基于熵權(quán)決策法的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

于慶雯，童建國(guó)

（1.浙江天地環(huán)保工程有限公司，杭州310009；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012)

基于熵權(quán)決策法的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案優(yōu)選

于慶雯1，童建國(guó)2

（1.浙江天地環(huán)保工程有限公司，杭州310009；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州310012)

對(duì)應(yīng)用熵權(quán)決策法結(jié)合實(shí)際工程建筑節(jié)能方案，進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)估與優(yōu)選，得出了多種方案的優(yōu)選排序，以某項(xiàng)電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了節(jié)能方案優(yōu)選，為電力工程建筑的設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

電力工程；建筑節(jié)能；優(yōu)選；熵權(quán)

建筑耗能是能源消耗的重要組成部分，它包括建設(shè)耗能和使用耗能，前者是建筑材料的生產(chǎn)和施工過(guò)程的能源消耗，而后者是建筑物在使用期的耗能，和建筑設(shè)計(jì)、使用管理有密切關(guān)系，在當(dāng)前能源日趨緊張的形勢(shì)下，建筑使用階段節(jié)能已成為貫徹節(jié)能減排的重要內(nèi)容。

電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)選是一個(gè)涉及眾多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)過(guò)程，多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)往往需要確定各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性程度，在確定權(quán)重的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)多個(gè)節(jié)能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行排序，選出最優(yōu)的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案。采用熵權(quán)法確定各個(gè)指標(biāo)的重要程度，利用指標(biāo)變異程度的大小來(lái)確定客觀的熵值以及權(quán)重，并建立基于熵權(quán)決策法的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案優(yōu)選模型。

1 熵權(quán)決策法基本原理

1.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)是多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，各個(gè)指標(biāo)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的影響程度不同，因此需要確定指標(biāo)權(quán)重來(lái)體現(xiàn)這種影響差異。確定權(quán)重的方法包括主觀法和客觀法2種，主觀賦權(quán)法是決策者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)各個(gè)指標(biāo)的重視程度進(jìn)行賦值，如Delphi法、AHP法等；客觀賦權(quán)法則是從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，依據(jù)已有信息（決策矩陣）進(jìn)行賦權(quán)，如熵權(quán)法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，避免由于主觀認(rèn)識(shí)差異帶來(lái)的沖突。

在眾多的客觀賦權(quán)法當(dāng)中，主成分分析法通過(guò)原有指標(biāo)的線性組合產(chǎn)生較少的新指標(biāo)來(lái)代替原有指標(biāo)，不僅起到降維的作用，而且可以通過(guò)新指標(biāo)對(duì)原來(lái)信息的反映程度作為權(quán)重，該方法客觀性強(qiáng)，不足之處在于新指標(biāo)不可能完全反映原有指標(biāo)的信息，有一定的偏差。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦神經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)而人工構(gòu)造的信息處理系統(tǒng)，需要大量的樣本數(shù)據(jù)，并且信息系統(tǒng)處理比較繁雜，可操作性相對(duì)較低。相比之下，熵權(quán)法利用指標(biāo)變異程度的大小來(lái)確定客觀的熵值以及權(quán)重，既避免了主觀評(píng)價(jià)帶來(lái)的偏差，又具有較高的可操作性。

熵本身是物理學(xué)的概念，最早是為了將熱力學(xué)第二定律進(jìn)行格式化而引入的。之后，由熱力學(xué)的熵發(fā)展到了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的熵，此時(shí)，熵就表示粒子之間無(wú)規(guī)則的排列程度，或者說(shuō)，表示系統(tǒng)的紊亂程度，系統(tǒng)越“亂”，熵就越大；系統(tǒng)越有序，熵就越小。到了第三階段，發(fā)展為信息熵，它表示某一事件的不確定性程度，同時(shí)也可以用來(lái)衡量所獲得的信息量的多少。

而信息論中的熵是對(duì)不確定性的度量，決策過(guò)程獲得的信息量大小和質(zhì)量與決策的精度以及可靠性密切相關(guān)，信息量越大，不確定性就越小，熵值也越小。信息和熵是互補(bǔ)的，信息是負(fù)熵。按照熵理論，熵值越小，意味著指標(biāo)提供的有用信息量越多，不確定性也越小，基于該指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的難度較小，指標(biāo)權(quán)重就應(yīng)該較大。因此應(yīng)用熵權(quán)值來(lái)判定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重是一個(gè)較為理想的尺度，可以盡量避免主觀性帶來(lái)的偏差。

假定有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，有n個(gè)備選方案，每個(gè)備選方案在各個(gè)指標(biāo)上的指標(biāo)值構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣：

