灰色理論在北方農(nóng)宅空氣品質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

閆艷艷 王昭俊 劉鑫

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院

灰色理論在北方農(nóng)宅空氣品質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

閆艷艷 王昭俊 劉鑫

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院

本文針對室內(nèi)空氣品質(zhì)的系統(tǒng)特征，依據(jù)北方村鎮(zhèn)建筑的特性，確定了CO2、CO、PM2.5、NO2、SO2、NH3等6個(gè)評價(jià)指標(biāo)。結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)六棟農(nóng)宅的室內(nèi)空氣品質(zhì)指標(biāo)實(shí)測值，建立灰色系統(tǒng)綜合評價(jià)模型，通過關(guān)聯(lián)度分析，確定六棟農(nóng)宅的室內(nèi)空氣品質(zhì)優(yōu)劣等級，并展望了該評價(jià)體系應(yīng)用于綠色村鎮(zhèn)能源利用系統(tǒng)評估工作的前景。

北方農(nóng)宅 空氣品質(zhì) 灰色系統(tǒng) 關(guān)聯(lián)度 評價(jià)

0 引言

室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)是認(rèn)識(shí)室內(nèi)環(huán)境的一種科學(xué)方法。隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境提出越來越高的要求，因此室內(nèi)空氣品質(zhì)問題引起人們高度重視。人類要確定室內(nèi)空氣對生存和發(fā)展的適宜性，就必須對空氣品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)涉及室內(nèi)污染物對室內(nèi)人員的健康危害以及室內(nèi)人員的主觀反應(yīng)，兩方面的影響因素非常復(fù)雜。因此，室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)屬于多因子綜合評價(jià)范疇。灰色綜合理論應(yīng)用于“部分信息已知、部分信息未知”的多因子系統(tǒng)評價(jià)，也可應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)能源利用系統(tǒng)的評估。

1 灰色評價(jià)的數(shù)學(xué)模型

用于評價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的方法很多，選用不同的評價(jià)方法會(huì)得到不同的評價(jià)結(jié)果。關(guān)聯(lián)矩陣法與層次分析法主要應(yīng)用于系統(tǒng)多方案的排序比較[1]；模糊綜合評價(jià)法[2]應(yīng)用于系統(tǒng)整體效果的評價(jià)，但首先要確定評定集的數(shù)字化結(jié)果，為評價(jià)工作增加難度。其次，運(yùn)用模糊綜合評判計(jì)算出的綜合評定值是整個(gè)系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)果，不能針對每一指標(biāo)的好壞情況進(jìn)行判斷，一定程度上影響了系統(tǒng)改進(jìn)工作的進(jìn)展。因此，本文選擇灰色系統(tǒng)理論作為室內(nèi)空氣品質(zhì)的評估方法。

由于人們對系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)水平有限，獲取的信息具有不確定性，通常使用顏色的深淺來描述系統(tǒng)信息的完備程度?；疑到y(tǒng)理論研究的對象是“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本、貧信息、不確定”系統(tǒng)。在進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)時(shí)，取參考序列Y1，Y2，……，Ym為m個(gè)評價(jià)對象的實(shí)測值。比較序列X1，X2，……，Xn為室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)的n個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)系列，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，參考因素序列Yi，i∈M={1，2，……，m}，比較序列Xj，j∈N={1，2，……，n}，序列標(biāo)識(shí)為：

ξi,j(k)是關(guān)聯(lián)系數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體性。ri,j稱為Xj與Yi的關(guān)聯(lián)度，集中反映了所有數(shù)據(jù)點(diǎn)上的關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小。反映Xj與Yi序列曲線之間的相似程度，其值越大說明Xj與Yi之間聯(lián)系越緊密。式（5）中ρ（0< ρ

由關(guān)聯(lián)度ri,j，i∈M，j∈N組成一個(gè)m×n階關(guān)聯(lián)矩陣：

在關(guān)聯(lián)矩陣R中，每一行的元素均為某一待評價(jià)對象與不同室內(nèi)空氣品質(zhì)等級的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，最大關(guān)聯(lián)系數(shù)對應(yīng)的等級即為該對象的室內(nèi)空氣品質(zhì)的等級；R中每一列的各元素為某一室內(nèi)空氣品質(zhì)等級與相應(yīng)評價(jià)對象的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，可以通過比較任意兩行的對應(yīng)元素評價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣程度。

