劉奕巧 張昊天 孔祥蕊 曹益娟 牛夢(mèng)涵 王鈺諾 安皓辰

摘?要：暖通空調(diào)系統(tǒng)方案與建筑能耗、環(huán)境影響、能源結(jié)構(gòu)、人體舒適健康密切相關(guān)，方案優(yōu)化又是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一環(huán)，所以本文對(duì)暖通空調(diào)冷熱源系統(tǒng)方案優(yōu)化中應(yīng)用最為廣泛的層次分析法進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，系統(tǒng)地梳理了近20年來(lái)冷熱源系統(tǒng)備選方案與評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)展進(jìn)程，指出了層次分析法在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題及以后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng);方案設(shè)計(jì);多目標(biāo)優(yōu)化;層次分析法

暖通空調(diào)系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧绊懼藛T的健康與工作效率，因在全國(guó)能耗中占比較大，也關(guān)系著整個(gè)國(guó)家的能耗及能源結(jié)構(gòu)，所以對(duì)空調(diào)系統(tǒng)方案選擇一直是暖通行業(yè)密切關(guān)注的問(wèn)題。方案設(shè)計(jì)對(duì)暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)的成敗優(yōu)劣關(guān)系重大，一個(gè)項(xiàng)目可以存在幾種、甚至十幾種不同的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)師應(yīng)該如何去比選，用什么標(biāo)準(zhǔn)、方法去科學(xué)且有效地評(píng)價(jià)，成為了設(shè)計(jì)師們一大難題，本文重點(diǎn)梳理了采用層次分析法對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行方案比選的研究成果、存在的問(wèn)題及發(fā)展方向。

1 暖通空調(diào)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 空調(diào)系統(tǒng)方案優(yōu)化的必要性

暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)程序分為三個(gè)階段，分別是：方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)，若是一套完整的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)圖紙流程還應(yīng)加上專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)校核、修改整理。在設(shè)計(jì)院這各個(gè)階段的工作時(shí)間分配大多為：施工圖設(shè)計(jì)>初步設(shè)計(jì)>專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)>修改整理=方案設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間僅與修改整理時(shí)間相差無(wú)幾[1]，可以看出方案設(shè)計(jì)被重視不夠。然而方案設(shè)計(jì)作為整套方案的核心直接關(guān)系到系統(tǒng)性能特性、能耗、投資和運(yùn)行費(fèi)用，是關(guān)系到暖通空調(diào)系統(tǒng)能否健康、有效運(yùn)行的關(guān)鍵，所以方案設(shè)計(jì)應(yīng)是暖通空調(diào)系統(tǒng)全生命周期中最基礎(chǔ)卻又至關(guān)重要的一環(huán)。根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)師及行業(yè)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)造成方案設(shè)計(jì)階段時(shí)間分配少的原因有三點(diǎn)：一是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)只屬于整個(gè)工程設(shè)計(jì)的一小部分，不像建筑方案設(shè)計(jì)能直接關(guān)系到設(shè)計(jì)單位中標(biāo)與否[1]，所以設(shè)計(jì)院對(duì)暖通專(zhuān)業(yè)重視不夠;二是設(shè)計(jì)師的收入一般是按工程建筑面積或者合同額的固定比例來(lái)計(jì)算（3-5%），一般不會(huì)與設(shè)計(jì)方案質(zhì)量直接掛鉤，這使設(shè)計(jì)師在較短設(shè)計(jì)工期內(nèi)不會(huì)投入大量時(shí)間和精力去思考設(shè)計(jì)方案;三是當(dāng)前在設(shè)計(jì)院工作的暖通設(shè)計(jì)師多為剛在高校畢業(yè)一兩年的畢業(yè)生，經(jīng)驗(yàn)較少，初期工作時(shí)本就需要花費(fèi)更多時(shí)間，就更不愿意冒著增加設(shè)計(jì)周期的風(fēng)險(xiǎn)去對(duì)一些新技術(shù)和技術(shù)的適用性進(jìn)行更多的思考。這三點(diǎn)就造成除一些示范項(xiàng)目外，我國(guó)大多建筑的暖通設(shè)計(jì)方案都缺乏技術(shù)創(chuàng)新以及技術(shù)優(yōu)化。

