到城市能源的综合对比分析结果。该方法的对比分析结果可以从多方面反映城市各能源消费的特点与优势，辅助寻求城市能源的最优利用方式，有助于提高城市能源的使用效率、减低城市环境污染，对提升我国能源消费意识、推进我国能源消费方式转变具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法流程图；

图2为烧开100千克水各能源所需费用图(元)；

图3为城市主要能源因使用事故造成的经济损失图(万元)；

图4为烧开100千克水各能源所产生CO₂排放量图(千克)；

图5为烧开100千克水各能源所产生SO₂排放量图(克)；

图6为烧开100千克水各能源所产生NOx排放量图(克)；

图7为城市各能源用能半径图(米)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)城市能源对比体系构建：该体系由城市能源划分模块和能源对比划分模块构成，其中城市能源划分模块是根据城市能源消费种类，将城市能源分为以下四类：a.电能；b.天然气；c.煤炭；d.油类；能源对比划分模块是根据城市能源消费特点，对城市能源从以下四项指标进行对比：a.经济性；b.安全性；c.环保性；d.便捷性；

步骤2)数据采集：对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标建模量化计算所需数据进行采集，所需数据包括：各能源热值、各能源消耗一定热量时的转换效率、各能源的单价、单位时间内各能源引发的事故总数、各能源引发一场事故带来的经济损失、各能源的CO₂、SO₂和NOx排放因子、各能源的用能半径；

步骤3)城市能源建模量化计算：根据步骤2)中采集的数据，对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性分别进行建模量化计算；

步骤4)城市能源对比与分析：首先利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与评价标准函数，然后利用上述步骤3)获得的经济性、安全性、环保性和便捷性指标量化结果和评价标准函数得到城市能源消费的评价得分，之后结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分，最后对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。

在步骤3)中，所述的建模量化计算方法包括如下步骤：

步骤3.1)经济性建模量化计算：

3.1a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算：

$E_i=\frac{Q}{C_i\·{\mathrm{\η}}_i}---\left(1\right)$

其中，E_i代表消耗一定热量所需第i种能源的消耗量，Q代表消耗的热量值，C_i代表第i种能源的热值，η_i代表第i种能源消耗Q热量时的转换效率。

3.1b.不同能源的经济性建模计算：

P_i＝E_i·p_i (2)

其中，P_i代表第i种能源的经济性指标，p_i代表第i种能源的单价；

步骤3.2)安全性建模量化计算：

S_i＝A_i·s_i (3)

其中，S_i代表第i种能源的安全性指标，A_i代表单位时间内第i种能源引发的事故总数，s_i代表第i种能源引发一场事故带来的经济损失；

步骤3.3)环保性建模量化计算：

3.3a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算见式(1)；

3.3b.消耗不同能源造成的污染物排放量建模计算：

3.3b1)CO₂排放量建模计算：

O_i＝E_i·o_i (4)

其中，O_i代表第i种能源的CO₂排放量，o_i代表第i种能源的CO₂排放因子；

3.3b2)SO₂排放量建模计算：

G_i＝E_i·g_i (5)

其中，G_i代表第i种能源的SO₂排放量，g_i代表第i种能源的SO₂排放因子；

3.3b3)NOx排放量建模计算：

N_i＝E_i·n_i (6)

其中，N_i代表第i种能源的NOx排放量，n_i代表第i种能源的NOx排放因子；

步骤3.4)便捷性建模量化计算：

利用步骤2)中采集的第i种能源的用能半径α_i来反映各能源的便捷性。

在步骤4)中，所述的城市能源对比与分析方法包括如下步骤：

步骤4.1)利用德尔菲法确定权重和评价标准函数：

由相关领域的专家利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标以及污染物排放量的相关权重和评价标准函数，具体包括以下步骤：

4.1a：确定权重，所采用的计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{n},j=1,2,...,m---\left(7\right)$

式中，n为专家的数量；m为评价指标总数，ω_j为第j个指标的权重平均值；ω_ij为第i个专家给第j个指标赋予的权重；

4.1b：首先确定评价标准函数，所述的评价标准函数包括污染物排放量评价标准函数和经济性、安全性和便捷性三项指标的评价标准函数，然后将步骤3.3)中获得的各种污染物排放量指标带入污染物评价标准函数中得到各种污染物的评价得分，将步骤3.1)、3.2)和3.4)中获得的经济性、安全性和便捷性指标分别带入经济性、安全性和便捷性评价标准函数中得到经济性、安全性和便捷性的评价得分；

