可再生能源系統(tǒng)模糊綜合評價方法研究

摘 要：為了全面掌握可再生能源系統(tǒng)運(yùn)行狀況，提高系統(tǒng)的節(jié)能水平，建立了基于綜合考慮各種因素影響的模糊綜合評價體系，并提出基于層次的模糊綜合評價方法，對太陽能地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時的室內(nèi)溫度、機(jī)組功率、系統(tǒng)COP等觀測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出優(yōu)、良、中、差分級評價。本文對大量實(shí)測數(shù)據(jù)樣本的分析，合理的定量評價各個輸入?yún)?shù)對評價目標(biāo)的影響，實(shí)驗(yàn)證明本評價方法有效性和可行性強(qiáng)，為當(dāng)前可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行評價提供切實(shí)有效地依據(jù)。

關(guān)鍵詞：綜合評價；模糊方法；分層體系；可再生能源

中圖分類號：TP274；O159

近年來，地源熱泵、太陽能等可再生能源系統(tǒng)作為一種建筑節(jié)能新技術(shù)，在我國得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來，大型公共建筑在城市建筑中占有的比例越來越高，成為建筑能源消耗的高密度領(lǐng)域，而缺乏對空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)測、診斷、分析手段，對建筑物能源系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)能耗情況認(rèn)識不清等因素成為影響大型公共建筑節(jié)能改造的一個突出問題。就可再生能源系統(tǒng)的節(jié)能性而言，除了設(shè)計(jì)、施工等因素外，在很大程度上還取決于運(yùn)行狀況和有效監(jiān)管。完善的運(yùn)行評價體系是充分發(fā)揮可再生能源建筑應(yīng)用系統(tǒng)功能的重要保障之一。然而，目前尚很少有對采用地源熱泵技術(shù)、太陽能技術(shù)等可再生能源技術(shù)的建筑能耗系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)一年以上的運(yùn)行狀況監(jiān)測的實(shí)例，更缺少對系統(tǒng)性能綜合指標(biāo)的評價研究，因此很難獲得地源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)、氣候條件下的真實(shí)運(yùn)行狀況及節(jié)能水平，一定程度上限制了可再生能源系統(tǒng)的進(jìn)一步規(guī)模化應(yīng)用。

1 基于分層的可再生能源評價指標(biāo)體系

可再生能源系統(tǒng)性能評價需要輸入或考慮的參數(shù)至少包含以下方面：當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，熱泵機(jī)組性能參數(shù)，地源側(cè)泵組參數(shù)，空調(diào)側(cè)泵組參數(shù)，運(yùn)行管理模式和用戶使用模式。性能評價目標(biāo)應(yīng)該包含三個方面：室內(nèi)舒適度、系統(tǒng)COP、系統(tǒng)節(jié)電量。其中，運(yùn)行管理模式、用戶使用模式、室內(nèi)舒適度等也很難用數(shù)量指標(biāo)來描述，也需要采用模糊數(shù)學(xué)的方法來建模，才能使評價的效果更加切合實(shí)際，更加準(zhǔn)確。因此，在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立分層的模糊綜合評價體系。

本文實(shí)現(xiàn)對某中學(xué)可再生能源系統(tǒng)的2011年6-9月運(yùn)行狀況進(jìn)行評價。該可再生能源系統(tǒng)主要包括一個太陽能地源熱泵系統(tǒng)，利用太陽能發(fā)電，帶動水泵機(jī)組，利用了底下溫度常年恒定這一特性，以水作為熱量交換媒介，利用地?zé)釋Φ孛娼ㄖM(jìn)行供暖和制冷。對此可再生系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價主要需要考慮兩方面的因素：建筑室內(nèi)舒適度和系統(tǒng)的能耗。室內(nèi)溫度舒適但系統(tǒng)能耗很大，或者系統(tǒng)能耗低但室內(nèi)舒適度差，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)都不能算作良好。室內(nèi)舒適度要與系統(tǒng)能耗達(dá)到一定的平衡系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)才能算作良好。

2 模糊綜合評價方法

2.1 評價指標(biāo)的選取

該可再生能源系統(tǒng)包含有多個監(jiān)測傳感器，可以檢測的指標(biāo)包括：水泵的供水溫度、回水溫度以及各個機(jī)組的功率，還有機(jī)組COP和系統(tǒng)COP。

評價指標(biāo)集分為三個層次：第一層，總目標(biāo)因素集u=（u1，u2）；第二層，子目標(biāo)因素集u1=（u11，u12），子目標(biāo)因素集u2=（u21，u22），子目標(biāo)因素集u3=（u31，u32）。第三層，子目標(biāo)因素集u11=（u111，u112，u113，u114）和子目標(biāo)因素集u12=（u211，u212，u213，u214）。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)綜合評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各評價指標(biāo)的具體含義見圖1。

