村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖適宜評(píng)價(jià)方法*

楊雨瑩 任曉芬 杜 旭 張 景

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

0 引言

傳統(tǒng)能源在我國(guó)的利用存在“先污染后治理”的特點(diǎn),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(nèi)溫度低、污染嚴(yán)重為村鎮(zhèn)住宅供暖的普遍特點(diǎn)。2022年我國(guó)頒布的《北方地區(qū)清潔取暖規(guī)劃(2022—2025年)》提出:在生物質(zhì)、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿荣Y源豐富的農(nóng)村,可遵循“就地取材,多能互補(bǔ)”原則,積極推廣清潔取暖方式。受地域、建筑形式等特點(diǎn)的限制,村鎮(zhèn)地區(qū)常用的多能互補(bǔ)供暖普遍為小規(guī)模、分散式,形式主要有生物質(zhì)能+電/天然氣供暖、太陽(yáng)能+電/天然氣供暖、熱泵+電/天然氣供暖等[1]。多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)得到了快速發(fā)展,但在合理決策多能互補(bǔ)供暖形式、綜合評(píng)價(jià)多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果方面存在明顯滯后,這對(duì)于體現(xiàn)村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖優(yōu)勢(shì)、在村鎮(zhèn)普及多能互補(bǔ)供暖十分不利。

目前對(duì)于村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)的研究多集中在根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行系統(tǒng)性能的優(yōu)化[2-5],使用數(shù)學(xué)方法建立指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少,僅馮國(guó)會(huì)等人使用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)農(nóng)宅的6種多能互補(bǔ)供暖形式從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境三方面開展了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果顯示多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)在不同地區(qū)適宜性各異[6]。另有部分學(xué)者使用綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)村鎮(zhèn)供暖展開評(píng)價(jià):李斌等人利用層次分析法結(jié)合簡(jiǎn)單加權(quán)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(jìn)行了天津市村鎮(zhèn)沼氣供暖的適宜性評(píng)價(jià)[8];胡蝶使用逼近理想解排序法評(píng)價(jià)了10種供暖方式,確定了燃?xì)獗趻鞝t為北京農(nóng)村地區(qū)適宜的供暖方式[9]。

綜上所述,關(guān)于村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖綜合評(píng)價(jià)方面的已有研究?jī)H限于探究供暖方式的適宜性,并未開展探究評(píng)價(jià)方法適宜性的相關(guān)研究。本文針對(duì)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)相對(duì)滯后的問(wèn)題,對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,對(duì)村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)方法的適用性展開討論,確定最適宜的村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)方法,利用確定的評(píng)價(jià)方法對(duì)案例進(jìn)行分析,對(duì)評(píng)價(jià)方法的適用性進(jìn)行驗(yàn)證,研究成果可為選擇村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 構(gòu)建指標(biāo)體系

人們對(duì)于供暖系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)起初只在滿足熱舒適性要求,隨后經(jīng)濟(jì)性被納入評(píng)價(jià)體系中[10]。由于冬季供暖能耗占建筑運(yùn)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(biāo)[11]。隨著供暖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的完善,單一級(jí)別的指標(biāo)已經(jīng)不能滿足綜合評(píng)價(jià)的要求。對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),學(xué)者多從能效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、室內(nèi)舒適性4個(gè)方面建立供暖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,基于多指標(biāo)分析的層次分析法被大量學(xué)者用于建立評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系。

層次分析法隸屬于系統(tǒng)工程方法,它將復(fù)雜系統(tǒng)中的各項(xiàng)指標(biāo)依照關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行劃分,得到一個(gè)有序的多層次結(jié)構(gòu),每層之中包含的指標(biāo)具有接近的影響力,相鄰層次之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系[12]。該方法可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)層次,解決多準(zhǔn)則多目標(biāo)的復(fù)雜決策問(wèn)題[13];還能用來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重:通過(guò)客觀規(guī)律或人為規(guī)則的判斷,對(duì)層次間的重要性進(jìn)行定量賦值,以此構(gòu)造判斷矩陣計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值,進(jìn)而得出所有層次的權(quán)重情況。但在實(shí)際應(yīng)用中,受研究者的主觀傾向、工作經(jīng)驗(yàn)等影響,可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)的客觀性降低[14]。村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)過(guò)程是涉及到多指標(biāo)的復(fù)雜過(guò)程,層次分析法是在評(píng)價(jià)過(guò)程中構(gòu)建層次結(jié)構(gòu),使評(píng)價(jià)條理清晰的有利工具。

