村镇多能互补供暖适宜评价方法*

杨雨莹 任晓芬 杜 旭 张 景

(1.河北工程大学,邯郸;2.石家庄铁道大学,石家庄;3.北京建筑大学,北京;4.中国建筑科学研究院有限公司,北京)

0 引言

传统能源在我国的利用存在“先污染后治理”的特点,散煤或薪柴为北方村镇传统的供暖能源,供暖效率低、室内温度低、污染严重为村镇住宅供暖的普遍特点。2022年我国颁布的《北方地区清洁取暖规划(2022—2025年)》提出:在生物质、太阳能、地热能等资源丰富的农村,可遵循“就地取材,多能互补”原则,积极推广清洁取暖方式。受地域、建筑形式等特点的限制,村镇地区常用的多能互补供暖普遍为小规模、分散式,形式主要有生物质能+电/天然气供暖、太阳能+电/天然气供暖、热泵+电/天然气供暖等[1]。多能互补供暖系统得到了快速发展,但在合理决策多能互补供暖形式、综合评价多能互补供暖应用效果方面存在明显滞后,这对于体现村镇多能互补供暖优势、在村镇普及多能互补供暖十分不利。

目前对于村镇多能互补供暖评价的研究多集中在根据指标数据变化进行系统性能的优化[2-5],使用数学方法建立指标体系进行综合评价的相关研究较少,仅冯国会等人使用模糊综合评价法对农宅的6种多能互补供暖形式从经济、技术、环境三方面开展了综合评价,结果显示多能互补供暖系统在不同地区适宜性各异[6]。另有部分学者使用综合评价方法对村镇供暖展开评价:李斌等人利用层次分析法结合简单加权法,从9种供暖模式中分析了适宜乡村地区的供暖模式[7];张哲等人使用相同的方法进行了天津市村镇沼气供暖的适宜性评价[8];胡蝶使用逼近理想解排序法评价了10种供暖方式,确定了燃气壁挂炉为北京农村地区适宜的供暖方式[9]。

综上所述,关于村镇多能互补供暖综合评价方面的已有研究仅限于探究供暖方式的适宜性,并未开展探究评价方法适宜性的相关研究。本文针对多能互补供暖评价相对滞后的问题,对已有文献进行综述,对村镇多能互补供暖评价方法的适用性展开讨论,确定最适宜的村镇多能互补供暖评价方法,利用确定的评价方法对案例进行分析,对评价方法的适用性进行验证,研究成果可为选择村镇多能互补供暖系统评价方法提供参考。

1 构建指标体系

人们对于供暖系统关注的重点起初只在满足热舒适性要求,随后经济性被纳入评价体系中[10]。由于冬季供暖能耗占建筑运行能耗的很大比例,节能性也渐渐成为衡量系统好坏的重要指标[11]。随着供暖评价指标体系的完善,单一级别的指标已经不能满足综合评价的要求。对国内外文献分析发现,学者多从能效、经济、环保、室内舒适性4个方面建立供暖评价指标体系,基于多指标分析的层次分析法被大量学者用于建立评价指标层次体系。

层次分析法隶属于系统工程方法,它将复杂系统中的各项指标依照关联程度进行划分,得到一个有序的多层次结构,每层之中包含的指标具有接近的影响力,相邻层次之间具有一定的内在联系[12]。该方法可以构建结构层次,解决多准则多目标的复杂决策问题[13];还能用来确定指标权重:通过客观规律或人为规则的判断,对层次间的重要性进行定量赋值,以此构造判断矩阵计算各指标的相对重要性权值,进而得出所有层次的权重情况。但在实际应用中,受研究者的主观倾向、工作经验等影响,可能导致评价的客观性降低[14]。村镇多能互补供暖评价过程是涉及到多指标的复杂过程,层次分析法是在评价过程中构建层次结构,使评价条理清晰的有利工具。

2 指标赋权

指标权重反映指标的重要性,赋权的合理与否对于村镇多能互补供暖综合评价的结果至关重要。最早被提出、应用最广泛的是主观赋权法[15],主要根据决策者的经验对指标重要程度进行定性分析完成赋权。主观赋权法能反映决策者的偏好和判断,具有时效性,但是受赋权者知识或经验的影响,可能导致赋权结果不够科学。常用的有德尔菲法、问卷调查法、最优最劣法等。客观赋权法是学者们为避免主观赋权法的缺陷而提出的方法[15],此方法依据数学理论从指标数据中提取信息来确定权重,能体现数据的变异程度,但是受数据波动影响大,忽略了专家意见,且权重的求取过程具有难度。常用的有熵权法、变异系数法等。基于主、客观赋权各自的缺点,学者又提出了第三类方法:主客观组合赋权法。组合赋权法削弱了使用单一赋权方法的弊端,指标权重能同时体现主客观信息。需要强调的是,使用层次分析法赋权时,其主客观性取决于构造判断矩阵时指标间比较规则的主客观性。如果比较过程是受主观影响的判断,则赋权过程为主观;比较过程是根据客观规律,则赋权过程为客观。德尔菲法和问卷调查法经常被用来确定层次分析的判断矩阵,2种方法赋予层次分析法主观性,层次分析法本身是一种客观的分析方法。

