基于AHP-DEA的商業(yè)綜合體空調(diào)冷熱源方案綜合評價研究

楊耀輝,李世博,朱曉明

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 居住商業(yè)建筑院，河南 鄭州 450007)

科技在發(fā)展，時代在進步，空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的種類也越來越多，隨著生活水平的提高，人們對空調(diào)不僅有基本需求，更要求它具有好的節(jié)能性和環(huán)保性，2012年5月起，國家大力推廣符合節(jié)能標準的空調(diào)、平板電視、冰箱、洗衣機和熱水器等產(chǎn)品.這就要求設(shè)計人員在選擇空調(diào)冷熱源系統(tǒng)時不能僅考慮其功能性和經(jīng)濟性，還應(yīng)同時考慮其節(jié)能性和環(huán)保性.

空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的選擇受諸多因素的影響，如地理環(huán)境、氣候條件、政策因素、業(yè)主需求等.每個因素的改變都會影響空調(diào)冷熱源方案的選擇.這些因素之間相互影響，相互制約，有客觀因素，也有主觀因素，有定性因素，也有定量因素.因此，在選擇空調(diào)冷熱源方案時，只有使用綜合評價方法才能做出最科學的決策.基于此，本研究綜合考慮各類因素的影響，在前人研究的基礎(chǔ)上，以商業(yè)綜合體為研究對象，將層次分析(Analytic Hierarchy Process, AHP)法與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis, DEA)法相結(jié)合，從經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、節(jié)能性、環(huán)保性4個維度構(gòu)建空調(diào)冷熱源方案指標體系，探析商業(yè)綜合體空調(diào)冷熱源方案優(yōu)選的影響因素和投入產(chǎn)出效率，為設(shè)計人員提供參考和建議.

1 研究進展與工程概況

1.1 研究進展

隨著科技的發(fā)展，空調(diào)技術(shù)不斷進步，各式各樣的空調(diào)產(chǎn)品不斷問世，給空調(diào)用戶和冷熱源系統(tǒng)設(shè)計人員提供了更多的選擇.目前的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)包括常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)、冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、風冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)、溴化鋰空調(diào)系統(tǒng)、變冷媒熱泵空調(diào)系統(tǒng)、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)等.

從研究方法上看，AHP法是綜合評價空調(diào)冷熱源系統(tǒng)性能的常用方法之一，王平利等選取設(shè)備材料費、電力增容費、場地費、總初投資、總運行費5項指標，建立了AHP優(yōu)選模型[1]. 蔣華等基于改進的AHP法，選取初投資、運行費、消防安全、環(huán)境影響、操作管理5項指標，構(gòu)建了空調(diào)冷熱源方案優(yōu)選模型[2].常青等選取經(jīng)濟性、節(jié)能性、可靠性與環(huán)保性4項指標，構(gòu)建了AHP評價模型[3].閆加賀等將優(yōu)屬度和層次分析法相結(jié)合，以一次耗能、全壽命周期費用、環(huán)境影響、操作管理難度為評價指標，對海門市某辦公大樓進行了實證分析[4].胡海華等基于灰色系統(tǒng)理論，利用Excel軟件實現(xiàn)了對5種冷熱源系統(tǒng)的優(yōu)劣排序[5].

從研究對象上看，蔣華[6]、霍海娥等[7]對高校圖書館空調(diào)冷熱源方案的選擇問題進行了研究；徐永海以醫(yī)療救援中心大樓為研究對象，對空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的選擇問題進行了研究[8]；陳菲等以大型商業(yè)建筑作為研究對象，構(gòu)建了空調(diào)冷熱源方案選擇綜合評價體系[9]；朱百川以民用建筑為研究對象，分析了空調(diào)冷熱源方案的選擇方法與改進途徑[10].

