灰色理论在空调工程方案选择中的应用

灰色理论在空调工程方案选择中的应用

灰色理论是1982年发展起来的一种新理论。它已经跨越了控制领域的技术科学学科，深入到社会的各个领域，并取得了良好的经济效益和社会效益。灰色理论认为，一个实际的系统是灰色的系统。某些信息可以已知，但有些信息不为人所知。客观系统的形象复杂，数据分散，信息不完整，但必须包含内部规律。系统中的每个元素都必须相互关联。该理论提供了一种新的统计分析方法，即灰色相关性分析。根据因素间发展趋势的相似性或差异，确定因素之间的相关性大小。它的显著优点是，样品不需要太多，数据的典型分布也不需要太多。它在多个领域得到了广泛应用，并取得了良好的效果。当人们有某一任务需要完成时,往往存在若干种可供选择的方案,这些方案虽然都可达到预期的目标,但技术与经济效果不同,人们往往希望能充分利用现有的条件,达到技术与经济总体效果最佳的方案,这就是所谓的最优化的问题.系统的优化方法很多,如线性规划法、非线性规划法、多目标决策法、模糊综合评判法,这些方法需要确定难以确定的隶属度,某一特定的函数形式,求解难度较大,其应用受到一定的限制.工程设计人员作方案选择时,迫切需要一种简单实用的方法提供理论指导,使其设计的方案达到最佳效果.空调工程中的优化内容较多,如集中空调系统制冷(热)机组优选,集中空调系统方案的优选等.笔者依据灰色理论中的灰关联分析方法,建立了通用的灰色优化的数学模型与求解方法,并开发了通用的计算机软件,通过具体实例说明了在集中空调制冷(热)机组选型中的应用.1灰色优化方法和步骤1.1计算关联度分析设有M个待选方案,每种方案有N个技术经济指标,则可构造待选方案数据序列,从此序列中选择各技术经济指标中最优的构造参考方案序列,然后应用灰关联分析数学模型将各待选方案同参考方案进行量化分析,计算出与参考方案的关联度.某一待选方案与参考方案关联度越大,说明该方案与参考方案逼近程度越大,即该方案在所有方案中最优.1.2步骤11.2.1aik设有M个待选方案,每种方案有N个技术经济指标,则待选方案数据列Ai(K)(i=1,2,3,…m;K=1,2,3,…n),人为构造的参考方案数据列为A0(k)(k=1,2,3,…n),各因素按在定量指标中选最优,定性指标中选最高分的原则进行选取.1.2.2均值化处理在灰色优化过程中,涉及到不同物理量的参比运算,须对数据进行无量纲化处理,对非时间序列,一般采用均值化处理,即:Xi(k)=Ai(k)/aver(k)(k=1,2,3,…n)(1)其中:aver(k)=1m+1∑i=0mAi(k)(k)=1m+1∑i=0mAi(k)式(1)中Xi(k)(i=1,2,3,…m;k=1,2,3,…n)为均值化处理后无量纲数据序列.1.2.3计算得到结果的三最小值的计算关联系数反映各待选方案与参考方案接近程序的分散量度用ζ0i(k)表示:ζ0i(k)=minimink|X0(k)−Xi(k)|+P×maximaxk|X0(k)−Xi(k)||X0(k)−Xi(k)|+P×maximaxk|X0(k)−Xi(k)|(2)ζ0i(k)=minimink|X0(k)-Xi(k)|+Ρ×maximaxk|X0(k)-Xi(k)||X0(k)-Xi(k)|+Ρ×maximaxk|X0(k)-Xi(k)|(2)式(2)中:minimink|X0(k)-Xi(k)|为二级最小差,即在进行|X0(k)-Xi(k)|计算所得结果的最小值;maximaxk|X0(k)-Xi(k)|为二级最大差,即在进行计算|X0(k)-Xi(k)|所得结果的最大值;|X0(k)-Xi(k)|为第K个指标,第i个待选方案与参考方案对应项值差的绝对值;P——分辨系数,一般为0.1～1.0,通常取0.5.1.2.4各方案各指标差值特征量的关联度计算关联系数是各待选方案对应的各指标间差值的反映程度为一组二维数据的集合,信息过于分散,不利于进行直观比较,故有必要将各方案所对应的指标差值特征量集中为一个值,即求其平均值,该平均值为关联度,用R(i)表示:R(i)=1n∑k=1nξ0i(k)(i=1,2,3,⋯m)(3)R(i)=1n∑k=1nξ0i(k)(i=1,2,3,⋯m)(3)1.2.5排序关系度根据式(3)的计算结果,按其值的大小进行排序,排在最前面的即为所选最优方案.2集中空调系统制热冷机组全空调系统为集中空调系统提供冷热源的制冷(热)机组有吸收式和压缩式,而吸收式制冷(热)机组又分直燃型、蒸汽型、热水型,压缩式制冷(热)机组又分活塞式、螺杆式与离心式.