CN111815114A - 一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法 - Google Patents

一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法 Download PDF

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CN111815114A CN202010497591.3A CN202010497591A CN111815114A CN 111815114 A CN111815114 A CN 111815114A CN 202010497591 A CN202010497591 A CN 202010497591A CN 111815114 A CN111815114 A CN 111815114A
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赵自军
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Abstract

一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，包括如下步骤：1、确定评价指标：将太阳能复合燃气供热采暖系统的系统节能、环保和经济性能作为评价指标；2、建立评价指标标准化值矩阵X；3、建立评价指标信息熵矩阵E；4、建立评价指标权重矩阵W；5、建立工况综合得分矩阵S；6、进行供热系统运行性能综合评价。该方法基于太阳能复合燃气供热采暖系统的系列评价指标，通过熵权法分析，确定评价指标权重，计算不同运行工况下系统综合得分，实现对太阳能复合燃气供热采暖系统在任何运行工况下的运行性能综合定量评价。

Description

一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法
技术领域
本发明属于供热采暖领域，特别涉及一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法。
背景技术
热能利用是我国能源消费的重要形式，当前我国热能消费主要由燃煤锅炉提供，不仅能源利用效率低，而且环境污染严重。以京津冀为代表的北方地区是我国经济社会较发达地区之一，长期以来，能源消费以煤为主，不仅能源消费量大，且利用方式粗放，这是出现严重大气雾霾的重要原因。京津冀及其周边地区太阳能等可再生能源资源丰富，充分利用这些可再生能源替代燃煤供热对于推动北方地区能源转型、有效治理大气雾霾具有重要意义。太阳能复合燃气供热采暖系统，充分利用可再生清洁能源，克服单一热源供热短板，保证用户热舒适性的同时，提高能源利用效率、降低污染物排放，在家庭分户供热采暖领域被广泛应用。
2013年，施全臻报道了太阳能系统、风冷热泵系统、燃气锅炉联合制热水的节能效益分析，针对某酒店应用的太阳能、风冷热泵系统、燃气锅炉联合制热水系统进行阐述，通过理论分析与实践检验，分析了三者联合运行的节能效益，提出了适应该酒店的最佳热水系统运行方式。2014年，黄逊青等对集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统性能试验方法进行了探讨，将集成空气源热泵和燃气采暖热水炉的住宅太阳能供暖系统全年运行模式分为两类：冬季供暖和其他季节仅供应生活热水，提出了确定太阳能热水系统、空气源热泵系统以及燃气采暖热水炉的容量的基本规则以及考核要求，同时提出以集成系统一次能源全年能效因数作为综合评价集成系统能效的指标，及其计算方法。2018年，Saroj Karki等研究表明在太阳能/燃气混合热水系统中，太阳能集热器与燃气加热器一起使用，太阳能输入提供的水的部分加热降低了燃气加热器的对数平均温差值，降低了燃气燃烧器的效率；由于这种效率降低取决于太阳能输入提供的预热量，因此很难准确预测太阳能/燃气混合热水器在不同气候条件下提供的实际成本和节能效果；为了预测在各种设计条件下的实际能量和成本节约，对太阳能/燃气混合系统的热性能进行测试分析，并提出了一种能为太阳能/燃气联合供暖提供更高整体系统效率的结构。同年，施娟等人对太阳能热水器的年动态热性能进行了研究和比较，在江苏省南京市和连云港市两个跨越双气候带的城市进行了试验，提出系统热性能和部分社会经济性评价指标，并在此基础上，提出了开发和应用太阳能热水器的建议。
本研究团队于2016年提出ZL 201621151790.4《一种独立供热采暖系统的多能互补供热装置》和201610927448.7《应用于独立供热采暖系统的多能互补供热系统》专利，2017年提出ZL 201721601184.29《可再生能源-燃气联供的多能互补供热系统性能测试实验装置》和201711201645.1《一种可再生能源-燃气联供的多能互补供热系统性能测试方法及所用测试装置》专利，2019年提出201910918207.X《一种用于多能互补供热系统的节能环保评价方法》专利。