1.2 工程概況

鄭州某商辦地塊項目位于鄭州市管城回族區(qū)，東臨紫荊山南路，南臨贛江路，西臨丘寨路.該項目占地面積約為27 174 m2，總建筑面積約為177 646 m2.其中地上建筑面積為122 254 m2，地下建筑面積為55 392 m2.它是集購物中心、休閑文化娛樂、辦公、住宅為一體的大型商業(yè)公建綜合體項目.

(1) 地上商業(yè)用建筑為5層，建筑面積為41 675 m2，由MALL(33 101 m2)、銷售商鋪(6 850 m2)、商管用房(866 m2)等組成.其中，MALL包含超市(2 875 m2)、影院(4 580 m2)、自持商業(yè)(25 584 m2)等功能業(yè)態(tài).2#3#4#辦公用建筑的建筑面積為53 127 m2.2#地上2+8 F，3#地上2+18 F，4#地上5+14 F.1#住宅用建筑的建筑面積為23 115 m2，屬于地上4+26 F.

(2) 建設(shè)單位的建造標準為：自持商業(yè)、超市、影院設(shè)置集中空調(diào)，獨立設(shè)置制冷設(shè)備(為其空調(diào)系統(tǒng)提供冷源)，熱源集中供應(yīng)；辦公、住宅、銷售商鋪等預留分體空調(diào)或多聯(lián)機安裝位置.

(3) 為滿足項目各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)供熱要求，根據(jù)鄭州地區(qū)實際情況，擬選擇以下3個不同供熱方式與電制冷機組相結(jié)合的設(shè)計方案：燃氣型真空熱水鍋爐+電冷水機組(方案1)；燃氣型溴化鋰冷熱水機組(直燃機)(方案2)；市政熱網(wǎng)+電冷水機組(方案3).

2 基于AHP法的商業(yè)綜合體空調(diào)冷熱源方案評價

2.1 AHP法

AHP法對于解決評價對象屬性多樣、結(jié)構(gòu)復雜及難以采用定量方法的問題具有明顯的優(yōu)勢.

AHP法的基本思想為：首先把復雜的問題分解成若干要素；其次把各要素依次分解為二級指標要素，通過兩兩比較的方式確定層次中各要素的相對重要性，以確定各要素的權(quán)重；然后根據(jù)各要素的權(quán)重計算各備選方案的得分；最后對各備選方案進行排序，以確定最優(yōu)方案.AHP法對于解決評價對象屬性多樣、結(jié)構(gòu)復雜及難以采用定量方法的問題具有明顯的優(yōu)勢.

AHP法的具體步驟如圖1所示.

圖1 AHP法的具體步驟

2.2 確定空調(diào)冷熱源方案的指標體系

本文結(jié)合研究目的和數(shù)據(jù)的可獲得性，同時考慮指標的代表性和全面性，從經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、節(jié)能性、環(huán)保性4個維度構(gòu)建了圖2所示的空調(diào)冷熱源方案指標體系.

圖2 空調(diào)冷熱源方案指標體系

(1) 經(jīng)濟性指標主要關(guān)注資源投入、成本節(jié)約水平及資源使用的合理性，包括初投資和運行費兩大部分內(nèi)容.

(2) 穩(wěn)定性指標是指空調(diào)冷熱源設(shè)備的使用穩(wěn)定性.穩(wěn)定性越好，設(shè)備運行需要的設(shè)備維修費用就越少，帶來的效益就越大.本文采用設(shè)備的使用壽命和維修成本來衡量其穩(wěn)定性.

(3) 節(jié)能性指標主要指空調(diào)冷熱源方案的能源利用效率與程度.本本采用一次能源利用率和能效比來衡量其節(jié)能性.

(4) 環(huán)保性指標是指設(shè)備運行過程對環(huán)境產(chǎn)生的影響.空調(diào)冷熱源設(shè)備運行中主要產(chǎn)生二氧化碳.因此，本文采用二氧化碳排放量來衡量其環(huán)保性.

2.3 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

將整個空調(diào)冷熱源方案分為決策目標、中間層要素、備選方案3個層次，并繪制圖3所示的層次結(jié)構(gòu)模型.決策目標為空調(diào)冷熱源方案，是需要解決的問題.