因集中空调系统负荷大,制冷(热)机组设备初期投资大,空调能耗在建筑的总能耗中占很大比例,空调设备一旦选用,其影响是长期的,因此,制(热)冷机组的选用须按技术的先进性,经济的合理性,安全的可靠性进行比较后确定.反映某制冷系统优劣的指标很多,如初投资、能耗、占地面积、维护管理、安全性、可靠性、对环境的影响等,因此选择集中空调系统制(热)冷机组时必须综合考虑多指标对系统的影响,选择其最优方案.某集中空调系统须选择制冷机组,要求制冷量1756kW,可供选择的制(热)冷机组有水冷离心式(+锅炉)、风冷活塞式、风冷螺杆模块式、直燃型吸收式、蒸汽型吸收式.下面运用系统灰色优化方法对这五种方案进行分析.2.1指标选择反应各方案的指标较多,笔者选取能耗、初投资、运行维护费、可靠性、占地面积、对环境的影响作评价指标.2.2应选择方案和参考方案的确定2.2.1运行能耗及运行成本各种制冷(热)机组消耗的能源主要是燃料和电力,笔者以1756kW为比较冷量,运行能耗包括平均电费(平均燃料费)等,月运行时间按400h计.平均电费考虑了机组、冷却水泵、冷却塔的耗电电费,风冷式机组只计机组的耗电电费.计费标准取工业电价0.7元/kWh,柴油价2050元/t,蒸汽价53.4元/t.2.2.2投资初期初投资方面考虑了主机、锅炉设备、水泵及附属设备购置费、城市电力增容费等,其相对价格以蒸汽型吸收式产品为基准.2.2.3运营维护成本运行维护费按月运行时间400h计的维护费用.2.2.4确定参考方案可靠性、占地面积、对环境的影响按定性指标考虑,由专家评定取值,评定标准如表1:得分越高,表示系统寿命长、可靠性高,占地面积小,对环境的影响小.其中参考方案数据列是从待选方案中选取能耗低、投资小、定性指标最优的数据构造而成,结果如表2所示:2.3计算待选方案关联系数和关联度首先根据式(1)对表2中的数据进行均值化处理,其次根据式(2)计算各待选方案的关联系数,最后根据式(3)计算出待选方案与参考方案的关联度.计算结果如表3所示:2.4排序关系度从表3计算结果可以看出,其关联度排序结果为:R(1)>R(3)>R(4)>R(2)>R(5).2.5按技术经济指标分析根据灰色优化数学模型的计算结果,在要求制冷量为1756kW,考虑上述6种因素的情况下:(1)离心式制冷机组的关联度位居第一,在电力充沛地区可作为首选产品.与其它制冷机组相比其能耗越低,且寿命长、可靠性高.随着新的制冷剂的研制开发,以及城市电力紧张状况的缓解,压缩式制冷仍有较大的发展前途.(2)风冷模块式、风冷活塞式制冷机组的关联度位居第二、第四.因此种制冷机组安装操作方便,节约用地,不用冷却水泵与冷却塔,满足了我国中小型集中空调工程对制冷设备的迫切要求,特别在我国长江流域与南方沿海地区有较大的市场前景.(3)直燃型吸收式制冷机组的关联度位居第三,在燃气、煤气充足而电力资源相对缺乏的地区,可作为待选产品.由于该产品自带燃烧室、热交换器,可实现冷热分供,设备的初投资较低,占地面积较小,对大气臭氧层无破坏作用,而且运行管理较方便,但直燃型吸收式制冷机组的能耗大、寿命较短,而且冬夏季都要运行,使用矿物燃料产生大量的CO2与NOx,对大气温室效应、酸雨作用较大,因此应尽量采用清洁能源,即以天然气代替汽油、柴油等以减少对环境造成的影响.(4)蒸汽型吸收式制冷机组与其它制冷机组相比按上述技术经济指标分析无明显优势.3多因素分析组合1集中空调制冷(热)机组选型需要考虑的因素较多,除了上述考