ZL 201621151790.4提出一种独立供热采暖系统的多能互补供热装置，包括供热单元、储热单元和取热单元。供热单元包括太阳能集热系统、空气源热泵系统和燃气采暖热水炉系统，储热单元采用上下双盘管储热系统，取热单元分别为生活热水系统和采暖系统；所述太阳能集热系统与上下双盘管储热系统的下换热盘管相连；所述空气源热泵系统直接与上下双盘管储热系统中部进出水口相连；所述生活热水系统通过燃气采暖热水炉与上下双盘管储热系统的上下进出水口相连；所述采暖水系统通过燃气采暖热水炉与上下双盘管储热系统的上换热盘管相连。本实用新型采用多种能源互补供热、提高系统热效率与能源利用效率、降低污染物的排放，提高装置集成化程度。
201610927448.7提出一种应用于独立供热采暖系统的多能互补供热系统，包括供热单元、储热单元和取热单元；其特征在于：供热单元包括太阳能集热系统、空气源热泵系统和燃气采暖热水炉系统，储热单元采用上下双盘管储热系统，取热单元分别为生活热水系统和采暖系统；所述太阳能集热系统与上下双盘管储热系统的下换热盘管相连，间接加热水箱，所述空气源热泵系统直接与上下双盘管储热系统中部进出水口相连，直接加热水箱；所述生活热水系统通过燃气采暖热水炉与上下双盘管储热系统的上下进出水口相连，直接从水箱中取热；所述采暖水系统通过燃气采暖热水炉与上下双盘管储热系统的上换热盘管相连，间接从水箱中取热。
ZL 201721601184.29提出和研发了一种可再生能源-燃气联供的多能互补供热系统的性能测试实验装置，该装置建立了一体化的测试实验系统，集成了太阳能集热器、空气源热泵和燃气采暖热水炉三种供热单元，依据提出和定义的用于性能测试和效果评价的技术指标和计算方法，实现对任意组合的多能互补供热系统的性能测试和技术评价；本测试实验装置可保证供热系统在正常工作前提下，测定不同组合模式的多能互补独立供热系统的各部分运行参数，基于提出的计算方法、测评方案和技术路线，得出系统不同运行和组合模式下的性能指标，以测定和量化评价系统的整体性能及效果。
201711201645.1提出一种可再生能源燃气联供的多能互补供热系统性能测试方法，以下述步骤进行：1、根据各供热单元连接方式及运行模式，设置温度、压力及流量测试点，并实现运行状态参数实时采集；2、确定适用于不同供热单元组合及运行模式下的多能互补供热系统性能测试点与测试参数；3、提出系统供热量的计算方法；4、提出用户得热量测试指标及计算方法；5、测试系统一次能源利用率；6、基于上述计算步骤和方法，计算得出多能互补供热系统的各测试指标。本发明集成了太阳能集热器、空气源热泵和燃气采暖热水炉三种供热单元，提出和定义了用于性能测试和效果评价的技术指标和计算方法，实现了对任意组合的多能互补供热系统的性能测试和技术评价。
201910918207.X提出一种用于多能互补供热系统的节能环保评价方法，按下述步骤进行：(1)根据各加热器组合方式及运行模式，确定温度及流量测试点，形成测试方案；(2)实时测试参数；(3)计算系统能源效益，建立系统能源效益模型；(4)计算系统环境效益，建立系统环境效益模型。本发明基于以燃气采暖热水炉和/或空气源热泵和/或太阳能热水装置为加热器的多能互补供热系统，提出系统节能环保性能评价指标，定义计算模型，实现了对任意组合的多能互补供热系统的节能环保性能评价。
随着太阳能复合燃气供热采暖系统应用的快速发展，呈现出系统配置技术单调、性能综合评价技术缺乏等一系列问题。当前有关太阳能复合燃气供热采暖系统的评价指标主要集中在系统能效和节能环保评价，经济性指标相对空缺，且缺乏对各评价指标间的权重分析，无法对不同系统或相同系统不同工况下运行性能进行综合比较，缺乏多角度、全方面的综合定量评价方法。
发明内容：
本发明的目的就在于提供一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，该方法基于太阳能复合燃气供热采暖系统的系列评价指标，通过熵权法分析，确定评价指标权重，计算不同运行工况下系统综合得分，实现对太阳能复合燃气供热采暖系统在任何运行工况下的运行性能综合定量评价。
如上构思，本发明的技术方案是：
一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
①确定评价指标：将太阳能复合燃气供热采暖系统的系统节能、环保和经济性能作为评价指标；
②建立评价指标标准化值矩阵X：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值，建立指标矩阵，将指标矩阵中各工况下指标数值进行标准化处理，建立评价指标标准化值矩阵X；
③建立评价指标信息熵矩阵E：根据信息论中信息熵的定义，太阳能复合燃气供热系统在不同运行工况下将各评价指标对应的信息熵数值建立信息熵矩阵E；
④建立评价指标权重矩阵W：通过信息熵矩阵中的元素计算各指标的权重，得到供热系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值建立评价指标权重矩阵W；
⑤建立工况综合得分矩阵S：根据系统各评价指标权重，计算各工况下的综合得分，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值建立各工况综合得分矩阵S；
