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一種基于RCA和TOPSIS理論的相變材料選擇方法及其應用

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-02-01

天津大學環境科學與工程學院  楊昆  朱能  常琛

       【摘  要】電采暖與相變蓄熱集成的供暖方式不僅能夠緩解燃煤鍋爐供暖帶來的環境污染問題,同時具有使用方便、靈活性強以及對電力起到“削峰填谷”的作用。在電采暖集成相變蓄熱的供暖系統中,相變材料的選擇對系統性能的影響起著至關重要的作用。為特定的應用選擇合適的相變材料是一個復雜的過程,需要考慮多種參數,為優化相變材料的選擇,提高系統性能,文本提出了一種基于序關系分析法(RCA)和TOPSIS理論的相變材料選擇方法并進行了案例分析。研究結果表明,本文提出的方法是一種簡單、實用以及有效的相變材料選擇方法,針對本文提出的案例,Ba(OH)2·8H2O是綜合性能最優的相變材料。

       【關鍵詞】電采暖,相變蓄熱,序關系分析法(RCA),TOPSIS

Abstract: The heating mode integrated with electric heating and phase change thermal storage can not only alleviate the environmental pollution caused by the coal-fired boiler for heating, but also have the function of convenient, flexibility and peak load shifting. The selection of phase change materials plays an important role in the performance of the heating system. It is a complicated process to select suitable phase change materials for specific applications. A variety of parameters should be taken into consideration. In order to optimize the selection of phase change materials and improve the performance of the heating system, a method based on rank correlation analysis (RCA) and techniques for order preference by similarity to ideal solutions (TOPSIS) theory is proposed and a case analysis is carried out. The results show that the proposed method is a simple, practical and effective method for phase change material selection. According to the case employed in this paper, Ba(OH)2·8H2O is the optimal phase change material.
Key words: electric heating, phase change thermal storage, rank correlation analysis (RCA), techniques for order preference by similarity to ideal solutions (TOPSIS)

0 引言

       近年來,持續性的重污染天氣在全國多處多次發生,而冬季燃煤供暖是造成污染天氣的重要原因之一[1]。面對日益嚴重的環境問題,從國家到地方紛紛出臺了相關的大氣污染防治規劃,其中,能源結構調整是緩解環境問題的重要舉措,作為替代燃煤供暖的措施中,“煤改氣”和“煤改電”在各地得到了不同程度的發展,但是,由于中國天然氣資源匱乏限制了“煤改氣”的發展,與此相比,電采暖與相變蓄熱集成的供暖系統有以下優點:(1)減少能源的浪費:充分利用“棄風”、“棄電”將其轉化為熱能儲存起來;(2)經濟性:能夠有效利用低谷電,不僅對電力起到“削峰填谷”的作用,同時提高了系統的經濟性;(3)環保性:電采暖(地/空氣源熱泵、電鍋爐等)與燃煤、燃氣鍋爐供暖相比具有較好的環境性能。鑒于此,對電采暖與相變蓄熱集成的供暖方式的研究具有重要意義,其中,相變蓄熱裝置的性能是影響整個系統運行的關鍵,而合適的相變蓄熱材料在提高相變蓄熱裝置的性能上扮演著十分重要的角色,因此,通過一種簡單有效的方法在眾多備選材料中選擇針對特定項目的最優相變材料是系統成功運行的前提。

       相變材料的選擇是一個復雜的過程,需要綜合考慮各方面的因素,通常情況下,選擇各方面都最優的相變材料是相當困難的,一般是綜合考慮相變材料各方面的性能后做出折衷的選擇。目前,針對相變材料選擇方法的研究比較少,主要包括Ashby方法,多目標評價法等。其中,Ashby方法受對比參數的限制通常用在相變材料的初選階段[2]。而多目標評價方法應用較多,主要包括AHP[3],TOPSIS[4],VIKOR[5],COPRAS[6]等。但是,上述文獻在綜合評價相變材料時,只考慮了相變材料的部分特性,缺乏對相變材料的綜合性能的評價研究,本文在前人研究的基礎上,建立了相變材料的綜合評價指標體系,設計了一種基于RCA和TOPSIS理論的相變材料選擇方法,為相變材料的優化選擇提供參考。

1 研究方法

       1.1 權重確定方法:序關系分析法(RCA)

       序關系分析法(rank correlation analysis, RCA)是東北大學郭亞軍教授通過對層次分析法(AHP)進行改進而提出來的,具有過程清晰明確,方法簡單實用,同時無需判斷矩陣和一致性檢驗,能夠簡化計算過程的優點[7, 8]。RCA的主要步驟可表示為:

       (1)確定序關系

       假設相變蓄熱材料選擇的方案集為:A={A1,A2,…,An},用于綜合評價相變蓄熱材料屬性的指標集為:X={x1,x2,…,xm}。若指標xi相對于某評價目標的重要程度不劣于xj時,則表示為xi>xj,若指標x1,x2,…,xm相對于某評價目標具有關系式:xi>xl…>xk>…>xm(i,l…k=1,2,…m),則稱評價指標x1,x2,…,xm按“>”確定了序關系。

