基于熵權-TOPSIS法的嚴寒山地條件下冬奧臨時辦公用房圍護結構保溫方案多目標優選研究*

劉慧恒 鄭佩萍 楊 暉 王聰聰 吳會軍,3 劉彥辰,3△ 郝學軍 劉 兵 楊麗修,3

(1.廣州大學,廣州;2.北京建筑大學,北京;3.廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室,廣州;4.北京摩盒科技有限公司,北京)

0 引言

臨時用房為大型賽事、活動等順利舉辦提供了重要保障。集裝箱形式(采用全鋼結構)的臨時用房存在保溫隔熱效果差、冷熱負荷高的問題[1-3]。特別地,在舉行冬季奧運雪上比賽項目時,低溫、暴雪、大風等極端天氣經常出現[4],賽場附近最低氣溫低于-25 ℃,極大風速超過了20 m/s[5],這對保證臨時用房室內熱環境及降低建筑能耗提出了更高的要求。良好的圍護結構保溫是保證臨時用房室內熱環境的重要前提[6]。因此,構造御寒防風、低碳經濟的圍護結構保溫措施是冬奧臨時建筑研發的重點技術之一。

另一方面,實用性及經濟性是臨時用房建設的重點關注內容。集裝箱一般長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低窄的,其內部還需要進行二次裝修,室內空間更加有限[7]。若房間實際體積太小,易導致室內人員產生壓抑感[8]。因此,冬奧臨時用房的圍護結構保溫方案應盡可能減少保溫材料占用臨時用房的實用體積。除此之外,應控制冬奧臨時用房建設成本,并重視用房的生態效益,以此減少籌辦冬奧會的資源消耗及對環境的影響,積極響應“綠色辦奧”的理念[9-10]。

本文對冬奧山地嚴寒大風地區臨時辦公用房的不同圍護結構保溫方案進行了能耗模擬分析,以實用性能、保溫性能、碳排放量與經濟效益為評價指標,采用熵權-TOPSIS法進行多目標綜合比選,并對優選方案進行圍護結構熱工性能和室內熱環境實測分析,為嚴寒山地大風地區臨時用房的圍護結構保溫構造決策提供技術參考。

1 研究方法

本研究以集裝箱房圍護結構保溫層的材料類型及厚度為研究對象,選取7種常見保溫材料: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[10]及價格(調研結果)見表1。利用DesignBuilder仿真軟件建立北京冬奧會(延慶賽區)集裝箱辦公房熱負荷計算模型,并引入熵權-TOPSIS法對實用性能、保溫性能、碳排放量與經濟效益4個評價目標建立綜合比選模型。

表1 保溫材料的物性參數及價格

1.1 供暖熱負荷計算模型

以北京2022年冬奧會延慶賽區集裝箱式臨時辦公用房為DesignBuilder能耗模擬軟件建模原型,臨時用房長6.0 m、寬3.0 m、高2.9 m。窗戶和門采用雙層Low-E玻璃,太陽得熱系數為0.43,傳熱系數為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造和材料物性參數如表2所示。室內、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日程設定,人員、設備、燈光作息08:00—17:00取1,其余時間取0。室內設備功率密度為20 W/m2,照明功率密度為4 W/m2,人員數量為4人,新風量為30 m3/(人·h),換氣次數為0.481 h-1。房間設計供暖溫度08:00—17:00為18 ℃,07:00—08:00為12 ℃,其余時間為5 ℃。采用石墨烯加熱膜電熱墻供暖,電熱效率為0.87。

表2 臨時用房外圍護結構的構造和材料物性參數

圖1顯示了延慶賽區2020年5月1日至2021年5月1日的逐時室外氣溫和極大風速的變化。由圖1可以看出:延慶賽區的實測室外氣溫最低可達-39.9 ℃,全年平均值0.1 ℃;極大風速最高可達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行供暖期,即10月20日至次年4月20日。

圖1 延慶賽區逐時室外氣溫和極大風速的變化

1.2 確定綜合比選指標

以輕薄、高性能、低碳經濟的圍護結構保溫方案為最終目標,從臨時用房的實用功能、保溫性能、碳排放量和經濟效益4個評價目標分析保溫構造對臨時用房整體效益的定量影響,需要確定替代4個評價目標的量化指標。保溫層厚度依據GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[12](以下簡稱《近零能耗標準》)中的傳熱系數限值確定,不同材料圍護結構的保溫層厚度不同,使得房間6個面共同影響室內的有效空間,所以將室內有效空間作為圍護結構影響房間功能實用性的量化指標;以各圍護結構傳熱系數平均值(K)作為臨時用房的保溫性能指標;碳排放量計算僅考慮室內人工熱環境營造過程(運營階段)中產生的碳排放[13];經濟性分析考慮保溫材料初投資和運營費用之和的年均成本,臨時用房的使用年限設定為20 a[14],運營成本為20 a總和折現值[15]。指標計算如式(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為臨時用房設計使用年限,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年數據均值0.719 9 kg/(kW·h)[16];CP為建筑綠地碳匯系統年減碳量,kg/a,取0 kg/a;P為臨時用房的運營成本現值與保溫初投資費用總和的年均值,元/a;P1為臨時用房的運營成本,元;a為貼現系數;P2為保溫材料初投資費用,元;p1為電價,0.61元/(kW·h);δ為保溫材料厚度,m;p2為保溫材料價格,元/m3;A2為圍護結構的總面積,m2,為82 m2;re為涵蓋了能源價格上漲影響的市場利率,取3.66%[16];Kh為圍護結構h的傳熱系數,W/(m2·K);Ah為圍護結構h的面積,m2。