對(duì)R做標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到R=（rij）m×n；其中rij稱(chēng)為第j個(gè)備選方案在第i個(gè)指標(biāo)之上的值。

假定當(dāng)fij=0時(shí)，fij1nfij=0。也可以選擇k，使0≤Hi≤1，這種標(biāo)準(zhǔn)化在進(jìn)行比較時(shí)是很有必要的。

第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為：

由上述定義可知，熵權(quán)的大小與被評(píng)價(jià)的對(duì)象或者方案有關(guān)，它并不是在決策過(guò)程中各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際重要程度系數(shù)，而是在給定被評(píng)價(jià)對(duì)象或者備選方案集以后，在指標(biāo)值確定的情況下，對(duì)各指標(biāo)相對(duì)重要性程度的衡量。當(dāng)各備選方案在某個(gè)指標(biāo)上的值完全相同時(shí)，熵值達(dá)到最大值1，而熵權(quán)則達(dá)到最小值0，此時(shí)意味著該指標(biāo)未提供任何有用信息，可以考慮取消；當(dāng)各備選方案在某個(gè)指標(biāo)上的值相差較大時(shí)，熵值較小，熵權(quán)較大，意味著該指標(biāo)提供了較多的有用信息，換個(gè)角度也可以認(rèn)為各方案在該指標(biāo)上有明顯差異，應(yīng)重點(diǎn)考察。

1.2 方案優(yōu)選排序

采用熵權(quán)決策方法進(jìn)行電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案的排序優(yōu)選，與權(quán)重確定過(guò)程相協(xié)調(diào)，具有簡(jiǎn)單明了、可操作性高等特點(diǎn)。熵權(quán)決策法是建立在熵權(quán)基礎(chǔ)上的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，可以在只有判斷矩陣而沒(méi)有專(zhuān)家權(quán)重的情況下使用，也可以與專(zhuān)家權(quán)重結(jié)合起來(lái)使用。

本文在只有判斷矩陣的基礎(chǔ)上，建立基于熵權(quán)決策法的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案優(yōu)選計(jì)算模型。熵權(quán)決策法的主要應(yīng)用步驟如下：

（1）確定n個(gè)備選方案，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)方案在各個(gè)指標(biāo)上的值構(gòu)成矩陣：

（2）對(duì)上述矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的目標(biāo)矩陣R=（rij）m×n：

式中：I1為收益性指標(biāo)，值越大越好；I2為損失性指標(biāo)，值越小越好；I3為越接近某一固定值越好的指標(biāo)，即值越接近ri越好。

（3）加入熵權(quán)（按照上述熵權(quán)公式計(jì)算）以后，指標(biāo)的屬性矩陣轉(zhuǎn)化為：

（4）被評(píng)價(jià)對(duì)象與理想點(diǎn)P*的貼近度為：

（5）根據(jù)Tj值從小到大對(duì)各方案進(jìn)行排序，Tj值越小，說(shuō)明方案越優(yōu)。

若Tj值相等，再以被評(píng)價(jià)對(duì)象到理想點(diǎn)的距離加以區(qū)分，值越小，方案越優(yōu)。值的計(jì)算公式為：

2 方案優(yōu)選的應(yīng)用

2.1 節(jié)能方案的獲得與選取

以某天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中的主廠房設(shè)計(jì)為例，通過(guò)熵權(quán)決策法對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)工程設(shè)計(jì)說(shuō)明中所給材料配置要求，得到基礎(chǔ)方案即方案1。在該方案中，主廠房及燃?xì)鈾C(jī)房材料配置如表1所示。

表1 主廠房及燃?xì)鈾C(jī)房材料配置

在方案1的基礎(chǔ)上，改變?cè)锌照{(diào)房間外墻的保溫層厚度，分別得到保溫層厚度為35 cm，40 cm和45cm這3種外墻節(jié)能方案，分別稱(chēng)為方案2、方案3、方案4。

與此同時(shí)，在方案1的基礎(chǔ)上，改變?cè)形蓓敱貙拥暮穸?，分別得到保溫層厚度為35 cm，40 cm和45 cm這3種屋面節(jié)能方案，分別稱(chēng)為方案5、方案6、方案7。

在方案1的基礎(chǔ)上，改變外窗為鋁合金普通中空玻璃窗（5+6A+5）的方案，稱(chēng)為方案8。

2.2 節(jié)能方案的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與優(yōu)選

針對(duì)該案例，選取建筑物空調(diào)年耗電量指標(biāo)，采暖年耗電量指標(biāo)，相對(duì)于方案1的增額總投資，相對(duì)于方案1的增額凈現(xiàn)值，相對(duì)于PKPM軟件中參照建筑年能耗的建筑節(jié)能比率這5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在計(jì)算中分別用指標(biāo)1，指標(biāo)2，指標(biāo)3，指標(biāo)4，指標(biāo)5表示。其中空調(diào)年耗電量指標(biāo)，采暖年耗電量指標(biāo)，增額總投資為損失性指標(biāo)，越小越好；而增額凈現(xiàn)值和建筑節(jié)能比率為收益性指標(biāo)，越大越好。

