基于模糊綜合評(píng)判法的太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性分析

王洪利，路聰莎，杜遠(yuǎn)航

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

?

基于模糊綜合評(píng)判法的太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性分析

王洪利，路聰莎，杜遠(yuǎn)航

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

太陽(yáng)能壓縮式熱泵；模糊綜合評(píng)判；經(jīng)濟(jì)性；評(píng)判等級(jí)；權(quán)重系數(shù)

運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法，從設(shè)備初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命4個(gè)方面，對(duì)太陽(yáng)能壓縮式熱泵的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：太陽(yáng)能壓縮式熱泵的經(jīng)濟(jì)性等級(jí)屬于較高級(jí)別，與實(shí)際評(píng)標(biāo)結(jié)果吻合較好；建立太陽(yáng)能壓縮式熱泵的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，并分別給出一階模糊評(píng)判、二階模糊評(píng)判和評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；由模糊綜合評(píng)判法得出的定量結(jié)果較好地克服了定性評(píng)價(jià)方法的主觀性和隨意性，對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用具有良好價(jià)值。

0 引言

太陽(yáng)能熱泵技術(shù)是近年來(lái)備受關(guān)注的新能源技術(shù)，它以高效節(jié)能、清潔無(wú)污染、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)為節(jié)能和環(huán)保提出了一個(gè)新的發(fā)展方向[1]。然而，不同的初投資、年運(yùn)行費(fèi)用及投資回收年限等因素將直接影響太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并在一定程度上制約太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的推廣和應(yīng)用。針對(duì)該問(wèn)題，該項(xiàng)研究采用模糊綜合評(píng)判法[2]將太陽(yáng)能壓縮式熱泵的多個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)衡協(xié)調(diào)，并利用調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析，對(duì)太陽(yáng)能壓縮式熱泵的經(jīng)濟(jì)性做出評(píng)價(jià)，從而為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、工程設(shè)計(jì)及能源應(yīng)用等領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)。

模糊綜合評(píng)判方法是一種以模推理為主的定性與定量結(jié)合，精確與非精確相統(tǒng)一的分析方法，通過(guò)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理來(lái)分析和評(píng)價(jià)具有"模糊性"的事物[3]。目前，模糊綜合評(píng)判方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)、生命科學(xué)與經(jīng)濟(jì)管理等各個(gè)領(lǐng)域，很好地解決了現(xiàn)有評(píng)標(biāo)方法中存在的評(píng)價(jià)指標(biāo)單一、評(píng)價(jià)過(guò)程不合理的問(wèn)題，并且在量化分析方面表現(xiàn)出優(yōu)越性[4-5]。熱泵運(yùn)行安全與否，投資高與低均屬于相對(duì)模糊概念，并且設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)因素很多，因此可以采用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)其評(píng)價(jià)。

1 綜合評(píng)價(jià)方案指標(biāo)體系劃分

我國(guó)關(guān)于太陽(yáng)能和熱泵聯(lián)合利用技術(shù)日益規(guī)范[6]，如《家用空氣源熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》(GBT23889-2009)，并逐年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合太陽(yáng)能熱泵特點(diǎn)和運(yùn)行情況，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法，從設(shè)備初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命4個(gè)方面對(duì)唐山市某公司太陽(yáng)能壓縮式熱泵進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)及處理結(jié)果如表1所示。

表1 太陽(yáng)能壓縮式熱泵評(píng)價(jià)指標(biāo)及處理結(jié)果

2 評(píng)價(jià)方案模型的建立

由于對(duì)太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)涉及因素較多，該項(xiàng)研究采用二階模糊綜合評(píng)價(jià)模型[7]，該模型的具體建立過(guò)程為：

(1)建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集。模糊綜合評(píng)判的因素集為設(shè)備初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命，表示為U={U1,U2,U3,U4}。每一因素下的子因素表示為Ui={ui1,ui2,...,uij,...,uimi}，i=1,2,3,4。式中,uij為第i因素中j子因素；mi為i因素中子因素?cái)?shù)量。

(2)建立評(píng)語(yǔ)集。根據(jù)實(shí)際情況并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí)分為低、較低、較高、高、很高5個(gè)級(jí)別，向量表示為：V={v1,v2,v3,v4,v5}。

(3)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)，得出單因素評(píng)價(jià)矩陣Ri。其中，

(1)

隸屬度rij的確定是建立評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵，其方法有很多，如模糊統(tǒng)計(jì)法、三分法、模糊分布法等[8]。該項(xiàng)研究選用模糊統(tǒng)計(jì)法，即根據(jù)被調(diào)查專(zhuān)家針對(duì)子因素uij在等級(jí)Vk上的投票人數(shù)與被調(diào)查專(zhuān)家的總?cè)藬?shù)之比。