2 指標(biāo)賦權(quán)

指標(biāo)權(quán)重反映指標(biāo)的重要性,賦權(quán)的合理與否對(duì)于村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果至關(guān)重要。最早被提出、應(yīng)用最廣泛的是主觀賦權(quán)法[15],主要根據(jù)決策者的經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)重要程度進(jìn)行定性分析完成賦權(quán)。主觀賦權(quán)法能反映決策者的偏好和判斷,具有時(shí)效性,但是受賦權(quán)者知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)的影響,可能導(dǎo)致賦權(quán)結(jié)果不夠科學(xué)。常用的有德爾菲法、問(wèn)卷調(diào)查法、最優(yōu)最劣法等。客觀賦權(quán)法是學(xué)者們?yōu)楸苊庵饔^賦權(quán)法的缺陷而提出的方法[15],此方法依據(jù)數(shù)學(xué)理論從指標(biāo)數(shù)據(jù)中提取信息來(lái)確定權(quán)重,能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變異程度,但是受數(shù)據(jù)波動(dòng)影響大,忽略了專家意見,且權(quán)重的求取過(guò)程具有難度。常用的有熵權(quán)法、變異系數(shù)法等?；谥鳌⒖陀^賦權(quán)各自的缺點(diǎn),學(xué)者又提出了第三類方法:主客觀組合賦權(quán)法。組合賦權(quán)法削弱了使用單一賦權(quán)方法的弊端,指標(biāo)權(quán)重能同時(shí)體現(xiàn)主客觀信息。需要強(qiáng)調(diào)的是,使用層次分析法賦權(quán)時(shí),其主客觀性取決于構(gòu)造判斷矩陣時(shí)指標(biāo)間比較規(guī)則的主客觀性。如果比較過(guò)程是受主觀影響的判斷,則賦權(quán)過(guò)程為主觀;比較過(guò)程是根據(jù)客觀規(guī)律,則賦權(quán)過(guò)程為客觀。德爾菲法和問(wèn)卷調(diào)查法經(jīng)常被用來(lái)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(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)方法的選擇和使用直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性,每種方法都有其特點(diǎn)。較適宜用于選擇村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖形式的方法有多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法(VIKOR)、模糊綜合評(píng)價(jià)法,較適宜用于村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的方法有灰色關(guān)聯(lián)分析法、逼近理想解排序法(TOPSIS)。對(duì)上述方法的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和應(yīng)用的分析如表1所示。

表1 各方法分析

經(jīng)分析,模糊綜合評(píng)價(jià)法容易受主觀因素的影響,降低其評(píng)價(jià)結(jié)果的精度,可以邀請(qǐng)權(quán)威專家、增加打分人數(shù)規(guī)避上述缺點(diǎn),因此該方法更適宜用于選擇多能互補(bǔ)供暖形式。而較適宜用于村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的灰色關(guān)聯(lián)分析法和TOPSIS,其缺陷不易規(guī)避,因此有學(xué)者將2種方法結(jié)合,構(gòu)建新的相對(duì)貼近度作為評(píng)價(jià)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn),避免了單獨(dú)使用灰色關(guān)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(biāo)抵消排序不合理的弊端,即為基于歐氏距離和灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS[31]。

4 方法適用性驗(yàn)證

前人已經(jīng)對(duì)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法選擇多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)形式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證[38],本文沿用此方法確定系統(tǒng)形式,重點(diǎn)驗(yàn)證基于歐氏距離與灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS用于多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的適用性。

4.1 數(shù)據(jù)收集

我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)秸稈、糞便等生物質(zhì)資源豐富,且生物質(zhì)供暖具有零碳排放的優(yōu)點(diǎn),在北方村鎮(zhèn)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,加之近幾年煤改氣、煤改電政策的實(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系與指標(biāo)數(shù)據(jù)[8]為基礎(chǔ),使用層次分析法、調(diào)查問(wèn)卷法確定指標(biāo)權(quán)重,使用基于歐氏距離與灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS對(duì)村鎮(zhèn)“生物質(zhì)能+電/天然氣”供暖系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。