⑥进行供热系统运行性能综合评价：对比上述计算得到的供热系统不同运行工况下各评价指标的权重，数值越大，则指标在性能评价中重要程度越高；对比各工况综合得分，得分越高，供热系统在该工况下运行性能综合评价越高，即系统在该工况下综合运行性能越优。
进一步，所述步骤①中太阳能复合燃气供热采暖系统节能评价指标包括系统一次能源利用率、常规能源替代量、可再生能源保证率和系统热损失率，环保评价指标包括二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量，经济性评价指标包括节约费用、静态投资回收年限、费效比，对应的各指标分别由相应的测试参数组成，测试参数可对应实时或长期参数测试数值。
进一步，所述步骤②建立指标矩阵的方法是：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值；设有n种运行工况和m个性能评价指标，以i表示运行工况序号，则i＝1，...，n；以j表示评价指标序号，则j＝1，...，m；以x表示评价指标数值，则xij为第i种工况下第j个评价指标的数值(i＝1，…，n；j＝1，…，m)；此时系统不同运行工况下的各评价指标值组成一个n×m评价指标值矩阵，R＝(xij)n×m，即：
Figure BDA0002523442450000051
进一步，所述步骤②建立评价指标标准化值矩阵X的过程是：
将矩阵R中各工况下指标数值进行标准化处理，标准化后数据记为Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)，则其计算式为：
正向指标：
Figure BDA0002523442450000052
负向指标：
Figure BDA0002523442450000053
其中，正向指标对应指标数值越大、指标性能越好的指标，负向指标对应指标数值越小、指标性能越好的指标；则系统不同运行工况下各评价指标值标准化后，得到一个n×m标准化值矩阵X，即：
Figure BDA0002523442450000054
进一步，所述步骤③建立信息熵矩阵E的过程是：根据信息论中信息熵的定义，不同项目所对应同一评价指标下的一组数据的信息熵，记为Ej(j＝1，…，m)，则，
Figure BDA0002523442450000055
Figure BDA0002523442450000061
Figure BDA0002523442450000062
(若pij＝0，则Ej＝0)
将矩阵X中相应元素Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统在不同运行工况下各评价指标对应的信息熵数值，这些数值组成一个1×m信息熵矩阵E，即：
E＝[E1 E2 … Em]。
进一步，所述步骤④建立评价指标权重矩阵W的过程是：通过信息熵矩阵E中的元素计算各指标的权重，记为ωj(j＝1，…，m)，则，
Figure BDA0002523442450000063
将信息熵矩阵中的相应元素Ej(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值组成一个1×m权重矩阵W，即：
W＝[ω1 ω2 … ωm]。
进一步，所述步骤⑤建立各工况综合得分矩阵S的过程是：根据太阳能复合燃气供热采暖系统各评价指标权重，计算第i种工况下的综合得分，记为Si(i＝1，…，n)，则，
Figure BDA0002523442450000064
将权重矩阵中的相应元素ωj(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值组成一个n×1综合得分矩阵S，即：
Figure BDA0002523442450000071
本发明具有如下的优点和积极效果：
本发明建立了一种跨产品种类的太阳能复合燃气供热采暖系统节能环保评价模型，可实现在不同运行模式下系统节能、环保和经济性能等的综合定量计算与评价。本发明基于一系列太阳能复合燃气供热采暖系统运行性能评价指标，引入熵权法分析，确定各评价指标权重，最终给出系统在不同运行工况下的综合评价，可定量比较不同评价指标的重要程度，同时对系统综合评价给出定量评分，使用户可更加直观地了解不同运行模式下的系统综合运行效果。
具体实施方式：
一种用于太阳能复合燃气供热采暖系统的综合评价方法，首先建立指标矩阵，然后对各指标数据进行标准化，随后计算各指标的信息熵和指标权重，最后确定系统运行性能综合得分，具体实施步骤如下：
1、确定评价指标：将太阳能复合燃气供热采暖系统的系统节能、环保和经济性能作为评价指标，其中系统节能评价指标包括系统一次能源利用率、常规能源替代量、可再生能源保证率和系统热损失率，环保评价指标包括二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量，经济性评价指标包括节约费用、静态投资回收年限、费效比，对应的各指标分别由相应的测试参数组成，测试参数可对应实时或长期参数测试数值。
2、建立评价指标标准化值矩阵X：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值，建立指标矩阵，将指标矩阵中各工况下指标数值进行标准化处理，建立评价指标标准化值矩阵X；
