村鎮(zhèn)多能互補供暖適宜評價方法*

楊雨瑩 任曉芬 杜 旭 張 景

(1.河北工程大學,邯鄲;2.石家莊鐵道大學,石家莊;3.北京建筑大學,北京;4.中國建筑科學研究院有限公司,北京)

0 引言

傳統(tǒng)能源在我國的利用存在“先污染后治理”的特點,散煤或薪柴為北方村鎮(zhèn)傳統(tǒng)的供暖能源,供暖效率低、室內溫度低、污染嚴重為村鎮(zhèn)住宅供暖的普遍特點。2022年我國頒布的《北方地區(qū)清潔取暖規(guī)劃(2022—2025年)》提出:在生物質、太陽能、地熱能等資源豐富的農村,可遵循“就地取材,多能互補”原則,積極推廣清潔取暖方式。受地域、建筑形式等特點的限制,村鎮(zhèn)地區(qū)常用的多能互補供暖普遍為小規(guī)模、分散式,形式主要有生物質能+電/天然氣供暖、太陽能+電/天然氣供暖、熱泵+電/天然氣供暖等[1]。多能互補供暖系統(tǒng)得到了快速發(fā)展,但在合理決策多能互補供暖形式、綜合評價多能互補供暖應用效果方面存在明顯滯后,這對于體現(xiàn)村鎮(zhèn)多能互補供暖優(yōu)勢、在村鎮(zhèn)普及多能互補供暖十分不利。

目前對于村鎮(zhèn)多能互補供暖評價的研究多集中在根據(jù)指標數(shù)據(jù)變化進行系統(tǒng)性能的優(yōu)化[2-5],使用數(shù)學方法建立指標體系進行綜合評價的相關研究較少,僅馮國會等人使用模糊綜合評價法對農宅的6種多能互補供暖形式從經濟、技術、環(huán)境三方面開展了綜合評價,結果顯示多能互補供暖系統(tǒng)在不同地區(qū)適宜性各異[6]。另有部分學者使用綜合評價方法對村鎮(zhèn)供暖展開評價:李斌等人利用層次分析法結合簡單加權法,從9種供暖模式中分析了適宜鄉(xiāng)村地區(qū)的供暖模式[7];張哲等人使用相同的方法進行了天津市村鎮(zhèn)沼氣供暖的適宜性評價[8];胡蝶使用逼近理想解排序法評價了10種供暖方式,確定了燃氣壁掛爐為北京農村地區(qū)適宜的供暖方式[9]。

綜上所述,關于村鎮(zhèn)多能互補供暖綜合評價方面的已有研究僅限于探究供暖方式的適宜性,并未開展探究評價方法適宜性的相關研究。本文針對多能互補供暖評價相對滯后的問題,對已有文獻進行綜述,對村鎮(zhèn)多能互補供暖評價方法的適用性展開討論,確定最適宜的村鎮(zhèn)多能互補供暖評價方法,利用確定的評價方法對案例進行分析,對評價方法的適用性進行驗證,研究成果可為選擇村鎮(zhèn)多能互補供暖系統(tǒng)評價方法提供參考。

1 構建指標體系

人們對于供暖系統(tǒng)關注的重點起初只在滿足熱舒適性要求,隨后經濟性被納入評價體系中[10]。由于冬季供暖能耗占建筑運行能耗的很大比例,節(jié)能性也漸漸成為衡量系統(tǒng)好壞的重要指標[11]。隨著供暖評價指標體系的完善,單一級別的指標已經不能滿足綜合評價的要求。對國內外文獻分析發(fā)現(xiàn),學者多從能效、經濟、環(huán)保、室內舒適性4個方面建立供暖評價指標體系,基于多指標分析的層次分析法被大量學者用于建立評價指標層次體系。

層次分析法隸屬于系統(tǒng)工程方法,它將復雜系統(tǒng)中的各項指標依照關聯(lián)程度進行劃分,得到一個有序的多層次結構,每層之中包含的指標具有接近的影響力,相鄰層次之間具有一定的內在聯(lián)系[12]。該方法可以構建結構層次,解決多準則多目標的復雜決策問題[13];還能用來確定指標權重:通過客觀規(guī)律或人為規(guī)則的判斷,對層次間的重要性進行定量賦值,以此構造判斷矩陣計算各指標的相對重要性權值,進而得出所有層次的權重情況。但在實際應用中,受研究者的主觀傾向、工作經驗等影響,可能導致評價的客觀性降低[14]。村鎮(zhèn)多能互補供暖評價過程是涉及到多指標的復雜過程,層次分析法是在評價過程中構建層次結構,使評價條理清晰的有利工具。

