基于模糊算法的机械供暖系统节能运行效果评价方法

卢建刚，李 波，林玥廷，李世明，龙建平，李德忠

(1.广东电网电力调度控制中心，广东 广州 510600；2.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 长沙 410007)

0 引言

能源作为社会发展的基础，其供求矛盾逐渐加重，导致社会经济的可持续发展受到限制。当前能源生产力无法与能耗提升相持平，能源供应不足显著，能效的提升可有效解决能源紧张、能源供需矛盾明显的问题[1]。

在我国较为寒冷的区域，冬季温度较低，室内热量透过各式围护结构散热至室外，为保证室内温度需要通过供暖工程为室内提供热量，该种供暖设备被称为机械供暖系统。机械供暖系统的主要组成部分包括热源、热媒输送管道以及散热配件，其可以根据热媒的性质划分为热水型、蒸汽型以及热风型，具有多种管道安装形式[2]。这种供暖系统在运行过程中能耗较高，为降低能耗提出供暖节能策略。

供暖节能策略的核心是机械供暖系统配件的升级结合节能方法，其容易在管理过程中出现疏忽发生成本提升等问题，有时会出现核心技术不适配导致供暖效率降低的局面[3]。所以对机械供暖系统的运行情况进行了解，清楚能效较为弱势的模块，设计专项节能优化策略，是当前供暖节能需要解决的最重要问题，塑造适宜的节能评价指标体系意义重大。李慧等[4]基于新风系统的运行性能构建评价指标，郭宏伟等[5]基于集热器系统的运行能效塑造评价指标体系，但是二者指标受现场条件限制可比性较差且不够严谨。本文提出基于模糊算法的机械供暖系统节能运行效果评价方法，模糊算法具有多层次、多因素且主观程度较高的特点，采用该方法结合实际供暖情况可确定具体评价指标，塑造较为客观的评价指标体系。通过本文方法可推动能源的充分应用，促进供暖行业的可持续发展，向企业管理者提供决策支持，增强其决策程度，为有关单位颁布节能规定提供依据。

1 机械供暖系统节能运行效果评价

1.1 机械供暖系统原理

机械供暖系统主要包括锅炉、输热管道、水泵、散热器、膨胀水箱和排气装置，系统总体结构如图1所示。

图1 机械循环热水供暖系统

系统通过循环水泵获取循环动力，推动系统内部水循环，在水泵进水口位置经膨胀管连接膨胀水箱，通过膨胀水箱接纳系统内部水的热胀冷缩变化，恒定系统压力令其大于大气压力以防止水泵接入口位置水汽化，采用集气罐汇聚且排空系统内的空气，层次间均衡布置散热器，通过该系统能够对所有房间的散热量进行调控[6-7]。

1.2 系统节能运行效果评价指标体系设计

采用科学的计算策略量化处理多层次、多因素且复杂程度较高的评价问题，对于机械供暖系统的节能运行效果构建适宜评价指标体系，具体如图2所示。

图2 供暖系统节能评价指标

1.3 基于模糊算法的系统节能运行效果评价体系建模

采用模糊算法构建供暖系统节能运行效果的对应评价体系模型，具体操作如下所述。

a.确定节能运行效果评价因素集。

将图2中的评价指标体系准则层分为2层，第1层次包括U1={c11,c12,c13}、U2={c21,c22,c23,c24,

c25}及U3={c31,c32,c33}，第2层次主要为U={B1,B2,B3}。

b.确定节能运行效果评价等级。

划分评价等级，得到V=(好、较好、一般、较差、差)5个等级。分析与评价因素集中所有因素ui(i=1,2,3)、vj(j=1,2,3,4,5)相对应的评价等级隶属度rij[8-10]，获取第i个因素的单因素评价结果为

ri=(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)

(1)

一般情况下，rij≥0。

归一化处理r得到

(2)

得到单因素评判矩阵为

R=(rij)nm0≤rij≤1

(3)