2 評價(jià)指標(biāo)的確定

室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)一般采用量化監(jiān)測和主觀調(diào)查相結(jié)合的方式進(jìn)行[3]。量化監(jiān)測通過直接測量室內(nèi)污染物濃度來客觀描述室內(nèi)空氣質(zhì)量，一般國際上選用CO2、CO、甲醛、可吸入顆粒物、NO2、SO2、室內(nèi)細(xì)菌總數(shù)、溫度、相對濕度、風(fēng)速、照度及噪聲共12個(gè)指標(biāo)定量反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，這些指標(biāo)可根據(jù)具體對象適當(dāng)增減；主觀調(diào)查主要利用人的感覺器官進(jìn)行描述和評判工作，一般選用室內(nèi)空氣品質(zhì)滿意程度來反映主觀評價(jià)。

目前世界上還沒有一個(gè)國家制定出一套完整的室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。日本與我國國情相近，根據(jù)我國大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-82）和一些較先進(jìn)國家與地區(qū)所建議的室內(nèi)空氣標(biāo)準(zhǔn)[4]在表1中列出一套標(biāo)準(zhǔn)建議值作為室內(nèi)空氣的品質(zhì)客觀評價(jià)指標(biāo)值。

表1 室內(nèi)空氣品質(zhì)建議標(biāo)準(zhǔn)值

在環(huán)境評價(jià)中有表2所示的室內(nèi)空氣品質(zhì)等級劃分[5]：

表2 室內(nèi)空氣品質(zhì)等級劃分

由于種類繁多，不可能對每種污染物進(jìn)行檢測，需要從中挑選有代表性的，對人體健康和舒適度有重要影響的指標(biāo)作為檢測和評估的內(nèi)容。北方村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的確定應(yīng)結(jié)合村鎮(zhèn)農(nóng)宅的建筑特點(diǎn)和用能模式。村鎮(zhèn)農(nóng)宅一般獨(dú)立門戶，建筑物建造以經(jīng)驗(yàn)為主，建筑物質(zhì)量與戶主的經(jīng)濟(jì)水平掛鉤，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫意識(shí)淡薄，冬季采暖負(fù)荷較大，農(nóng)宅采暖以土炕為主，且采暖設(shè)備與炊事設(shè)備相連接；除了電能外，村鎮(zhèn)用能模式以生物質(zhì)能和煤炭為主，秸稈柴薪的直接燃燒破壞了室內(nèi)空氣品質(zhì)，農(nóng)戶通過開窗改善空氣質(zhì)量，而開窗又加大了冷風(fēng)滲透負(fù)荷，為維持室內(nèi)舒適的熱環(huán)境，需要更多的供熱能耗，生物質(zhì)能和煤的大量燃燒加重室內(nèi)空氣污染程度，如此，惡性循環(huán)；農(nóng)宅建筑的室內(nèi)裝修簡單，故甲醛等有機(jī)物揮發(fā)物相對較少；農(nóng)戶一般在庭院內(nèi)飼養(yǎng)家禽家畜，禽畜糞便不及時(shí)清理會(huì)產(chǎn)生NH3等有害氣體。綜上分析，北方村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因素主要來自燃料燃燒和禽畜糞便不及時(shí)清理散發(fā)的有害氣體。本文選取CO2、 PM2.5、NO2、SO2、NH3、CO等6個(gè)評價(jià)指標(biāo)。參考相關(guān)室內(nèi)空氣環(huán)境規(guī)范并結(jié)合表1，確定各種評價(jià)指標(biāo)的背景值，并提出如表3的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)序列。

表3 室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)序列

3 實(shí)例

根據(jù)文獻(xiàn)[6]測得的嚴(yán)寒地區(qū)部分農(nóng)宅不同采暖方式的室內(nèi)空氣品質(zhì)實(shí)測值，對六棟建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行等級評價(jià)和優(yōu)劣排序。實(shí)測結(jié)果如表4。

表4 六棟農(nóng)宅室內(nèi)空氣品質(zhì)實(shí)測值

在灰色評價(jià)中各個(gè)評價(jià)因子含有不同的物理量，量綱不同，數(shù)值上也相差較大，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。各評價(jià)因子有很寬的數(shù)域范圍，且它們對強(qiáng)度的感覺類似噪聲一樣遵循對數(shù)關(guān)系，因此借鑒聲學(xué)研究中的處理方法，用指標(biāo)強(qiáng)度L對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因子進(jìn)行數(shù)值處理，使之能反映人體感覺的優(yōu)劣程度，便于進(jìn)行序列間的灰色關(guān)聯(lián)分析[7]。對任意評價(jià)指標(biāo)，為確定其特定的k值，需選定兩個(gè)參考點(diǎn)。并且將第一個(gè)參考點(diǎn)取各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，清潔級別的計(jì)算值取0，輕污染級別的計(jì)算值取2。無量綱處理公式如下：

