为助力解决京津冀地区民用煤污染问题,研究根据民用煤污染控制技术的特点,构建了民用煤污染控制技术评价指标体系。结合当前京津冀地区民用煤污染控制技术的推广使用情况,筛选出5种待评价技术,采用多级模糊综合评价法对待评价技术开展综合评价,研究结果显示:从经济、技术、环境3方面综合考虑,5种待评技术的优选次序为:空气源热泵、燃气壁挂炉、蓄热式电采暖、太阳能 + 空气源热泵、型煤替代,评估结果与京津冀地区实际情况相符。 The civil coal pollution in Jing-Jin-Ji area becomes a serious problem remained to be controlled and solved urgently. In order to change this terrible situation, one scientific and workable assessment indicator system is put forward coupled on the pollution characteristics of the civil coal after the field survey. In the meanwhile, it filters out five projects to be assessed finally after all civil coal pollution control technologies are investigated in study area nowadays. On this basis, five projects are evaluated comprehensively from different aspects with the fuzzy comprehensive evaluation. Results show that if it takes technology, economy and environment into account together, the preferred projects are in this order: first choice as air source heat pump, to gas hanging stove second choice, third choice as storage-type electric heating, then as air source heat pump combined with solar energy, finally as coal briquette replaced. The evaluation result is consistent to the actual situation and this assessment indicator system has a certain value for generalization. The result also reveals that under multi-constraint conditions just like technology, economy and environment, the air source heat pump is the best one. Concerning the demand of the reality, gas hanging stove and storage-type electric heating should also be considered as available technology to help solve the serious air pollution problem in study area during the heating season.
薛陈利1*,钟连红2#,闫静2
1首都师范大学资源环境与旅游学院,北京
2北京市环境保护科学研究院,北京
收稿日期:2018年10月3日;录用日期:2018年10月18日;发布日期:2018年10月25日
为助力解决京津冀地区民用煤污染问题,研究根据民用煤污染控制技术的特点,构建了民用煤污染控制技术评价指标体系。结合当前京津冀地区民用煤污染控制技术的推广使用情况,筛选出5种待评价技术,采用多级模糊综合评价法对待评价技术开展综合评价,研究结果显示:从经济、技术、环境3方面综合考虑,5种待评技术的优选次序为:空气源热泵、燃气壁挂炉、蓄热式电采暖、太阳能 + 空气源热泵、型煤替代,评估结果与京津冀地区实际情况相符。