圖3 空調(diào)冷熱源方案的層次結(jié)構(gòu)模型

中間層要素是解決問題需要考慮的全部指標因素，包括一級指標和二級指標兩個層次.備選方案是空調(diào)冷熱源方案的種類.

2.4 各因素權(quán)重計算及一致性檢驗

本文通過構(gòu)造判斷矩陣，以1—9標度法作為兩兩因素比較的尺度，按各因素的重要程度評定等級，并計算一致性指標C.I.，以檢驗計算結(jié)果的可信度.圖4所示為各因素權(quán)重計算及一致性檢驗的結(jié)果.

WABCDWiAA1A2WiA12350.465 8A1140.800 0B1/21340.311 5A21/410.200 0C1/31/3130.151 2D1/51/41/310.071 5C.I.=0.040 3<0.1C.I.=0<0.1BB1B2WiCC1C2WiB1150.833 3C1120.666 7B21/510.166 7C21/210.333 3C.I.=0<0.1C.I.=0<0.1DD1WiD111.000 0C.I.=0<0.1

圖4 各因素權(quán)重計算及一致性檢驗的結(jié)果

由圖4可看出：各因素的一致性指標C.I.<0.1，表明計算結(jié)果的可信度很高，可滿足研究要求；4個一級指標即經(jīng)濟性指標、穩(wěn)定性指標、節(jié)能性指標、環(huán)保性指標的權(quán)重系數(shù)分別為0.465 8、0.311 5、0.151 2、0.071 5.分析可知：首先，經(jīng)濟性指標的權(quán)重系數(shù)最大，達到了0.465 8，幾乎占總權(quán)重的50%，這表明在目前空調(diào)冷熱源方案的選擇中，經(jīng)濟性指標是設(shè)計人員重點考慮的對象；其次，穩(wěn)定性指標的權(quán)重系數(shù)為0.311 5，占總權(quán)重的30%左右，這表明在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，設(shè)備的穩(wěn)定性是設(shè)計人員第二考慮的對象；再次，節(jié)能性指標和環(huán)保性指標的權(quán)重系數(shù)分別為0.151 2、0.071 5，其總和占總權(quán)重的20%左右，這表明在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，兩者只是輔助性指標，是需要加強的方面.在未來，節(jié)能性指標和環(huán)保性指標的權(quán)重系數(shù)將會不斷提高，這是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要.

此外，經(jīng)濟性指標下二級指標中初投資和運行費的權(quán)重系數(shù)分別為0.800 0、0.200 0，這表明在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，初投資的影響遠大于運行費；穩(wěn)定性指標下二級指標中使用壽命和維修成本的權(quán)重系數(shù)分別為0.833 3、0.166 7，這表明在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，使用壽命的影響是巨大的，其權(quán)重系數(shù)達到了80%；節(jié)能性指標下二級指標中一次能源利用率和能效比的權(quán)重系數(shù)分別0.666 7、0.333 3，這表明在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，一次能源利用率指標相比能效比指標更為重要；環(huán)保性指標下二級指標中二氧化碳排放量的權(quán)重系數(shù)為1，這是因為本文環(huán)保性指標下二級指標只選取了一個指標(二氧化碳排放量).

2.5 基于AHP法的實證分析

3個不同冷熱源備選方案的初始數(shù)據(jù)和標準化數(shù)據(jù)，分別見表1和表2.

結(jié)合圖4各因素權(quán)重和表2的標準化數(shù)據(jù)，可計算各備選方案的得分.

