基于灰色系統(tǒng)理論的居住建筑外窗節(jié)能改造方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選

馬 琰

(湖南財(cái)政經(jīng)濟(jì)學(xué)院 工程管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

居住建筑節(jié)能改造主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造，包括外墻保溫改造、外窗節(jié)能改造和屋面改造等一系列技術(shù)，而門窗較多的縫隙、所用材料的透光性和導(dǎo)熱性，使其成為隔熱保溫的薄弱部位，有關(guān)研究表明，門窗的能耗約為地面的20多倍、屋面的5倍、墻體的4倍，約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件總能耗的40%～50%，普通單層玻璃門窗的能量損失約占建筑冬季保溫或夏季降溫能耗的一半以上[1]。既然門窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中“能耗大戶”,是建筑節(jié)能的重點(diǎn)部位，那么，居住建筑節(jié)能改造應(yīng)以外窗的節(jié)能改造為重點(diǎn)。在外窗節(jié)能改造的過程中，需要綜合考慮建筑的現(xiàn)況、相關(guān)的使用要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖ卣骷皻夂蛱攸c(diǎn)，從多種改造方案中選出節(jié)能效果較好、成本相對(duì)較低、施工簡(jiǎn)便且盡可能不擾民的方案。

1 外窗節(jié)能改造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

選擇“性價(jià)比”最優(yōu)的外窗節(jié)能改造方案，需要一個(gè)合理有效的評(píng)價(jià)體系。本文以外窗功能構(gòu)造的基本構(gòu)成要素為基礎(chǔ)，結(jié)合外窗的使用功能，參照《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-93)、《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》等規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，考慮對(duì)外窗節(jié)能的要求，設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[2]見表1。

表1 居住建筑外窗節(jié)能改造方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 層次分析法基本原理

層次分析的基本思想是把復(fù)雜問題分解為若干層次，在最低層次通過兩兩對(duì)比得出各因素的權(quán)重，通過由低到高的層層分析計(jì)算，最后計(jì)算出各因素對(duì)總目標(biāo)的權(quán)數(shù)[3]。

判斷矩陣是層次分析法的核心[3]。假定以上一層的元素BK作為準(zhǔn)則，其對(duì)下一層元素C1,C2,…，Cn有支配關(guān)系，要在準(zhǔn)則Bk下按它們的相對(duì)重要性賦予C1,C2,…，Cn相應(yīng)的權(quán)重。對(duì)于n個(gè)元素來說，我們得到兩兩比較判斷矩陣C=(Cij)n×n，其中Cij表示因素i和因素j相對(duì)于目標(biāo)的重要值[4]。

一般來說，構(gòu)造的判斷矩陣如下：

BkC1C2…CnC1C11C12…C1nC2C21C22…C2n????CnCn1Cn2…Cnn

矩陣C具有如下性質(zhì)：

1)Cij>0;

2)Cij=1/Cji(i≠j);

3)Cii=1(i，j=1,2，… ，n);

4)若對(duì)于任意i,j,k均有Cij·Cjk=Cik,該矩陣為一致矩陣。

為使決策判斷定量化，形成上述判斷矩陣，常根據(jù)一定的比率標(biāo)度將判斷定量化，常用的1至9標(biāo)度法見表2[5]。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

不同階的判斷矩陣，出現(xiàn)不一致的程度會(huì)有所不同，對(duì)CI值應(yīng)有不同的要求，引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，并在表3中列出1至9階判斷矩陣對(duì)應(yīng)的RI取值。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.3 Average random consistency index

1.2 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

本文運(yùn)用層次分析法進(jìn)行權(quán)重和一致性指標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4—表7[6]。

表4 A-Bi判斷矩陣Tab.4 The judging matrix of level A-Bi

λmax=3.003 8,CI=0.001 9,RI=0.58,CR=0.003 2<0.100 0

表5 B1-C1i判斷矩陣

λmax=2,CI=0,RI=0

表6 B2-C2i判斷矩陣

λmax=2,CI=0,RI=0

表7 B3-C3i判斷矩陣

λmax=2,CI=0,RI=0

層次總排序即各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為W=(0.436, 0.145 3, 0.206 1, 0.103, 0.027 4, 0.082 2)

2 灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型

灰色關(guān)聯(lián)分析提供了一種定量分析兩因素之間相互關(guān)聯(lián)程度的方法。本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析來評(píng)價(jià)居住建筑外窗節(jié)能改造方案，基本思路是將可供選擇的外窗節(jié)能改造方案各指標(biāo)的值作為比較數(shù)列，理想方案的指標(biāo)值作為參考數(shù)列。

設(shè)xi表示第i個(gè)改造方案，x0表示理想的方案，且

xi=xi(k)k=1,2,…,n(i=1,2,…,m)

x0=x0(k)k=1,2,…,n

式中：i為待選方案的個(gè)數(shù)，k為指標(biāo)的個(gè)數(shù)，xi(k)為第i個(gè)方案的第k項(xiàng)指標(biāo)的原始值。

