張春杰
山東力諾瑞特新能源有限公司 山東 濟(jì)南 250000
隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源可持續(xù)性的重視,空氣源熱泵等清潔能源技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。然而,由于能源系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性,如何評(píng)估空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性成了一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。PSR模型作為一種綜合評(píng)價(jià)模型,可以在考慮多因素交互作用的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)韌性進(jìn)行評(píng)估。因此,本文旨在基于PSR模型,構(gòu)建空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性評(píng)估體系,為該領(lǐng)域的研究提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
PSR模型是一種綜合評(píng)價(jià)模型,用于分析和評(píng)估系統(tǒng)的韌性。PSR模型的名稱(chēng)來(lái)源于三個(gè)基本元素:壓力(Pressure)、狀態(tài)(State)、響應(yīng)(Response)。這三個(gè)元素描述了系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制、外部環(huán)境和系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的響應(yīng)能力。PSR模型的基本思想是將系統(tǒng)看作一個(gè)整體[1],將各種因素視為相互依存、相互影響的系統(tǒng)要素,并通過(guò)對(duì)這些要素的評(píng)價(jià),得出系統(tǒng)的韌性評(píng)估結(jié)果。
PSR模型具有以下特點(diǎn)。PSR模型采用系統(tǒng)思維的方法,將系統(tǒng)看作一個(gè)整體進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);PSR模型考慮了系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)制和外部環(huán)境的影響因素,以及系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的響應(yīng)能力;PSR模型采用定量分析的方法,可以對(duì)系統(tǒng)的韌性進(jìn)行精確評(píng)估;PSR模型可適用于不同類(lèi)型的系統(tǒng),如能源系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等。
PSR模型的應(yīng)用方法主要包括以下幾個(gè)方面。對(duì)待評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行深入分析,明確系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)要素,以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的相互作用關(guān)系;針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)要素,選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),以了解各個(gè)要素的狀態(tài)和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程度[2];根據(jù)各個(gè)要素的評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得出系統(tǒng)的韌性評(píng)估結(jié)果;對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析,明確系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足之處,并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。
具體的步驟如下:明確需要進(jìn)行韌性評(píng)估的系統(tǒng)和對(duì)象;根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和評(píng)估目的,選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估;收集系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息,建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù);對(duì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理,以便進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合,得出系統(tǒng)的韌性評(píng)估結(jié)果;對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析,得出系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足之處,并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議;根據(jù)評(píng)估結(jié)果,得出結(jié)論和建議,為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供決策支持。
總之,PSR模型是一種綜合評(píng)價(jià)模型,其應(yīng)用方法和步驟主要包括系統(tǒng)分析、要素評(píng)價(jià)、綜合評(píng)價(jià)、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。通過(guò)該模型的評(píng)估,可以更好地了解系統(tǒng)的韌性和優(yōu)化方向,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
