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059冬冷夏热地区供热模式综合评价


冬冷夏热地区供热模式综合评价
华中科技大学环境学院 刘燕南 王劲柏 曾中平 赵倩文
摘 要:针对供热方案的选择,提出了一种供热模式的评价方法,建立了多目标的评价 模型,引入基于AHP的逼近于近似理想解的多目标决策方法(TOPSIS),将该方法运用到 实际算例中,从经济、能源、环境、社会的角度确立评价指标,进行定量多目标决策分析, 进而确定冬冷夏热地区住宅建筑的

最优方式。 关键字:TOPSIS 法 供暖方式 综合评价

0 引言
随着经济的发展,人们对居住环境的要求越来越高。近年来,冬冷夏热地区冬季采暖呈 上升趋势,但由于历史原因,该区域没有集中供暖系统,大多数居民选择家用空调采暖。面 对不同的供暖方式,在进行选择的时候要考虑多方面的因素,如初投资、运行费用、环境影 响、社会效益等等。因此,准确全面的评价不同采暖方式,针对具体的现实情况选取最合适 [1] 的采暖方式,已成为一个重要且急需解决的问题 。 目前针对供热模式的评价, 主要有以下方法:模糊综合评价方法、层次分析法(AHP)、 数据包络法(EDA)、灰色关联法、可拓评价法。李志芳通过对常用的六种供暖方案的研 究,运用模糊数学和价值工程的方法建立评价体系,得出热电联产为最佳供暖方式[2]。闫秋 会等人运用模糊数学原理对集中供暖的方式进行了评价, 得出了生物质锅炉集中供暖是解决 [3] 能源危机和改善大气污染途径的有效途径 。张维亚通过层次分析法结合工程实例,确定了 合适的冷热源方案[4],张沈生等人运用AHP法对住宅供暖设备和方式进行了评价,得到了切 合实际的综合评价结果[5]。荆有印等人利用灰色关联分析法建立评价模型,对某住宅小区的 3中供暖方案进行优化选择,确定燃气锅炉其最佳方案[6]。孟军运用可拓评价方法确定了热 电联产方式是西安市冬季采暖的最优选择[7]。 逼近于近似理想解的多目标决策方法(TOPSIS)由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提 出,是一种针对多目标、多属性问题的决策评估方法,已在多个领域的评估中广泛应用[8]。 本文结合供暖系统中的诸多因素,引入基于AHP的TOPSIS法对某一住宅小区的供热方式进 行定性和定量的分析,得出了最合适的供热方案。

1 供热系统评价的指标体系
供热系统的影响因素很多, 不同的学者从不同的角度提出了评价的指标系统, 但到目前 为止, 并没有一套固定的评价指标体系。 本文从评价系统的标准和各指标之间的独立性和可 比性出发,通过对文献的参考,提出了如下4类指标组成的评价系统:1、经济型指标,包括 系统初投资和运行费用。2、能源性指标,包括可再生性、稳定性和安全性。3、环境性指标。 4、社会性指标,包括与政策法规的一致性、对就业的促进、对居民生活水平质量的影响和 对生产力的提高。

2 多目标决策方法TOPSIS法
TOPSIS全名为逼近于理想解的排序方法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution),是一种适合多指标、多方案决策分析的系统评价方法。通过构造“正理想 解”与“负理想解”来对多个决策方案进行排序。 TOPSIS通过计算某一方案与正理想解与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评价步骤: (1)形成决策矩阵 设参与评价的多指标决策问题的方案集为M=(M1,M2,?,Mm),指标集为D=(D1, D2,?,Dn),在任意指标的作用下,每一方案的评价值为 xi j (i=1,2,…,m;j=1,2,…, n),则形成的决策矩阵X为:

? x11 ?x 21 X= ? ? ? ? ? x m1

x12 x 22 ? xm 2

? x1n ? ? x2n ? ? ? ? ? ? x mn ?

