基于熵權(quán)-TOPSIS法的嚴(yán)寒山地條件下冬奧臨時(shí)辦公用房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方案多目標(biāo)優(yōu)選研究*

劉慧恒 鄭佩萍 楊 暉 王聰聰 吳會(huì)軍,3 劉彥辰,3△ 郝學(xué)軍 劉 兵 楊麗修,3

(1.廣州大學(xué),廣州;2.北京建筑大學(xué),北京;3.廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州;4.北京摩盒科技有限公司,北京)

0 引言

臨時(shí)用房為大型賽事、活動(dòng)等順利舉辦提供了重要保障。集裝箱形式(采用全鋼結(jié)構(gòu))的臨時(shí)用房存在保溫隔熱效果差、冷熱負(fù)荷高的問(wèn)題[1-3]。特別地,在舉行冬季奧運(yùn)雪上比賽項(xiàng)目時(shí),低溫、暴雪、大風(fēng)等極端天氣經(jīng)常出現(xiàn)[4],賽場(chǎng)附近最低氣溫低于-25 ℃,極大風(fēng)速超過(guò)了20 m/s[5],這對(duì)保證臨時(shí)用房室內(nèi)熱環(huán)境及降低建筑能耗提出了更高的要求。良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫是保證臨時(shí)用房室內(nèi)熱環(huán)境的重要前提[6]。因此,構(gòu)造御寒防風(fēng)、低碳經(jīng)濟(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施是冬奧臨時(shí)建筑研發(fā)的重點(diǎn)技術(shù)之一。

另一方面,實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性是臨時(shí)用房建設(shè)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。集裝箱一般長(zhǎng)6 m或12 m,與普通房間尺寸類似,高度與寬度都不足3 m,作為建筑空間而言是相對(duì)低窄的,其內(nèi)部還需要進(jìn)行二次裝修,室內(nèi)空間更加有限[7]。若房間實(shí)際體積太小,易導(dǎo)致室內(nèi)人員產(chǎn)生壓抑感[8]。因此,冬奧臨時(shí)用房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方案應(yīng)盡可能減少保溫材料占用臨時(shí)用房的實(shí)用體積。除此之外,應(yīng)控制冬奧臨時(shí)用房建設(shè)成本,并重視用房的生態(tài)效益,以此減少籌辦冬奧會(huì)的資源消耗及對(duì)環(huán)境的影響,積極響應(yīng)“綠色辦奧”的理念[9-10]。

本文對(duì)冬奧山地嚴(yán)寒大風(fēng)地區(qū)臨時(shí)辦公用房的不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方案進(jìn)行了能耗模擬分析,以實(shí)用性能、保溫性能、碳排放量與經(jīng)濟(jì)效益為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用熵權(quán)-TOPSIS法進(jìn)行多目標(biāo)綜合比選,并對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)分析,為嚴(yán)寒山地大風(fēng)地區(qū)臨時(shí)用房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造決策提供技術(shù)參考。

1 研究方法

本研究以集裝箱房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層的材料類型及厚度為研究對(duì)象,選取7種常見(jiàn)保溫材料:巖棉、膨脹聚苯板(EPS)、石墨聚苯板(SEPS)、聚氨酯板(PUR)、氣凝膠氈(AIP)、真空絕熱板(VIP)和氣凝膠真空絕熱板(HVIP),保溫材料的物性參數(shù)[10]及價(jià)格(調(diào)研結(jié)果)見(jiàn)表1。利用DesignBuilder仿真軟件建立北京冬奧會(huì)(延慶賽區(qū))集裝箱辦公房熱負(fù)荷計(jì)算模型,并引入熵權(quán)-TOPSIS法對(duì)實(shí)用性能、保溫性能、碳排放量與經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)建立綜合比選模型。

