基于模糊综合评判法的太阳能压缩式热泵经济性分析

王洪利，路聪莎，杜远航

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)



基于模糊综合评判法的太阳能压缩式热泵经济性分析

王洪利，路聪莎，杜远航

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

太阳能压缩式热泵；模糊综合评判；经济性；评判等级；权重系数

运用模糊数学综合评判方法，从设备初投资、年运行费用、年维护费用和设备寿命4个方面，对太阳能压缩式热泵的经济性进行了研究，并结合具体实例进行验证。结果表明：太阳能压缩式热泵的经济性等级属于较高级别，与实际评标结果吻合较好；建立太阳能压缩式热泵的经济性评价模型，并分别给出一阶模糊评判、二阶模糊评判和评判等级标准；由模糊综合评判法得出的定量结果较好地克服了定性评价方法的主观性和随意性，对太阳能热泵系统的优化设计及推广应用具有良好价值。

0 引言

太阳能热泵技术是近年来备受关注的新能源技术，它以高效节能、清洁无污染、应用范围广等优点为节能和环保提出了一个新的发展方向[1]。然而，不同的初投资、年运行费用及投资回收年限等因素将直接影响太阳能热泵系统的经济性，并在一定程度上制约太阳能热泵技术的推广和应用。针对该问题，该项研究采用模糊综合评判法[2]将太阳能压缩式热泵的多个经济指标权衡协调，并利用调查数据进行实例分析，对太阳能压缩式热泵的经济性做出评价，从而为国民经济建设、工程设计及能源应用等领域提供理论指导。

模糊综合评判方法是一种以模推理为主的定性与定量结合，精确与非精确相统一的分析方法，通过运用模糊数学原理来分析和评价具有"模糊性"的事物[3]。目前，模糊综合评判方法已经广泛应用于工程科学、生命科学与经济管理等各个领域，很好地解决了现有评标方法中存在的评价指标单一、评价过程不合理的问题，并且在量化分析方面表现出优越性[4-5]。热泵运行安全与否，投资高与低均属于相对模糊概念，并且设计的评价因素很多，因此可以采用模糊综合评判方法对其评价。

1 综合评价方案指标体系划分

我国关于太阳能和热泵联合利用技术日益规范[6]，如《家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统技术条件》(GBT23889-2009)，并逐年对该标准进行修订。依据现有规范和标准，结合太阳能热泵特点和运行情况，运用模糊数学方法，从设备初投资、年运行费用、年维护费用和设备寿命4个方面对唐山市某公司太阳能压缩式热泵进行定性评价，评价指标及处理结果如表1所示。

表1 太阳能压缩式热泵评价指标及处理结果

2 评价方案模型的建立

由于对太阳能压缩式热泵经济性评价涉及因素较多，该项研究采用二阶模糊综合评价模型[7]，该模型的具体建立过程为：

(1)建立评价对象因素集。模糊综合评判的因素集为设备初投资、年运行费用、年维护费用和设备寿命，表示为U={U1,U2,U3,U4}。每一因素下的子因素表示为Ui={ui1,ui2,...,uij,...,uimi}，i=1,2,3,4。式中,uij为第i因素中j子因素；mi为i因素中子因素数量。

(2)建立评语集。根据实际情况并参考国内外相关标准，等级分为低、较低、较高、高、很高5个级别，向量表示为：V={v1,v2,v3,v4,v5}。

(3)对评价指标Ui进行单指标评价，得出单因素评价矩阵Ri。其中，

(1)

隶属度rij的确定是建立评价模型的关键，其方法有很多，如模糊统计法、三分法、模糊分布法等[8]。该项研究选用模糊统计法，即根据被调查专家针对子因素uij在等级Vk上的投票人数与被调查专家的总人数之比。

(4)确定评价指标的权重向量。因素权重向量记为A={a1,a2,a3,a4},A为U上的模糊子集。子因素权重向量为Ai=(ai1,ai2,...aimi)，i=1,2,3,4，其中，Ai为ui上的模糊子集。

权重系数的确定直接影响最终的评价结果，采用专家调查法。鉴于权重系数的模糊性特点，其确定必须在大量统计数据的基础之上。因此需聘请足够数量的专家，相互独立地完成调查数据。

(5)构建模糊评判矩阵，并进行综合评价。采用二阶模糊综合评判时，需先求出一阶评判，再进行二阶评判。

一阶评判向量Bi为：

Bi=Ai·Ri=(bi1,bi2,bi3,bi4,bi5)

(2)

对于每个因素，一阶模糊综合评判矩阵R为：

(3)