关键词 :环境工程,民用煤污染,技术评估,模糊综合评价,隶属函数
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近年来,民用燃煤造成的大气污染问题受到社会各界普遍关注。有研究数据显示 [
1989年,我国学者汪培庄提出模糊综合评判方法。作为模糊数学的一种具体应用,它将模糊的定性评价转化为定量评价,适合各类不确定性问题的解决。其在环境技术评价方面应用广泛:孙现伟等 [
本研究依据民用煤污染特点建立了民用煤污染控制技术评估指标体系,同时在广泛调研基础上筛选出京津冀地区民用煤污染控制技术方案。采用模糊综合评价法,首次在京津冀地区对筛选出的技术从经济、技术、环境方面进行综合评价,以期在京津冀地区找出技术可行、经济合理、环境友好的技术方案,为解决该地区采暖季严峻迫切的大气污染问题建言献策。
民用煤污染控制技术主要可分为两大类:清洁能源替代技术和煤炭清洁利用技术。通过实地调研走访发现京津冀地区所采用的典型民用煤控制技术有以下几种。
在直热式电采暖技术中,京津冀地区以蓄能式电暖器的使用数量最多,北京市的核心区“煤改电”工程约涉及26.4万户,大多采用这种供暖方式,它与传统的暖器片散热方式相似,容易被使用者接受且具有蓄热功能。
在热泵技术中,地源热泵和水源热泵对面积、地质条件等有一定要求,因此推广受到制约。空气源热泵对使用条件要求不高,具有广泛推广的可行性。
太阳能联合采暖技术。京津冀地区太阳能使用条件较好但不能做到独立供暖。因此太阳能与其他清洁能源结合的组合供暖方式,如太阳能 + 空气源热泵热源、太阳能 + 电锅炉辅助热源采供暖等方式在京津冀地区可行。
在不能采用清洁能源替代的地区或清洁能源改造过渡期,采用煤炭清洁利用技术也可有效缓解民用煤污染问题。使用符合标准的清洁民用燃料并配套使用节能环保型燃煤炉具,可大幅削减颗粒物、二氧化硫、一氧化碳、挥发性有机物排放。因此在清洁能源供应不足的条件下,该技术也是有效的减排手段。
技术筛选应综合考虑京津冀地区的地域特点及经济、资源、能源等条件以及当前民用煤污染控制技术的推广使用情况。综合京津冀地区实际情况及现实条件,最终确定待评技术见表1。
在借鉴已有民用煤污染评价指标体系的基础上,结合民用煤污染控制技术的特点,确定评价指标并
序号 | 名称 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
1 | 优质型煤替代 | 适用性强 | 污染较重 |
2 | 蓄热式电暖器 | 清洁环保、运行费低 | 节能性差、电力增容费高 |
3 | 空气源热泵 | 无污染、适用性强 | 有噪声、改造难度大 |
4 | 燃气壁挂炉 | 投资小、使用方便 | 适用性差、环境友好性差 |
5 | 太阳能 + 空气源热泵 | 节能环保、运行费用低 | 投资费高、适用性差 |
表1. 待评估技术概况
建立评价指标体系。同时依据专家意见及实践情况确定了各指标权重。一级指标包括技术性能指标、经济成本指标、环境效应3类指标。其中,技术性能指标主要包括技术成熟性、稳定性、先进性、适用性、操作复杂性、设备安全性;经济成本指标包括投资成本、运行维护成本、基础设施需求、占地面积;环境效应指标包括污染物(烟尘、SO2、NOx、VOCs)去除率、节能效益和对周围环境影响(噪声、生态、报废)。民用煤污染控制技术评价指标体系及权重见表2。
模糊评价法是一种基于模糊数学理论的综合评价方法,该方法以模糊变换原理和隶属度理论为基础,是一种解决多因素影响问题的定性、定量相结合的方法。它是在综合考虑评判对象各指标,兼顾评判对象各特性、各方面因素的基础上,将各项指标进行量化处理,并根据不同指标对评判对象影响程度的大小而分配以适当的权重值,从而对各评判对象给出一个定量的宏观综合评价指标,通过对综合评价指标的比较选出最佳方案。
从京津冀地区民用煤污染控制技术评价指标体系可看出,民用煤污染控制技术的评价考虑因素众多且指标类型复杂,是定性定量指标相结合的过程,采用模糊综合评价法可对其进行较好地评估。
准则层 | 准则层权重 | 指标层 | 指标层权重 |
---|---|---|---|
技术性能指标 | 0.35 | 技术普及程度 | 0.1429 |
设备使用年限 | 0.1429 | ||
技术先进性 | 0.1429 | ||
技术升级改造性 | 0.1429 | ||
技术适用性 | 0.1429 | ||
操作复杂性 | 0.1429 | ||
设备安全性 | 0.1429 | ||