式中：L為指標(biāo)強(qiáng)度；n為評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值；no為作為比較基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值（依據(jù)表3）；k為各評價(jià)指標(biāo)的常數(shù)。

表5 無量綱處理后的室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)序列

利用式（8）對表3中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和表4中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到表5、表6所示的無量綱評價(jià)序列。

表6 無量綱處理后的室內(nèi)空氣品質(zhì)實(shí)測值序列

在評價(jià)實(shí)例中，評價(jià)對象M={1，2，3，4，5，6}，評價(jià)等級N={1，2，3，4}，評價(jià)指標(biāo)U={1，2，3，4，5，6，7}，取分辨系數(shù)ρ=0.5，由表5、表6數(shù)據(jù)，依據(jù)式（3）、式（4）可求出：

再根據(jù)式（5）、式（6）、式（7）依次求出關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度，從而得出室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)聯(lián)矩陣R，如表7。

表7 室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)的關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣，可得出如下分析結(jié)論：

1）每一棟建筑最大關(guān)聯(lián)度對應(yīng)的級別即為其室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)的結(jié)果?？梢?號(hào)建筑、6號(hào)建筑屬于未污染等級；3號(hào)建筑、4號(hào)建筑屬于輕污染等級；2號(hào)建筑、5號(hào)建筑屬于重污染等級。

2）關(guān)聯(lián)矩陣中任意一個(gè)元素即反映了評價(jià)對象與某一等級的灰色關(guān)聯(lián)度。雖然1號(hào)建筑、6號(hào)建筑均屬于未污染級別，但6號(hào)建筑的清潔等級和未污染等級的關(guān)聯(lián)度比1號(hào)建筑的大，且輕污染等級和重污染等級的關(guān)聯(lián)度都比較小，說明與1號(hào)建筑相比6號(hào)建筑稍偏向清潔級別，室內(nèi)空氣品質(zhì)最優(yōu)；2號(hào)建筑和5號(hào)建筑相比，5號(hào)建筑的重污染等級關(guān)聯(lián)度較大，且清潔等級和未污染等級的關(guān)聯(lián)度較小，因此5號(hào)建筑的空氣品質(zhì)最差；3號(hào)建筑與4號(hào)建筑同屬輕污染級別，但在四個(gè)評價(jià)等級關(guān)聯(lián)度中，重污染等級關(guān)聯(lián)度僅次于輕污染等級關(guān)聯(lián)度，且3號(hào)建筑的重污染等級關(guān)聯(lián)度大于4號(hào)建筑，說明與4號(hào)建筑相比，3號(hào)建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)略差。綜合上述比較分析，六棟建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)由優(yōu)到劣的排列次序?yàn)椋?號(hào)、1號(hào)、4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、5號(hào)。

5 結(jié)論

室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因素很多，涉及多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，因此它的評價(jià)等級是一個(gè)灰色概念，本文利用灰色系統(tǒng)理論的灰色關(guān)聯(lián)分析法，依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)矩陣提供的信息，確定實(shí)例中六棟建筑的優(yōu)劣級別，并直觀反映出處于同一等級的評價(jià)對象之間的室內(nèi)空氣品質(zhì)差異。灰色評價(jià)方法計(jì)算過程簡單方便，充分利用實(shí)測數(shù)據(jù)，是多因素綜合評價(jià)體系中較優(yōu)的方法。村鎮(zhèn)建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)與農(nóng)宅的用能結(jié)構(gòu)和用能特性相關(guān)聯(lián)，因此灰色系統(tǒng)理論也可以應(yīng)用于村鎮(zhèn)能源利用系統(tǒng)的評估，該理論對綠色村鎮(zhèn)評估體系的建立具有一定的指導(dǎo)意義。

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Gre y The ory Applic a tion in Eva lua tion of Air Qua lity in Northe rn Fa rm Hous e

YAN Yan-yan,WANG Zhao-jun,LIU Xin
School of Municipal&Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology

Based on the characteristics of the northern town buildings as well as the characteristics of indoor air quality, six evaluation indexes including CO2,CO,PM2.5,NO2,SO2,NH3were chosen.Combined with indoor air quality indicators measured in six farms in cold regions,a comprehensive evaluation model of gray system was established. Through correlation analysis,indoor air quality levels of six farms were determined,and the prospects of evaluation system for green village for energy utilization were introduced.

northern towns,indoor air quality,gray system,correlation,evaluation

1003-0344（2015）05-044-4

2014-4-14

閆艷艷（1992～），女，碩士研究生；黑龍江省哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院3215（150090）；E-mail:yyy19920906@126.com

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAJ12B01）