方案1得分為：

W1=0.465 8×(89×0.8+85×0.2)+0.311 5×(50×0.833 3+94×0.166 7)+0.151 2×(91×0.666 7+16×0.333 3)+0.071 5×70=74

方案2得分為：

W2=0.465 8×(60×0.8+60×0.2)+0.311 5×(67×0.833 3+60×0.166 7)+0.151 2×(95×0.666 7+21×0.333 3)+0.071 5×60=63

方案3得分為：

W3=0.465 8×(100×0.8+100×0.2)+0.311 5×(100×0.833 3+100×0.166 7)+0.151 2×(100×0.666 7+100×0.333 3)+0.071 5×100=100

由計算結(jié)果可知，3種空調(diào)冷熱源備選方案的最終得分由高到低依次為：方案3>方案1>方案2.因此，方案3為最佳備選方案.

表1 空調(diào)冷熱源備選方案的初始數(shù)據(jù)

表2 空調(diào)冷熱源備選方案的標準化數(shù)據(jù)

3 基于DEA法的商業(yè)綜合體空調(diào)冷熱源方案評價

3.1 DEA法的應(yīng)用

DEA法是效率評價的方法之一.它借助數(shù)學規(guī)劃和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，保持輸入或輸出不變，來確定相對有效的生產(chǎn)前沿面，并用綜合效率來測度各決策單元偏離生產(chǎn)前沿面的程度.DEA法對于解決多投入—多產(chǎn)出的復雜決策問題具有絕對的優(yōu)勢：首先，DEA法對數(shù)據(jù)的要求較低，無需對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，這為研究帶來了極大的便利；其次，DEA法不需要在研究中對數(shù)據(jù)做任何權(quán)重假設(shè)，可避免主觀因素造成的誤差；第三，DEA法最終能確定相對最優(yōu)的生產(chǎn)前沿面，即在所輸入的數(shù)據(jù)中確定相對最優(yōu)解，不存在無解的情況.

為以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出，DEA法中指標的選取需遵循全面性、代表性、可行性的原則。本文結(jié)合空調(diào)冷熱源方案指標體系，以初投資、運行費、維修成本、二氧化碳排放量指標作為投入指標，它們越小越好；而以使用壽命、一次能源利用率、能效比作為產(chǎn)出指標,它們越大越好.

本文將方案1、方案2、方案3作為決策單元，以鄭州某商辦地塊項目的數(shù)據(jù)為樣本，對商業(yè)綜合體空調(diào)冷熱源方案的投入產(chǎn)出效率進行了研究.

3.2 基于DEA法的實證分析

本文運用MAXDEA軟件，采用表1中空調(diào)冷熱源備選方案的初始數(shù)據(jù)，對上述4個投入指標和3個產(chǎn)出指標進行了實證分析.其結(jié)果如表3所示.

表3 空調(diào)冷熱源備選方案的DEA法效率評價結(jié)果

以表3可知，方案3的綜合效率為1，為相對最優(yōu)決策單元；其次是方案1，綜合效率為0.840 0；最次是方案2，綜合效率為0.678 7.

4 結(jié) 論

本文采用AHP法和DEA法對空調(diào)冷熱源備選方案進行優(yōu)選，構(gòu)建了基于AHP法的空調(diào)冷熱源備選方案指標模型，基于DEA法對鄭州某商辦地塊項目進行了實證分析，得到了兩條研究結(jié)論.

(1) 在空調(diào)冷熱源方案的選擇中，經(jīng)濟性指標的權(quán)重系數(shù)最大，達到了0.465 8，而節(jié)能性指標和環(huán)保性指標的權(quán)重系數(shù)分別為0.151 2、0.071 5.經(jīng)濟性指標是設(shè)計人員重點考慮的對象，而節(jié)能性指標和環(huán)保性指標的權(quán)重系數(shù)偏低.后兩者只是輔助性指標.

(2) 基于AHP法的計算得分從高到低為：方案3(100)>方案1(74)>方案2(63).基于DEA法的計算結(jié)果為：方案3的綜合效率為1，為相對最優(yōu)決策單元;其次是方案1，綜合效率為0.840 0；最后是方案2，綜合效率為0.678 7.采用AHP法和DEA法評價的結(jié)果是一致的，最終確定的空調(diào)冷熱源最佳方案均為方案3.