其中，建立指标矩阵的方法是：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值；设有n种运行工况和m个性能评价指标，以i表示运行工况序号，则i＝1，...，n；以j表示评价指标序号，则j＝1，...，m；以x表示评价指标数值，则xij为第i种工况下第j个评价指标的数值(i＝1，…，n；j＝1，…，m)；此时系统不同运行工况下的各评价指标值组成一个n×m评价指标值矩阵，R＝(xij)n×m，即：
Figure BDA0002523442450000081
建立评价指标标准化值矩阵X的过程是：
将矩阵R中各工况下指标数值进行标准化处理，标准化后数据记为Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)，则其计算式为：
正向指标：
Figure BDA0002523442450000082
负向指标：
Figure BDA0002523442450000083
其中，正向指标对应指标数值越大、指标性能越好的指标，负向指标对应指标数值越小、指标性能越好的指标；则系统不同运行工况下各评价指标值标准化后，得到一个n×m标准化值矩阵X，即：
Figure BDA0002523442450000084
3、建立评价指标信息熵矩阵：根据信息论中信息熵的定义，太阳能复合燃气供热系统在不同运行工况下将各评价指标对应的信息熵数值建立信息熵矩阵E，建立信息熵矩阵E的过程是：根据信息论中信息熵的定义，不同项目所对应同一评价指标下的一组数据的信息熵，记为Ej(j＝1，…，m)，则，
Figure BDA0002523442450000085
Figure BDA0002523442450000086
Figure BDA0002523442450000087
(若pij＝0，则Ej＝0)
将矩阵X中相应元素Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统在不同运行工况下各评价指标对应的信息熵数值，这些数值组成一个1×m信息熵矩阵E，即：
E＝[E1 E2 … Em]。
4、建立评价指标权重矩阵W：通过信息熵矩阵中的元素计算各指标的权重，得到供热系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值建立评价指标权重矩阵W，建立评价指标权重矩阵W的过程是：通过信息熵矩阵E中的元素计算各指标的权重，记为ωj(j＝1，…，m)，则，
Figure BDA0002523442450000091
将信息熵矩阵中的相应元素Ej(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值组成一个1×m权重矩阵W，即：
W＝[ω1 ω2 … ωm]。
5、建立工况综合得分矩阵S：根据系统各评价指标权重，计算各工况下的综合得分，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值建立各工况综合得分矩阵S，建立各工况综合得分矩阵S的过程是：根据太阳能复合燃气供热采暖系统各评价指标权重，计算第i种工况下的综合得分，记为Si(i＝1，…，n)，则，
Figure BDA0002523442450000092
将权重矩阵中的相应元素ωj(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值组成一个n×1综合得分矩阵S，即：
Figure BDA0002523442450000101
6、进行供热系统运行性能综合评价：对比上述计算得到的供热系统不同运行工况下各评价指标的权重，数值越大，则指标在性能评价中重要程度越高；对比各工况综合得分，得分越高，供热系统在该工况下运行性能综合评价越高，即系统在该工况下综合运行性能越优。
7、基于上述步骤和计算，形成太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，从而实现对系统节能、环保和经济性的定量综合评价。
本发明可在太阳能复合燃气供热采暖系统正常工作前提下，通过测定不同运行工况各部分相应运行参数，基于系统能源、环境和经济效益的系列评价指标，通过熵权法分析，确定各评价指标权重，得出不同运行工况综合评价得分，以定性和定量评价系统的综合运行效果。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本说明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可对前述实施例所记载技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本说明实施例技术方案的范围，均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
①确定评价指标：将太阳能复合燃气供热采暖系统的系统节能、环保和经济性能作为评价指标；
②建立评价指标标准化值矩阵X：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值，建立指标矩阵，将指标矩阵中各工况下指标数值进行标准化处理，建立评价指标标准化值矩阵X；