(2)确定规范化矩阵 由于不同的指标其量纲相差很大,为了消除量纲不同对决策产生的影响,应对决策矩 阵进行规范化处理,以便构建标准化矩阵V= (vij ) 规范化矩阵可由以下公式得出: 越大越优型指标
m? n



vij =

xij ? min( x j ) max( x j ) ? min( x j ) max( x j ) ? xij max( x j ) ? min( x j )

越小越优型指标:

vij =

上式中, vij 为 xij 规范化后的值;

max( x j ) 、 min( x j ) 分别为第j个指标的最大值和最小值。
(3)确定各指标的权重 AHP法确定指标权重是通过分析复杂系统所包含的因素及相关关系,将问题条理化、层 次化,构造一个层次分析结构模型,将每一层次的各要素两两比较,按照一定的标度理论, 得到相对重要程度的比较标度并建立判断矩阵,计算判断矩阵的最大特征值及其特征向量, 得到各层次要素对上层次某要素的重要性次序,从而建立权重向量。其主要步骤如下: ① 根据标度理论,构造两两比较判断矩阵A A= (aij )
n? n

(i,j=1,2,?,n)

其中, a i i =1, a i j =1/ a i j ②将判断矩阵A的各列做归一化处理:

a

ij

= ai j /

?a
k ?1

n

kj

(i,j=1,2,?,n)

③求判断矩阵A各行元素之和

w:
i

w ?a
= i
j ?1

n

ij

(i=1,2,?,n)

④对

w 进行归一化处理的 w
i

i

w w ?w
= i / i
i ?1

n

i

⑤根据A ? = ?max ? ,可求得指标的权重 ? ⑥一致性检验 (4)确定加权决策矩阵 将各指标的权重W与规范化后的矩阵V相乘,可以得到加权决策矩阵R= (rij ) m?n

rij ? w j ? vij

( i =1,2,?,m;j=1,2,?,n)

(5)计算正理想解与负理想解

S? j ? max r ij ,(j=1,2,?,n) Dj 为越大越优型指标
1?i ? j

S? j ? min r ij ,(j=1,2,?,n) Dj 为越小越优型指标
1?i ? j

(6)计算欧式距离

Sd i? ? Sd i? ?

? (S
j ?1 n

n

? j

? rij ) 2 , i =1,2,?, m

? (S
j ?1

? j

? rij ) 2 , i =1,2,?, m

(7)计算各方案与正理想解的相对贴进度

?i ?

Sd i? , i =1,2,?, m Sd i? ? Sd i?

? i 越大,决策方案 M i 越接近正理想解,方案越优。

3 供热系统综合评价
本文以武汉市某小区为研究对象,武汉市气候特征为夏季炎热、冬季湿冷,但由于武汉 市一般累年日平均温度低于或等于5℃的日数为59天,没有达到最低供暖需求,故不属于国 家强制集中供暖城市。随着人们生活水品的提高,对供暖的需求也日益迫切。该小区总供暖 面积为100000m2,供暖指标按60W/m2计算[9]。结合当地气候。资源、生活习惯等特点,确 定了以下五种供暖方案。 方案一:热电联产供热系统; 方案二:集中式燃煤锅炉房供热系统; 方案三:集中燃油锅炉房供热系统;

方案四:集中燃气锅炉房供热系统; 方案五:电供暖系统, 方案六:热泵供暖系统。 3.1 指标评价体系的建立 在已定的4种评价指标下,对不同的供热系统进行定量的分析,各种方案的原始数据见 下表。 表1 供热方式不同指标下原始数据[10][11][12][5] 供热方案 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 供热方案 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 经济性 36.05 39.49 73.25 47.53 56.39 47.21 居民生活水 平、质量影响 85 70 75 75 80 85 环境性 72 60 75 80 75 85 可再生性 60 55 50 70 55 80 稳定性 80 80 75 70 80 80 与政策规 一致性 85 70 75 75 70 80 安全性 80 79 80 70 90 95 对就业的促进 80 70 75 75 75 80

对生产力的提高 85 75 75 70 85 85

3.2 指标权重的确定 应用层次分析法确定指标权重,通过比较指标间两两重要程度,采用1-9标度法得到判 断矩阵,进一步计算出各指标之间的权重。 表2 方案层各指标的判断矩阵 方案选择 经济性 能源性 环境性 社会性 能源性 可再生性 稳定性 安全性 经济性 1 1/3 1/3 1/5 可再生性 能源性 3 1 1 1/3 稳定性 环境性 3 1 1 1/3 安全性 社会性 5 3 3 1

表3 能源性指标下各子指标之间的判断矩阵 1 3/1.5 3/2.5 1.5/3 1 1.5/2.5 2.5/3 2.5/1.5 1 表4 社会性指标下各子指标之间的判断矩阵 与政策法规 一致性 1 2.5/3 1/2 对就业的 促进 3/2.5 1 2/2.5 居民生活水平、 对生产力 质量影响 的提高 2 2.5/2 1 3/2.5 1 3/5

