引言近年来，国家对节能环保越来越重视，清洁供暖对落实国家战略发展具有重大意义[1]。随着我国清洁能源利用行业的发展，多能互补供暖系统经过各领域专家的探索，在实际工程中的应用越来越成熟。特别是在农村地区，随着建筑节能水平不断提高，适用于农村住宅的小规模、分散式的多能互补供热系统已成为暖通行业的热点之一[2]。然而近年来，行业内提出的多种耦合供暖系统形式，并没有总结耦合供暖系统的适用地区和适用条件。研究多能源互补技术匹配性、经济合理性、与节能标准匹配性等问题，进行村镇建筑多能互补系统适宜性分析总结，对提升清洁能源协调耦合利用效率具有重大意义。以6种多能互补供暖系统模拟基础数据为支撑，探究应用于农村住宅的多能互补供暖系统进行技术特性、经济特性、环境效益。共选取3个一级指标（经济特性、技术特性及环境效益）及9个二级指标（初投资、年运行费用、技术成熟度、系统安全性、系统维护方便性、二氧化硫排放量、二氧化碳排放量、氮氧化物排放量、烟尘排放量），构建多能源互补供暖系统适宜性评价指标体系。运用模糊数学综合评价法，邀请30位行业学者对评价指标权重值进行专家打分。引入优度的概念，综合考虑技术、经济、环境指标。以沈阳农村地区为例，对空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质等6种多能互补供暖系统进行适宜性评价。1农村住宅多能互补供暖形式研究2017年12月，国家发改委等十部委正式发布《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》。截至2020年，各地清洁取暖工作已有显著成效。但清洁取暖率差异较大，京津冀及周边的农村地区提高最大，然而内蒙古、新疆、宁夏等地农村清洁取暖增长率几乎为零[3]，地区经济发展水平对清洁取暖的政策落实存在限制。利用单一清洁能源供暖系统存在技术缺陷。常见的利用单一清洁能源供暖系统的优缺点如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T001表1利用单一清洁能源供暖系统的优缺点热源优点缺点空气源热泵运行成本低，占地空间小，适用性广。受气温条件限制，COP随室外温度降低而大幅度衰减，易结霜。燃气壁挂炉安装方便，初投资较低，热效率高。天然气资源紧缺，易加剧气荒现象；配套管网造价高。地源热泵系统稳定，COP高，运行成本低。初投资过高，不适合散户供暖使用。电供暖可控性强，安装方便。运行成本高，高能低用，不节能；COP难以突破。太阳能供暖环境效益、经济效益显著。受气候条件限制，单独使用不具备全天供暖条件。生物质能供暖清洁环保、经济可靠。各地区资源量差异大、不适合商品化长距离运输，需建立配套的生物质燃料加工体系。选择6种多能互补供暖系统形式进行适宜性分析。选择的多能互补供暖方案如表2所示。结合多能互补供暖系统的实际运行特点，从经济、环境、和技术等3个方面构建了评价指标体系，具体评价体系如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T002表2多能互补供暖系统供暖方案热源（优先使用）辅助热源（备用）末端送热形式方案1空气源热泵电磁能热风或热水方案2空气源热泵燃气壁挂炉热风或热水方案3太阳能电磁能低温热水方案4太阳能空气源热泵低温热水方案5太阳能燃气壁挂炉低温热水方案6太阳能生物质锅炉低温热水10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T003表3多能互补供暖系统评级体系一级指标二级指标经济特性初投资设备费安装费管网材料费年运行费用维修费用燃料费技术特性技术成熟度系统安全性系统的维护方便性环境效益二氧化硫排放量二氧化碳排放量氮氧化物排放量烟尘排放量2农村住宅多能互补供暖系统评价方法2.1模糊综合评价法选择模糊综合评价法的优势在于能够量化事物的中间过渡模糊形态，评价结果不再受控于个别参数，其结果较为精细。模糊综合评价的基本描述为：给出备择的对象集X=（x1，x2，…xt)找出评判对象的因素集U={u1， u2，…， um}和所有可能出现的评语集V={v1， v2， …， vn}，采用专家打分法或其他方法生成评判矩阵，选择适当的合成算法进行计算。2.2模糊综合评价数学模型引入一个无量纲数：优度，表示定量因素和定性因素在分析不同多能互补供暖系统中的相对优点。优度为0，表示该因素相对评价无优点；优度为1，表示该因素相对评价有100%优点。分别求出各类因素优度的加权和，加权值最大的为最优方案，从而使定量因素和定性因素结合起来评价。模糊数学综合评价数学模型为[4]：MZ=α1Mqj+α2Mhj+α3Mjj (1)式中：Mz——总优度；Mqj——第j种系统形式经济特性的优度；α1——Mqj的权值；Mhj——第j种系统形式技术特性的优度；α2——Mhj的权值；Mjj——第j种系统形式环境效益的优度；α3——Mjj的权值。