式中，R为[U×V]上的模糊矩阵。则一阶模糊综合评判Ci为：

Ci=Bi·VT

(4)

二阶模糊综合评判矩阵B为：

B=A·R=(b1,b2,b3,b4,b5)

(5)

最终按照最大隶属度原则或变换C=B·VT得出综合评价，并通过C值大小对评价结果进行分析。

3 综合评价算例

为了对太阳能压缩式热泵经济性进行定量评价，对上述太阳能压缩式热泵从设备初投资、年运行费用、年维护费用和设备寿命等4个方面进行分析。通过对相关专家和工程设计人员的调查统计处理，确定本算例的权重系数及隶属度参数。分析如下：

A1=(0.35,0.09,0.10,0.05,0.02,0.05,0.05,0.06,0.10,0.13)

A2=(0.35,0.33,0.18,0.10,0.04)

A3=(0.35,0.15,0.08,0.10,0.15,0.17)

A4=(0.30,0.15,0.20,0.15,0.10,0.10)

A=(0.45,0.30,0.15,0.10)

一阶模糊综合评判为：

一阶模糊综合评判对于每一因素，均需要通过一次模糊统计试验来确定其评判矩阵Ri。矩阵为：

太阳能压缩式热泵经济性评判等级如表2所示，即V=(60,75,80,85,95)，则一阶模糊综合评判Ci=Bi·VT，评判结果如表3所示。

表2 太阳能压缩式热泵经济性评判等级

表3 太阳能压缩式热泵经济性一阶模糊综合评判结果

则模糊综合评价C为：C=B·VT=79.085 5

可知，太阳能压缩式热泵经济性的评价总得分为79.085 5，经济性等级属于较高等级。

从设备初投资、年运行费用、年维护费用和设备寿命因素综合考虑，太阳能压缩式热泵经济性等级属于较高级别，可见太阳能压缩式热泵投入使用的费用较大，这是限制太阳能热泵产品迅速推广的一个重要原因。另外，太阳能热泵产品的使用寿命因涉及到产品回收周期问题，所以也备受广大用户的关注。

4 结论

(1)太阳能压缩式热泵的经济性等级属于较高级别，与实际评标结果吻合较好，这是限制太阳能热泵产品迅速推广的一个重要原因。

(2)分别给出了一阶模糊评判、二阶模糊评判和评判等级标准。评判阶数和评判等级应依实际情况而定，权重系数及评判矩阵应综合考虑各种情况而灵活调整。

(3)由模糊综合评判模型得出的定量结果，在较大程度上克服了定性评价方法的主观性和随意性，较好地确定了各评价因素的权重，对太阳能热泵系统的优化设计和推广应用具有良好的价值。

[1] 王振辉, 崔海亭, 郭彦书,等. 太阳能热泵供暖技术综述[J].化工进展, 2007, 26(2):185-189.

[2] 杨纶标. 模糊数学原理及应用[M]. 广州：华南工学院出版社, 2011.

[3] 石红柳. 夏热冬冷地区典型城市的不同采暖方式综合评价[D].西安：西安建筑科技大学, 2014.

[4] 张晓平. 模糊综合评判理论与应用研究进展[J].山东建筑大学学报, 2003, 18(4):90-94.

[5] KANDEL A. Fuzzy processes[J].Fuzzy Sets and Systems, 1980, 4(2):117-152.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GBT23889-2009, 家用空气源热泵辅助型太阳能热水系统技术条件[S]. 北京：中国标准出版社, 2010.

[7] 孙洲阳, 陈武. 太阳能+地源热泵联合循环项目综合评标[J]. 太阳能学报, 2013, 34(6):1063-1069.

[8] Dubois D. The mathematics of fuzzy systems[J]. Fuzzy Sets and Systems, 1988, 26(3):398-400.

文章编号：2095-2716(2017)01-0056-06

Economical Analysis of Solar Compression Heat Pump Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

WANG Hong-li, LU Cong-sha, DU Yuan-hang

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

solar compression heat pump; fuzzy compressive evaluation; economy; evaluationRank; weighting coefficient

The economy of solar compression heat pump was studied by using fuzzy compressive evaluation combined with specific cases, which was based on 4 kinds of evaluation aspects including initial cost of equipment, annual operating cost, annual maintenance cost and equipment life. The results show that solar compression heat pump in economy belongs to a higher level and can be consistent with the bid evaluation results. The economical evaluation model of solar compression heat pump was built, and gradation standards and first-order to second-order fuzzy evaluation were also presented. The quantitative results avoid the subjectivity and randomness of qualitative evaluation, which count for optimal designing and promoted application of solar compression heat pump.

2095-2716(2017)01-0051-05

TK519

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