CN106127388A - 高耗能企业的能效评估方法 - Google Patents

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邱泽晶
吴凯槟
向洁
周强
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State Grid Corp of China SGCC
Nanjing NARI Group Corp
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Nanjing NARI Group Corp
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Abstract

本发明涉及一种高耗能企业的能效评估方法,包括以下步骤:S1)收集数据,建立能效评价指标体系,其包括多个一级指标,每个一级指标包括多个二级指标,对各二级指标进行归一化处理;S2)以能效评价指标体系为基础,依次确定一级指标和二级指标的因素论域、评语等级论域,确定一级指标和二级指标的权重集,求取综合评判矩阵,建立多级模糊综合评价的数学模型;S3)应用多级模糊综合评价的数学模型完成高耗能企业的能效评估,并分析结果。本发明保留了各级评价指标的全部信息,并通过多级评估和主客观综合赋权,有效地克服了单一评估方法的行业局限性和传统模糊综合评估的主观随机性,且计算方法科学、快捷、可靠性高,有较强的工程实用和应用推广价值。

Description

高耗能企业的能效评估方法
技术领域
本发明涉及能源效率与评价领域,更具体地说,涉及一种高耗能企业的能效评估方法。
背景技术
据申请人所知,2012年我国能源消费总量约为36.2亿吨标准煤,已连续三年位于世界第一。我国对外能源依赖度逐年增加,能源供需矛盾持续扩大。而在我国能源消费总量中,以钢铁、水泥、有色、发电等为主的高耗能行业占约全国能源消费总量的30%左右,占工业企业能源消费总量的45%左右。因此,提高高耗能企业的能效水平是完成节能减排目标和实现降本增效的必要手段。
高耗能企业能效水平的评估是节能服务产业发展的重要内容。对高耗能企业进行科学有效地综合评估,可以全面地了解企业的整体用能状况,反映出主要的能耗问题和节能潜力,从而为企业进行节能改造提供有力的支撑,并带来降本增效的实际经济效益。因此,越来越多的专家学者致力于能效评估方面的研究。
根据申请人获得的查新报告及相关技术资料显示,目前企业能效评估方面的研究可以分为两类,一类是主要集中在某些特定的行业或企业的能耗水平分析上,所用方法与行业特定生产技术密切相关,无法推广到所用典型高耗能企业;一类是将层次分析法、模糊综合评估法、灰色关联度法等引入能效评估中,但方法偏于单一,局限性较大。层次分析法的的判断矩阵的一致性检验比较复杂,计算量大,且评估过程有一定程度的主观臆断性;模糊综合评估的指标权重和单因素模糊关系矩阵的获得比较困难,隶属函数也没有统一的标准,评估过程较为繁琐;灰色关联度法的量化模型不能全面反应实物之间的关系,且使用范围较为狭窄。然而,至今并没有涉及能够适用于各种高耗能行业且评估方法综合性强、主客观结合的综合能效评估体系出现,也未见相关研究成果发表。
发明内容
本发明的目的是,针对上述现有技术存在的问题,特别是尚无广泛适用于高耗能行业的整体性、综合性能效评估体系的现状,提出一种高耗能企业的能效评估体系及方法,该体系是一种基于多级模糊综合评价方法的能效评估体系。
本发明的技术解决方案是:一种高耗能企业的能效评估体系及方法,通过收集资料和专家经验,建立表征高耗能企业生产、经济、管理、环境等四个方面的能效评估指标体系,在模糊评判的基本原理上,建立包含主客观赋权法(G-S赋值法)的多级模糊综合评价模型,并应用该模型,最终给出能效综合评估结论。
所述的能效评估体系,具体包括以下内容:
S1)收集企业基本信息,建立高耗能企业的能效指标体系,具体包括:
S11)收集企业基本信息;
S12)初步确定高耗能企业的能效指标体系;