2 指標賦權

指標權重反映指標的重要性,賦權的合理與否對于村鎮(zhèn)多能互補供暖綜合評價的結果至關重要。最早被提出、應用最廣泛的是主觀賦權法[15],主要根據(jù)決策者的經驗對指標重要程度進行定性分析完成賦權。主觀賦權法能反映決策者的偏好和判斷,具有時效性,但是受賦權者知識或經驗的影響,可能導致賦權結果不夠科學。常用的有德爾菲法、問卷調查法、最優(yōu)最劣法等。客觀賦權法是學者們?yōu)楸苊庵饔^賦權法的缺陷而提出的方法[15],此方法依據(jù)數(shù)學理論從指標數(shù)據(jù)中提取信息來確定權重,能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變異程度,但是受數(shù)據(jù)波動影響大,忽略了專家意見,且權重的求取過程具有難度。常用的有熵權法、變異系數(shù)法等?；谥?、客觀賦權各自的缺點,學者又提出了第三類方法:主客觀組合賦權法。組合賦權法削弱了使用單一賦權方法的弊端,指標權重能同時體現(xiàn)主客觀信息。需要強調的是,使用層次分析法賦權時,其主客觀性取決于構造判斷矩陣時指標間比較規(guī)則的主客觀性。如果比較過程是受主觀影響的判斷,則賦權過程為主觀;比較過程是根據(jù)客觀規(guī)律,則賦權過程為客觀。德爾菲法和問卷調查法經常被用來確定層次分析的判斷矩陣,2種方法賦予層次分析法主觀性,層次分析法本身是一種客觀的分析方法。

3 綜合評價方法

綜合評價方法的選擇和使用直接影響評價結果的科學性,每種方法都有其特點。較適宜用于選擇村鎮(zhèn)多能互補供暖形式的方法有多準則妥協(xié)解排序法(VIKOR)、模糊綜合評價法,較適宜用于村鎮(zhèn)多能互補供暖應用效果評價的方法有灰色關聯(lián)分析法、逼近理想解排序法(TOPSIS)。對上述方法的原理、優(yōu)點、缺點和應用的分析如表1所示。

表1 各方法分析

經分析,模糊綜合評價法容易受主觀因素的影響,降低其評價結果的精度,可以邀請權威專家、增加打分人數(shù)規(guī)避上述缺點,因此該方法更適宜用于選擇多能互補供暖形式。而較適宜用于村鎮(zhèn)多能互補供暖應用效果評價的灰色關聯(lián)分析法和TOPSIS,其缺陷不易規(guī)避,因此有學者將2種方法結合,構建新的相對貼近度作為評價優(yōu)劣的標準,避免了單獨使用灰色關聯(lián)分析難以體現(xiàn)與理想解差距的弊端和TOPSIS由于優(yōu)劣指標抵消排序不合理的弊端,即為基于歐氏距離和灰色關聯(lián)度的TOPSIS[31]。

4 方法適用性驗證

前人已經對利用模糊綜合評價法選擇多能互補供暖系統(tǒng)形式的準確性進行了驗證[38],本文沿用此方法確定系統(tǒng)形式,重點驗證基于歐氏距離與灰色關聯(lián)度的TOPSIS用于多能互補供暖應用效果評價的適用性。

4.1 數(shù)據(jù)收集

我國村鎮(zhèn)地區(qū)秸稈、糞便等生物質資源豐富,且生物質供暖具有零碳排放的優(yōu)點,在北方村鎮(zhèn)已經得到了廣泛應用,加之近幾年煤改氣、煤改電政策的實施,電/天然氣也已成為最清潔與便利的輔助熱源形式。本文以張哲等人利用的評價指標體系與指標數(shù)據(jù)[8]為基礎,使用層次分析法、調查問卷法確定指標權重,使用基于歐氏距離與灰色關聯(lián)度的TOPSIS對村鎮(zhèn)“生物質能+電/天然氣”供暖系統(tǒng)進行應用效果評價。