圖1 評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

2.2 評價集的確定

評價集是對各層次評價指標(biāo)的一種語言描述，是評審人對各評價指標(biāo)所給出的評語集合。本模型的評語共分四個等級。具體的評價集為：

v=（v1，v2，v3，v4，）={A，B，C，D}

ABCD為是個評語，A為最好，D為最差。

2.3 權(quán)重的確定

在進(jìn)行模糊綜合評價是，權(quán)重對于最終的評價結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響，不同的權(quán)重又是會得到完全不同的結(jié)論。因此，權(quán)重選擇的合適與否直接關(guān)系到模型的成敗。確定權(quán)重的方法很多，如專家估計(jì)法、層次分析法等，可根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和實(shí)際工作需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。本模型評價系統(tǒng)采用專家估計(jì)法來確定權(quán)重，在綜合有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，本模型最終的權(quán)重確定如下：

A=[0.5，0.2，0.3]；A1=[0.5，0.5]；A2=[0.3，0.7]；A3=[0.4，0.6]；A11=[0.3，0.3，0.1，0.3]；A12=[0.3，0.3，0.1，0.3]；

這里所確定的權(quán)重是各元素相對于其上一層元素的相對重要性權(quán)重值。權(quán)重確定的依據(jù)有以下兩條：

（1）室內(nèi)舒適度與系統(tǒng)能耗同等重要，系統(tǒng)能耗主要表現(xiàn)在機(jī)組能耗和COP上。

（2）室內(nèi)舒適度有空調(diào)側(cè)供能和地源側(cè)供能共同決定，兩者同等重要。提供能量多少由溫度、溫差與流量影響。

2.4 模糊判斷矩陣的確定

利用系統(tǒng)以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)可得到單因素模糊評價矩陣。其中m為評價指標(biāo)集ui中元素的個數(shù)，n為評價集v中元素的個數(shù)

其中m為評價指標(biāo)集u1i中元素的個數(shù)，n為評價集v中元素的個數(shù)

2.5 綜合評價

由第三步得到的權(quán)重和第四步得到的單因素模糊評價判斷矩陣，進(jìn)行如下的綜合評價判斷：

Bi=AioRi=（bi1，bi2，bi3，bi4）i=1，2，3；

B1i=A1ioR1i=（b1i1，b1i2，b1i3，b1i4）i=1，2；

；；

B=AoR=（b1，b2，b3，b4）

2.6 評價指標(biāo)等級的確定

根據(jù)專家給出的意見。系統(tǒng)COP與機(jī)組COP的評價等級及范圍應(yīng)為下表所示。

表1 COP評價等級

系統(tǒng)COP機(jī)組COP

A2.37-2.804.28-4.80

B1.98-2.373.80-4.28

C1.60-1.983.33-3.80

D1.20-1.602.61-3.33

對于其他指標(biāo)，專家的意見為：系統(tǒng)在2011年夏季大部分情況下運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，即處于某一指標(biāo)處于某一范圍的數(shù)據(jù)最多，則此范圍為優(yōu)，處在某范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)少，則此范圍為差。

因此分別對各個指標(biāo)項(xiàng)目的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類處理，將數(shù)據(jù)分為4類，數(shù)量最多的為A，次之為B，再次之為C，最少的為D。查看每一類數(shù)據(jù)的范圍即得出ABCD的范圍取值。

利用IBM SPSS Statistics 19這一數(shù)據(jù)分析工具，使用K-means聚類算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析得出下表的結(jié)果。

對某中學(xué)6月至9月的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理，而后進(jìn)行一次綜合評價?？傻贸鲆韵陆Y(jié)果（以下精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）：

，，

，，

B2=A2oR2，B3=A3oR3，B11=A11oR11，B12=A12oR12，

，

利用Matlab R2012得出運(yùn)算結(jié)果：

B=[0.3696 0.3062 0.1874 0.1355]

根據(jù)最大隸屬度原則系統(tǒng)在2011年6-9月的運(yùn)行狀態(tài)為A。

3 結(jié)束語

本文建立了基于綜合考慮各種因素影響的可再生能源模糊綜合評價體系，并提出基于層次的模糊綜合評價方法。通過對大量實(shí)測數(shù)據(jù)樣本的分析，合理的定量評價各個輸入?yún)?shù)對評價目標(biāo)的影響，本評價方法有效性和可行性強(qiáng)，為當(dāng)前可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行評價具有一定的指導(dǎo)作用。

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作者簡介：薛桂香（1979-），女，河北秦皇島人，講師，博士，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：河北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401

基金項(xiàng)目：河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（編號：11213585），河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號：QN20131118）