張 影，刁榮丹，江秀芳，雷欣榮

(溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

1 引言

我國建筑能耗從2000～2012年增長了37%，到2050年建筑總能耗將比2012年增長70%[1,2]，近些年可再生能源建筑占據(jù)了應(yīng)用市場的很大比重[3,4]。

目前國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列可再生能源供能系統(tǒng)的研究，魯月霞等[5～7]研究了住宅屋頂太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能；Truong N L等[8～10]研究表明系統(tǒng)的整體性能尤為重要；Poppi等[11,12]研究表明電價的變化對太陽能空氣源熱泵結(jié)合系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他經(jīng)濟(jì)參數(shù)；Cai等[13]研究表明熱泵COP隨著太陽輻射照度的增加而增加；王建等[14,15]研究了集中式太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化和性能；柯光耀等[16]對不同初始溫度下的太陽能熱水系統(tǒng)的流動和傳熱性能進(jìn)行了評價。以上研究對單一可再生能源供能系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，但是并沒有將不同種類的可再生能源建筑置于相同試驗條件下，使其系統(tǒng)性能具有可比性，對不同種類供能系統(tǒng)的系統(tǒng)性能及性能參數(shù)進(jìn)行對比分析。

針對以上問題，本文參考GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》[17]在兩棟位置相鄰，結(jié)構(gòu)、體型、材料相同的教師公寓樓樓頂分別搭建空氣源熱泵熱水系統(tǒng)及緊湊式全玻璃真空管熱水系統(tǒng)試驗臺，將兩套試驗裝置置于同等試驗環(huán)境，做同周期系統(tǒng)性能試驗，對供能系統(tǒng)的系統(tǒng)性能及性能參數(shù)進(jìn)行分析，利用可拓理論分析系統(tǒng)性能影響參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，計算可再生能源供能系統(tǒng)性能參數(shù)的綜合關(guān)聯(lián)度。

2 試驗項目簡介

本項目以兩棟位置相鄰，結(jié)構(gòu)、體型、材料相同的教師公寓樓為研究對象，如圖1所示，公寓樓樓層數(shù)為11層，每層6戶，戶型為一室一廳一衛(wèi)一陽臺，建筑面積為29.2 m2，為了改善住宿條件、方便教師生活用熱水，分別在兩棟公寓樓樓頂安裝緊湊式全玻璃真空管熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，為住戶提供24 h生活熱水。

圖1 試驗教師公寓樓

3 試驗設(shè)備

采用YG-QXZ-350型自動氣象站對試驗環(huán)境下的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行全天實時監(jiān)測，包括風(fēng)速、溫度、太陽輻射、日照時數(shù)等，數(shù)據(jù)采集周期為10 min/次。將自動氣象站置于試驗公寓樓樓頂，位置高于地面1.2 m，與供能系統(tǒng)距離為2 m，附近沒有煙囪、冷卻塔或熱氣排風(fēng)扇等熱源，符合GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》[18]的規(guī)定。

試驗過程中，可再生能源系統(tǒng)利用熱水機(jī)智能管理系統(tǒng)采集機(jī)組各項數(shù)據(jù)，包括：水表讀數(shù)、電表讀數(shù)、用水量、用電量、補(bǔ)水量、耗能比、制熱量及加熱時長；并能通過參數(shù)設(shè)定機(jī)組開關(guān)機(jī)及加熱溫度；利用GPRS每2 min上傳數(shù)據(jù)至平臺，平臺至控制柜實時下傳；利用繼電器輸出220 V電信號，控制供水、補(bǔ)水、回水。

可再生能源供能系統(tǒng)中，真空管太陽能熱水系統(tǒng)共18組，規(guī)格為36支管，真空管尺寸為Φ58 mm×1800 mm，采光面積為4.46 m2；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)尺寸為800 mm×800 mm×1105 mm，太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗設(shè)備如圖2所示。

表1 可再生能源供能系統(tǒng)參數(shù)

圖2 試驗設(shè)備

4 試驗方法及原理

根據(jù)GB 50178-93《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》[19]規(guī)定溫州地區(qū)屬于Ⅲ區(qū)；根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其太陽能資源屬于資源可利用區(qū)，太陽能利用系統(tǒng)的太陽能保證率≥40%，所以在試驗公寓樓頂配置真空管太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4.1 試驗周期確定

