不同热源集中供暖方式的对比研究

1 引言

随着经济的发展，能源的需求量不断增大，过度地开采和利用煤炭等化石燃料带来了诸如全球变暖、环境污染等问题，人们对石油、煤炭、天然气的贮量和可开采时限作过估算：化石燃料终将被开采殆尽，或因开采成本过高而失去开采价值，能源枯竭问题将日益严重^[1]。

新能源的开发和在供暖中的应用已是大势所趋^[2-4]，生物质具有低污染、储备量大、可再生的特点，作为可再生能源在供暖的应用中具有相当看好的前景^[5-6]。生物质固化后近似于煤，与煤相比，燃烧后生成的CO₂与生长过程中吸收的CO₂大致相等，可以实现CO₂的近零排放，其它污染物如SO₂、NO_X的排放量也大大地降低。

本文建立了西安市郊县某小区集中供暖系统模型，利用构建的数学模型，从经济、环境影响方面系统分析以天然气锅炉、煤锅炉、生物质锅炉为热源的集中供暖方式，得出生物质锅炉为热源的集中供暖是解决能源危机和改善大气污染的有效途径，对我国城镇的推广应用具有重要的现实意义。

2 模糊综合评判的基本原理与数学模型

2.1准则^[7]：

本文只考虑经济、环境影响两个方面，对集中供暖方式定量分析。最佳集中热源供暖方式是总费用年值、环境影响保持最佳的平衡。

方法是引入一个无量纲数-优度，表示评价因素在分析不同热源集中供暖方式中的相对优点，优度为0表示相对评价无优点；优度为1表示相对评价有100%的优点。分别求出评价因素优度的加权和，其中加权值最大的为最优方案，从而用定量的方法进行评价。

2.2 基本原理^[8]

模糊综合评判的基本描述为:给定一个评判对象的因素集U={u₁,u₂,…u_m},所有可能出现的评语集V={v₁,v₂,…v_n}，用比例方法生成评判矩阵，并通过合适的模糊算子进行综合评判。

（1）单因素评判

对因素集U中的因素u_i(i=1,2,…,m)作单因素评判，从因素集u_i确定该评判对象对评语v_i(j=1,2,…,n)的隶属度r_ii，从而得出第i个因素u_i的单因素评语集成r_i=(r_i1,r_i2,…,r_im)

它是评语集V上的模糊子集，也就是说，给出一个模糊值映射

u_i→f(u_i)

其中，f(u_i)=r_i=(r_i1,r_i2,…r_im)是关于因素集u_i的评语模糊向量，r_ii为关于因素u_i具有评语v_i的程度。

（2）综合评判矩阵

把这m个单因素评价集作为行即得一个总的评价矩阵

（3）因素权重值

给出权重值以表示各个因素对评判对象的影响程度不同，它是因素集U上的模糊集A=(α₁,α₂,…,α_m)。

（4）确定模糊评价模型，求出模糊综合评价

当A=(α₁,α₂,…,α_m)和综合评判矩阵R已知时，则模糊评价集合B=A◦R，“◦” 是广义模糊合成运算

即 b_i=(α_1∧r_1i)_∨(α_2∧r_2i)_∨…_∨(α_m∧r_mi)

（5）综合评判

最大隶属度原则，选择模糊综合评价集B=(b₁,b₂,…,b_m)中最大的b_i所对应的评语v_i作为评判结果。

2.3 数学模型

M_Z=α₁M_αj+α₂M_hj （1）

式中: M_Z——经济、环境因素总的优度；

M_αj——第j种热源总费用年值因素的优度；α₁——M_αj的权值；

M_hj——第j种热源环境影响因素的优度； α₂——M_hj的权值；

（1）M_αj的算法

（2）

式中：A_qj——第j种热源总费用年值；

（2） M_hj的算法

（3）

式中：A_hj——第j种热源环境因素评价值；
3 实例

3.1供暖系统模型的经济分析^[9]

表1是西安市郊县某小区集中供暖系统模型的计算费用比较表，供暖总面积为5600×10=56000m²，耗热量为270.48×10=2704.8KW，采暖热指标为48.3W/ m²，供暖模型的热网、热用户不变，只考虑热源不同，选择了三个方案。方案一：天然气锅炉为热源的集中供暖方式；方案二：煤锅炉为热源的集中供暖方式；方案三：生物质锅炉为热源的集中供暖方式。

表1 不同热源供暖年计算费用比较

项目	方案一	方案二	方案三
初投资折算值（元/（m²*年））	0.86	1.07	1.07
年运行费用（元/（m²*年））	30.75	21.14	20.54
费用年值（元/（m²*年））	31.61	22.21	21.61
初投资与费用年值比（%）	2.72	4.82	4.95
年运行与费用年值比（%）	97.28	95.18	95.05

