基于專家調(diào)查法的空調(diào)工程冷熱源評選方法

張寶剛孫暢*劉鳴呂琳

1大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

2大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院

0 引言

冷熱源是暖通空調(diào)系統(tǒng)的心臟，承擔(dān)著生產(chǎn)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷所需熱量和冷量的重要作用，設(shè)計(jì)階段評選的方案優(yōu)劣直接影響整個空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和運(yùn)行效率。評選冷熱源方案要考慮到經(jīng)濟(jì)性，安全性和先進(jìn)性。其中包括初投資，年經(jīng)營費(fèi)，環(huán)境影響，安全性，技術(shù)先進(jìn)性和操作管理6個指標(biāo)，屬多目標(biāo)決策問題。目前常用的多目標(biāo)參數(shù)決策方法有模糊評價(jià)法、理想點(diǎn)法、灰色系統(tǒng)決策法、層次分析法、遺傳算法等。冷熱源布局指標(biāo)的優(yōu)選模型建立方法主要包括方案排隊(duì)法，灰色系統(tǒng)決策法和可拓理論[1-3]。

目前關(guān)于冷熱源評價(jià)方案模型的構(gòu)建基本成熟，且構(gòu)建模型大同小異，但未量化定性指標(biāo)量值，本文應(yīng)用專家調(diào)查法對此進(jìn)行研究。

1 專家調(diào)查法在冷熱源方案中的應(yīng)用

1.1 專家調(diào)查法概述

專家調(diào)查法是以專家作為索取信息的對象，依靠專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，由專家通過調(diào)查研究對問題作出判斷，評估和預(yù)測的一種方法，此方法在工程技術(shù)研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其針對數(shù)據(jù)缺乏、新技術(shù)應(yīng)用評估等工作，結(jié)果表明，15人以上的專家小組可以保證足夠高的可靠性[4]。

專家調(diào)查法的工作流程為：通過需求分析確定工作目標(biāo)。調(diào)查專家評判基礎(chǔ)、調(diào)查因子、專家組成等關(guān)鍵內(nèi)容。對調(diào)查的信息與內(nèi)容進(jìn)行初步判定有效與否，反饋需求分析是否發(fā)生偏差，判斷是否需要重新開展需求分析或調(diào)查工作（圖1）。

圖1 專家調(diào)查工作流程圖

1.2 專家調(diào)查分析

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）、《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2015）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）對冷源與熱源都有規(guī)定。該規(guī)定基于建筑規(guī)模、用途、建設(shè)地點(diǎn)的能源條件，結(jié)構(gòu)，價(jià)格以及國家節(jié)能減排和環(huán)保政策的相關(guān)規(guī)定，但影響冷熱源方案評選的因素較多，國標(biāo)未考慮到各個方案在應(yīng)用中的安全性，技術(shù)先進(jìn)性和運(yùn)行管理情況。

按經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性原則確定以下6項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)[2]：

①初投資：指土建費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、電力增容費(fèi)之和。

②年經(jīng)營費(fèi)：指固定費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)之和。

③安全性：指鍋爐、燃油（氣）設(shè)施對安全、消防的影響。

④環(huán)境影響：指制冷劑破壞臭氧潛值ODP、能量消耗中的燃燒產(chǎn)物如煙塵、CO2、SO2排放量對環(huán)境的影響。

⑤技術(shù)先進(jìn)：指技術(shù)先進(jìn)性與成熟程度，設(shè)備復(fù)雜程度與節(jié)能措施等。

⑥操作管理：指操作管理的簡易程度和運(yùn)行可靠程度。

使用專家調(diào)查法制作調(diào)查表，以國標(biāo)對冷源與熱源規(guī)定的方案為評價(jià)目標(biāo)，將安全性、技術(shù)先進(jìn)性、操作管理作為一級評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)含義，安全性二級指標(biāo)包括建筑安全和消防安全，技術(shù)先進(jìn)性包括技術(shù)先進(jìn)程度，成熟程度，設(shè)備復(fù)雜程度和節(jié)能措施應(yīng)用。操作管理包括簡易程度和可靠程度。

調(diào)查對象包括常年進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，施工，管理和研究的專家，專家遴選主要從以下幾個方面考慮：1）從工程技術(shù)能力方面考慮，以高級工程師為主（B類），教授級高級工程師作為指導(dǎo)（A類），中級工程師作為參考（D類），以具有較高科研能力的副教授為輔（C類）。2）從學(xué)術(shù)能力方面考慮，以碩士以下學(xué)歷為主（B類），工學(xué)博士為輔（A類）。3）從常在工作地點(diǎn)所在地氣候分區(qū)方面考慮，調(diào)查專家均為寒冷地區(qū)。

專家調(diào)查收回有效問卷21份，專家構(gòu)成：2A級人員0位，1A級人員9位，0A級人員12位。專家與遴選條件的分布情況如表1。被調(diào)查者按照調(diào)查表格，依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷二級評價(jià)因素的優(yōu)良程度。對回收來的完整的21份調(diào)查表格按照優(yōu)、良、中、一般、差代表的 5、4、3、2、1分值計(jì)算該二級評價(jià)因素的得分值，最后取平均值，得到該方案的安全性，技術(shù)先進(jìn)性和操作管理等評價(jià)指標(biāo)的量值，見表2。