根據(jù)全年氣象數(shù)據(jù)采集結(jié)果，2019年5月份的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如下：①21.75 ℃≤室外環(huán)境的平均溫度≤27.63 ℃；②0 m/s≤環(huán)境空氣的平均流動速率≤1.01 m/s；③太陽輻射量J分別在以下區(qū)間：J<8 MJ/(m2·d)的天數(shù)為7 d，8 MJ/(m2·d)≤J<13 MJ/(m2·d)的天數(shù)為7 d，13 MJ/(m2·d)≤J<18 MJ/(m2·d)的天數(shù)為5 d，18 MJ/(m2·d)≤J的天數(shù)12 d。

將上述數(shù)據(jù)與GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行對比，符合規(guī)定，故選取5月份為可再生能源建筑供能系統(tǒng)性能研究的試驗周期；且保證每次試驗前系統(tǒng)在平均負(fù)荷率不小于設(shè)計值50%的條件下連續(xù)運行3 d，系統(tǒng)平均負(fù)荷率不小于設(shè)計值的50%[17]。

4.2 供能系統(tǒng)耗能比分析

試驗期間，兩棟可再生能源建筑均為11層，每層6戶，平均每戶3人，其中真空管太陽能熱水系統(tǒng)為住戶提供生活熱水的系統(tǒng)得熱量相當(dāng)于加熱相同體積、質(zhì)量、溫度的水節(jié)約的電能，將單位用水量的耗電量定義為真空管太陽能熱水系統(tǒng)耗能比ηsolar；另一棟可再生能源建筑由空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為住戶提供生活熱水，同理定義空氣源熱泵熱水系統(tǒng)耗能比ηpump；將試驗期間太陽能熱水系統(tǒng)能耗比ηsolar與空氣源熱水系統(tǒng)能耗比ηpump進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱水系統(tǒng)的能耗比進(jìn)行對比

從圖3可以看出，在試驗周期的31 d內(nèi)，有25 d是太陽能熱水系統(tǒng)能耗比ηsolar>空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能耗比ηpump，兩種可再生能源供能系統(tǒng)能耗比的差值分別是△η5.1為31.20，△η5.2為87.01，△η5.3為70.94，△η5.4為74.47，△η5.5為61.47，△η5.6為29.47，△η5.7為19.64，△η5.8為9.14，△η5.9為17.60，△η5.10為19.02，△η5.11為14.27，△η5.12為31.29，△η5.13為5.50，△η5.14為72.21，△η5.15為2.24，△η5.16為22.94，△η5.17為9.65，△η5.18為17.49，△η5.21為8.87，△η5.22為5.56，△η5.23為31.11，△η5.24為55.78，△η5.25為22.78，△η5.27為5.55，△η5.30為30.23；其余時間太陽能熱水系統(tǒng)能耗solar<空氣源熱水系統(tǒng)能耗比ηpump，兩種可再生能源供能系統(tǒng)能耗比的差值分別是△η5.19為-1.80，△η5.20為-8.06，△η5.26為-15.56，△η5.28為-0.42，△η5.29為-4.78，△η5.31為-2.58。進(jìn)一步分析能耗比差值△η小于零的6 d中的系統(tǒng)性能參數(shù)，包括氣溫、輻射、日照時數(shù)、風(fēng)速與太陽能熱水系統(tǒng)及空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的進(jìn)出口水溫、太陽能熱水系統(tǒng)的出水溫度Tsout、太陽能熱水系統(tǒng)的進(jìn)水溫度Tsin、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的出水溫度Tpout、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的進(jìn)水溫度Tpin，結(jié)果如圖4所示。

(a)氣象數(shù)據(jù) (b)供能系統(tǒng)進(jìn)、出口水溫

從圖4中可以得出，試驗周期內(nèi)氣溫平均值為24.51 ℃，太陽輻射平均值為177.50 W/m2，日照時數(shù)平均值為4.76 h，風(fēng)速平均值為0.34 m/s；太陽能熱水系統(tǒng)出水溫度Tsout的平均值為52.76 ℃，太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)水溫度Tsin平均值為34.73 ℃，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)出水溫度Tpout平均值為24.93 ℃，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)水溫度Tpin平均值為37.60 ℃。由于△η5.19、△η5.20、△η5.26、△η5.28、△η5.29及△η5.31為負(fù)值，分析這6 d的天氣，為小雨或小雨轉(zhuǎn)中雨，太陽輻射分別為84.17 W/m2、86.33 W/m2、73.17 W/m2、86.29 W/m2、81.08 W/m2、83.33 W/m2，均低于月平均值177.5 W/m2，日照時長分別為2.82 h、3.20 h、4.25 h、4.63 h、3.81 h、4.41 h，均低于月平均值4.76 h。