③建立评价指标信息熵矩阵E：根据信息论中信息熵的定义，太阳能复合燃气供热系统在不同运行工况下将各评价指标对应的信息熵数值建立信息熵矩阵E；
④建立评价指标权重矩阵W：通过信息熵矩阵中的元素计算各指标的权重，得到供热系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值建立评价指标权重矩阵W；
⑤建立工况综合得分矩阵S：根据系统各评价指标权重，计算各工况下的综合得分，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值建立各工况综合得分矩阵S；
⑥进行供热系统运行性能综合评价：对比上述计算得到的供热系统不同运行工况下各评价指标的权重，数值越大，则指标在性能评价中重要程度越高；对比各工况综合得分，得分越高，供热系统在该工况下运行性能综合评价越高，即系统在该工况下综合运行性能越优。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤①中太阳能复合燃气供热采暖系统节能评价指标包括系统一次能源利用率、常规能源替代量、可再生能源保证率和系统热损失率，环保评价指标包括二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量，经济性评价指标包括节约费用、静态投资回收年限、费效比，对应的各指标分别由相应的测试参数组成，测试参数可对应实时或长期参数测试数值。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤②建立指标矩阵的方法是：设定太阳能复合燃气供热采暖系统不同运行工况，实时测定测试参数，确定评价指标值；设有n种运行工况和m个性能评价指标，以i表示运行工况序号，则i＝1，...，n；以j表示评价指标序号，则j＝1，...，m；以x表示评价指标数值，则xij为第i种工况下第j个评价指标的数值(i＝1，…，n；j＝1，…，m)；此时系统不同运行工况下的各评价指标值组成一个n×m评价指标值矩阵，R＝(xij)n×m，即：
Figure FDA0002523442440000021
4.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤②建立评价指标标准化值矩阵X的过程是：
将矩阵R中各工况下指标数值进行标准化处理，标准化后数据记为Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)，则其计算式为：
正向指标：
Figure FDA0002523442440000022
负向指标：
Figure FDA0002523442440000023
其中，正向指标对应指标数值越大、指标性能越好的指标，负向指标对应指标数值越小、指标性能越好的指标；则系统不同运行工况下各评价指标值标准化后，得到一个n×m标准化值矩阵X，即：
Figure FDA0002523442440000024
5.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤③建立信息熵矩阵E的过程是：根据信息论中信息熵的定义，不同项目所对应同一评价指标下的一组数据的信息熵，记为Ej(j＝1，…，m)，则，
Figure FDA0002523442440000025
Figure FDA0002523442440000031
Figure FDA0002523442440000032
(若pij＝0，则Ej＝0)
将矩阵X中相应元素Xij(i＝1，…，n；j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统在不同运行工况下各评价指标对应的信息熵数值，这些数值组成一个1×m信息熵矩阵E，即：
E＝[E1 E2…Em]。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤④建立评价指标权重矩阵W的过程是：通过信息熵矩阵E中的元素计算各指标的权重，记为ωj(j＝1，…，m)，则，
Figure FDA0002523442440000033
将信息熵矩阵中的相应元素Ej(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下各评价指标的权重值，这些数值组成一个1×m权重矩阵W，即：
W＝[ω1 ω2…ωm]。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能复合燃气供热采暖系统综合评价方法，其特征在于：所述步骤⑤建立各工况综合得分矩阵S的过程是：根据太阳能复合燃气供热采暖系统各评价指标权重，计算第i种工况下的综合得分，记为Si(i＝1，…，n)，则，
Figure FDA0002523442440000034
将权重矩阵中的相应元素ωj(j＝1，…，m)的数值代入上述计算公式中，得到系统不同运行工况下运行性能综合评价得分，这些数值组成一个n×1综合得分矩阵S，即：
Figure FDA0002523442440000041
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