S13)能效指标体系预处理。
S2)应用模糊评判的基本原理和评判原则,建立多级模糊综合评价模型,最终完成评估,具体包括:
S21)确定因素论域;
S22)确定评语等级论域;
S23)确定因素论域权重集,包括用G1群组赋权法确定一级指标权重和熵权法确定二级指标权重;
S24)求取综合评判矩阵,建立多级模糊综合评价数学模型,完成评估。
S3)应用模糊综合评价模型完成高耗能企业的能效评估。
所述的评估体系中,步骤S11中的高耗能企业的基础信息包括:单位时间合格产品产量,单位时间产品综合能源消耗量,主要用能设备的用能特性和运行性能资料及温度、压力、电能等检测数据,生产车间的温度、流量、电量等检测数据,单位时间的企业工业总产值和工业增加值,相关环保部门对企业各类污染物(包括工业废水、废气、粉尘等)排放量的考核指标及处理成本,企业厂区的空气质量指标和水环境质量指标,企业各种能源的购入、消耗和库存量,企业能源计量器具的配备和能源管理制度情况、企业的DCS先进程度、企业能源管理系统配备情况、工艺流程数字监控情况及安全报警装置和自动化等情况。
所述的评估体系中,步骤S12中的高耗能企业的能效指标体系建立过程如下:
结合对典型高能耗企业用能特点的分析及构建指标体系的四大原则,综合我国能源审计与统计相关法规、标准,在以能量平衡模型的基础上,最终确立生产能效指标、经济能效指标、环境能效指标和管理能效指标四个一级指标和若干二级指标构成综合评估指标体系。其中生产能效指标的二级指标包括:产品能效指标、耗能设备能效指标、加工转化能效指标和输送分配能效指标;经济能效指标的二级指标包括:万元产值能效指标和万元增加值能效指标;环境能效指标的二级指标包括能源污染物指标和环境质量指标。管理能效指标的二级指标包括能源进销存指标、能源计量器具指标、能源管理制度指标和能源管理信息化程度指标。
所述的评估体系中,步骤S13的能效指标体系预处理内容为二级指标的归一化处理,
具体方法如下:
在初步建立的能效评估指标体系中,将各二级指标分为极大型指标、极小型指标和区间型指标;其中,耗能设备能效指标、加工转化能效指标、输送分配能效指标能源计量器具指标为极大型指标,表示数值越大能效水平越高;产品能效指标、万元产值能效指标、
万元增加值能效指标、能源污染物指标、能源进销存指标则为极小型指标;其余为区间型指标;将各二级指标进行归一化处理,如下所示:
对于极大、极小型指标,适用于公式(1):
Xmax、Xmin分别为现实中可达到的最好的指标值。
对于区间型指标,适用于公式(2):
x * = 1 - ( q 1 - x ) / m a x { q 1 - m , M - q 2 } x ≤ q 1 1 - ( x - q 2 ) / m a x { q 1 - m , M - q 2 } x ≥ q 2 - - - ( 2 )
同时,q1<x<q2时,x*取值为1;x>M或x<m时,x*取值为0;
公式(1)、(2)中,x代表原始评价指标;x*代表转换后的评价指标;[q1,q2]为指标的最佳稳定区间;M、m分别为x允许的上、下界。
所述的评估体系中,步骤S2中提到的多级模糊综合评价模型的基本思路如下:
模糊综合评价的基本思想是以模糊数学为基础,应用模糊关系合成的原理,将一些边界不清、不易定量的因素定量化,从多个因素对被评价实物隶属等级状况进行综合评价的一种方法,其本质是利用模糊数学方法与实践经验结合起来的多指标全面分析,来解决模糊事物评价方面的问题。本发明所提出的多级模糊能效评估,是以全面综合评价企业的能效水平为目的,以多级评价指标体系为基础,确定因素论域、评语等级论域、隶属度函数,从而求取综合评判矩阵和权重矩阵,最终形成能效评估结果。
所述的评估体系中,步骤S21中因素论域确定过程如下:
因素论域为对被评价对象进行评判的影响因素集合,表明从哪些方面进行评判描述。设U为包含所有判断因素的因素论域,将U中的因素按照上述指标体系中的一级、二级指标进行分类,则一级因素论域U={U1,U2,U3,U4}={生产、经济、环境、管理}。二级因素论域共有生产、经济、环境、管理4个子因素论域,分别如下:
U1={U11,U12,U13,U14}={产品能效指标,耗能设备能效指标,加工转化能效指标,输送分配能效指标};
U2={U21,U22}={万元产值能效指标,万元增加值能效指标};
U3={U31,U32}={能源污染物指标,环境质量指标};
U4={U41,U42,U43,U44}={能源进销存指标,能源计量器具指标,能源管理制度指标,能源管理信息化程度指标}。
所述的评估体系中,步骤S22中评语等级论域确定过程如下:
评语集是评价者对被评价对象可能做出的各种总的评价结果组成的集合,用V表示:V={V1,V2,…,Vn}。
本发明将高耗能企业的能效水平由高到低分为4级,分别为优秀、良好、合格和不合格。即V={V1,V2,V3,V4}={优秀、良好、合格、不合格}。在本文中,它对任一级、任一因素的评判都适用。各等级表示的能效水平情况大致如下:
优秀:表示高耗能企业能效指标很好,生产设备运行合理,环境污染程度很低,能源管理制度健全,企业自动化、现代化程度很高,产品具有很强的市场竞争力。
良好:表示高耗能企业的能效指标较好,生产设备运行比较合理,环境污染程度较低,能源管理制度基本健全,企业自动化、现代化程度较高,产品具有较强的市场竞争力。
合格:表示高耗能企业的能效指标一般,生产设备运行合理性一般,环境影响程度合格,能源管理制度有基本的上报、统计、责任制度,企业自动化、现代化程度中等,产品具有一定的市场竞争力。
不合格:表示高耗能企业的能效指标很低,生产设备运行不合理,环境污染程度较高,能源管理制度不健全,企业自动化、现代化程度较低,产品的市场竞争力较差。
所述的评估体系中,步骤S23中的G1群组赋权法确定一级指标权重过程如下:G1群组赋权法是一种无需检验判断矩阵的综合性赋权方法,其主要内容是指以多位专家确定的各指标间的序关系和重要性程度系数为基础,应用数值分析方法,来综合计算各个指标的权重值。
指标间的序关系:在G1法评估中,如果某一评价指标相对于目标的重要程度大于另一个评价指标xj,则记为xi>xj,其中i、j为不同的评价指标序数;若评价指标x1,x2,x3,...,xm相对于目标具有关系式x1>x2>x3>…>...>xm时,则称评价指标之间按“>”确定了序关系;相对于评价指标集,每一位专家都会对评价指标集的每一个指标有一个针对重要性的评价,并确定每个指标的重要程度顺序,确定唯一的序关系,然后重新进行排序,x1重要性最大,xm重要性最小。
重要性程度系数rk,是指专家对于评价指标xk-1与xk的重要性程度之比pk-1/pk,pk代表指标集X中第k项评价指标对应的权重。
rk的取值如下表:
rk 描述
1.0 指标xk-1与xk具有同样重要性
1.2 指标xk-1比xk稍微重要
1.4 指标xk-1比xk明显重要
1.6 指标xk-1比xk强烈重要
1.8 指标xk-1比xk极端重要
1.1,1.3,1.5,1.7 对应以上两相邻判断中间的情况
在G1特征值赋权法中,首先必须确定所有专家对每一个子指标系统中的唯一的序关系和重要性指标值,然后应用数学应用以下的公式(3)和公式(4)来最终确定每一种序关系下所有指标的权重向量P=(p1,p2,...pm):
p m = ( 1 + &Sigma; k = 2 m &Sigma; i = k m r i ) - 1 - - - ( 3 )
pk-1=rkpk(k=m,m-1,...,3,2) (4)
其中,xk第k项评价指标;rk表示重要程度性指标,pk代表指标集X中第k项评价指标对应的权重;m为一级指标数;
假设N个专家,最后产生了e个不同的序关系,则最终N专家的所确定第i个一级指标的权重系数由如下的公式(5)确定:
pi=c1pi (1)+c2pi (2)+.....cepi (e) (5)
式中,ci=Ni/N,表示确定某一种序关系的专家人数占专家总人数的比重。
所述的评估体系中,步骤S23中的熵权法确定二级指标权重过程如下:
熵权法是一种根据各项指标观测值所提供的信息变化程度来确定指标权重的一种客观赋权方法。其基本思想是:按照信息论的理论,熵是系统无序程度的一个度量,如果指标的信息熵越小,说明该指标提供的信息量越大,在综合评价中所起的作用也越大,权重就越高;反之则越小。利用熵权法进行权重计算的步骤如下:
第一步,计算各二级指标xij的熵值ej。假设第i项一级指标中二级指标的权重向量为Q=(qi1,qi2,qi3,...,qin),则通过公式(6)和(7)进行计算:
t i j = x i j / &Sigma; i = 1 m x i j - - - ( 1 )
e j = - k&Sigma; i = 1 m t i j ln t i j - - - ( 2 )
式中,k=1/lnm,m为一级指标个数,tij为第i个一级指标下,第j项二级指标xij的特征比重。
第二步,计算各二级指标的权重qj,可通过公式(8)和(9)进行:
gj=1-ej (3)
q j = g j / &Sigma; j = 1 n g j - - - ( 4 )
式中,gj为二级指标xij的差异性系数,n为第i个子系统中二级指标个数。
所述的评估体系中,步骤S24中的多级模糊综合评价模型是由两个级别的模糊综合评判构成的。低级别的模糊综合评价方法是以4个二级因素论域为基础建立的,每一个二级因素论域中的二级子因素按照单因素模糊关系矩阵的求取方法,根据相应的隶属度函数确定唯一的关系矩阵,并依次完成二级因素论域中其他二级子因素的关系矩阵的构成,形成多因素模糊综合关系矩阵。在各二级子因素的权重集通过熵权法确定的情况下,可以得到一级模糊综合评价的结果。
高级别的模糊综合评判是对一级因素论域进行评判,是在利用一级模糊综合评价的结果构成最终的模糊综合关系矩阵,并在一级因素权重集通过G1特征值法确定的情况下,求取二级模糊综合评价的最终评判结果矩阵。其综合评判矩阵求取步骤如下:
第一步,求取低级评判的单因素模糊评判矩阵。假设在单因素模糊评判中,总因素论域中有p子因素论域,某个子因素论域中有m个因素,评语等级论域中有n个评语等级,则其单因素模糊评判矩阵为Rq
R q = r 11 r 12 ... r 1 n r 21 r 22 ... r 2 n &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ... &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; r m 1 r m 2 ... r m n - - - ( 5 )
式中,1≤q≤p,rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)表示在对因素ui的评价中,评语等级vj所占的份额,其实质为因素论域与评语等级论域之间的一种模糊关系的合理表达,其具体数值是由构造的隶属度函数来求取的。
隶属度函数是基于专家经验和模糊统计的基本原理构造出来的。其数学表达式如:
r i j = f i j / &Sigma; j = 1 n f i j - - - ( 6 )
式中,fij为第i个因素被评为第j个评判等级vj的总次数。
第二步,完成低级评判的模糊综合评估。在单因素评判矩阵和基于熵权法的权重集确定的情况下,可利用加权平均型复合算子来计算对子因素集Ul的综合评判结果:
b q j = &Sigma; k = 1 n ( a q k r k j ) - - - ( 8 )
在式(12)和(13)中,1≤j≤n,1≤q≤p,p为子因素论域的个数。
第三步,建立二级综合评判数学模型,得出多级模糊评判结果。在此评判过程中,需要对评判空间(U,V,R)进行综合评判,对于因素论域U的综合评判矩阵R由上步中的单因素评判输出结果Bq构成:
对于因素论域U的最终多级评判结果为:
B=AοR=[b1 b2 … bn] (10)
通过以上三个步骤,最终建立了多级模糊综合评判的数学模型。