表1 專家組與遴選條件分布表

表2 各評價(jià)指標(biāo)量值

根據(jù)表2，得到冷熱源方案定性指標(biāo)量值。

1.3 專家排序法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

專家排序法[5]就是根據(jù)選取的評價(jià)某問題的因素，按其重要程度，請專家排次序，最重要的因素記為1，排在最前面，次重要的指標(biāo)記為2，……。

權(quán)重的計(jì)算公式：

式中：dj為第j個指標(biāo)的權(quán)重；n為評價(jià)指標(biāo)數(shù)量；m為專家人數(shù)；Rj為第j個因素的秩和。

將m=21，n=6代入dj，得到各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，詳細(xì)見表3。

表3 專家排序結(jié)果

對專家評定的權(quán)重結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[5]，確認(rèn)其意見基本一致。

假設(shè)H0：21個專家對6個因素的重要程度的看法不一致。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)量χ2=m(n-1)W，其中W=12S/[m2(n3-n)]，S=(R12+R22+…+Rn2)-(R1+R2+…+Rn)2/n，Rj(j=1,2,…,n)為第j個因素的秩和。由 m=21，n=6，得S=1925.500，W=0.249，所以 χ2=26.197。

根據(jù)顯著性水平α=0.01，自由度df=6-1=5，查表得χ20.01（5）=15.086。

因?yàn)?χ2=26.097＞15.086，所以拒絕 H0，即認(rèn)為 21個專家對6個因素的重要程度的看法一致。

2 Visual Basic程序編制

2.1 灰色系統(tǒng)決策法[2]

灰色系統(tǒng)決策法就是以各評價(jià)指標(biāo)ui在各方案Mj中的量值rij為灰數(shù)，建立灰色無源矩陣，將滿足度函數(shù)f引入關(guān)聯(lián)度k的計(jì)算中，通過加權(quán)求和得到各方案的綜合關(guān)聯(lián)度，從而評出最佳方案。

選用線性函數(shù)構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)，關(guān)聯(lián)函數(shù)式為：

式中：kji為j個方案第i個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；rji為j個方案第i個指標(biāo)的滿足度；aoi、api分別為標(biāo)準(zhǔn)方案、可行方案滿足度0.8、0.7。

在方案評價(jià)中，各評價(jià)指標(biāo)ui(i=1,2,…,n)對方案的優(yōu)劣影響程度是不一樣的，因此要賦予權(quán)重，權(quán)重集為 W=(w1,w2,…,wn)，式中

由式（2）及權(quán)重集得各方案綜合關(guān)聯(lián)度Kj：

當(dāng)Kj≥0時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)方案。當(dāng)-1≤Kj≤0時(shí)，為可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)方案的可行方案。當(dāng)Kj＜-1時(shí)，為淘汰方案。選出關(guān)聯(lián)度值最大的方案，其K*=max{K1,K2,…,Km}即為最優(yōu)方案。

2.2 計(jì)算流程

本軟件采用Visual Basic 6.0編程軟件編制，針對新建冷熱源項(xiàng)目和冷熱源改造項(xiàng)目，根據(jù)使用者輸入的初投資（萬元）u1、年經(jīng)營費(fèi)（萬元）u2、環(huán)境影響（kg/h）u4三項(xiàng)定量指標(biāo)的數(shù)值，以及前文得到的安全性（分）u3、技術(shù)先進(jìn)性（分）u5、操作管理（分）u6等定性指標(biāo)灰量值，按照灰色系統(tǒng)決策法的計(jì)算流程，得到各方案的綜合關(guān)聯(lián)度，選出最優(yōu)方案。具體計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程

2.3 界面介紹

圖3為冷熱源方案評選程序界面。

圖3 冷熱源方案評選界面

輸入各方案的定量指標(biāo)值，選擇相應(yīng)方案，即出現(xiàn)各方案綜合關(guān)聯(lián)度。

3 案例分析

某建筑位于大連市，建筑面積16985 m2，建筑功能為辦公樓和酒店，其集中空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷分別為2540 kW和1840 kW，根據(jù)該工程實(shí)際情況，提出以下3種典型方案：

方案1：2臺制冷量為1453 kW吸收式冷水機(jī)組。

方案2：2臺制冷量為1407 kW離心式冷水機(jī)組+熱網(wǎng)。

方案3：8臺制冷量為351 kW空氣源熱泵機(jī)組。

三種方案的定量指標(biāo)值如表4。

表4 定量評價(jià)指標(biāo)值

圖4 冷熱源方案評選案例

將三個方案的定量指標(biāo)輸入冷熱源方案評選軟件，選中相應(yīng)方案，即顯示各方案綜合關(guān)聯(lián)度。

如圖4，結(jié)果如下：-1

4 結(jié)論

1）應(yīng)用專家排序法計(jì)算影響冷熱源方案評選的6個指標(biāo)的權(quán)重，并對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，保證權(quán)重結(jié)果真實(shí)可信。

2）使用專家調(diào)查法對評選冷熱源方案定性指標(biāo)進(jìn)行研究，量化定性指標(biāo)，完善冷熱源方案評選體系。

3）采用Visual Basic 6.0計(jì)算機(jī)語言編制冷熱源方案評選程序，界面友好，使用便捷，結(jié)果直觀，可以在工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用。