步骤4.2)运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分：

结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分采用式(8)得到城市能源消费的最终得分：

Y_i＝ω_ij·y_ij (8)

式中，Y_i为第i种能源或污染物的经加权求和得到的最终得分；ω_ij为第i种能源第j项指标或污染物的权重平均值；y_ij为第i种能源第j项指标经评价标准函数计算得到的相应评价得分。

4.3)对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述：

根据步骤1)针对城市常用消费能源：电能、天然气、煤炭及油类从经济性、安全性、环保性和便捷性四方面进行对比。

根据步骤2)对所需数据进行采集。经济性考察烧开100kg水各能源的消耗量，煤炭以标煤为例，油类以柴油为例。通过对数据进行搜集得到各能源热值C_i如表1所示。

表1 各能源热值表

烧开100kg水产生的热量Q＝80℃·1卡/(g·℃)·100000g＝8000千卡。

用于烧水时各能源热转换效率η_i如表2所示。

表2 各能源烧开100kg水时的热转换效率表

各能源单价p_i如表3所示。

表3 各能源单价表

安全性考察2014年城市能源引发的事故所造成的经济损失。单位时间内各能源引发的事故总数A_i如表4所示。

表4 2014年各能源引发的事故总数表

各能源引发一场事故带来的经济损失s_i如表5所示。

表5 各能源引发一场事故带来的经济损失表

环保性考察烧开100kg水各能源的污染物排放量，煤炭以标煤为例，油类以柴油为例。各能源的CO₂、SO₂和NOx排放因子如表6所示。

表6 各能源污染物排放因子表

便捷性考察各能源的用能半径。各能源的用能半径α_i如表7所示。

表7 各能源用能半径表

根据步骤2)采集的数据，利用式(1)～(6)对各能源的各顶指标进行量化计算，结果如图2～图7所示。

按照步骤4)确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重及污染物排放量的权重如表8与表9所示。

表8 四项指标权重表

表9 污染物排放量权重表

所确定的评价标准函数如表10与表11所示。

最后，按步骤4.2)运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分。其中，环保性最终得分获得方法是首先将步骤3.3)中获得的各污染物排放量计算结果代入到表10所示的三种污染物的评价标准函数中而计算出各种污染物的评价得分y，最后结合表9中的污染物排放量权重，经公式(8)计算得到如表12所示的最终得分；经济性、安全性、便捷性三项指标最终得分获得方法是首先将步骤3.1)、3.2)和3.4)中获得的三项指标的计算结果代入表11所示的三项指标评价标准函数中而计算出各指标的评价得分y，最后结合表8中的三项指标权重，经公式(8)计算得到如表13所示的最终得分。

表10 污染物排放量评价标准函数表

表11 三项指标评价标准函数表

表12 城市能源污染物最终得分表

表13 城市能源四项指标最终得分表

能源种类	电能	天然气	煤炭	油类
					经济性(0.4)	76.6	92.3	98.0	20.0
安全性(0.2)	100.0	9.2	99.7	98.4
					环保性(0.3)	100.0	87.64	15.0	60.6
便捷性(0.1)	100.0	99.9	5.0	81.1
					最终得分	90.6	75.0	64.1	54.0

针对电、天然气、煤、石油等城市消费能源的主要形式，通过从经济性、安全性、环保性、便捷性四个方面的对比分析可以看出：除经济性以外，无论是从单方面的安全性、环保性等指标，还是整体的综合指标来看，电能相对其他能源使用形式均具有较强的优势。由于气、油、煤等其他能源使用形式均可以较为方便地转化为电能后使用，因此可以说电能是城市能源的最优利用方式。

Claims (3)

1.一种城市能源消费形态特征的量化对比分析方法，其特征在于：所述的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)城市能源对比体系构建：该体系由城市能源划分模块和能源对比划分模块构成，其中城市能源划分模块是根据城市能源消费种类，将城市能源分为以下四类：a.电能；b.天然气；c.煤炭；d.油类；能源对比划分模块是根据城市能源消费特点，对城市能源从以下四项指标进行对比：a.经济性；b.安全性；c.环保性；d.便捷性；