2.1 指標(biāo)規(guī)范化處理

當(dāng)各指標(biāo)之間因?yàn)榱烤V的差異而不具有可比性時(shí)，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，轉(zhuǎn)化的結(jié)果使其成為0,1區(qū)間內(nèi)的數(shù)。規(guī)范化處理公式為:

k=1,2,…,n

我國(guó)廉政總署可以考慮就以下若干方面的權(quán)力作出法律規(guī)定:一、接受舉報(bào)權(quán);二、調(diào)查權(quán);三、逮捕權(quán);四、搜查權(quán);五、限制轉(zhuǎn)讓(處置)財(cái)產(chǎn)權(quán);六、預(yù)審、審問、登記權(quán);七、要求交出(收繳)旅游證件權(quán);八、建議解除公職權(quán);九、采取預(yù)防措施權(quán);十、起訴權(quán);十一、審判權(quán)，等等。

k=1,2,…,n

2.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

設(shè)Δi(k)=x0(k)-xi(k)

ρ為分辨系數(shù)，ρ∈ 0,1 ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文取0.5。

從而得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

E=(ξi(k))m×n=

2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

各指標(biāo)的權(quán)重為

W=(ω1,ω2,…,ωn)

R=(r1,r2,…,rm)=WET

2.4 居住建筑外窗節(jié)能改造方案排序

依據(jù)關(guān)聯(lián)度ri(i=1,2,…,m)大小進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度的大小順序即為居住建筑外窗節(jié)能改造方案的優(yōu)劣次序。

3 應(yīng)用

本文以長(zhǎng)沙市某小區(qū)住宅樓為模擬對(duì)象，該建筑共六層，建筑面積 5 402 m2，混合結(jié)構(gòu)，建筑體形系數(shù)為0.28，層高2.85 m，南北朝向，窗墻比南向?yàn)?0.35，北向?yàn)?0.24，東、西向?yàn)?0.02，外窗總面積為580 m2，采用單層玻璃塑料門窗，保留完好，傳熱系數(shù)為6.4。

考慮到湖南地區(qū)的氣候特征等實(shí)際情況，外窗節(jié)能改造可采取的方案有：1)在不動(dòng)原窗框，不破壞窗洞口內(nèi)外裝修的基礎(chǔ)上，只更換門窗扇、五金件及玻璃；2)整窗拆換，即拆除原外窗后換新節(jié)能外窗；3)在內(nèi)窗臺(tái)有足夠空間的條件下，可直接在內(nèi)裝一層新窗。

3.1 定性指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

首先設(shè)定定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將各單項(xiàng)指標(biāo)分為優(yōu)、良、中、差四個(gè)等級(jí),每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的等級(jí)分?jǐn)?shù)范圍是(85，100] 、(70，85] 、(50，70]、 [0，50]。施工工藝難度(C12)、施工對(duì)居民生活的影響(C31)、環(huán)保性(C32)等定性指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表8—表10。

3.2 外窗改造各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值

對(duì)于定性指標(biāo)，由施工方代表、居民及有關(guān)專家組成評(píng)審團(tuán)，以問卷調(diào)查的方式讓他們綜合判斷各方案定性指標(biāo)的等級(jí),從而得到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，定量指標(biāo)的數(shù)據(jù)通過調(diào)研實(shí)測(cè)而得，結(jié)果見表11。

表8 施工工藝難度指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表9 施工對(duì)居民生活的影響指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表10 環(huán)保性指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表11 外窗節(jié)能改造方案各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值

施工過程中，外窗和墻體的銜接處理得越好，氣密性越高，而整窗拆換容易產(chǎn)生問題，因此對(duì)工藝的要求最高，難度最大；改窗扇工藝簡(jiǎn)單，少了一些步驟比如拆除窗框、開槽，所以相較于其他方案，成本最低；環(huán)保性指標(biāo)主要考慮建筑垃圾產(chǎn)生的多少，而整窗拆換會(huì)廢棄大量窗框、窗扇，不環(huán)保。

3.3 指標(biāo)規(guī)范化處理

分別對(duì)表11中各指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理，數(shù)據(jù)結(jié)果見表12。

表12 比較數(shù)列參考和參考數(shù)列值

3.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

表13 Δi(k)的計(jì)算結(jié)果

3.5 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

W=(0.436, 0.145 3, 0.206 1, 0.103, 0.027 4, 0.082 2)

R=(r1,r2,r3,r4)=WET

=( 0.668,0.419 ,0.624,0.539)

3.6 居住建筑外窗節(jié)能改造方案排序

四種改造方案的排序?yàn)椋簉1>r3>r4>r2。

通過灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)窗戶節(jié)能方案的判斷，可以看出最優(yōu)方案是方案一，它和節(jié)能效果最為明顯的方案三的差距并不大，方案二為最差方案。

4 結(jié)束語

灰色綜合評(píng)價(jià)法利用各改造方案與理想方案之間關(guān)聯(lián)度的大小對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行比較、排序，該方法對(duì)數(shù)據(jù)量的多少?zèng)]有太高的要求，計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果可靠，可以為居住建筑外窗節(jié)能改造方案的比選提供科學(xué)的決策依據(jù)。