其中，因素集、评价集元素个数分别为n、m，i=1,…,n，j=1,…,m。

c.确定节能运行效果权重。

表1 A-B层判断矩阵

子准则层c对准则层B的比较区间数判断矩阵分别如表2、表3和表4所示。

表2 B1-c层判断矩阵

表3 B2-c层判断矩阵

表4 B3-c层判断矩阵

x-=x+(0.14,0.68,0.18)T

得到B1、B2、B3的区间数权重向量分别为：

获取子准则层c所有元素对准则层B1、B2、B3以及目标层A的权重分别为：

d.模糊合成节能运行效果指标。

基于模糊矩阵R与权重矢量W均清楚的情况模糊合成二级指标[12-13]，描述模糊算子得到

Si=Wi×Ri

(4)

应用加权平均算子展开加权平均运算得到

(5)

组合运算得到模糊综合评价矩阵为

R=[S1,S2,S3]

(6)

合成R、W得到模糊综合评价结果矢量S为

S=W×R

(7)

归一化处理得到

∑sj=1

(8)

sj为机械供暖系统节能运行效果所属评价等级vj的程度。

e.做出节能运行效果评分决策。

结合最大隶属度原则与模糊综合评价向量为不同等级分配权重向量[14]，令机械供暖系统节能运行状态获取综合评价值并获取决策。

根据最大隶属度原则，对于评价结果矢量S=[s1,s2,s3]，s内的极大sj所属vj代表系统运行效果的最适宜等级，以此作为机械供暖系统节能运行效果的评价结果。

令评价等级权重矢量W′={5,4,3,2,1}，加权求和模糊综合评价结果向量与等级权重向量内所有等级相应的权值[15]，获取所有综合评分值并按其大小展开排列做出决策。

2 仿真实验分析

以某区域机械循环供暖系统为实验对象，利用本文方法评价该系统节能运行效果，测试本文方法的评价效果。系统节能运行效果评价等级“好、较好、一般、较差、差”分别对应得分“≥95、(95，85]、(85，70]、(70，60]、<60”。

利用本文方法获取机械供暖系统节能运行效果评价指标权重与二级指标的模糊评判矩阵，获取结果如表5和表6所示。

表5 各指标权重

表6 评估得分

依据表5和表6的数据可知，利用本文方法计算该机械供暖系统节能运行效果评价结果，各一级指标的平均评估得分分别为94分、95分、98分，该机械供暖系统节能运行效果评价结果为较好。实验证明，本文方法可有效评价机械供暖系统节能运行效果。

利用本文方法评价模型预测该机械供暖系统节能运行效果，预测值与实际值间的对比结果如图3所示。

分析图3可知，采用本文方法获取的评价结果与实际评价级别基本一致，由此说明本文方法具有较好的评价结果。

图3 预测值与期望值对比

测试该机械供暖系统采用本文方法前后，其遭受攻击的次数，所得结果如图4所示。

图4 攻击测试结果

分析图4可知，采用本文方法对该机械供暖系统节能运行效果进行评价后，系统应用过程中受不同攻击类型的攻击次数明显减少，其中病毒威胁和木马攻击2种攻击类型显著减少，说明本文方法能够提升机械供暖系统的应用安全性能。原因是本文方法在进行评价过程中，考虑了多方使用者的信息安全问题以及其与管理员之间的各项沟通因素，可有效提升该系统对于不同攻击类型的防御能力。

3 结束语

本文研究基于模糊算法的机械供暖系统节能运行效果评价方法，针对所构建的评价指标体系采用模糊算法构建模糊综合评价模型，利用评价模型获取准确的评价结果，实验结果显示本文方法所构建的评价指标体系具有较高的可靠性。由于研究时间所限，本文所研究的评价方法对于样本的依赖度较高，因此在后续研究过程中，将主要针对这一问题实施优化研究，以此提升本文方法的应用效果。