3 综合评价方法

综合评价方法的选择和使用直接影响评价结果的科学性,每种方法都有其特点。较适宜用于选择村镇多能互补供暖形式的方法有多准则妥协解排序法(VIKOR)、模糊综合评价法,较适宜用于村镇多能互补供暖应用效果评价的方法有灰色关联分析法、逼近理想解排序法(TOPSIS)。对上述方法的原理、优点、缺点和应用的分析如表1所示。

表1 各方法分析

经分析,模糊综合评价法容易受主观因素的影响,降低其评价结果的精度,可以邀请权威专家、增加打分人数规避上述缺点,因此该方法更适宜用于选择多能互补供暖形式。而较适宜用于村镇多能互补供暖应用效果评价的灰色关联分析法和TOPSIS,其缺陷不易规避,因此有学者将2种方法结合,构建新的相对贴近度作为评价优劣的标准,避免了单独使用灰色关联分析难以体现与理想解差距的弊端和TOPSIS由于优劣指标抵消排序不合理的弊端,即为基于欧氏距离和灰色关联度的TOPSIS[31]。

4 方法适用性验证

前人已经对利用模糊综合评价法选择多能互补供暖系统形式的准确性进行了验证[38],本文沿用此方法确定系统形式,重点验证基于欧氏距离与灰色关联度的TOPSIS用于多能互补供暖应用效果评价的适用性。

4.1 数据收集

我国村镇地区秸秆、粪便等生物质资源丰富,且生物质供暖具有零碳排放的优点,在北方村镇已经得到了广泛应用,加之近几年煤改气、煤改电政策的实施,电/天然气也已成为最清洁与便利的辅助热源形式。本文以张哲等人利用的评价指标体系与指标数据[8]为基础,使用层次分析法、调查问卷法确定指标权重,使用基于欧氏距离与灰色关联度的TOPSIS对村镇“生物质能+电/天然气”供暖系统进行应用效果评价。

4.2 确定评价指标体系

村镇“生物质能+电/天然气”供暖应用效果评价指标体系如表2所示。

表2 村镇“生物质能+电/天然气”供暖应用效果评价指标体系

4.3 确定指标权重

根据前文所述,指标赋权使用主客观结合的组合赋权法更合理,但村镇生物质能+电/天然气供暖系统的案例较少,现仅有1组数据[8]可用,无法使用客观赋权法,因此采用层次分析法、调查问卷法相结合确定权重,将调查问卷发放给本领域专家以增强问卷调查结果的可信度,获得专家对于指标的平均打分值,使用层次分析法进行分析,建立判断矩阵计算指标权重,结果见表3。

表3 权重计算结果

4.4 指标评级与综合评价

采用基于欧氏距离和灰色关联度的TOPSIS对文献[8]的案例进行综合评价,直接对指标数据进行计算。查阅GB 13271—2014《锅炉大气污染排放标准》、DB 12/765—2018《生物质成型燃料锅炉大气污染物排放标准》与相关地方标准[39],确定指标分级区间并对案例指标进行评级,如表4所示。

表4 指标评级

基于欧氏距离与灰色关联度的TOPSIS的计算步骤详见文献[31]。将指标按4个级别分级的3组临界值与案例数据共同构建矩阵,用来判定案例综合评价结果的等级。计算过程如下:

评价指标体系中辅助热源使用比例、投资回收期及SO2、NOx、颗粒物排放浓度为成本型指标,其余为效益型指标。将成本型指标正向化之后再作规范化处理,加权规范化的矩阵Zij为

正、负理想解Z+、Z-分别为

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

最终求得相对贴近度Ci为

Ci=(0.707 0.401 0.210 0.434)

Ci中前3个数据为3组相邻评级临界值的综合评价计算结果,可得案例贴近度评级区间,如表5所示。案例数据贴近度Ci=0.434∈[0.401,0.707),因此案例的综合评价等级为良好。

表5 贴近度区间评级

5 结论与展望

本文分为构建评价指标体系、指标赋权、综合评价方法三大部分,对村镇多能互补供暖适宜的评价方法进行了整理与综述,分析了各方法的原理、优点、缺点及适用性,利用案例数据对方法的适用性进行了验证,研究发现:

1) 层次分析法是构建村镇多能互补供暖评价指标体系及后续指标赋权、综合评价中使评价过程条理清晰的方法。

2) 主、客观结合的组合赋权法能综合主、客观信息,削弱单一赋权方法的缺点,更适宜村镇多能互补供暖评价的赋权。

3) 多准则妥协解排序法、模糊综合评价法较适宜选择村镇多能互补供暖形式;灰色关联分析法、逼近理想解排序法较适宜村镇多能互补供暖应用效果评价。

4) 经案例验证,模糊综合评价法更适宜选择村镇多能互补供暖形式,基于欧氏距离和灰色关联度的TOPSIS更适宜村镇多能互补供暖应用效果评价,本文案例综合评价等级为良好。

本文方法适用性验证过程中的评价指标体系建立在案例原评价指标体系与案例数据的基础上,评价指标体系还有待改进;由于案例只有1组数据,无法进行客观权重的确定,因此使用组合赋权法的优势还有待验证。进行“村镇生物质能+电/天然气供暖”相关实验,获取更精确的指标数据、根据多组样本数据确定组合权重、进行综合评价是在未来研究中可以探讨的方面。