社会性 与政策法规一致性 对就业的促进 居民生活水平、质量影响

对生产力的提高

2.5/3

1

5/3

1

通过对上述判断矩阵的归一化处理和检验,可得各指标之间的权重为: ? (经济性,环境性,能源可再生性,能源稳定性,能源安全性,与法规的一致性,对就 业的促进,生活水平的影响,生产力的提高)=(0.5222,0.1998,0.0856,0.0586,0.0714, 0.0248,0.0193,0.0134,0.0207) 3.3 供热系统 TOPSIS 综合评价 由指标的权重和各指标的定量评价,可得到规范化矩阵

1 ?1.00 0.48 0.33 ? 0.91 0 0.167 1 ? ? 0 0.6 0 0.5 V= ? ?0.69 0.8 0.667 0 ?0.45 0.6 0.167 1 ? 1 1 1 ? ?0.70 ?0.52 ?0.47 ? ? 0 R= ? ?0.36 ?0.24 ? ?0.37 ?

0.4 0.4 0.4 0

1 1 1 ? 0 0 0.33? ? 0.5 0.333 0.33? ? 0.5 0.333 0 ? 0.8 0 0.5 0.667 1 ? ? 1 0.667 1 1 1 ? ? 1 0 0.33 0.33

通过各指标间的权重,可以得到加权决策矩阵 R

0.10 0.03 0.05 0.03 0.02 0.02 0.01 0.02? 0 0.01 0.05 0.03 0 0 0 0.01? ? 0.12 0 0.02 0.03 0.01 0.01 0 0.01? ? 0.16 0.06 0 0 0.01 0.01 0 0 ? 0.12 0.01 0.05 0.06 0 0.01 0.01 0.02? ? 0.20 0.09 0.05 0.07 0.02 0.02 0.01 0.02? ?
? ?

根据 2 中 6 和 7 步骤,计算各方案的 Sd i 和 Sd i ,及相对贴进度? i ,根据? i 对各个方 案进行优劣排序,排序结果如表 5 所示。 表 5 基于 TOPSIS 法的各供供热方案的评价结果 评价方案 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6

Sd i?
0.126 0.225 0.538 0.192 0.306 0.157

Sd i?
0.536 0.478 0.127 0.399 0.277 0.435

?i
0.8097 0.6799 0.1904 0.6757 0.4749 0.7351

排序 1 3 6 4 5 2

根据判断准则可知, 热电联产>热泵供暖>集中燃煤锅炉>集中燃气锅炉>电供暖>集中燃 油锅炉。

4 结论
通过运用基于 AHP 的 TOPSIS 方法对供热系统进行综合评价可得到, 热电联产和热泵供 暖是比较适合冬冷夏热地区的供热方式。 通过已建立的指标体系可以看出, 热电联产的初投 资最小, 热泵采暖具有最好的环境效益, 因此冬冷夏热地区可根据当地的实际情况来选择相 应的供热方式。 电供暖由于采用二次能源电能来满足采暖的需求, 容易造成电网的负载过大, 用电峰值升高,不提倡大规模的使用。

参考文献
1 张陪红.基于层次分析法的暖通空调设备管理模糊评价.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005;(5) 2 李志芳.住宅供暖方式综合性能比较研究.长安大学硕士学位论文,2006 3 闫秋会,张亮.基于模糊数学的集中供暖方式的对比研究.建筑热能通风空调,2011;(1) 4 张维亚.空调系统冷热源方案选择方法的研究.天津大学硕士学位论文,2004 5 张沈生.住宅供暖设备的评价与选择.沈阳建筑大学学报,2006;(4) 6 荆有印.基于灰色关联分析法的供暖方案的优化选择.节能,2006;(12) 7 孟军.居住建筑供热采暖方式的比较研究.西安建筑科技大学硕士学位论文,2009 8 余仁渡,徐廷学,张瑾等.TOPSIS 法在保障性评价中的应用[J].火力与指挥控制,2010,35;(73—75) 9 全国民用建筑工程设计技术措施(暖通空调一动力)【M】 .北京:中国建筑工业出版社,2003 11 王伟,张志宏,盛晓文.城市供暖热源环境影响评价.低温建筑技术.2004;(4) 12 曹勇.许文发.赵鑫.供热方式环境评价方法的研究.建筑热能通风空调.2002;(2) 13 张亮.不同热源供暖性能的比较与评价研究.西安建筑科技大学硕士学位论文,2010


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