4.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

村鎮(zhèn)“生物質(zhì)能+電/天然氣”供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2所示。

表2 村鎮(zhèn)“生物質(zhì)能+電/天然氣”供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.3 確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)前文所述,指標(biāo)賦權(quán)使用主客觀結(jié)合的組合賦權(quán)法更合理,但村鎮(zhèn)生物質(zhì)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(wú)法使用客觀賦權(quán)法,因此采用層次分析法、調(diào)查問(wèn)卷法相結(jié)合確定權(quán)重,將調(diào)查問(wèn)卷發(fā)放給本領(lǐng)域?qū)＜乙栽鰪?qiáng)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果的可信度,獲得專家對(duì)于指標(biāo)的平均打分值,使用層次分析法進(jìn)行分析,建立判斷矩陣計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果見表3。

表3 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

4.4 指標(biāo)評(píng)級(jí)與綜合評(píng)價(jià)

采用基于歐氏距離和灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS對(duì)文獻(xiàn)[8]的案例進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),直接對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。查閱GB 13271—2014《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》、DB 12/765—2018《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》與相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)[39],確定指標(biāo)分級(jí)區(qū)間并對(duì)案例指標(biāo)進(jìn)行評(píng)級(jí),如表4所示。

表4 指標(biāo)評(píng)級(jí)

基于歐氏距離與灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS的計(jì)算步驟詳見文獻(xiàn)[31]。將指標(biāo)按4個(gè)級(jí)別分級(jí)的3組臨界值與案例數(shù)據(jù)共同構(gòu)建矩陣,用來(lái)判定案例綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)。計(jì)算過(guò)程如下:

評(píng)價(jià)指標(biāo)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(biāo),其余為效益型指標(biāo)。將成本型指標(biāo)正向化之后再作規(guī)范化處理,加權(quán)規(guī)范化的矩陣Zij為

正、負(fù)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(duì)貼近度Ci為

Ci=(0.707 0.401 0.210 0.434)

Ci中前3個(gè)數(shù)據(jù)為3組相鄰評(píng)級(jí)臨界值的綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果,可得案例貼近度評(píng)級(jí)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(píng)價(jià)等級(jí)為良好。

表5 貼近度區(qū)間評(píng)級(jí)

5 結(jié)論與展望

本文分為構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、指標(biāo)賦權(quán)、綜合評(píng)價(jià)方法三大部分,對(duì)村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖適宜的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了整理與綜述,分析了各方法的原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用性,利用案例數(shù)據(jù)對(duì)方法的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證,研究發(fā)現(xiàn):

1) 層次分析法是構(gòu)建村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及后續(xù)指標(biāo)賦權(quán)、綜合評(píng)價(jià)中使評(píng)價(jià)過(guò)程條理清晰的方法。

2) 主、客觀結(jié)合的組合賦權(quán)法能綜合主、客觀信息,削弱單一賦權(quán)方法的缺點(diǎn),更適宜村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖評(píng)價(jià)的賦權(quán)。

3) 多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法、模糊綜合評(píng)價(jià)法較適宜選擇村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖形式;灰色關(guān)聯(lián)分析法、逼近理想解排序法較適宜村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。

4) 經(jīng)案例驗(yàn)證,模糊綜合評(píng)價(jià)法更適宜選擇村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖形式,基于歐氏距離和灰色關(guān)聯(lián)度的TOPSIS更適宜村鎮(zhèn)多能互補(bǔ)供暖應(yīng)用效果評(píng)價(jià),本文案例綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為良好。

本文方法適用性驗(yàn)證過(guò)程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立在案例原評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與案例數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還有待改進(jìn);由于案例只有1組數(shù)據(jù),無(wú)法進(jìn)行客觀權(quán)重的確定,因此使用組合賦權(quán)法的優(yōu)勢(shì)還有待驗(yàn)證。進(jìn)行“村鎮(zhèn)生物質(zhì)能+電/天然氣供暖”相關(guān)實(shí)驗(yàn),獲取更精確的指標(biāo)數(shù)據(jù)、根據(jù)多組樣本數(shù)據(jù)確定組合權(quán)重、進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是在未來(lái)研究中可以探討的方面。