由于太陽輻射及日照時長是影響太陽能熱水系統(tǒng)性能的重要性能參數(shù)[20]，所以在同等試驗條件下，當(dāng)太陽輻射量較低、日照時長較短時，太陽能熱水系統(tǒng)的集熱效率與集熱量均較低，則不足以提供住戶足夠的生活熱水，導(dǎo)致供能系統(tǒng)中太陽能熱水系統(tǒng)能耗比ηsolar<空氣源熱水系統(tǒng)能耗比ηpump。

5 結(jié)果與分析

熵值反映了各評價因素對決策評價提供的有用信息量的大小，如果某因素的熵值越小，則該因素提供的信息越多，權(quán)重越大。用熵權(quán)法計算可再生能源建筑供能系統(tǒng)中各指標(biāo)Cij的權(quán)重，具體計算過程[21]如下：

(1)數(shù)據(jù)矩陣:

其中Xij為第i個方案第j個指標(biāo)的數(shù)值。

(2)數(shù)據(jù)的非負(fù)數(shù)化處理。由于熵值法計算采用的是各個方案某一指標(biāo)占同一指標(biāo)值總和的比值，因此不存在量綱的影響，不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，若數(shù)據(jù)中有負(fù)數(shù)，就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行非負(fù)化處理。此外，為了避免求熵值時對數(shù)的無意義，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平移。

對于越大越好的指標(biāo)：

(1)

對于越小越好的指標(biāo)：

(2)

i=1,2，…，n;j=1,2,…,m,

為了方便起見，仍記非負(fù)化處理后的數(shù)據(jù)為Xij。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨立．

(3)計算第j項指標(biāo)下第i個方案占該指標(biāo)的比重:

(3)

(4)計算第項指標(biāo)的熵值:

(4)

式(4)中，k>0，ln為自然對數(shù)，ej≥0，式中常數(shù)k與樣本數(shù)m有關(guān)，一般令k=1/lnm，則0≤e≤1。

(5)計算第j項指標(biāo)的差異系數(shù)。對于第j項指標(biāo)，指標(biāo)值Xij的差異越大，對方案評價的作用越大，熵值就越小，gj=1-ej， 則：gj越大指標(biāo)越重要。

(6)求權(quán)數(shù):

(5)

(7) 計算待評價物元關(guān)于各評價等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)。在可拓理論中，通常采用關(guān)聯(lián)函數(shù)來刻畫待評價對象各項指標(biāo)關(guān)于各評價等級的隸屬程度，其計算公式如下：

(6)

(7)

|x0ji|=|(a0ji)-b0ji)|

(8)

(9)

式中，kj(xi)為第i個評價指標(biāo)屬于第j個評價等級的關(guān)聯(lián)度；ρ(xi，x0ji)為點xi與區(qū)間x0ji的距；ρ(xi，xpi)為點xi與區(qū)間xpi的距；x0ji為區(qū)間x0ji=〈a0ji，b0ji〉的模。

(8) 確定綜合關(guān)聯(lián)度。假定第i個評價指標(biāo)ci的權(quán)重系數(shù)為ωi，則待評價對象N關(guān)于評價等級j的多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度Kj(N)為：

(10)

Kj(N)值越大，表明待評價對象N與評價等級j的關(guān)聯(lián)程度越高。maxKj(N)所對應(yīng)的評價等級即為待評價對象N所屬的類別。

(9)算法實現(xiàn)結(jié)果。分別計算太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)性能參數(shù)的分項綜合權(quán)重系數(shù)，即太陽能熱水系統(tǒng)中，系統(tǒng)出水溫度的權(quán)重系數(shù)Ws1，進(jìn)水溫度的權(quán)重系數(shù)Ws2，氣溫的權(quán)重系數(shù)Ws3，太陽輻射的權(quán)重系數(shù)Ws4，日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)Ws5；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中，系統(tǒng)出水溫度的權(quán)重系數(shù)Wp1，進(jìn)水溫度的權(quán)重系數(shù)Wp2，氣溫的權(quán)重系數(shù)Wp3，太陽輻射的權(quán)重系數(shù)Wp4，日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)Wp5，結(jié)果如表2所示。

