灰色理論在北方農宅空氣品質評價中的應用

閆艷艷 王昭俊 劉鑫

哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院

灰色理論在北方農宅空氣品質評價中的應用

閆艷艷 王昭俊 劉鑫

哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院

本文針對室內空氣品質的系統(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個評價指標。結合嚴寒地區(qū)六棟農宅的室內空氣品質指標實測值，建立灰色系統(tǒng)綜合評價模型，通過關聯(lián)度分析，確定六棟農宅的室內空氣品質優(yōu)劣等級，并展望了該評價體系應用于綠色村鎮(zhèn)能源利用系統(tǒng)評估工作的前景。

北方農宅 空氣品質 灰色系統(tǒng) 關聯(lián)度 評價

0 引言

室內空氣品質評價是認識室內環(huán)境的一種科學方法。隨著社會的進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，因此室內空氣品質問題引起人們高度重視。人類要確定室內空氣對生存和發(fā)展的適宜性，就必須對空氣品質進行評價。室內空氣品質評價涉及室內污染物對室內人員的健康危害以及室內人員的主觀反應，兩方面的影響因素非常復雜。因此，室內空氣品質評價屬于多因子綜合評價范疇?；疑C合理論應用于“部分信息已知、部分信息未知”的多因子系統(tǒng)評價，也可應用于嚴寒地區(qū)村鎮(zhèn)能源利用系統(tǒng)的評估。

1 灰色評價的數(shù)學模型

用于評價室內空氣品質的方法很多，選用不同的評價方法會得到不同的評價結果。關聯(lián)矩陣法與層次分析法主要應用于系統(tǒng)多方案的排序比較[1]；模糊綜合評價法[2]應用于系統(tǒng)整體效果的評價，但首先要確定評定集的數(shù)字化結果，為評價工作增加難度。其次，運用模糊綜合評判計算出的綜合評定值是整個系統(tǒng)的評價結果，不能針對每一指標的好壞情況進行判斷，一定程度上影響了系統(tǒng)改進工作的進展。因此，本文選擇灰色系統(tǒng)理論作為室內空氣品質的評估方法。

由于人們對系統(tǒng)的認識水平有限，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)。在進行室內空氣品質評價時，取參考序列Y1，Y2，……，Ym為m個評價對象的實測值。比較序列X1，X2，……，Xn為室內空氣品質評價的n個評價標準系列，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后，參考因素序列Yi，i∈M={1，2，……，m}，比較序列Xj，j∈N={1，2，……，n}，序列標識為：

ξi,j(k)是關聯(lián)系數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的整體性。ri,j稱為Xj與Yi的關聯(lián)度，集中反映了所有數(shù)據(jù)點上的關聯(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

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

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

2 評價指標的確定

室內空氣品質評價一般采用量化監(jiān)測和主觀調查相結合的方式進行[3]。量化監(jiān)測通過直接測量室內污染物濃度來客觀描述室內空氣質量，一般國際上選用CO2、CO、甲醛、可吸入顆粒物、NO2、SO2、室內細菌總數(shù)、溫度、相對濕度、風速、照度及噪聲共12個指標定量反映室內環(huán)境質量，這些指標可根據(jù)具體對象適當增減；主觀調查主要利用人的感覺器官進行描述和評判工作，一般選用室內空氣品質滿意程度來反映主觀評價。

目前世界上還沒有一個國家制定出一套完整的室內空氣品質標準。日本與我國國情相近，根據(jù)我國大氣環(huán)境質量標準（GB3095-82）和一些較先進國家與地區(qū)所建議的室內空氣標準[4]在表1中列出一套標準建議值作為室內空氣的品質客觀評價指標值。

表1 室內空氣品質建議標準值

在環(huán)境評價中有表2所示的室內空氣品質等級劃分[5]：

表2 室內空氣品質等級劃分

由于種類繁多，不可能對每種污染物進行檢測，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作為檢測和評估的內容。北方村鎮(zhèn)建筑室內空氣品質評價指標的確定應結合村鎮(zhèn)農宅的建筑特點和用能模式。村鎮(zhèn)農宅一般獨立門戶，建筑物建造以經(jīng)驗為主，建筑物質量與戶主的經(jīng)濟水平掛鉤，圍護結構保溫意識淡薄，冬季采暖負荷較大，農宅采暖以土炕為主，且采暖設備與炊事設備相連接；除了電能外，村鎮(zhèn)用能模式以生物質能和煤炭為主，秸稈柴薪的直接燃燒破壞了室內空氣品質，農戶通過開窗改善空氣質量，而開窗又加大了冷風滲透負荷，為維持室內舒適的熱環(huán)境，需要更多的供熱能耗，生物質能和煤的大量燃燒加重室內空氣污染程度，如此，惡性循環(huán)；農宅建筑的室內裝修簡單，故甲醛等有機物揮發(fā)物相對較少；農戶一般在庭院內飼養(yǎng)家禽家畜，禽畜糞便不及時清理會產(chǎn)生NH3等有害氣體。綜上分析，北方村鎮(zhèn)建筑室內空氣品質的影響因素主要來自燃料燃燒和禽畜糞便不及時清理散發(fā)的有害氣體。本文選取CO2、 PM2.5、NO2、SO2、NH3、CO等6個評價指標。參考相關室內空氣環(huán)境規(guī)范并結合表1，確定各種評價指標的背景值，并提出如表3的評價標準序列。