表1 保溫材料的物性參數(shù)及價(jià)格

1.1 供暖熱負(fù)荷計(jì)算模型

以北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)集裝箱式臨時(shí)辦公用房為DesignBuilder能耗模擬軟件建模原型,臨時(shí)用房長(zhǎng)6.0 m、寬3.0 m、高2.9 m。窗戶和門采用雙層Low-E玻璃,太陽(yáng)得熱系數(shù)為0.43,傳熱系數(shù)為2.0 W/(m2·K)。東北墻外窗寬5.54 m、高0.90 m,西南墻外門面積為3.85 m2。外墻、屋面和地面的主體構(gòu)造和材料物性參數(shù)如表2所示。室內(nèi)、外表面換熱阻分別為0.04、0.11 m2·K/W[11]。該用房作息按照延慶賽區(qū)日程設(shè)定,人員、設(shè)備、燈光作息08:00—17:00取1,其余時(shí)間取0。室內(nèi)設(shè)備功率密度為20 W/m2,照明功率密度為4 W/m2,人員數(shù)量為4人,新風(fēng)量為30 m3/(人·h),換氣次數(shù)為0.481 h-1。房間設(shè)計(jì)供暖溫度08:00—17:00為18 ℃,07:00—08:00為12 ℃,其余時(shí)間為5 ℃。采用石墨烯加熱膜電熱墻供暖,電熱效率為0.87。

表2 臨時(shí)用房外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和材料物性參數(shù)

圖1顯示了延慶賽區(qū)2020年5月1日至2021年5月1日的逐時(shí)室外氣溫和極大風(fēng)速的變化。由圖1可以看出:延慶賽區(qū)的實(shí)測(cè)室外氣溫最低可達(dá)-39.9 ℃,全年平均值0.1 ℃;極大風(fēng)速最高可達(dá)40.2 m/s,全年平均值約12.5 m/s。因此,模擬供暖期取氣候與之相近的哈爾濱現(xiàn)行供暖期,即10月20日至次年4月20日。

圖1 延慶賽區(qū)逐時(shí)室外氣溫和極大風(fēng)速的變化

1.2 確定綜合比選指標(biāo)

以輕薄、高性能、低碳經(jīng)濟(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方案為最終目標(biāo),從臨時(shí)用房的實(shí)用功能、保溫性能、碳排放量和經(jīng)濟(jì)效益4個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)分析保溫構(gòu)造對(duì)臨時(shí)用房整體效益的定量影響,需要確定替代4個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的量化指標(biāo)。保溫層厚度依據(jù)GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[12](以下簡(jiǎn)稱《近零能耗標(biāo)準(zhǔn)》)中的傳熱系數(shù)限值確定,不同材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫層厚度不同,使得房間6個(gè)面共同影響室內(nèi)的有效空間,所以將室內(nèi)有效空間作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響房間功能實(shí)用性的量化指標(biāo);以各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)平均值(K)作為臨時(shí)用房的保溫性能指標(biāo);碳排放量計(jì)算僅考慮室內(nèi)人工熱環(huán)境營(yíng)造過(guò)程(運(yùn)營(yíng)階段)中產(chǎn)生的碳排放[13];經(jīng)濟(jì)性分析考慮保溫材料初投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用之和的年均成本,臨時(shí)用房的使用年限設(shè)定為20 a[14],運(yùn)營(yíng)成本為20 a總和折現(xiàn)值[15]。指標(biāo)計(jì)算如式(1)～(6)所示:

(1)

(2)

(3)

P2=δp2A2

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中CM為年均碳排放量,kg/(m2·a);t為臨時(shí)用房設(shè)計(jì)使用年限,a,為20 a;A1為建筑占地面積,m2,為18 m2;Er為第r年的供暖耗電量,kW·h/m2;Fr為第r年的電力碳排放因子,kg/(kW·h),取2019年數(shù)據(jù)均值0.719 9 kg/(kW·h)[16];CP為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量,kg/a,取0 kg/a;P為臨時(shí)用房的運(yùn)營(yíng)成本現(xiàn)值與保溫初投資費(fèi)用總和的年均值,元/a;P1為臨時(shí)用房的運(yùn)營(yíng)成本,元;a為貼現(xiàn)系數(shù);P2為保溫材料初投資費(fèi)用,元;p1為電價(jià),0.61元/(kW·h);δ為保溫材料厚度,m;p2為保溫材料價(jià)格,元/m3;A2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總面積,m2,為82 m2;re為涵蓋了能源價(jià)格上漲影響的市場(chǎng)利率,取3.66%[16];Kh為圍護(hù)結(jié)構(gòu)h的傳熱系數(shù),W/(m2·K);Ah為圍護(hù)結(jié)構(gòu)h的面積,m2。