注：（元/（m²*年）），表示每供暖年每平方米费用，收益率i=12%，计算寿命20年

用(2)式进行优度计算，从经济角度考虑，方案三是最好的，这与现实中生物质来源广、储存量大、价格相对便宜的实际情况是相符的,具体计算结果见表2。

表2 各方案经济优度比较

项目	费用年值A_qj	1÷A_qj	经济优度M_qj
方案一	39.41	0.03164	0.2574
方案二	21.21	0.04502	0.3662
方案三	17.41	0.04627	0.3764
合计	——	0.12293	1

3.2 供暖系统模型的环境分析

各种燃料燃烧时产生的污染物是不相同的，它同燃料所含的化学成分、燃烧机理、燃烧环境和燃烧效率有关，经过计算可得各供暖方案的污染物排放量，具体数值见表3。

表3 不同热源供暖方式污染物排放量单位：Kg

污染物	方案一	方案二	方案三
SO₂	0.0012	0.12	0.126
烟尘	0.0024	0.0141	0.0203
CO	0.00384	0.454	0.478
CO₂	11.42	35.31	37.08
NO_x	0.00756	0.0724	0.076
噪声	1	1.5	1.5

注：表中数据表示每供暖年每平方米燃料污染物排放量，方案二、三噪声为方案一的1.5倍

根据以上计算的数据和各定性因素的评语集V={v₁、v₂、…v_n}=（很好=0.1、好=0.2、中等=0.3、一般=0.4、差=0.5）分别对各方案影响环境的污染物给予评价，具体评价结果见表4

表4 各方案环境影响因素评价结果

项目	SO₂	烟尘	CO	CO₂	NO_x	噪声
方案一	好=0.2	好=0.2	好=0.2	好=0.2	好=0.2	好=0.2
方案二	中等=0.3	中等=0.3	中等=0.3	中等=0.3	中等=0.3	中等=0.3
方案三	好=0.2	好=0.2	好=0.2	很好=0.1	好=0.2	中等=0.3

注：生物质CO₂近零排放，评价结果升一级别

对影响环境评价的6个因素进行排序，查阅相关文献^[10]和根据地处郊县的实际，本文认为按其重要程度依次为SO₂、烟尘、CO、CO₂、NO_x、噪声。故建立总的评价矩阵为：

用优势积累法，得权向量=(0.2500,0.2167,0.1833,0.1500,0.1167,0.0833)，根据评语集V_jk=(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)用(3)式可得各方案的环境评价值，从环境角度考虑，方案三是最优的，这与生物质CO₂近零排放，其它污染物如SO₂、NO_x排放量少的实际是相符的，具体结果见表5。

表5 各方案环境因素评价比较

项目	环境评价值A_hj	1/A_hj	环境优度
方案一	0.2000	5.0000	0.3702
方案二	0.3000	3.3333	0.2468
方案三	0.1933	5.1725	0.3830
合计	——	13.5058	1

3.3 综合评判

确定经济、环境因素之间的权重值。

取

分别表示经济比环境重要的多、环境比经济重要的多、经济比环境重要、环境比经济重要、经济与环境同等重要。用(1)式进行计算，具体结果见表6。

表6 权重值不同时总优度计算结果

项目	方案一	方案二	方案三
	0.2856	0.3364	0.3780
	0.3420	0.2767	0.3813
	0.2950	0.3264	0.3786
	0.3326	0.2866	0.3808
	0.3138	0.3065	0.3797

4 结论

本文在开发和利用新能源、生物质锅炉现有的技术、社会效益的前提下，建立西安市郊县某小区集中供暖系统模型，计算经济、环境影响方面的优度值，用模糊综合评判的方法进行评判，并给予经济、环境影响方面不同的权重值表示经济与环境重要程度的不同，进行了对比论证，得到如下结论：

（1）经济重要时，即经济欠发达的城镇，取经济、环境因素之间的权重比为3、2，天然气锅炉、煤锅炉、生物质锅炉的优度分别为0.2856、0.3364、0.3780；0.2950、0.3264、0.3786。

（2）环境影响重要时，即经济发达的城镇，取经济、环境因素之间的权重比为1/3、1/2，天然气锅炉、煤锅炉、生物质锅炉的优度分别为0.3420、0.2767、0.3813；0.3326、0.2866、0.3808。

（3）经济与环境影响同等重要时，天然气锅炉、煤锅炉、生物质锅炉的优度分别为0.3138、0.3065、0.3797。

由此可见，生物质锅炉为热源的集中供暖方式取得了最好的优度，评价结果对于生物质锅炉集中供暖在我国城镇的推广应用具有重要的现实意义，生物质锅炉集中供暖是解决能源危机和改善大气污染的有效途径。

参考文献：

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[10]丁桑岚. 环境评价概论[M]. 化学工业出版社.2001,125-128.