(4)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量。因素權(quán)重向量記為A={a1,a2,a3,a4},A為U上的模糊子集。子因素權(quán)重向量為Ai=(ai1,ai2,...aimi)，i=1,2,3,4，其中，Ai為ui上的模糊子集。

權(quán)重系數(shù)的確定直接影響最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用專(zhuān)家調(diào)查法。鑒于權(quán)重系數(shù)的模糊性特點(diǎn)，其確定必須在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。因此需聘請(qǐng)足夠數(shù)量的專(zhuān)家，相互獨(dú)立地完成調(diào)查數(shù)據(jù)。

(5)構(gòu)建模糊評(píng)判矩陣，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。采用二階模糊綜合評(píng)判時(shí)，需先求出一階評(píng)判，再進(jìn)行二階評(píng)判。

一階評(píng)判向量Bi為：

Bi=Ai·Ri=(bi1,bi2,bi3,bi4,bi5)

(2)

對(duì)于每個(gè)因素，一階模糊綜合評(píng)判矩陣R為：

(3)

式中，R為[U×V]上的模糊矩陣。則一階模糊綜合評(píng)判Ci為：

Ci=Bi·VT

(4)

二階模糊綜合評(píng)判矩陣B為：

B=A·R=(b1,b2,b3,b4,b5)

(5)

最終按照最大隸屬度原則或變換C=B·VT得出綜合評(píng)價(jià)，并通過(guò)C值大小對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 綜合評(píng)價(jià)算例

為了對(duì)太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，對(duì)上述太陽(yáng)能壓縮式熱泵從設(shè)備初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命等4個(gè)方面進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)相關(guān)專(zhuān)家和工程設(shè)計(jì)人員的調(diào)查統(tǒng)計(jì)處理，確定本算例的權(quán)重系數(shù)及隸屬度參數(shù)。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)

一階模糊綜合評(píng)判為：

一階模糊綜合評(píng)判對(duì)于每一因素，均需要通過(guò)一次模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)來(lái)確定其評(píng)判矩陣Ri。矩陣為：

太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性評(píng)判等級(jí)如表2所示，即V=(60,75,80,85,95)，則一階模糊綜合評(píng)判Ci=Bi·VT，評(píng)判結(jié)果如表3所示。

表2 太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性評(píng)判等級(jí)

表3 太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性一階模糊綜合評(píng)判結(jié)果

則模糊綜合評(píng)價(jià)C為：C=B·VT=79.085 5

可知，太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)總得分為79.085 5，經(jīng)濟(jì)性等級(jí)屬于較高等級(jí)。

從設(shè)備初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備壽命因素綜合考慮，太陽(yáng)能壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性等級(jí)屬于較高級(jí)別，可見(jiàn)太陽(yáng)能壓縮式熱泵投入使用的費(fèi)用較大，這是限制太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)品迅速推廣的一個(gè)重要原因。另外，太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)品的使用壽命因涉及到產(chǎn)品回收周期問(wèn)題，所以也備受廣大用戶(hù)的關(guān)注。

4 結(jié)論

(1)太陽(yáng)能壓縮式熱泵的經(jīng)濟(jì)性等級(jí)屬于較高級(jí)別，與實(shí)際評(píng)標(biāo)結(jié)果吻合較好，這是限制太陽(yáng)能熱泵產(chǎn)品迅速推廣的一個(gè)重要原因。

(2)分別給出了一階模糊評(píng)判、二階模糊評(píng)判和評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)判階數(shù)和評(píng)判等級(jí)應(yīng)依實(shí)際情況而定，權(quán)重系數(shù)及評(píng)判矩陣應(yīng)綜合考慮各種情況而靈活調(diào)整。

(3)由模糊綜合評(píng)判模型得出的定量結(jié)果，在較大程度上克服了定性評(píng)價(jià)方法的主觀性和隨意性，較好地確定了各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用具有良好的價(jià)值。

[1] 王振輝, 崔海亭, 郭彥書(shū),等. 太陽(yáng)能熱泵供暖技術(shù)綜述[J].化工進(jìn)展, 2007, 26(2):185-189.

[2] 楊綸標(biāo). 模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 廣州：華南工學(xué)院出版社, 2011.

[3] 石紅柳. 夏熱冬冷地區(qū)典型城市的不同采暖方式綜合評(píng)價(jià)[D].西安：西安建筑科技大學(xué), 2014.

[4] 張曉平. 模糊綜合評(píng)判理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 18(4):90-94.

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

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GBT23889-2009, 家用空氣源熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.

[7] 孫洲陽(yáng), 陳武. 太陽(yáng)能+地源熱泵聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目綜合評(píng)標(biāo)[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2013, 34(6):1063-1069.

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

文章編號(hào)：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

A