经济成本指标 | 0.2 | 投资成本 | 0.25 |
运维成本 | 0.25 | ||
基础设施需求度 | 0.25 | ||
占地面积 | 0.25 | ||
环境效应指标 | 0.45 | 烟尘去除率 | 0.1111 |
SO2去除率 | 0.1111 | ||
NOx去除率 | 0.1111 | ||
VOCs去除率 | 0.1111 | ||
节能效益 | 0.1111 | ||
可再生能源利用率 | 0.1111 | ||
运行噪声 | 0.1111 | ||
对生态环境影响 | 0.1111 | ||
废弃物对环境影响 | 0.1111 |
表2. 评价指标体系及权重
模糊综合评价过程中,先进行一级评价,即单独从经济、技术、环境对待评技术进行评价。其后在此基础上进行综合评价。一级评价中单因子评价矩阵的构造要以待评技术在各指标的实际取值情况为基础。由表1可看出,评价指标体系中既有定量指标也有定性指标,定性指标的取值无法准确描述,不能直接用于评价。对定量指标而言,由于各指标量纲间的差异,指标值直接比较没有意义,需对指标值进行量化。引入模糊数学中隶属函数的概念,对定性、定量指标值进行量化,将其值变换到可比较的范围内。隶属函数可划分为两类三种:定性指标的隶属函数又可称其为等级赋值法,定量指标的隶属函数可分为偏小型隶属函数和偏大型隶属函数。偏小型隶属函数又称为成本型隶属函数,即其值越小越好,偏大型也称效益型,取值越高越好。
定性型:
u i = x / n , 0 ≤ x ≤ n (1)
偏小型:
u i = a 2 − x a 2 − a 1 , a 1 ≤ x ≤ a 2 (2)
偏大型:
u i = x − a 1 a 2 − a 1 , a 1 ≤ x ≤ a 2 (3)
其中 u i 为第i项指标经过归一化后的取值。 a 1 , a 2 分别为隶属函数的下限值(实际取值最小值)和上限值(实际取值最大值),对不同指标而言其限值不同,可依据各指标实际取值情况确定;n是定性指标的评价等级数目,x为各方法的评价取值。
定性指标的评分标准及各待评技术指标取值情况分别见表3、表4,将其取值按式(1)完成定性指标值的量化;同时通过对专家意见的咨询及实际调研情况,收集到关键定量指标在待评估方法中的取值情况见表5。
赋值 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
---|---|---|---|---|---|
技术普及程度 | 低 | 较低 | 中 | 较高 | 高 |
技术先进性 | 差 | 较差 | 中 | 较好 | 好 |
技术升级改造性 | 差 | 较差 | 中 | 较好 | 好 |
技术适用性 | 差 | 较差 | 中 | 较好 | 好 |
操作复杂性 | 难 | 较难 | 中 | 较易 | 易 |
设备安全性 | 差 | 较差 | 中 | 较好 | 好 |
基础设施需求度 | 大 | 较大 | 中 | 较小 | 小 |
占地面积 | 大 | 较大 | 中 | 较小 | 小 |
可再生能源利用率 | 低 | 较低 | 中 | 较高 | 高 |
生态环境影响 | 大 | 较大 | 中 | 较小 | 小 |
产品报废环境影响 | 大 | 较大 | 中 | 较小 | 小 |
表3. 定性指标取值标准
技术 | 型煤替代 | 蓄热式电采暖 | 燃气壁挂炉 | 空气源热泵 | 太阳能 + 空气源热泵 |
---|---|---|---|---|---|
技术普及程度 | 高 | 较低 | 中 | 较高 | 低 |
技术先进性 | 差 | 中 | 较好 | 好 | 较好 |
技术升级改造性 | 中 | 差 | 好 | 好 | 好 |
技术适用性 | 好 | 好 | 好 | 较好 | 较好 |
操作复杂性 | 难 | 易 | 易 | 易 | 较易 |
设备安全性 | 差 | 好 | 好 | 好 | 好 |
基础设施需求度 | 小 | 大 | 大 | 较大 | 较大 |
占地面积 | 较大 | 小 | 小 | 小 | 较小 |
可再生能源利用率 | 低 | 低 | 低 | 低 | 中 |
生态环境影响 | 较大 | 小 | 较小 | 小 | 小 |
产品报废环境影响 | 小 | 小 | 小 | 较大 | 大 |
表4. 各技术定性指标取值
技术 | 型煤替代 | 蓄热式电采暖 | 燃气壁挂炉 | 空气源热泵 | 太阳能 + 空气源热泵 |
---|---|---|---|---|---|
设备使用年限(年) | 10 | 8 | 10 | 8 | 8 |