1.3 多目標(biāo)方案綜合優(yōu)選:熵權(quán)-TOPSIS法

多目標(biāo)優(yōu)選實(shí)際決策時(shí),一般不追求單個(gè)指標(biāo)的最優(yōu),而是統(tǒng)籌兼顧各個(gè)指標(biāo),確保提升整體效益[17]。本文采用了多目標(biāo)綜合優(yōu)選方法:熵權(quán)-TOPSIS法。熵權(quán)法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重,一定程度消除主觀因素的影響[17-18]。TOPSIS法判斷方案的優(yōu)劣,判斷依據(jù)是比較備選方案與最優(yōu)目標(biāo)、最劣目標(biāo)的距離遠(yuǎn)近(即貼近度的大小),最優(yōu)方案是指各指標(biāo)為所有備選方案產(chǎn)生的單項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)值集合,最劣方案反之。貼近度的大小介于0～1之間,值越大,距離最劣方案越遠(yuǎn),距離最優(yōu)方案越近,表示備選方案綜合越優(yōu)[17]。熵權(quán)-TOPSIS法的計(jì)算方法[18]見(jiàn)式(7)～(18),綜合比選流程如圖2所示。本文按照保溫材料類型分組優(yōu)選出各類材料的最佳厚度方案,繼而在各保溫材料的最佳厚度方案中綜合比選材料的類型與厚度均最優(yōu)的方案。

圖2 基于熵權(quán)-TOPSIS法的集裝箱房保溫構(gòu)造綜合比選流程圖

1) 構(gòu)造原始矩陣R=[rij]m×n。

假設(shè)有m個(gè)保溫決策方案{S1,S2,…,Sm}和n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo){I1,I2,…,In}。決策方案Si關(guān)于指標(biāo)Ij的樣本屬性值為rij,1≤i≤m,1≤j≤n[18]。

2) 將R=[rij]m×n經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到?jīng)Q策矩陣A=[aij]m×n。

若Ij為效益型指標(biāo),則

(7)

式中rj為原始矩陣第j列的元素。

若Ij為成本型指標(biāo),則

(8)

3) 計(jì)算指標(biāo)Ij的特征比重pij。

(9)

4) 計(jì)算指標(biāo)Ij的熵值ej。

(10)

當(dāng)pij=0時(shí),令lnpij=0。

5) 計(jì)算指標(biāo)Ij的差異性系數(shù)gj。

gj=1-ej

(11)

gj越大,說(shuō)明該指標(biāo)越重要。

6) 確定指標(biāo)Ij的權(quán)重wj。

(12)

7) 對(duì)決策矩陣A=[aij]m×n進(jìn)行加權(quán)處理,得到綜合評(píng)價(jià)矩陣Z=[zij]m×n。

zij=aijwj

(13)

8) 確定指標(biāo)Ij的正、負(fù)理想解。

正理想解z+:

(14)

負(fù)理想解z-:

(15)

9) 計(jì)算方案Si與正、負(fù)理想解的距離。

(16)

(17)

10) 計(jì)算方案Si的貼近度Ci。

(18)

Ci越接近1,表示離負(fù)理想解越遠(yuǎn),離正理想解越近,方案Si綜合比選最優(yōu)。

2 綜合比選結(jié)果與討論

2.1 同種材料的備選方案確定

根據(jù)《近零能耗標(biāo)準(zhǔn)》,嚴(yán)寒A區(qū)乙類公共建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.10～0.20 W/(m2·K),外墻傳熱系數(shù)為0.10～0.25 W/(m2·K),地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.20～0.30 W/(m2·K)。由各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)限值可以計(jì)算出各類保溫材料的最小、最大厚度。在此基礎(chǔ)上,以1.0 m2·K/W熱阻為保溫材料的步長(zhǎng)設(shè)定依據(jù),確定同種保溫材料的不同厚度構(gòu)造方案,得到保溫材料巖棉、EPS、SEPS、PUR、AIP、VIP、HVIP的步長(zhǎng)分別為:40、35、35、25、20、10、5 mm。7種材料各有14組不同厚度的方案。