4.2 確定評價指標體系

村鎮(zhèn)“生物質能+電/天然氣”供暖應用效果評價指標體系如表2所示。

表2 村鎮(zhèn)“生物質能+電/天然氣”供暖應用效果評價指標體系

4.3 確定指標權重

根據(jù)前文所述,指標賦權使用主客觀結合的組合賦權法更合理,但村鎮(zhèn)生物質能+電/天然氣供暖系統(tǒng)的案例較少,現(xiàn)僅有1組數(shù)據(jù)[8]可用,無法使用客觀賦權法,因此采用層次分析法、調查問卷法相結合確定權重,將調查問卷發(fā)放給本領域專家以增強問卷調查結果的可信度,獲得專家對于指標的平均打分值,使用層次分析法進行分析,建立判斷矩陣計算指標權重,結果見表3。

表3 權重計算結果

4.4 指標評級與綜合評價

采用基于歐氏距離和灰色關聯(lián)度的TOPSIS對文獻[8]的案例進行綜合評價,直接對指標數(shù)據(jù)進行計算。查閱GB 13271—2014《鍋爐大氣污染排放標準》、DB 12/765—2018《生物質成型燃料鍋爐大氣污染物排放標準》與相關地方標準[39],確定指標分級區(qū)間并對案例指標進行評級,如表4所示。

表4 指標評級

基于歐氏距離與灰色關聯(lián)度的TOPSIS的計算步驟詳見文獻[31]。將指標按4個級別分級的3組臨界值與案例數(shù)據(jù)共同構建矩陣,用來判定案例綜合評價結果的等級。計算過程如下:

評價指標體系中輔助熱源使用比例、投資回收期及SO2、NOx、顆粒物排放濃度為成本型指標,其余為效益型指標。將成本型指標正向化之后再作規(guī)范化處理,加權規(guī)范化的矩陣Zij為

正、負理想解Z+、Z-分別為

Z+=(0.070 0.074 0.051 0.076 0.057 0.068 0.061 0.059 0.070 0.072 0.078 0.046 0.099 0.119)T

Z-=(0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0)T

最終求得相對貼近度Ci為

Ci=(0.707 0.401 0.210 0.434)

Ci中前3個數(shù)據(jù)為3組相鄰評級臨界值的綜合評價計算結果,可得案例貼近度評級區(qū)間,如表5所示。案例數(shù)據(jù)貼近度Ci=0.434∈[0.401,0.707),因此案例的綜合評價等級為良好。

表5 貼近度區(qū)間評級

5 結論與展望

本文分為構建評價指標體系、指標賦權、綜合評價方法三大部分,對村鎮(zhèn)多能互補供暖適宜的評價方法進行了整理與綜述,分析了各方法的原理、優(yōu)點、缺點及適用性,利用案例數(shù)據(jù)對方法的適用性進行了驗證,研究發(fā)現(xiàn):

1) 層次分析法是構建村鎮(zhèn)多能互補供暖評價指標體系及后續(xù)指標賦權、綜合評價中使評價過程條理清晰的方法。

2) 主、客觀結合的組合賦權法能綜合主、客觀信息,削弱單一賦權方法的缺點,更適宜村鎮(zhèn)多能互補供暖評價的賦權。

3) 多準則妥協(xié)解排序法、模糊綜合評價法較適宜選擇村鎮(zhèn)多能互補供暖形式;灰色關聯(lián)分析法、逼近理想解排序法較適宜村鎮(zhèn)多能互補供暖應用效果評價。

4) 經案例驗證,模糊綜合評價法更適宜選擇村鎮(zhèn)多能互補供暖形式,基于歐氏距離和灰色關聯(lián)度的TOPSIS更適宜村鎮(zhèn)多能互補供暖應用效果評價,本文案例綜合評價等級為良好。

本文方法適用性驗證過程中的評價指標體系建立在案例原評價指標體系與案例數(shù)據(jù)的基礎上,評價指標體系還有待改進;由于案例只有1組數(shù)據(jù),無法進行客觀權重的確定,因此使用組合賦權法的優(yōu)勢還有待驗證。進行“村鎮(zhèn)生物質能+電/天然氣供暖”相關實驗,獲取更精確的指標數(shù)據(jù)、根據(jù)多組樣本數(shù)據(jù)確定組合權重、進行綜合評價是在未來研究中可以探討的方面。