步骤2)数据采集：对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标建模量化计算所需数据进行采集，所需数据包括：各能源热值、各能源消耗一定热量时的转换效率、各能源的单价、单位时间内各能源引发的事故总数、各能源引发一场事故带来的经济损失、各能源的CO₂、SO₂和NOx排放因子、各能源的用能半径；

步骤3)城市能源建模量化计算：根据步骤2)中采集的数据，对上述四类城市能源的经济性、安全性、环保性和便捷性分别进行建模量化计算；

步骤4)城市能源对比与分析：首先利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与评价标准函数，然后利用上述步骤3)获得的经济性、安全性、环保性和便捷性指标量化结果和评价标准函数得到城市能源消费的评价得分，之后结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分，最后对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。

2.根据权利要求1所述的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的建模量化计算方法包括如下步骤：

步骤3.1)经济性建模量化计算：

3.1a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算：

$E_i=\frac{Q}{C_i\·{\mathrm{\η}}_i}---\left(1\right)$

其中，E_i代表消耗一定热量所需第i种能源的消耗量，Q代表消耗的热量值，C_i代表第i种能源的热值，η_i代表第i种能源消耗Q热量时的转换效率；

3.1b.不同能源的经济性建模计算：

P_i＝E_i·p_i (2)

其中，P_i代表第i种能源的经济性指标，p_i代表第i种能源的单价；

步骤3.2)安全性建模量化计算：

S_i＝A_i·s_i (3)

其中，S_i代表第i种能源的安全性指标，A_i代表单位时间内第i种能源引发的事故总数，s_i代表第i种能源引发一场事故带来的经济损失；

步骤3.3)环保性建模量化计算：

3.3a.消耗一定热量所需各种能源的消耗量的建模计算见式(1)；

3.3b.消耗不同能源造成的污染物排放量建模计算：

3.3b1)CO₂排放量建模计算：

O_i＝E_i·o_i (4)

其中，O_i代表第i种能源的CO₂排放量，o_i代表第i种能源的CO₂排放因子；

3.3b2)SO₂排放量建模计算：

G_i＝E_i·g_i (5)

其中，G_i代表第i种能源的SO₂排放量，g_i代表第i种能源的SO₂排放因子；

3.3b3)NOx排放量建模计算：

N_i＝E_i·n_i (6)

其中，N_i代表第i种能源的NOx排放量，n_i代表第i种能源的NOx排放因子；

步骤3.4)便捷性建模量化计算：

利用步骤2)中采集的第i种能源的用能半径αi来反映各能源的便捷性。

3.根据权利要求1所述的城市能源消费形态特征的量化对比分析方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的城市能源对比与分析方法包括如下步骤：

步骤4.1)利用德尔菲法确定权重和评价标准函数：

由相关领域的专家利用德尔菲法确定经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标以及污染物排放量的相关权重和评价标准函数，具体包括以下步骤：

4.1a：确定权重，所采用的计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_{ij}}{n},j=1,2,...,m---\left(7\right)$

式中，n为专家的数量；m为评价指标总数，ω_j为第j个指标的权重平均值；ω_ij为第i个专家给第j个指标赋予的权重；

4.1b：首先确定评价标准函数，所述的评价标准函数包括污染物排放量评价标准函数和经济性、安全性和便捷性三项指标的评价标准函数，然后将步骤3.3)中获得的各种污染物排放量指标带入污染物评价标准函数中得到各种污染物的评价得分，将步骤3.1)、3.2)和3.4)中获得的经济性、安全性和便捷性指标分别带入经济性、安全性和便捷性评价标准函数中得到经济性、安全性和便捷性的评价得分；

步骤4.2)运用权重综合加权的方法得到城市能源消费的最终得分：

结合经济性、安全性、环保性和便捷性四项指标的权重与相应评价得分采用式(8)得到城市能源消费的最终得分：

Y_i＝ω_ij·y_ij (8)

式中，Y_i为第i种能源或污染物的经加权求和得到的最终得分；ω_ij为第i种能源第j项指标或污染物的权重平均值；y_ij为第i种能源第j项指标经评价标准函数计算得到的相应评价得分；

4.3)对上述最终得分进行综合分析而得到城市能源的最优利用方式。