在進(jìn)行空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性評(píng)估時(shí),應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和評(píng)估目的,選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。以下是一些可能的韌性評(píng)估指標(biāo)。系統(tǒng)可靠性指系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,各個(gè)部件的可靠程度以及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用指標(biāo)包括平均故障間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間等;系統(tǒng)安全性指系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全的保障程度。常用指標(biāo)包括事故發(fā)生概率、事故后果等;系統(tǒng)適應(yīng)性指系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)外部環(huán)境變化時(shí)的適應(yīng)能力。常用指標(biāo)包括對(duì)氣候變化的適應(yīng)性、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性等;系統(tǒng)可維護(hù)性指系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和修理時(shí)的便捷程度。常用指標(biāo)包括維護(hù)成本、維護(hù)難度等;系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。常用指標(biāo)包括投資成本、能耗成本等[3]。
根據(jù)所選定的評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇相應(yīng)的評(píng)估方法進(jìn)行韌性評(píng)估。常用的評(píng)估方法包括通過(guò)對(duì)系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性、故障影響的程度、故障傳遞的路徑等進(jìn)行分析,評(píng)估系統(tǒng)的可靠性和安全性;將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,得出指標(biāo)之間的相關(guān)程度,從而評(píng)估系統(tǒng)的綜合適應(yīng)能力;通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件的失效模式和影響進(jìn)行分析,評(píng)估系統(tǒng)的可靠性和安全性;對(duì)系統(tǒng)的投資成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本進(jìn)行綜合分析,評(píng)估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。綜合運(yùn)用以上方法,可以得出空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性評(píng)估結(jié)果,并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。
(1)評(píng)估邏輯構(gòu)建
空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估邏輯構(gòu)建包括以下步驟。確定空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估的目的和范圍,包括評(píng)估的對(duì)象、評(píng)估的時(shí)間范圍等;根據(jù)評(píng)估目的和范圍,選取與韌性相關(guān)的評(píng)估指標(biāo),并確定其量化方法,如平均故障間隔時(shí)間、事故發(fā)生概率、對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力等;根據(jù)選取的評(píng)估指標(biāo),建立指標(biāo)體系和層次結(jié)構(gòu),明確各指標(biāo)之間的相互關(guān)系和影響;根據(jù)建立的指標(biāo)體系和層次結(jié)構(gòu),確定評(píng)估方法和數(shù)據(jù)來(lái)源,如實(shí)地調(diào)查、文獻(xiàn)資料、專(zhuān)家訪(fǎng)談等;按照確定的評(píng)估方法和數(shù)據(jù)來(lái)源,采集和處理評(píng)估數(shù)據(jù),獲得各指標(biāo)的具體值;根據(jù)指標(biāo)的重要性和權(quán)重,確定各指標(biāo)的權(quán)重,以反映各指標(biāo)在整個(gè)評(píng)估體系中的相對(duì)重要性;根據(jù)采集和處理的評(píng)估數(shù)據(jù),對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)栽u(píng)估空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性狀況,并提出改進(jìn)建議;將評(píng)估結(jié)果應(yīng)用于空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等環(huán)節(jié),以提高其韌性水平,并將評(píng)估體系推廣到其他綜合能源系統(tǒng)中。
(2)評(píng)估方法選取
空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估需要綜合考慮多個(gè)因素,包括系統(tǒng)的可靠性、可用性、安全性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等[4]。因此,評(píng)估方法應(yīng)該包括定量和定性方法,綜合運(yùn)用多種評(píng)估手段,以得到更加準(zhǔn)確和全面的評(píng)估結(jié)果。
定量方法可以采用統(tǒng)計(jì)分析、模型模擬、數(shù)據(jù)挖掘等方法,對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估。例如,可以通過(guò)分析系統(tǒng)故障數(shù)據(jù),計(jì)算出系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)、平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)等指標(biāo),以評(píng)估系統(tǒng)的可靠性和可用性。另外,可以采用能耗、效益等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力進(jìn)行量化評(píng)估。
定性方法可以采用專(zhuān)家評(píng)估、問(wèn)卷調(diào)查等方法,對(duì)系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性等指標(biāo)進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)。例如,可以通過(guò)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,了解用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)安全性的評(píng)價(jià),以評(píng)估系統(tǒng)的安全性。綜合運(yùn)用定量和定性方法,可以得到更加準(zhǔn)確和全面的評(píng)估結(jié)果,從而為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。
(3)評(píng)估體系適用范圍和應(yīng)用價(jià)值