1.2 優(yōu)化方法的研究

針對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化與評(píng)價(jià)，工程界和學(xué)術(shù)界在近些年都提出了各自的解決方法。在工程界，往往采用開(kāi)專(zhuān)家會(huì)的方法，在2—3小時(shí)的專(zhuān)家會(huì)上專(zhuān)家會(huì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)師提出的方案進(jìn)行判斷，并提出問(wèn)題和修改意見(jiàn)，專(zhuān)家會(huì)的好處是通過(guò)專(zhuān)家的把關(guān)，方案能盡可能避免設(shè)計(jì)問(wèn)題，但是也存在以下問(wèn)題：（1）判斷的時(shí)間短，專(zhuān)家只能在有限的兩到三個(gè)小時(shí)內(nèi)對(duì)整個(gè)方案作出判斷;（2）專(zhuān)家一般是從設(shè)計(jì)角度考慮方案，往往不能反映投資方或用戶(hù)需求與感受;（3）專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)是定性的，在方案比選時(shí)不能量化的看出方案間的差距。針對(duì)這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，早期學(xué)者還只是針對(duì)個(gè)例從經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)等單一指標(biāo)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，主要集中在對(duì)冷熱源個(gè)案的能耗分析和經(jīng)濟(jì)性的比較上面[2-4]，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間可能存在正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)性，若只考慮單方面因素，如只考慮初投資而忽視節(jié)能性、使用壽命等問(wèn)題，就會(huì)使運(yùn)行期間經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較重，所以只考慮某一指標(biāo)是不合理的。在后期，隨著綜合評(píng)價(jià)理論的興起和發(fā)展，一些學(xué)者也意識(shí)到在暖通空調(diào)系統(tǒng)方案評(píng)價(jià)中也應(yīng)應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)方法，將運(yùn)籌學(xué)的一些多目標(biāo)決策方法引入暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)知網(wǎng)檢索，筆者查到采用層次分析法的文獻(xiàn)21篇[5-25]。從檢索結(jié)果上看層次分析法被廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)方案優(yōu)選，原因可能是層次分析法能把定性方法與定量方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，方案比較打分邏輯清晰，并且計(jì)算較其他幾種方法更為簡(jiǎn)單。為此本文選取采用層次分析法的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理、綜述。

2 基于層次分析法的暖通空調(diào)方案優(yōu)化研究進(jìn)程

2.1 冷熱源備選方案發(fā)展進(jìn)程

第一篇基于層次分析法對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行方案優(yōu)化的文獻(xiàn)出現(xiàn)在1998年，對(duì)某大廈冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行方案擇優(yōu)，備選方案僅為電力制冷機(jī)組、熱力制冷機(jī)組與燃煤、燃油鍋爐的搭配組合，而最新的文獻(xiàn)在2018年，對(duì)武漢市某大型辦公建筑冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行方案擇優(yōu)，備選方案已經(jīng)出現(xiàn)空氣源熱泵、地源熱泵、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、電廠余熱利用系統(tǒng)等新技術(shù)。

對(duì)19篇文獻(xiàn)中的備選方案出現(xiàn)頻數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，常規(guī)電力制冷機(jī)組（包含風(fēng)冷式及水冷式冷水機(jī)組）、溴化鋰吸收式冷水機(jī)組與鍋爐（燃?xì)狻⑷加停┐钆浣M合以及直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)作為冷熱源形式出現(xiàn)的頻數(shù)較多，原因可能在于冷水機(jī)組+鍋爐系統(tǒng)基本沒(méi)有地域和建筑類(lèi)型限制，應(yīng)用范圍比較廣且技術(shù)較為成熟，直燃機(jī)能夠滿(mǎn)足制冷、采暖和熱水供應(yīng)三種功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，且在夏季城市用電高峰時(shí)期使用直燃機(jī)能減少電耗，對(duì)城市能源季節(jié)性平衡起到積極的作用。而其他幾類(lèi)方案存在各自的一些問(wèn)題：地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件及氣象信息依賴(lài)性較強(qiáng);地表水地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用受水源和取水政策的限制;空氣源熱泵技術(shù)適用范圍廣，適用溫度范圍在-7℃～40℃，并且一年四季全天候使用，不受惡劣天氣和冬季夜晚的影響，但是容易出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題，受地域限制;冰蓄冷系統(tǒng)雖能平衡峰谷用電負(fù)荷，緩解用電壓力，但是其初期投資較大，且蓄冰系統(tǒng)復(fù)雜、龐大需較大的占地面積，調(diào)控也比較困難;熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)提高了能源的綜合利用率，適用范圍廣，但是初投資較高，技術(shù)不夠成熟，在實(shí)際應(yīng)用中并不多;電廠余熱利用范圍僅限于電廠周邊建筑，長(zhǎng)距離運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高。