综上所述,本发明通过分析高耗能企业的用能特征,从整体、全面、量化的角度出发,提炼出了高耗能企业能效评价指标体系,并建立了基于G-S赋权法的多级模糊综合评价模型,构建了高耗能企业通用、实用、科学合理的能效评估体系。该评估体系全面地考虑了高耗能企业生产、经济、管理和环境等多种因素,利用主客观结合的科学的赋权方法,并在评估结果中保留了各级评价指标的全部信息,有助于企业更加直观、全面、细致地了解各个系统的能效水平,客观而鲜明地向企业展现了各个部分的节能潜力,为实施节能改造指明了方向。
实施本发明的高耗能企业的能效评估方法,具有以下有益效果:
本发明提出了有别于现有技术的能效评估体系是包括生产、经济、管理、环境的能效指标体系,该能效指标体系由两级指标组成,其能比较科学、完整、系统、综合地反映高耗能的能源消耗水平的各个属性要素,广泛适用于各高耗能行业;多级模糊综合评估方法能够实事求是、科学系统地阐述整个评估过程的步骤;结合G1法和熵权法的赋权法综合考虑了评估过程中的主观和客观因素,保障了评估结果的准确性。
本发明构思新颖,方法适用,步骤合理,建立并运用多级模糊综合评价模型,形成了完整、科学的的能效评估体系,在实际运用中,能够全面、整体、综合地表征企业能效水平,直观地表明企业的节能潜力,有效地提高耗能企业的节能改造的积极性,从而达到降本增效的结果。在中国大力推进节能减排的背景下,建立高耗能行业通用的能效评估体系是十分必要的,推广应用的前景非常广阔。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明的能效评估体系图;
图2是本发明采用的高耗能企业能效评估指标体系图;
图3是本发明采用的多级模糊综合能效评估流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面结合附图对本发明的实施进行详细描述。如图1所示,在能效评估体系中,能效指标体系的建立是基础,基于模糊综合评价的基本原理和评价原则,并结合G-S赋值法的模糊综合评价模型是核心。
资料收集是能效指标体系建立的关键。资料收集主要有二种方式,一是专家经验,二是现场调查。在对收集的资料进行整理归类处理的基础上,初步建立锅炉系统的能效评价指标体系,经过评价指标值的计算,并进行归一化处理,最终确定高耗能企业的能效指标体系,如图2所示。
在能效评估体系中,科学合理的评估流程起着至关重要的作用。图3为本发明所采用的多级模糊综合能效评估流程。本发明的所提出的多级模糊能效评估,是以全面综合评价企业的能效水平为目的,以多级评价指标体系为基础,依次确定因素论域、评语等级论域,单级模糊综合评估结果和最终综合评估结果。各评估步骤环环相扣,紧凑合理,并可对中间结果适当调整,最大程度地保证了最终评估结果的准确性和科学合理性。
按照本发明所述的企业能效水平的评估体系,以湖北某钢铁企业基本信息为具体实施单位,依次建立能效水平指标体系、模糊综合评判的因素论域、评语等级论域,并请多位专家对各因素进行评级,并依据上文公式完成关系矩阵的求取,结合G-S赋权法求取的权重集,最终完成企业能效水平的模糊综合评估。
根据本发明说明书所述评估流程,如表1所示,得出因素论域权重为:
A=[0.32 0.32 0.14 0.22]
各子因素论域权重集分别为:
A1=[0.33 0.30 0.22 0.15]
A2=[0.55 0.45]
A3=[0.60 0.40]
A4=[0.15 0.35 0.25 0.25]
低级模糊关系矩阵R1为:
R 1 = 0 0.2 0.7 0.1 0 0.4 0.4 0.2 0 0.2 0.3 0.5 0.1 0.5 0.4 0.1
其他各级评判因素论域、权重集合关系矩阵见表1。
表1各级评判因素论域、权重集合模糊关系矩阵
则子因素论域U1的模糊综合评判结果为:
同理,可求出U2,U3,U4的综合评判结果,并构成二级模糊关系矩阵R:
R = B 1 B 2 B 3 B 4 = 0.015 0.305 0.477 0.203 0.21 0.455 0.335 0 0 0.16 0.52 0.32 0.095 0.455 0.4 0.05
则针对该企业能效水平的最终多级模糊综合评判结果为:
B=AοR=[0.0929 0.3657 0.42064 0.12076]