評(píng)估體系適用于對(duì)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性進(jìn)行評(píng)估。其適用范圍包括不同規(guī)模和類(lèi)型的空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng),包括建筑物、工業(yè)廠(chǎng)房、公共設(shè)施等。評(píng)估體系的應(yīng)用價(jià)值在于,能夠?qū)ο到y(tǒng)的韌性進(jìn)行客觀(guān)、定量的評(píng)估,為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí),評(píng)估結(jié)果也可以為政府部門(mén)和相關(guān)利益方提供決策支持,促進(jìn)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
(1)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建依據(jù)
空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建依據(jù)包括以下幾個(gè)方面。韌性是系統(tǒng)對(duì)外界干擾、突發(fā)事件或意外情況的抵御能力,是評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全可靠性的重要指標(biāo)之一。對(duì)于空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)而言,其韌性屬性涉及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性等方面,因此需要構(gòu)建相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo);空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)受到氣候變化、負(fù)荷變化等多種因素的影響,因此需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),包括能耗、效益、負(fù)荷響應(yīng)能力、運(yùn)行靈活性等方面;對(duì)于空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)而言,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,例如《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《空氣源熱泵熱水器》等,這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供了評(píng)價(jià)指標(biāo)的一些基礎(chǔ)和參考;針對(duì)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估的研究已經(jīng)有一定的積累,包括國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)、專(zhuān)利等,這些成果提供了評(píng)價(jià)指標(biāo)的參考和借鑒。
(2)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建原則
在構(gòu)建空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系時(shí),應(yīng)遵循以下原則。評(píng)估指標(biāo)體系應(yīng)該覆蓋評(píng)估對(duì)象的各個(gè)方面,綜合考慮各種因素對(duì)系統(tǒng)韌性的影響;評(píng)估指標(biāo)體系應(yīng)該包含可以比較的指標(biāo),以便對(duì)不同系統(tǒng)或不同方案進(jìn)行評(píng)估比較;評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該具有實(shí)際可操作性,以方便系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和指標(biāo)的測(cè)量;評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該可以進(jìn)行定量或半定量的測(cè)量和評(píng)估;評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該與實(shí)際應(yīng)用相關(guān),并能提供有關(guān)系統(tǒng)韌性改進(jìn)的建議和措施;評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該具有靈活性,以適應(yīng)不同的評(píng)估目的和需求。
針對(duì)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估,可以初步篩選以下指標(biāo)。故障率和平均故障間隔時(shí)間(MTBF)指系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率和平均故障間隔時(shí)間,反映系統(tǒng)的可靠性;平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)指在發(fā)生故障后,平均修復(fù)該故障所需的時(shí)間,反映系統(tǒng)的可修復(fù)性;事故發(fā)生概率和事故后果指在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生事故的概率以及事故后果,包括人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失等,反映系統(tǒng)的安全性[5];對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力可以從能耗、效益等方面來(lái)考慮,反映系統(tǒng)的抗氣候變化能力;對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力可以從負(fù)荷響應(yīng)能力、運(yùn)行靈活性等方面來(lái)考慮,反映系統(tǒng)的抗負(fù)荷變化能力;維護(hù)成本和維護(hù)難度指維護(hù)和修理系統(tǒng)所需的費(fèi)用以及維護(hù)所需時(shí)間、技術(shù)要求等,反映系統(tǒng)的維護(hù)成本和維護(hù)難度;投資成本和能耗成本指設(shè)備和工程建設(shè)費(fèi)用以及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所需能源的成本,反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)具體情況,還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)一步添加或調(diào)整評(píng)估指標(biāo)。
(1)系統(tǒng)韌性指標(biāo)的劃分和選取