各方案的分析指標(biāo)如表2所示，現(xiàn)采用熵權(quán)決策法進(jìn)行各備選方案優(yōu)選。

（1）各備選方案在各指標(biāo)上的指標(biāo)值所構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣R′：

（2）對(duì)評(píng)價(jià)矩陣R′進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)矩陣R：

（3）各指標(biāo)的熵值計(jì)算如下：

根據(jù)式（2）得H1=0.530 040，H2=0.565 855，H3=0.117 876,H4=0.000 000，H5=0.593 396。

（4）各指標(biāo)的熵權(quán)計(jì)算如下：

根據(jù)式（3）得ω1=0.147 192，ω2=0.135 975，ω3=0.276 282，ω4=0.313 201，ω5=0.127 349。

（5）考慮熵權(quán)后的指標(biāo)屬性矩陣A為：

表2 方案分析評(píng)價(jià)表

（7）被評(píng)價(jià)對(duì)象與理想點(diǎn)P*的貼近度為：

T1=0.845 773，T2=0.759 763，T3=0.678 167，T4=0.617 543，T5=0.822 147，T6=0.814 328，T7= 0.822 131，T8=0.148 096

（8）根據(jù)T值的大小，可得方案優(yōu)劣順序?yàn)椋篢8＜T4＜T3＜T2＜T6＜T7＜T5＜T1即方案8>方案4>方案3>方案2>方案6>方案7>方案5>方案1。

通過(guò)熵權(quán)決策法綜合評(píng)估后可得，最優(yōu)方案為將建筑物外窗由斷熱鋁合金普通中空玻璃窗（6+12A+6）改為鋁合金中空窗（5+6A+5），其次為通過(guò)改變有空調(diào)房間的外墻保溫層厚度來(lái)調(diào)節(jié)建筑物節(jié)能性能的若干方案，再者是通過(guò)調(diào)整有空調(diào)區(qū)域屋頂保溫層厚度來(lái)調(diào)節(jié)保溫性能的幾個(gè)方案，最后為基礎(chǔ)方案即方案1。各備選方案相對(duì)于方案1而言都有較好的經(jīng)濟(jì)效果。

3 結(jié)論

（1）熵權(quán)法利用指標(biāo)變異程度的大小來(lái)確定客觀的熵值以及權(quán)重，建立了基于熵權(quán)決策方法的電力工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案優(yōu)選模型，包括指標(biāo)權(quán)重的確定和方案的優(yōu)選排序兩個(gè)方面，為決策者評(píng)選節(jié)能設(shè)計(jì)方案提供了完整的評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法。

（2）通過(guò)熵權(quán)決策法優(yōu)選后，本工程建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案為改變建筑物外窗型式為最優(yōu)方案，其次為改變外墻保溫層厚度的若干方案，再者是調(diào)整屋頂保溫層厚度的幾亇方案。

[1]王宇澤．工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐[J]．工業(yè)建筑，2008（10）∶15-19.

[2]胡建虹．淺議工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的節(jié)能問(wèn)題[J]．江西煤炭科技，2005（2）∶39-40.

[3]閻小妍，孟虹，湯明新．綜合評(píng)價(jià)中不同賦權(quán)方法的比較探討[J]．中國(guó)衛(wèi)生質(zhì)量管理，2006（4）∶58-60.

[4]王大海．電力建設(shè)項(xiàng)目工程質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[D].碩士學(xué)位論文．華北電力大學(xué)（河北），2010.

（本文編輯：楊勇）

Optimization of Energy Saving Design Scheme for Power Engineering Buildings Based on Entropy Weight Decision-Making Method

YU Qing-wen1，TONG Jian-guo2
（1.Zhejiang Tiandi Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 310009，China；2.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

By using entropy weight decision-making method combining with the economic effect of the building energy saving schemes for actual engineering construction，this paper conducts a comprehensive assessment and optimization and obtains preferred sorting of a variety of schemes.The paper optimizes energy conservation scheme by taking the energy saving design for power engineering buildings as an example so as to provide reference to decision-making of project construction.

power engineering；building energy saving；optimization；entropy weight

TU111.19+5

：B

：1007-1881（2013）07-0028-04

2013-05-16

于慶雯（1963-），女，江蘇東臺(tái)人，工程師，從事土建、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及工程管理工作。