2.2 備選方案各指標(biāo)分析

圖3顯示了各種保溫材料不同厚度備選方案的指標(biāo)值變化。由圖3a可以看出,不同材料的備選方案,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)平均值在0.34 W/(m2·K)左右,是由《近零能耗標(biāo)準(zhǔn)》和保溫層厚度步長(zhǎng)決定的。由圖3b可以看出,HVIP方案的室內(nèi)有效空間體積中位值為46.95 m3,顯著優(yōu)于其他保溫材料,比最小的巖棉中位值(30.65 m3)大16.3 m3,是因?yàn)镠VIP的導(dǎo)熱系數(shù)最小(0.005 W/(m2·K)),巖棉最大(0.040 W/(m2·K)),達(dá)到同等熱阻時(shí),HVIP所需的厚度僅為巖棉的1/8,從而采用HVIP保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)更輕薄,室內(nèi)空間更大。由圖3c可以看出,HVIP方案的運(yùn)營(yíng)階段碳排放量中位值最小(122.6 kg/(m2·a)),比碳排放量中位值最大的AIP方案小10.4 kg/(m2·a)。由圖3d可以看出:巖棉方案保溫材料初投資與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用折現(xiàn)年均值的中位值最小,僅為1 910元/a;AIP方案最大,為4 510元/a。

圖3 各種保溫材料不同厚度備選方案的指標(biāo)值變化

2.3 比選最優(yōu)保溫構(gòu)造結(jié)果與分析

將7種保溫材料最優(yōu)厚度方案進(jìn)行綜合比選,得到優(yōu)選方案,見(jiàn)表3。貼近度由大到小排序?yàn)?0.783(HVIP)>0.697(SEPS)>0.677(巖棉)>0.664(EPS)>0.378(VIP)>0.267(PUR)>0.227(AIP)。方案7(HVIP)的室內(nèi)有效空間體積(47.3 m3)最大,比方案1(巖棉)大16.4 m3,實(shí)用性能較好;方案7的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為0.358 W/(m2·K),低于平均值(0.364 W/(m2·K)),保溫性能較好;方案7的運(yùn)營(yíng)階段碳排放量為127.8 kg/(m2·a),比碳排放量最大的方案5(AIP)減少了10.1%,環(huán)境效益較優(yōu)。方案1的保溫材料初投資與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用折現(xiàn)年均值最小(1 910元/a),方案5最大(3 930元/a),而方案7為2 310元/a,比7種方案的平均值(2 610元/a)小11.5%,經(jīng)濟(jì)效益處于中等偏上水平。貼近度最大的方案7相比最小的方案5,空間增加了14%,傳熱系數(shù)平均值降低了5.6%,碳排放量減少了10.1%,總成本降低了41.2%。

表3 不同類型保溫材料方案的綜合比選指標(biāo)和貼進(jìn)度

將各方案的指標(biāo)原始值(見(jiàn)表3)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]得到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值,用于繪制圖4所示的各方案的4項(xiàng)指標(biāo)比率情況,方案7的4項(xiàng)指標(biāo)總體占優(yōu),貼近度最大,表明方案7綜合效益最佳,更適用于嚴(yán)寒山地。

圖4 備選方案指標(biāo)比率情況

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)環(huán)境

實(shí)測(cè)對(duì)象為冬奧延慶賽區(qū)的實(shí)驗(yàn)房與普通房,實(shí)驗(yàn)房位于普通房的左側(cè),間距約15 cm。2個(gè)房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)除保溫層不同,其他構(gòu)造都保持一致,具體的保溫構(gòu)造與供暖方式如表4所示,其中實(shí)驗(yàn)房、普通房的外墻傳熱系數(shù)分別為0.162、0.491 W/(m2·K)。實(shí)測(cè)內(nèi)容包括臨時(shí)用房的西南墻壁面溫度與室內(nèi)溫濕度,壁面溫度測(cè)點(diǎn)距地面高1.1 m、室內(nèi)溫濕度測(cè)點(diǎn)距地面高0.4 m,實(shí)測(cè)儀器參數(shù)如表5所示。壁面溫度測(cè)試時(shí)間為2022年3月14日18:00至15日12:00,2個(gè)房間在8 h前(14日10:00)斷電,開(kāi)始進(jìn)入自然室溫狀態(tài)(無(wú)室內(nèi)熱擾)。實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫濕度測(cè)試時(shí)間為2022年2月22日00:00至3月2日00:00(共8 d),期間實(shí)驗(yàn)房墻暖供暖設(shè)定溫度為22 ℃。