       (2)確定相鄰評價指標間的重要程度

       相鄰評價指標間的重要程度可用下式表示:

       rk=(xk-1)/xk,k=m,m-1,m-2,…3,2.(1)

       式中,rk表示相鄰指標的相對重要程度,其取值可參照表1。

表1 相對重要程度rk賦值參考

       (3)確定權重

       根據序關系和評價指標間的相對重要度,權重系數可通過下式計算:

     

       式中,ωk是第k個評價指標的權重。

       1.2 相變材料的優化選擇方法:TOPSIS方法

       TOPSIS(Techniques for order preference by similarity to ideal solutions)是有限方案多目標決策分析中常用的一種科學方法,其評價的基本原理是:首先,根據評價指標體系的初始值得到決策矩陣;其次,參照決策矩陣,找出兩個方案,即:最理想方案和最不理想方案,并分別定義它們為正理想解和負理想解,它們的屬性值是對各個指標的最極端組合,也就是將每個方案的最優屬性值和最差屬性值分別集中到正理想解和負理想解中去;最后,分別計算各方案與最理想方案之間的正向歐氏距離以及與最不理想方案間的負向歐氏距離,最后以各方案與最理想、最不理想方案之間的貼近度來判斷各方案的優劣[6, 9]。

       TOPSIS方法的具體評價步驟可參考文獻[4]。

2 案例及相變材料

       以電采暖集成相變蓄熱為供暖系統,散熱器為末端形式,供水溫度為65℃左右為例,應用上述方法為其選擇合適的相變蓄熱材料。相變材料的相變溫度應與供水溫度相近,以相變溫度為唯一初選條件,列舉了可供選擇的相變材料如表2所示。

表2 相變材料預選清單

3 綜合評價指標體系

       相變材料的選擇應綜合考慮相變材料的熱力學性能、物理性能、動力學性能、化學性能以及經濟性能。相變蓄熱材料選擇的綜合評價指標體系如表3所示。

表3 相變材料選擇評價指標

       注:性質,c=定量參數,f=定性參數;▲=效益型指標,▼=成本型指標

4 分析與討論

       4.1 權重

       根據項目的實際情況和專家的意見,應用1.1部分介紹的權重確定方法,可得評價指標的權重如圖1所示。

       圖1 評價指標間的權重由圖1可得:在電采暖集成相變蓄熱的供暖系統中,相變潛熱占有最大的權重,其次為了保證較好的傳熱和較少的占地面積,相變材料的導熱系數和密度盡量較大。同時,應用于供暖系統中,材料的安全性也比較重要,主要是可燃性和毒性。本文中給定的權重,主要目的是展示方法的應用,在實際應用中,決策者應根據項目具體情況給出不同參數的權重值。

       4.2 評價指標

       從表2可知,相變材料的評價指標既有定量指標也有定性指標,因此在對相變材料進行綜合評價的過程中,需要對這些定性的評價指標進行量化。

       對于相變材料定性指標的量化,可根據有機相變材料、結晶水和鹽及混合相變材料的特性以及實際情況,由專家評議確定??蓪⒍ㄐ灾笜朔殖?1個等級,然后按照表4給出的賦值標準給出不同相變材料的對應參數的評定值。相變材料定性指標的模糊性描述和定量指標的具體數值分別如表5和表6所示。

表4 定性指標定量化標準[10]

表5 相變材料定性評價指標的模糊性描述

表6 相變材料的定量指標[11-14]

       根據公式 (效益型指標)和 (成本型指標)可將相變材料的評價指標參數規范化。評價指標的規范化結果如表7所示。

表7 評價指標規范化結果

       4.3 TOPSIS分析

       通過分析,TOPSIS的分析結果如表8所示,備選的相變蓄熱材料可根據Ki+進行排序,在本文中,相變蓄熱材料的優選順序為:M6>M8>M7>M4>M2>M3>M1>M5。所以,針對本文的案例,通過分析綜合性能最優的相變蓄熱材料為Ba(OH)2·8H2O。

表8 TOPSIS分析結果

5 結論

       1)電采暖集成相變蓄熱的供暖方式是一種優越的采暖形式,具有較好的能源性、環保性和經濟性。

       2)通過建立相變材料的綜合評價指標體系,可以全面的評價相變蓄熱材料,得到更合理的評價結果。

       3)序關系分析法(RCA)確定權重可根據項目的實際情況充分體現專家和決策者的意愿,過程清晰、明確,方法簡單。

       4)基于序關系分析法(RCA)和TOPSIS理論的相變材料優選方法是一種簡單、有效以及實用的方法;針對文中案例,Ba(OH)2·8H2O是綜合性能的最優的相變蓄熱材料。

6 參考文獻

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       備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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