投资成本(元/m2) | 50 | 112.5 | 162.5 | 262.5 | 618.8 |
运行维护成本(元/m2∙年) | 20.21 | 37.11 | 24.67 | 14.73 | 12.51 |
烟尘去除率(%) | 92 | 100 | 100 | 100 | 100 |
SO2去除率(%) | 8 | 100 | 98 | 100 | 100 |
NOx去除率(%) | 50 | 100 | 25 | 100 | 100 |
VOCs去除率(%) | 72 | 100 | 100 | 100 | 100 |
运行噪声(db(A)) | 30 | 30 | 65 | 60 | 60 |
节能效益(COP值) | 0.7 | 1 | 0.9 | 2.8 | 2.2 |
表5. 各技术定量指标取值
从评价指标体系可看出,设备使用年限、烟尘、SO2、NOx、VOCs去除率、节能效益指标,其取值越高越好,对上述指标按式(3)进行量化;投资成本、运行维护成本、运行噪声3项指标取值越小越好,采用式(2)进行量化。综上考虑,待评技术各指标取值经隶属函数处理后结果见表6。
准则层的指标权重矩阵 W = [ 0.35 0.2 0.45 ] ,技术层指标权重矩阵 W 1 = [ 0.1429 0.1429 0.1429 0.1429 0.1429 0.1429 0.1429 ] ,经济层指标权重 W 2 = [ 0.25 0.25 0.25 0.25 ] ,环境层指标权重 W 3 = [ 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 0.1111 ]
从上述指标量化结果可构造出技术、经济、环境方面的单因子评价矩阵R1,R2,R3分别如下:
准则层 | 指标层 | 型煤替代 | 蓄热式 电采暖 | 燃气壁挂炉 | 空气源热泵 | 太阳能 + 空气源热泵 |
---|---|---|---|---|---|---|
技术指标 | 技术普及程度 | 1 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 0.2 |
设备使用年限 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
技术先进性 | 0.2 | 0.6 | 0.8 | 1 | 0.8 | |
技术升级改造性 | 0.6 | 0.2 | 1 | 1 | 1 | |
技术适用性 | 1 | 1 | 1 | 0.8 | 0.8 | |
操作复杂性 | 0.2 | 1 | 1 | 1 | 0.8 | |
设备安全性 | 0.2 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
经济指标 | 投资成本 | 1 | 0.89 | 0.8 | 0.63 | 0 |
运行维护成本 | 0.69 | 0 | 0.51 | 0.91 | 1 | |
基础设施需求度 | 1 | 0.2 | 0.2 | 0.4 | 0.4 | |
占地面积 | 0.4 | 1 | 1 | 1 | 0.8 | |
环境指标 | 烟尘去除率 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
SO2去除率 | 0 | 1 | 0.98 | 1 | 1 | |
NOx去除率 | 0.33 | 1 | 0 | 1 | 1 | |
VOCs除率 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
节能效益 | 0 | 0.14 | 0.1 | 1 | 0.71 | |
可再生能源利用率 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.6 | |
运行噪声 | 1 | 1 | 0 | 0.14 | 0.14 | |
生态环境影响 | 0.4 | 1 | 0.8 | 1 | 1 | |
产品报废环境影响 | 1 | 1 | 1 | 0.4 | 0.2 |
表6. 指标值量化结果
R 1 = [ 1 0.4 0.6 0.8 0.2 1 0 1 0 0 0.2 0.6 0.8 1 0.8 0.6 0.2 1 1 1 1 1 1 0.8 0.8 0.2 1 1 1 0.8 0.2 1 1 1 1 ] , R 2 = [ 1 0.89 0.8 0.63 0 0.69 0 0.51 0.91 1 1 0.2 0.2 0.4 0.4 0.4 1 1 1 0.8 ]