Mqj=1Aqj∑j=1m1Aqj    ∑j=1mMqj=1 （2）式中：Aqj——第j种多能互补系统费用年值（经济特性），成本类属性。Mhj1Ahj∑j=1m1Ahj   Ahj=∑j=1mαkVjk  ∑j=1mMhj=1 （3）式中：Ahj——第j种多能互补系统技术特性评价值，收益类属性；αk——技术特性第k个因素的权值；Vjk——第j种多能互补系统技术特性第k个因素的评价值。综合评价权重值α1、α2、α3的确定：根据各因素的相对重要性，采用价值工程法，对经济特性、技术特性、环境效益等3个方面的两两重要性进行赋值。αij=1表示ui与uj同等重要；αij≥1表示ui比uj重要，值越大越重要；αij≤1表示uj比ui重要，值越小越重要。按重要程度打分，给予第k个因素适当的权值αij，根据各要素间两两重要性对比结果，运用二阶对比倒数法建立4阶对比矩阵。R=r11⋯r1k⋮⋮rk1⋯rkk （4）运用优势积累法得出经济特性、技术特性、环境效益等3个一级指标的权向量α1、α2、α3。把3个一级指标评价值和权向量代入总优度的计算式中，根据总优度Mz值的大小对不同多能互补供热方式给予评价。3实例计算分析3.1模型简介沈阳地区属于太阳能Ⅱ类寒冷地区，构建建筑面积为64.68 m2，层高3 m的一层农宅模型如图1所示。供暖期设定151天，利用DeST软件模拟得到该建筑模型在沈阳地区单位面积建筑耗热量指标为76.53 W/m2。考虑峰谷电价，设日平均电价为0.4 元/kWh，燃气价格为3.16 元/m³[5]。考虑各供暖方案所采用的设备有所不同，设定热源设备热效率为燃气壁挂炉热效率85%，空气源热泵COP为2.8，生物质炉具效率为95%，电磁能加热机组热效率为95%，对与太阳能技术耦合的供暖方案，假定沈阳地区太阳能保证率为35%[6]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.F001图1沈阳农宅典型建筑模型3.2农村住宅多能互补供暖系统经济特性分析经济特性按照全寿命周期成本进行评价，考虑供暖系统在整个寿命周期过程中投资成本及运行费用[7]。通过成本调研及能耗模拟数据计算得出沈阳农村地区多能互补供暖系统单位供暖面积费用情况，汇总数据如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.F002图2沈阳地区农宅多能互补供暖系统费用情况从图2可以看出，在单户连续供暖情况下，沈阳地区农宅多能互补供暖系统动态费用年值由高到低分别是空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质。利用建立的模糊数学模型公式（1）进行经济特性优度计算，得到空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质等6种多能互补供暖系统的经济特性优度分别为0.042、0.059、0.076、0.247、0.232、0.344。可以看出，太阳能作为主能源的多能互补供暖系统其经济优度均明显高于空气源为主能源的系统形式。在太阳能耦合其他清洁能源系统中太阳能耦合生物质系统形式的经济特性相比最优。经济特性优度反映了不同供暖形式的经济优劣性。考虑不同地区的能源单价不同，因此经济特性优度随地区能源价格波动变化较大。在不考虑资源量支撑情况下，仅从经济角度考虑，沈阳地区农宅多能互补供暖系统中太阳能耦合生物质供暖形式经济特性优度最高，其经济特性优度是最低的空气源耦合电磁能经济特性优度的8.1倍。3.3农村住宅多能互补供暖系统技术特性分析农村住宅多能互补供暖系统的技术特性考虑系统安全性、技术成熟度、系统的维护方便性等3个指标。依据专家打分法对各供暖系统的技术特性进行评价，评价结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T004表4农村住宅多能互补供暖系统技术评价系统类型技术成熟度系统的维护方便性系统安全性空气源热泵+电磁能0.70.60.9空气源热泵+燃气壁挂炉0.80.80.7太阳能+电磁能0.70.60.9太阳能+空气源热泵0.90.80.9太阳能+燃气壁挂炉0.90.80.7太阳能+生物质锅炉0.90.70.8注：0.9=很好，0.8=好，0.7=中等，0.6=一般，0.5=差。考虑农户使用的实际情况，认为技术特性二级指标重要程度依次为系统安全性、系统的维护方便性、技术成熟度。对技术特性的3个二级指标进行两两重要性对比赋值，运用二阶对比倒数法建立三阶对比矩阵。