表4 實(shí)驗(yàn)房與普通房保溫層構(gòu)造與供暖方式

表5 測(cè)試內(nèi)容與儀器參數(shù)

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度

圖5顯示了3月14日18:00至15日12:00臨時(shí)用房西南墻壁面溫度與室外氣溫的變化。由圖5可以看出:在14日18:00至15日06:00,實(shí)驗(yàn)房的西南墻內(nèi)壁面溫度高于普通房,最大溫差為0.7 ℃;從15日06:00起,內(nèi)壁面溫度上升,普通房逐漸高于實(shí)驗(yàn)房?？赡苁瞧胀ǚ康膰o(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)大于實(shí)驗(yàn)房,受太陽(yáng)輻射及室外氣溫上升的影響,普通房的內(nèi)壁面溫度變化明顯。在整個(gè)測(cè)試段內(nèi),實(shí)驗(yàn)房西南墻的內(nèi)外壁面最大溫差為4.4 ℃,比普通房的內(nèi)外壁面最大溫差(5.6 ℃)小1.2 ℃,可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性和保溫性能優(yōu)于普通房。

3.3 實(shí)驗(yàn)房室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[19](長(zhǎng)期逗留區(qū)域冬季舒適區(qū)溫度為18～24 ℃、相對(duì)濕度低于60%),分析了實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)熱環(huán)境,如圖6所示。從圖6可以看出,非工作時(shí)間室內(nèi)溫度都高于5 ℃,符合GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求[20];在工作時(shí)間內(nèi),室內(nèi)溫度基本為18～24 ℃,相對(duì)濕度約為22%,溫濕度達(dá)標(biāo)90%。因此,實(shí)驗(yàn)房所營(yíng)造的室內(nèi)熱環(huán)境可以滿足室內(nèi)熱舒適需求。

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)表示在工作時(shí)間段內(nèi)室驗(yàn)房的室內(nèi)溫濕度符合該熱舒適區(qū)溫濕度要求范圍的數(shù)量占總量的百分比。圖6 實(shí)驗(yàn)房室內(nèi)熱環(huán)境客觀參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于DesignBuilder熱負(fù)荷計(jì)算模型和熵權(quán)-TOPSIS法建立的綜合比選模型,以臨時(shí)用房的室內(nèi)有效空間體積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)平均值、全年運(yùn)營(yíng)碳排放量、保溫材料初投資與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用折現(xiàn)年均值分別作為用房的實(shí)用性能、保溫性能、碳排放量與經(jīng)濟(jì)效益的量化指標(biāo),進(jìn)行了嚴(yán)寒山地冬奧臨時(shí)辦公用房圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同保溫構(gòu)造綜合比選。比選結(jié)果表明,由熵權(quán)-TOPSIS法綜合比選模型所得到的全局最優(yōu)方案為:氣凝膠真空絕熱板保溫方案(外墻30 mm、地面20 mm、屋面30 mm)。該方案所構(gòu)建的臨時(shí)用房的室內(nèi)有效空間體積達(dá)47.3 m3,傳熱系數(shù)平均值為0.358 W/(m2·K),碳排放量為127.9 kg/(m2·a),年均成本為2 310元/a。結(jié)合貼近度最大(0.783)和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值占比情況可知,該方案綜合效益最佳,更適用于嚴(yán)寒山地。相比貼近度最小(0.227)的氣凝膠氈方案(外墻100 mm、地面80 mm、屋面125 mm),有效空間體積增加了14%,傳熱系數(shù)平均值降低了5.6%,碳排放量減少了10.1%,年均成本降低了41.2%。最后,本文對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用普通保溫和采用熵權(quán)-TOPSIS法比選得到的最優(yōu)保溫方案的實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析,結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)房西南墻內(nèi)外壁面的最大溫差比普通房小1.2 ℃,具有較好的熱惰性和保溫性能;實(shí)驗(yàn)房的室內(nèi)溫濕度在工作時(shí)間內(nèi)達(dá)標(biāo)率高達(dá)90%,滿足了臨時(shí)用房的室內(nèi)熱舒適需求。