針對(duì)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)的韌性評(píng)估,需要選擇與該系統(tǒng)相關(guān)的韌性指標(biāo)。下面是一些可能的指標(biāo)。熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性包括熱泵設(shè)備的故障率、平均故障間隔時(shí)間等方面的指標(biāo);熱泵系統(tǒng)的能效表現(xiàn)包括熱泵系統(tǒng)的COP值、能量回收利用率等方面的指標(biāo);系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性指系統(tǒng)對(duì)于不同工況和環(huán)境變化的適應(yīng)能力,如對(duì)于氣候變化的適應(yīng)性、對(duì)于不同負(fù)荷需求的靈活性等;系統(tǒng)的安全性包括系統(tǒng)的安全設(shè)施和控制措施,以及應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)急預(yù)案等方面的指標(biāo);系統(tǒng)的環(huán)境影響指系統(tǒng)的環(huán)境影響和生態(tài)可持續(xù)性,如系統(tǒng)的溫室氣體排放量、噪聲污染等方面的指標(biāo);系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指系統(tǒng)的投資成本、運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本等方面的指標(biāo);系統(tǒng)的社會(huì)影響指系統(tǒng)對(duì)社會(huì)的影響,如就業(yè)創(chuàng)造、居民生活品質(zhì)提升等方面的指標(biāo)。
根據(jù)以上指標(biāo),可以進(jìn)一步將它們劃分為不同的層級(jí),如一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo),從而構(gòu)建出一個(gè)完整的評(píng)估指標(biāo)體系。
(2)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力指標(biāo)的劃分和選取
對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力是評(píng)估空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)氣候變化對(duì)系統(tǒng)影響的不同方面,可以將其分為以下幾個(gè)方面。暑熱和寒冷天氣的適應(yīng)能力包括系統(tǒng)在高溫、低溫條件下的性能表現(xiàn)和適應(yīng)措施,例如在高溫下,系統(tǒng)的制冷性能是否能夠滿(mǎn)足需求,是否存在過(guò)載運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn);在低溫下,系統(tǒng)的制熱性能是否能夠滿(mǎn)足需求,是否存在凍結(jié)等問(wèn)題;水資源供給的適應(yīng)能力包括系統(tǒng)對(duì)于水資源供應(yīng)不足或者水質(zhì)變差等情況的應(yīng)對(duì)措施,例如是否具備水循環(huán)利用的功能,是否能夠自適應(yīng)的調(diào)節(jié)水資源的使用量等;自然災(zāi)害的適應(yīng)能力包括系統(tǒng)對(duì)于洪水、臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣情況的應(yīng)對(duì)措施,例如系統(tǒng)是否具備自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能,是否具備安全防護(hù)措施等;突發(fā)事件的適應(yīng)能力包括系統(tǒng)對(duì)于停電、供電質(zhì)量下降等突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)措施,例如是否具備備用電源,是否能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自主運(yùn)行等。
因此,在評(píng)估空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性的過(guò)程中,需要考慮以上方面的因素,并結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。常用的指標(biāo)包括系統(tǒng)的制冷/制熱能力、系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)能力、水資源利用率、備用電源容量等。
(3)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力指標(biāo)的劃分和選取
針對(duì)空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)在負(fù)荷變化方面的韌性,可以考慮以下指標(biāo)的劃分和選取。系統(tǒng)負(fù)荷平衡能力指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)在面對(duì)快速負(fù)荷變化時(shí),是否能夠迅速地進(jìn)行調(diào)整,使得系統(tǒng)的負(fù)荷得到平衡,避免負(fù)荷過(guò)載或過(guò)低。衡量方法可以是通過(guò)模擬實(shí)際負(fù)荷變化情況下,系統(tǒng)的負(fù)荷平衡速度和調(diào)整能力來(lái)評(píng)估;備用能力指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)在面對(duì)負(fù)荷變化時(shí),是否有足夠的備用能力來(lái)應(yīng)對(duì)。備用能力可以是系統(tǒng)中備用熱泵或備用電源的數(shù)量和容量,或者是系統(tǒng)中其他備用能源設(shè)備的數(shù)量和容量等。衡量方法可以是通過(guò)模擬實(shí)際負(fù)荷變化情況下,系統(tǒng)備用能力的使用情況來(lái)評(píng)估;負(fù)荷柔性指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)在面對(duì)負(fù)荷變化時(shí),能否通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式來(lái)適應(yīng)負(fù)荷的變化。比如,調(diào)整熱泵運(yùn)行模式、調(diào)整儲(chǔ)能設(shè)備的放電時(shí)機(jī)等。衡量方法可以是通過(guò)模擬實(shí)際負(fù)荷變化情況下,系統(tǒng)運(yùn)行模式的靈活性和可調(diào)性來(lái)評(píng)估;儲(chǔ)能設(shè)備容量指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)中儲(chǔ)能設(shè)備的容量是否足夠應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化帶來(lái)的能源波動(dòng)。
通過(guò)本文研究,構(gòu)建了基于PSR模型的空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估體系,為研究者和從業(yè)者提供一種系統(tǒng)化、科學(xué)化的評(píng)估方法和工具,以更好地了解和評(píng)估該系統(tǒng)在面對(duì)不同壓力和挑戰(zhàn)時(shí)的韌性表現(xiàn)和潛力。在本研究中,從PSR模型的角度出發(fā),以城市更新的視角,構(gòu)建了單位制社區(qū)韌性評(píng)估指標(biāo)體系,為后續(xù)的空氣源熱泵綜合能源系統(tǒng)韌性評(píng)估提供了基礎(chǔ)和參考。