技术特性评价矩阵为：R=19/737/915/91/39/51 （5）权值集合A=（0.48，0.31，0.21）根据评语集Vjk=（0.9，0.8，0.7，0.6，0.5），通过公式（3）计算得出空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质等6种多能互补供暖系统的技术特性优度分别为0.162、0.159、0.162、0.186、0.164、0.167。太阳能耦合空气源系统形式技术特性优度最高，空气源热泵耦合燃气壁挂炉系统的技术特性优度最低。3.4村镇建筑多能互补供暖系统环境效益分析不同燃料燃烧时排放的污染物量如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T005表5不同燃料燃烧时排放的污染物量［8-9］排放污染物天然气/(kg/万m³)电/[kg/(万kWh)]生物质/(kg/t)烟尘2.401.510.67SO21.0011.930.53CO29 511.03 704.41 246.0NOx6.3028.351.35利用6种系统形式在典型建筑下的能耗数据，以及各系统使用燃料类型的污染物排放量，计算得出单位供暖面积各系统的污染物排放量。根据收益类属性邀请专家分别对6种系统形式的环境效益进行评价，汇总数据得到农村住宅多能互补供暖系统环境效益评价，如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.T006表6农村住宅多能互补供暖系统环境效益评价系统类型烟尘SO2CO2NOx空气源热泵+电磁能0.60.80.60.8空气源热泵+燃气壁挂炉0.70.70.80.7太阳能+电磁能0.60.80.70.8太阳能+空气源热泵0.70.80.70.8太阳能+燃气壁挂炉0.80.60.80.8太阳能+生物质锅炉0.90.90.90.9注：0.9=很好，0.7=中等，0.6=一般，0.5=差。环境效益评价矩阵为：R=19/75/937/917/57/35/95/715/31/33/73/51 （6）权值集合A=（0.3166，0.2833，0.2167，0.1834），根据评语集Vjk=（0.9，0.8，0.7，0.6，0.5），通过数学模型式（3）计算得出空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质等6种多能互补供暖系统的环境特性优度分别为0.153、0.161、0.158、0.165、0.164、0.199。由此可以得出对环境友好度最高的是太阳能耦合生物质能系统形式，相比之下，环境友好度最低的为空气源耦合电磁能系统形式。3.5村镇建筑多能互补供暖系统综合评价对多能互补供暖系统评价体系的3个一级指标进行重要性对比赋值。汇总专家评分数据，重要性依次为经济特性、环境效益、技术特性。根据专家评分法确定一级指标权重为A=（0.54，0.33，0.13）。利用式(1)计算得到空气源耦合电磁能、空气源耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合电磁能、太阳能耦合燃气壁挂炉、太阳能耦合空气源、太阳能耦合生物质等6种多能互补供暖系统总优度分别为：0.096、0.105、0.115、0.216、0.201、0.267。汇总各系统形式总优度如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.004.F003图3沈阳农宅多能互补供暖系统总优度太阳能耦合系统优度均高于空气源热泵耦合系统优度，在除太阳能资源欠缺区外的其他地区，选择太阳能耦合系统形式的优先值高于空气源热泵耦合系统形式。且在连续供暖情况下，太阳能耦合生物质能供暖系统形式在农村地区的适用性从经济角度以及经济、技术、环境等3个方面综合考虑均为最优选择。4结语以农村住宅的多能互补供暖系统为研究对象，结合课题研究成果[10-12]，对6种多能互补供暖系统进行技术特性、经济合理性、环境效益问题的研究分析。以沈阳地区为例，通过建立典型农宅模型，确定各系统能耗及运行成本等数据。(1) 太阳能耦合其他清洁能源供暖系统形式的优度值均高于以空气源热泵为主能源的耦合供暖系统形式，因此在除太阳能资源欠缺区外的其他地区，应优选选择以太阳能为主能源的多能互补供暖系统。(2) 在连续供暖情况下，太阳能耦合生物质能供暖系统形式在农村地区的适用性从经济角度以及经济、技术、环境三方面综合考虑都是最优选择。在当地生物质资源量较丰富时可以优先考虑。从技术特性出发，太阳能耦合空气源系统形式的技术特性优度最高。(3) 经济特性在3个一级指标中影响最大，且不同地区的能源价格差异较大，因此多能互补供暖系统的总优度在不同地区差异化较大，应根据各地能源价格具体计算各系统经济特性优度值。