R 3 = [ 0 1 1 1 1 0 1 0.98 1 1 0.33 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0.14 0.1 1 0.71 0.2 0.2 0.2 0.2 0.6 1 1 0 0.14 0.14 0.14 1 0.8 1 1 1 1 1 0.4 0.2 ]
将技术层指标权重矩阵W1与技术层单因子评价阵R1相乘得: B 1 = W 1 ⋅ R 1 = [ 0.6 0.6 0.9143 0.8 0.6571 ] 。即单独从技术层面看各方案优选次序为:燃气壁挂炉 > 空气源热泵 > 太阳能 + 空气源热泵 > 蓄热式电采暖 = 型煤替代。技术性能最好的是燃气壁挂炉法,其次为空气源热泵,型煤替代法和蓄热式电采暖得分最低,该结论与实际情况基本一致;同理可得 B 2 = W 2 ⋅ R 2 = [ 0.7725 0.5525 0.6275 0.7350 0.5500 ] ,单独从经济角度考虑:型煤替代 > 空气源热泵 > 燃气壁挂炉 > 蓄热式电采暖 > 太阳能 + 空气源热泵,型煤替代法具有明显经济优势,而燃气壁挂炉、电采暖方式成本较高,评估结果与实际情况相符; B 3 = W 3 ⋅ R 3 = [ 0.2967 0.8156 0.5644 0.7489 0.7389 ] ,从环保角度看各方案优选次序为:蓄热式电采暖 > 空气源热泵 > 太阳能 + 空气源热泵 > 燃气壁挂炉 > 型煤替代,型煤替代法环保劣势明显,蓄热式电采暖由于没有任何排放,其环境特性得分最高,环境评估结果也具较强可信度。
将准则层的指标权重矩阵 W = [ 0.35 0.2 0.45 ] 与单因子评价矩阵R1,R2,R3组合成的矩阵R相乘得综合评价结果矩阵B。
B = W ⋅ R = [ 0.35 0.2 0.45 ] ⋅ [ 0.6 0.6 0.9143 0.8 0.6571 0.7725 0.5225 0.6275 0.7350 0.5500 0.2967 0.8156 0.5644 0.7489 0.7389 ] = [ 0.4980 0.6815 0.6995 0.7640 0.6725 ]
从技术、经济、环境三方面综合考虑,待评方案优选次序为:空气源热泵 > 燃气壁挂炉 > 蓄热式电采暖 > 太阳能 + 空气源热泵 > 型煤替代。从评价结果看,空气源热泵具有较好的发展空间,燃气壁挂炉和蓄热式电采暖评分也较高。随着京津冀地区“煤改气”、“煤改电”工作的推进,各地区对燃气、电价均有一定补贴政策,可预见这两种方案也有一定发展空间。在环保越发重要的趋势下,型煤替代法作为一种备用取暖方式应减少使用。综合评价结果与京津冀地区各技术推广使用情况基本一致,可信度较高。
在一级评价过程中,燃气壁挂炉既不具经济优势也没有环境优势,但在最终评价结果中却得分较高,主要是因为其技术得分较高且技术指标权重也较重要,综合计算后其最终得分较高。这说明了指标权重的重要性,同时也表明单从技术、经济、环境任一方面做出的评价不能准确评价各方案优劣,这体现出综合评价的客观性和科学性。
1) 在现有燃煤污染控制方案基础上,综合考虑各评价指标体系的优劣,同时结合待评技术的特点,构建了民用煤污染控制技术评价指标体系,最终评价结果与实际相符。表明该指标体系较科学、客观、合理,可用于京津冀地区民用煤污染控制技术的科学评估。
2) 在构建的评价指标体系基础上,采用模糊综合评价法可用于对环境技术评价问题进行科学决策。采用多级模糊综合评价法对京津冀民用煤污染控制技术进行综合评估,评估结果与该地区民用煤控制技术使用情况一致。在当前经济、能源、技术等条件制约下,空气源热泵是应大力推广使用的民用煤污染控制技术。
3) 要快速解决京津冀地区冬季民用煤污染问题,以选择清洁能源替代技术最为有效。从京津冀地区清洁能源的可获得性考虑,电、天然气、太阳能作为替代能源的可能性最大。根据京津冀地区的经济情况及地域特点,空气源热泵、燃气壁挂炉、蓄热式电采暖可作为广泛推广的备选技术。
本文受国家重点研发计划《居民清洁采暖示范工程经济及环境效益综合评价》(2017YFC0211406)项目资助。
薛陈利,钟连红,闫 静. 京津冀民用煤污染控制技术评估Technology Assessment on Civil Coal Pollution Control in Jing-Jin-Ji Area[J]. 环境保护前沿, 2018, 08(05): 402-410. https://doi.org/10.12677/AEP.2018.85050