根据上文计算过程,最终可分别得到1级、2级模糊综合评判结果如下所示:
表2 2级模糊综合评判结果
表2是对企业整体能效水平的评估结果。根据最大隶属度原则,对该钢铁企业的能效水平评价结果中,0.42064最大,评价等级为“合格”,表示表示高耗能企业的能效指标一般,产品具有一定的市场竞争力。而根据评语等级论域定义知道,“不合格”评判值为0.12076,则表示评估专家和企业基本信息显示,85%以上企业能效水平合格。如果从加权平均的角度考虑,企业的能效水平应该介于“良好”和“合格”之间,表面其能效水平趋于良好,但仍有一定的节能空间。
表3 1级模糊综合评判结果
表3是对企业分系统能效水平的评估结果,是整体能效水平的数据基础和来源。从此表中,可明显看出U1,U3,U4所代表的生产、经济、管理指标趋于“良好”,但U2所代表的环境指标则在“合格”与“不合格”之间,说明环境指标所对应的节能空间最大,企业应给予足够的重视。
本发明的评估结果保留了各级评价指标的全部信息,并通过多级评估和主客观综合赋权,有效地克服了单一评估方法的行业局限性和传统模糊综合评估的主观随机性,科学合理地反映了高耗能的能效水平,且计算方法科学、快捷、可靠性高,有较强的工程实用和应用推广价值。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种高耗能企业的能效评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1)收集数据,建立能效评价指标体系,其包括多个一级指标,每个一级指标包括多个二级指标,对各二级指标进行归一化处理;
S2)以能效评价指标体系为基础,依次确定一级指标和二级指标的因素论域、评语等级论域,确定一级指标和二级指标的权重集,求取综合评判矩阵,建立多级模糊综合评价的数学模型;
S3)应用多级模糊综合评价的数学模型完成高耗能企业的能效评估,并分析结果。
2.根据权利要求1所述的高耗能企业的能效评估方法,其特征在于,所述步骤S2)中的确定因素论域的方法为:将一级因素论域U中的因素按照能效指标体系中的一级指标、二级指标进行分类,则一级因素论域U={U1,U2,U3,U4}={生产、经济、环境、管理},二级因素论域共有生产、经济、环境、管理4个子因素论域,分别如下:
U1={U11,U12,U13,U14}={产品能效指标,耗能设备能效指标,加工转化能效指标,输送分配能效指标};
U2={U21,U22}={万元产值能效指标,万元增加值能效指标};
U3={U31,U32}={能源污染物指标,环境质量指标};
U4={U41,U42,U43,U44}={能源进销存指标,能源计量器具指标,能源管理制度指标,能源管理信息化程度指标}。
3.根据权利要求2所述的高耗能企业的能效评估方法,其特征在于,所述步骤S2)中的确定评语等级论域的方法为:将高耗能企业的能效水平由高到低分为四级,分别为优秀、良好、合格和不合格,即评语等级论域V={V1,V2,V3,V4}={优秀、良好、合格、不合格}。
4.根据权利要求3所述的高耗能企业的能效评估方法,其特征在于,所述步骤S2)中的确定评语等级论域的方法包括:
用G1群组赋权法确定一级指标权重和熵权法确定二级指标权重。
5.根据权利要求4所述的高耗能企业的能效评估方法,其特征在于,多级模糊综合评价的数学模型包括低级别的模糊综合评价模型和高级别的模糊综合评判模型;
低级别的模糊综合评价模型是以二级因素论域为基础建立的,每一个二级因素论域中的二级子因素按照单因素模糊关系矩阵的求取方法,根据相应的隶属度函数确定唯一的关系矩阵,并依次完成二级因素论域中其他二级子因素的关系矩阵的构成,形成多因素模糊综合关系矩阵;
高级别的模糊综合评判模型是对一级因素论域进行评判,是在利用二级模糊综合评价的结果构成最终的模糊综合关系矩阵,并在一级因素权重集确定的情况下,求取二级模糊综合评价的最终评判结果矩阵。
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