《基于层次分析法的空调冷热源系统方案优化的文献综述》
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摘 要：暖通空调系统方案与建筑能耗、环境影响、能源结构、人体舒适健康密切相关,方案优化又是暖通空调设计至关重要的一环,所以本文对暖通空调冷热源系统方案优化中应用最为广泛的层次分析法进行了文献综述,系统地梳理了近20年来冷热源系统备选方案与评价指标的发展进程,指出了层次分析法在实际应用中的问题及以后的发展方向.
关键词：空调系统;方案设计;多目标优化;层次分析法
暖通空调系统在人们日常生活中扮演着重要角色,影响着人员的健康与工作效率,因在全国能耗中占比较大,也关系着整个国家的能耗及能源结构,所以对空调系统方案选择一直是暖通行业密切关注的问题.方案设计对暖通空调工程设计的成败优劣关系重大,一个项目可以存在几种、甚至十几种不同的设计方案,设计师应该如何去比选,用什么标准、方法去科学且有效地评价,成为了设计师们一大难题,本文重点梳理了采用层次分析法对空调系统进行方案比选的研究成果、存在的问题及发展方向.
1 暖通空调方案设计现状
1.1 空调系统方案优化的必要性
暖通空调工程设计程序分为三个阶段,分别是：方案设计、初步设计、施工图设计,若是一套完整的暖通空调设计图纸流程还应加上专业协调、设计校核、修改整理.在设计院这各个阶段的工作时间分配大多为：施工图设计>初步设计>专业协调>修改整理等于方案设计,方案设计所花费的时间仅与修改整理时间相差无几[1],可以看出方案设计被重视不够.然而方案设计作为整套方案的核心直接关系到系统性能特性、能耗、投资和运行费用,是关系到暖通空调系统能否健康、有效运行的关键,所以方案设计应是暖通空调系统全生命周期中最基础却又至关重要的一环.根据对设计师及行业调查分析发现造成方案设计阶段时间分配少的原因有三点：一是暖通空调设计只属于整个工程设计的一小部分,不像建筑方案设计能直接关系到设计单位中标与否[1],所以设计院对暖通专业重视不够;二是设计师的收入一般是按工程建筑面积或者合同额的固定比例来计算（3-5%）,一般不会与设计方案质量直接挂钩,这使设计师在较短设计工期内不会投入大量时间和精力去思考设计方案;三是当前在设计院工作的暖通设计师多为刚在高校毕业一两年的毕业生,经验较少,初期工作时本就需要花费更多时间,就更不愿意冒着增加设计周期的风险去对一些新技术和技术的适用性进行更多的思考.这三点就造成除一些示范项目外,我国大多建筑的暖通设计方案都缺乏技术创新以及技术优化.
1.2 优化方法的研究
針对设计方案的优化与评价,工程界和学术界在近些年都提出了各自的解决方法.在工程界,往往采用开专家会的方法,在2—3小时的专家会上专家会根据自身经验对设计师提出的方案进行判断,并提出问题和修改意见,专家会的好处是通过专家的把关,方案能尽可能避免设计问题,但是也存在以下问题：（1）判断的时间短,专家只能在有限的两到三个小时内对整个方案作出判断;（2）专家一般是从设计角度考虑方案,往往不能反映投资方或用户需求与感受;（3）专家的经验是定性的,在方案比选时不能量化的看出方案间的差距.针对这些问题,学术界进行了进一步的探索,早期学者还只是针对个例从经济性、节能性、室内环境品质等单一指标对暖通空调系统设计方案进行定量化评价,主要集中在对冷热源个案的能耗分析和经济性的比较上面[2-4],后来人们发现各评价指标之间可能存在正相关或者负相关性,若只考虑单方面因素,如只考虑初投资而忽视节能性、使用寿命等问题,就会使运行期间经济负担较重,所以只考虑某一指标是不合理的.在后期,随着综合评价理论的兴起和发展,一些学者也意识到在暖通空调系统方案评价中也应应用综合评价方法,将运筹学的一些多目标决策方法引入暖通空调系统设计中,通过知网检索,笔者查到采用层次分析法的文献21篇[5-25].从检索结果上看层次分析法被广泛应用于暖通空调方案优选,原因可能是层次分析法能把定性方法与定量方法有机结合起来,方案比较打分逻辑清晰,并且计算较其他几种方法更为简单.为此本文选取采用层次分析法的文献进行梳理、综述.
2 基于层次分析法的暖通空调方案优化研究进程
2.1 冷热源备选方案发展进程
第一篇基于层次分析法对暖通空调系统进行方案优化的文献出现在1998年,对某大厦冷热源系统进行方案择优,备选方案仅为电力制冷机组、热力制冷机组与燃煤、燃油锅炉的搭配组合,而最新的文献在2018年,对武汉市某大型办公建筑冷热源系统进行方案择优,备选方案已经出现空气源热泵、地源热泵、冷热电三联供系统、电厂余热利用系统等新技术.