表2 可再生能源供能系統(tǒng)參數(shù)分項綜合權(quán)重系數(shù)

通過對太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)性能的分項權(quán)重系數(shù)的計算，從表2得出。

(1)對于太陽能熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)出水溫度的權(quán)重系數(shù)Ws1為0.08，進(jìn)水溫度的權(quán)重系數(shù)Ws2為0.01，氣溫的權(quán)重系數(shù)Ws3為0.02，太陽輻射的權(quán)重系數(shù)Ws4為0.78，日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)Ws5為0.12；對于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)出水溫度的權(quán)重系數(shù)Wp1為0.08，進(jìn)水溫度的權(quán)重系數(shù)Wp2為0.01，氣溫的權(quán)重系數(shù)Wp3為0.02，太陽輻射的權(quán)重系數(shù)Wp4為0.78，日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)Wp5為0.12。

(2)對比太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的各項權(quán)重系數(shù)，得出2種供能系統(tǒng)中出水溫度、進(jìn)水溫度、氣溫、太陽輻射、日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)一一對應(yīng)相等，即在試驗條件下，2種供能系統(tǒng)性能參數(shù)具有可比性。

對太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的分項系數(shù)進(jìn)行多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度計算，結(jié)果如表3所示。

表3 可再生能源供能系統(tǒng)性能參數(shù)綜合關(guān)聯(lián)度

從表3得出，對于可再生能源建筑供能系統(tǒng)，出水溫度對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(1)為2.07，進(jìn)水溫度對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(2)為2.04，氣溫對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(3)為2.14，太陽輻射對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(4)為4.97，日照時數(shù)對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(5)為3.78。對比以上關(guān)聯(lián)系數(shù)，太陽輻射的Kj(4)最大，日照時數(shù)的Kj(5)次之，出水溫度的Kj(1)、進(jìn)水溫度的Kj(2)、氣溫的Kj(3)略??；其中出水溫度的Kj(1)與進(jìn)水溫度的Kj(2)相近，比氣溫的Kj(3)小0.07；太陽輻射的Kj(4)最大，為出水溫度的Kj(1)及進(jìn)水溫度Kj(2)的2.44倍，比日照時數(shù)的Kj(5)大1.19。

6 結(jié)論

(1)太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中，二者系統(tǒng)出水溫度的權(quán)重系數(shù)相等為0.08；系統(tǒng)進(jìn)水溫度的權(quán)重系數(shù)相等為0.01；氣溫的權(quán)重系數(shù)相等為0.02；太陽輻射的權(quán)重系數(shù)相等為0.78；日照時數(shù)的權(quán)重系數(shù)相等為0.12；所以得出，在試驗條件下，兩種供能系統(tǒng)耗能比具有可比性。

(2)對于可再生能源建筑，出水溫度對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(1)為2.07，進(jìn)水溫度對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(2)為2.04，氣溫對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(3)為2.14，太陽輻射對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(4)為4.97，日照時數(shù)對于供能系統(tǒng)性能的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(5)為3.78。對比以上關(guān)聯(lián)系數(shù)，太陽輻射的Kj(4)最大，日照時數(shù)的Kj(5)次之，出水溫度的Kj(1)、進(jìn)水溫度的Kj(2)、氣溫的Kj(3)略小；其中出水溫度的Kj(1)與進(jìn)水溫度的Kj(2)相近，比氣溫的Kj(3)小0.07；太陽輻射的Kj(4)最大，為出水溫度的Kj(1)及進(jìn)水溫度Kj(2)的2.44倍，比日照時數(shù)的Kj(5)大1.19，也就解釋了在出水溫度、進(jìn)水溫度、氣溫、太陽輻射、日照時數(shù)這5項參數(shù)中，當(dāng)太陽輻射與日照時數(shù)小于平均值時，系統(tǒng)耗能比太陽能熱水系統(tǒng)能耗比ηsolar小于與空氣源熱水系統(tǒng)能耗比ηpump，而其他參數(shù)對供能系統(tǒng)耗能比的影響并不明顯。