基于灰色模糊綜合評價法的空調系統優化★

劉 成

(咸寧職業技術學院工學院，湖北 咸寧 437100)

0 引言

建筑能耗中空調能耗占據一定比重，具有較大的節能潛力，因此合理選擇空調系統既是空調工程設計關鍵環節，又對降低能耗和環境影響具有重要意義。但對于一項具體的空調工程而言，評價的主觀因素太多，導致評價結果具有多樣性和不確定性，因此有必要建立空調系統綜合評價方法。本文嘗試建立空調系統的選擇評價模型，對定性因素采用隸屬度函數進行度量，并結合灰色關聯分析法進行計算，使得評價結果更客觀、更全面。

1 空調系統優化的指標體系

空調系統的選擇是一個較復雜的問題，主要受到以下因素的影響：

經濟性：是從經濟的角度對空調方案進行選型。初投資費用作為固定成本，直接影響方案的選型，是考慮的首要因素之一。費用年值和運行費用作為變動成本，也是需要考慮的因素。

能耗性：主要考慮一次能源消耗量。減少系統的能量消耗是我國節能環保的基本國策，也是空調系統選型的重要因素之一。

環保性：主要表現為噪聲、二氧化碳、粉塵和煙氣排放等問題。

可靠性：主要指系統在使用過程的可靠程度，含空調系統運行、維護管理及冬季采暖等可靠性。

運行可靠，維護管理的難易以及冬季采暖情況等。

本文對以上四因素進行歸納，建立基于多層次評價的空調系統指標體系，如表1所示。

2 灰色多層次系統評價模型的構建

2.1 建立評價對象的指標體系

對空調系統而言，主要涉及到費用、能耗、環保及性能等要素，涉及到12個指標。該系統影響因素多，各因素間又具有多個指標，權重值確定較困難，因此建立了多層次評價模型。

2.2 定性評價指標處理

表1 空調系統多層次評價的指標體系

對空調環保和性能要素，無法采用客觀方式量化分析，通常采用定性評價方式進行。通過對空調系統指標賦予評語集C，C={c1,c2,…,ck},這樣就建立了一個模糊評價向量。量化處理評語集，通常采用幾種確定模糊隸屬度函數的方法分別為模糊統計學和三分法等[1]。在空調系統評價中，利用三角模糊數表示定量指標屬性值。假設論域R上的模糊數M，設M的隸屬度函數μM：U→[0,1]，則：

(1)

2.3 數值的無量綱化處理

為了突出各指標值間的差異，擴大方案間區分度，按照“獎優罰劣”原則進行歸一化處理。如果定量指標值優于平均水平時，則數值為0～1的正數，否則，為-1～0的負數，具體做法如下[2]：

若為效益型指標，則:

(2)

若為成本型指標，則：

(3)

對量化處理基礎上的定性指標需無量綱化處理時，也可采用相同原則，分別令:

(4)

對于成本型指標，見式(5)：

(5)

對于效益型指標，見式(6)：

(6)

2.4 確定灰色關聯系數

灰色關聯數計算系數數值為[3]：

(7)

2.5 確定各評價指標的權重矩陣

可根據專家打分法或層次分析法確定各層次指標的權重。

2.6 灰色綜合評價

由權重矩陣和關聯度矩陣，可求出用灰色關聯度表示的評價結果：由D=W×E得：

(8)

其中，dj的最大值對應的方案即為最優方案。

3 應用實例

某夏熱冬冷地區辦公樓建筑面積為10 000 m2，經計算冷熱負荷分別為1 000 kW和800 kW。根據當地能源供應、能源價格、城市熱網、可選擇的方案：風冷冷熱水熱泵空調系統A1、水冷機組+集中市政熱網A2、水冷機組+自建燃氣鍋爐房A3、水源熱泵空調系統A4、地源熱泵空調系統A5共5種方案。

3.1 建立各方案原始指標值

1)經濟性指標值。

初投資含主機、輔助設備、空調末端、機房土建費、管路系統費用等。年運行費用主要包括電費、水費、材料費、維修費、設備折舊費以及人工費用等[4]。其中水冷機組和燃氣鍋爐系統分別需要2名和3名運維工。根據市場調查，空調運維工月工資多數在4 000元～6 000元之間，本文取平均值5 000元。年人工費用按人數×時間×月工資計算。動態費用年值計算按設備的殘值取初投資的10%[5]。

2)節能性指標值。

節能性指標反映設備消耗原始能源利用情況的參數，用一次能耗量數值表示耗能量。

3)環保性指標值。

空調系統產生的污染物主要以二氧化硫、二氧化碳、粉塵、氮氧化合物和噪聲為主。除噪聲由定性指標界定外，其余污染物由表2確定各種燃料排放的單位指標值乘以能量的消耗量確定。

表2 各種燃料的排放指標[5]

4)技術性指標值。

由于技術性的指標無法具體量化，采取模糊評語進行定型化確定。

將上述數據匯總，得到各原始指標數值，見表3。

表3 各方案的原始指標值

3.2 定性定量指標數據的處理

1)定性指標量化處理。

本文將維護管理等四個模糊指標進行量化，賦予其相應數值，具體劃分為五個等級為{無,很小,小,大,很大}。若值越大越好，則依次{(0.8,0.9,1.0),(0.6,0.7,0.8),(0.4,0.5,0.6),(0.2,0.3,0.4),(0,0.1,0.3)}；反之，若值越小越好，則逆向取值。

2)數據無量綱化處理。

取參考序列,C0={320 80 410 4 500 300 2.0 0.8 0.15 (0.8,0.9,1.0) (0.8,0.9,1.0) (0.8,0.9,1.0) (0.8,0.9,1.0)}并將精確屬性值轉化為三角模糊數后，由式(4)，式(5)可以得到規范化的決策矩陣。

3.3 灰色關聯系數確定

關聯度系數值的計算，由式(7)確定，具體數值如表4所示。

表4 灰色關聯系數計算值

3.4 最優方案的選型

采用Dephi或層次分析法，可得到權重為：

最后由式(8)得到各方案的關聯度依次如表5所示。

ω=(0.18 0.13 0.11 0.19 0.06 0.05 0.03 0.02 0.04 0.05 0.04 0.1)。

比較關聯度大小，得到五個方案的優劣依次為方案一>方案四>方案三>方案二>方案五，則風冷熱泵機組為最優選擇。

4 結語

本文針對空調系統的選型問題，提出了評價指標體系，分別從經濟性、能耗性、環保性、可靠性四個方面提出了12個指標。在使用灰色系統進行模糊綜合評價過程中，對于無法定量化的指標，提出了三角模糊數進行數值量化后，避免了直接將定量指標精確數字化。同時，對定性定量指標創造性地利用“獎優罰劣”算子進行無量綱化處理，加大了各方案的區分度。該方法針對復雜的、多層次的、有模糊信息的問題，具有科學性和可操作性，具有一定的推廣價值。