对19篇文献中的备选方案出现频数进行了统计,如图1所示,常规电力制冷机组（包含风冷式及水冷式冷水机组）、溴化锂吸收式冷水机组与锅炉（燃气、燃油）搭配组合以及直燃型溴化锂吸收式冷热水机作为冷热源形式出现的频数较多,原因可能在于冷水机组+锅炉系统基本没有地域和建筑类型限制,应用范围比较广且技术较为成熟,直燃机能够满足制冷、采暖和热水供应三种功能,实现一机多用,且在夏季城市用电高峰时期使用直燃机能减少电耗,对城市能源季节性平衡起到积极的作用.而其他几类方案存在各自的一些问题：地埋管地源热泵技术的应用对当地地质条件及气象信息依赖性较强;地表水地源热泵技术的应用受水源和取水政策的限制;空气源热泵技术适用范围广,适用温度范围在-7℃～40℃,并且一年四季全天候使用,不受恶劣天气和冬季夜晚的影响,但是容易出现结霜问题,受地域限制;冰蓄冷系统虽能平衡峰谷用电负荷,缓解用电压力,但是其初期投资较大,且蓄冰系统复杂、庞大需较大的占地面积,调控也比较困难;热电冷三联供系统提高了能源的综合利用率,适用范围广,但是初投资较高,技术不够成熟,在实际应用中并不多;电厂余热利用范围仅限于电厂周边建筑,长距离运输会导致成本过高.
2.2 冷热源评价指标发展进程
在应用层次分析法进行优选时,评价指标的选取以及权重的设置对方案结果的影响巨大.早在2002年,王平利就对冷热源的评价指标进行了详细的分析,指出应从经济性因素、技术条件、环境影响、社会效益四个大方面对冷热源方案进行评价[6].随着研究的不断深入,学者们对方案的评价不仅限于系统本身性能的评价,也更加关注系统后期的运行稳定性、自动化控制、调试策略等方面,运行管理这一指标在近几年的文献里都成为了评价冷热源方案的重要考核指标[17-21,23].综合以上对评价指标发展进程的梳理,笔者总结了可能影响冷热源方案选择的评价指标,如下图2所示.通过对指标层权重值的统计,分析得到19篇文献里对实际工程案例进行冷热源方案选择时有15篇文献都把经济性指标视为最重要的评价指标,仅有文献[14]更看重社会效益（一次能耗利用率）,文献[20,22]认为技术条件指标更为关键,上述数据说明经济性还是设计师及用户在选择空调方案时最为关注的指标,其次分别为技术条件>社会效益>环境影响.
2.3 层次分析法应用及存在的问题
通过对文献的梳理,发现层次分析法虽然能把定性指标与定量指标综合考虑进行多目标优化,但在使用过程中仍存在以下问题：
（1）层次分析法中存在定量指标转化为权重值的问题,有部分文献在对定量指标向判断矩阵中的分值进行转换时,直接用的倍数转换法,例如低温辐射供暖地板的单位流量下的散热量为11.4W/（kg·h-1）,重力循环供暖空调为6.8W/（kg·h-1）,故在热工性能的判断矩阵构成过程中,低温辐射供暖地板对重力循环供暖空调取2[24],其转换尺度与层次分析法中要求的1-9的打分尺度不同,对最终排序结果会有一定影响.在进行具体量化数值归一化处理时,可采用线性比例变换法进行转换.
（2）传统层次分析法的判断矩阵定量评价值采用萨迪提出的1-9标度方法,但笔者在实际计算时,发现由于考虑因素的多样性,决策者很难用1-9标度来刻画各个元素的相对重要程度,如某个因素比另一个因素重要得多,决策者在标度5和7之间做出选择相当困难,特别是当同一层上的因素较多时,较容易做出混乱和矛盾的判断,这样判断矩阵的一致性检验就无法通过,必须凭着大致的估计来调整判断矩阵,有时需要多次调整才能通过一致性检验,带来很大的计算工作量,蒋华在2005年提出一种改进的层次分析法——三标度法,利用自调节建立比较矩阵,不需要进行一致性检验,使之自然满足一致性要求,提高了决策的准确性和效率[9],但在后面的文献中大多沿用了传统的层次分析法,为了让层次分析法能真的在实际工程中广泛应用,研究者们应思考如何让用户能简单快捷的做出判断且逻辑结构准确.
3 结语
本文对采用层次分析法进行空调系统方案优化的文献进行了梳理,重点对备选方案及评价指标分别进行了对比分析,得出以下结论：
（1）近20年来冷热源的备选方案从传统的电力制冷机组+锅炉的形式已经在向空气源热泵、地源热泵等清洁能源转型,但电力制冷机组+锅炉形式仍然是目前出现频数最多的备选方案.
（2）冷热源系统的评价指标从早期仅关注经济性、技术条件、环境影响、社會效益这四大因素,中后期提出了运行管理指标,表明人们不再仅关注系统初期的影响和效益,更加关注系统全生命周期的表现情况.
（3）通过对层次分析法本身的分析及其在文献中具体案例应用的验证,笔者发现层次分析法存在两两比较打分界限模糊,造成需多次调整打分才能通过一致性检验的问题,文献梳理过程中,发现采用三标度法不需要一致性检验,可以使之自然满足要求.
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层次分析法和文献综述引用文献:
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