表3 室內空氣品質評價標準序列

3 實例

根據(jù)文獻[6]測得的嚴寒地區(qū)部分農宅不同采暖方式的室內空氣品質實測值，對六棟建筑的室內空氣品質進行等級評價和優(yōu)劣排序。實測結果如表4。

表4 六棟農宅室內空氣品質實測值

在灰色評價中各個評價因子含有不同的物理量，量綱不同，數(shù)值上也相差較大，應進行預處理。各評價因子有很寬的數(shù)域范圍，且它們對強度的感覺類似噪聲一樣遵循對數(shù)關系，因此借鑒聲學研究中的處理方法，用指標強度L對室內空氣品質的影響因子進行數(shù)值處理，使之能反映人體感覺的優(yōu)劣程度，便于進行序列間的灰色關聯(lián)分析[7]。對任意評價指標，為確定其特定的k值，需選定兩個參考點。并且將第一個參考點取各指標的標準值，清潔級別的計算值取0，輕污染級別的計算值取2。無量綱處理公式如下：

式中：L為指標強度；n為評價指標的實測值；no為作為比較基準的標準值（依據(jù)表3）；k為各評價指標的常數(shù)。

表5 無量綱處理后的室內空氣品質評價標準序列

利用式（8）對表3中的基礎數(shù)據(jù)和表4中的實測數(shù)據(jù)進行預處理，得到表5、表6所示的無量綱評價序列。

表6 無量綱處理后的室內空氣品質實測值序列

在評價實例中，評價對象M={1，2，3，4，5，6}，評價等級N={1，2，3，4}，評價指標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）依次求出關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度，從而得出室內空氣品質的關聯(lián)矩陣R，如表7。

表7 室內空氣品質評價的關聯(lián)矩陣

根據(jù)關聯(lián)矩陣，可得出如下分析結論：

1）每一棟建筑最大關聯(lián)度對應的級別即為其室內空氣品質評價的結果。可見1號建筑、6號建筑屬于未污染等級；3號建筑、4號建筑屬于輕污染等級；2號建筑、5號建筑屬于重污染等級。

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

5 結論

室內空氣品質的影響因素很多，涉及多個單項指標，因此它的評價等級是一個灰色概念，本文利用灰色系統(tǒng)理論的灰色關聯(lián)分析法，依據(jù)灰色關聯(lián)矩陣提供的信息，確定實例中六棟建筑的優(yōu)劣級別，并直觀反映出處于同一等級的評價對象之間的室內空氣品質差異。灰色評價方法計算過程簡單方便，充分利用實測數(shù)據(jù)，是多因素綜合評價體系中較優(yōu)的方法。村鎮(zhèn)建筑的室內空氣品質與農宅的用能結構和用能特性相關聯(lián)，因此灰色系統(tǒng)理論也可以應用于村鎮(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意義。

[1]李光耀,劉曉紅.基于層次分析法的室內空氣品質等級模糊綜合評價[J].蘇州大學學報(工科版),2006,(3):28-32

[2]初春玲,曹叔維,周俊彥.室內空氣品質的模糊性綜合評判[J].建筑熱能通風空調,1999,(3):9-11

[3]王昭俊.室內空氣環(huán)境[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005

[4]沈晉明.室內污染物與空氣品質評價[J].通風除塵,1995,(4): 10-13

[5]陸雍森.環(huán)境評價[M].上海:同濟大學出版社,1990

[6]謝棟棟.嚴寒地區(qū)農宅室內空氣品質現(xiàn)場測試與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013

[7]朱赤暉.基于灰色系統(tǒng)理論的室內空氣品質的評價及應用研究[D].長沙:湖南大學,2002

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)大學市政環(huán)境工程學院3215（150090）；E-mail:yyy19920906@126.com

“十二五”國家科技支撐計劃課題（2013BAJ12B01）