2.2 冷熱源評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)展進(jìn)程

在應(yīng)用層次分析法進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取以及權(quán)重的設(shè)置對(duì)方案結(jié)果的影響巨大。早在2002年，王平利就對(duì)冷熱源的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性因素、技術(shù)條件、環(huán)境影響、社會(huì)效益四個(gè)大方面對(duì)冷熱源方案進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。隨著研究的不斷深入，學(xué)者們對(duì)方案的評(píng)價(jià)不僅限于系統(tǒng)本身性能的評(píng)價(jià)，也更加關(guān)注系統(tǒng)后期的運(yùn)行穩(wěn)定性、自動(dòng)化控制、調(diào)試策略等方面，運(yùn)行管理這一指標(biāo)在近幾年的文獻(xiàn)里都成為了評(píng)價(jià)冷熱源方案的重要考核指標(biāo)[17-21，23]。綜合以上對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)展進(jìn)程的梳理，筆者總結(jié)了可能影響冷熱源方案選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如下圖2所示。通過(guò)對(duì)指標(biāo)層權(quán)重值的統(tǒng)計(jì)，分析得到19篇文獻(xiàn)里對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行冷熱源方案選擇時(shí)有15篇文獻(xiàn)都把經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)視為最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，僅有文獻(xiàn)[14]更看重社會(huì)效益（一次能耗利用率），文獻(xiàn)[20，22]認(rèn)為技術(shù)條件指標(biāo)更為關(guān)鍵，上述數(shù)據(jù)說(shuō)明經(jīng)濟(jì)性還是設(shè)計(jì)師及用戶(hù)在選擇空調(diào)方案時(shí)最為關(guān)注的指標(biāo)，其次分別為技術(shù)條件>社會(huì)效益>環(huán)境影響。

2.3 層次分析法應(yīng)用及存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的梳理，發(fā)現(xiàn)層次分析法雖然能把定性指標(biāo)與定量指標(biāo)綜合考慮進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，但在使用過(guò)程中仍存在以下問(wèn)題：

（1）層次分析法中存在定量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為權(quán)重值的問(wèn)題，有部分文獻(xiàn)在對(duì)定量指標(biāo)向判斷矩陣中的分值進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，直接用的倍數(shù)轉(zhuǎn)換法，例如低溫輻射供暖地板的單位流量下的散熱量為11.4W/（kg·h-1），重力循環(huán)供暖空調(diào)為6.8W/（kg·h-1），故在熱工性能的判斷矩陣構(gòu)成過(guò)程中，低溫輻射供暖地板對(duì)重力循環(huán)供暖空調(diào)取2[24]，其轉(zhuǎn)換尺度與層次分析法中要求的1-9的打分尺度不同，對(duì)最終排序結(jié)果會(huì)有一定影響。在進(jìn)行具體量化數(shù)值歸一化處理時(shí)，可采用線性比例變換法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（2）傳統(tǒng)層次分析法的判斷矩陣定量評(píng)價(jià)值采用薩迪提出的1-9標(biāo)度方法，但筆者在實(shí)際計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于考慮因素的多樣性，決策者很難用1-9標(biāo)度來(lái)刻畫(huà)各個(gè)元素的相對(duì)重要程度，如某個(gè)因素比另一個(gè)因素重要得多，決策者在標(biāo)度5和7之間做出選擇相當(dāng)困難，特別是當(dāng)同一層上的因素較多時(shí)，較容易做出混亂和矛盾的判斷，這樣判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)就無(wú)法通過(guò)，必須憑著大致的估計(jì)來(lái)調(diào)整判斷矩陣，有時(shí)需要多次調(diào)整才能通過(guò)一致性檢驗(yàn)，帶來(lái)很大的計(jì)算工作量，蔣華在2005年提出一種改進(jìn)的層次分析法——三標(biāo)度法，利用自調(diào)節(jié)建立比較矩陣，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，使之自然滿(mǎn)足一致性要求，提高了決策的準(zhǔn)確性和效率[9]，但在后面的文獻(xiàn)中大多沿用了傳統(tǒng)的層次分析法，為了讓層次分析法能真的在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，研究者們應(yīng)思考如何讓用戶(hù)能簡(jiǎn)單快捷的做出判斷且邏輯結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)采用層次分析法進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)方案優(yōu)化的文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理，重點(diǎn)對(duì)備選方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）近20年來(lái)冷熱源的備選方案從傳統(tǒng)的電力制冷機(jī)組+鍋爐的形式已經(jīng)在向空氣源熱泵、地源熱泵等清潔能源轉(zhuǎn)型，但電力制冷機(jī)組+鍋爐形式仍然是目前出現(xiàn)頻數(shù)最多的備選方案。

（2）冷熱源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)從早期僅關(guān)注經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)條件、環(huán)境影響、社會(huì)效益這四大因素，中后期提出了運(yùn)行管理指標(biāo)，表明人們不再僅關(guān)注系統(tǒng)初期的影響和效益，更加關(guān)注系統(tǒng)全生命周期的表現(xiàn)情況。

（3）通過(guò)對(duì)層次分析法本身的分析及其在文獻(xiàn)中具體案例應(yīng)用的驗(yàn)證，筆者發(fā)現(xiàn)層次分析法存在兩兩比較打分界限模糊，造成需多次調(diào)整打分才能通過(guò)一致性檢驗(yàn)的問(wèn)題，文獻(xiàn)梳理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用三標(biāo)度法不需要一致性檢驗(yàn)，可以使之自然滿(mǎn)足要求。

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