1.3 多目標方案綜合優選:熵權-TOPSIS法

多目標優選實際決策時,一般不追求單個指標的最優,而是統籌兼顧各個指標,確保提升整體效益[17]。本文采用了多目標綜合優選方法:熵權-TOPSIS法。熵權法確定各個評價指標的客觀權重,一定程度消除主觀因素的影響[17-18]。TOPSIS法判斷方案的優劣,判斷依據是比較備選方案與最優目標、最劣目標的距離遠近(即貼近度的大小),最優方案是指各指標為所有備選方案產生的單項指標最優值集合,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,距離最優方案越近,表示備選方案綜合越優[17]。熵權-TOPSIS法的計算方法[18]見式(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的方案。

圖2 基于熵權-TOPSIS法的集裝箱房保溫構造綜合比選流程圖

1) 構造原始矩陣R=[rij]m×n。

假設有m個保溫決策方案{S1,S2,…,Sm}和n個評價指標{I1,I2,…,In}。決策方案Si關于指標Ij的樣本屬性值為rij,1≤i≤m,1≤j≤n[18]。

2) 將R=[rij]m×n經過標準化處理得到決策矩陣A=[aij]m×n。

若Ij為效益型指標,則

(7)

式中rj為原始矩陣第j列的元素。

若Ij為成本型指標,則

(8)

3) 計算指標Ij的特征比重pij。

(9)

4) 計算指標Ij的熵值ej。

(10)

當pij=0時,令lnpij=0。

5) 計算指標Ij的差異性系數gj。

gj=1-ej

(11)

gj越大,說明該指標越重要。

6) 確定指標Ij的權重wj。

(12)

7) 對決策矩陣A=[aij]m×n進行加權處理,得到綜合評價矩陣Z=[zij]m×n。

zij=aijwj

(13)

8) 確定指標Ij的正、負理想解。

正理想解z+:

(14)

負理想解z-:

(15)

9) 計算方案Si與正、負理想解的距離。

(16)

(17)

10) 計算方案Si的貼近度Ci。

(18)

Ci越接近1,表示離負理想解越遠,離正理想解越近,方案Si綜合比選最優。

2 綜合比選結果與討論

2.1 同種材料的備選方案確定

根據《近零能耗標準》,嚴寒A區乙類公共建筑屋面傳熱系數為0.10～0.20 W/(m2·K),外墻傳熱系數為0.10～0.25 W/(m2·K),地面傳熱系數為0.20～0.30 W/(m2·K)。由各圍護結構的傳熱系數限值可以計算出各類保溫材料的最小、最大厚度。在此基礎上,以1.0 m2·K/W熱阻為保溫材料的步長設定依據,確定同種保溫材料的不同厚度構造方案,得到保溫材料巖棉、EPS、SEPS、PUR、AIP、VIP、HVIP的步長分別為: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 備選方案各指標分析

圖3顯示了各種保溫材料不同厚度備選方案的指標值變化。由圖3a可以看出,不同材料的備選方案,圍護結構的傳熱系數平均值在0.34 W/(m2·K)左右,是由《近零能耗標準》和保溫層厚度步長決定的。由圖3b可以看出,HVIP方案的室內有效空間體積中位值為46.95 m3,顯著優于其他保溫材料,比最小的巖棉中位值(30.65 m3)大16.3 m3,是因為HVIP的導熱系數最小(0.005 W/(m2·K)),巖棉最大(0.040 W/(m2·K)),達到同等熱阻時,HVIP所需的厚度僅為巖棉的1/8,從而采用HVIP保溫的圍護結構更輕薄,室內空間更大。由圖3c可以看出,HVIP方案的運營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營費用折現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值變化

2.3 比選最優保溫構造結果與分析

將7種保溫材料最優厚度方案進行綜合比選,得到優選方案,見表3。貼近度由大到小排序為: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)的室內有效空間體積(47.3 m3)最大,比方案1(巖棉)大16.4 m3,實用性能較好;方案7的圍護結構傳熱系數為0.358 W/(m2·K),低于平均值(0.364 W/(m2·K)),保溫性能較好;方案7的運營階段碳排放量為127.8 kg/(m2·a),比碳排放量最大的方案5(AIP)減少了10.1%,環境效益較優。方案1的保溫材料初投資與運營費用折現年均值最小(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%,經濟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和貼進度

將各方案的指標原始值(見表3)經標準化處理[18]得到對應的標準值,用于繪制圖4所示的各方案的4項指標比率情況,方案7的4項指標總體占優,貼近度最大,表明方案7綜合效益最佳,更適用于嚴寒山地。

圖4 備選方案指標比率情況

3 實測結果與分析

3.1 實測環境

實測對象為冬奧延慶賽區的實驗房與普通房,實驗房位于普通房的左側,間距約15 cm。2個房間的圍護結構除保溫層不同,其他構造都保持一致,具體的保溫構造與供暖方式如表4所示,其中實驗房、普通房的外墻傳熱系數分別為0.162、0.491 W/(m2·K)。實測內容包括臨時用房的西南墻壁面溫度與室內溫濕度,壁面溫度測點距地面高1.1 m、室內溫濕度測點距地面高0.4 m,實測儀器參數如表5所示。壁面溫度測試時間為2022年3月14日18:00至15日12:00,2個房間在8 h前(14日10:00)斷電,開始進入自然室溫狀態(無室內熱擾)。實驗房的室內溫濕度測試時間為2022年2月22日00:00至3月2日00:00(共8 d),期間實驗房墻暖供暖設定溫度為22 ℃。

表4 實驗房與普通房保溫層構造與供暖方式

表5 測試內容與儀器參數

3.2 圍護結構表面溫度

圖5顯示了3月14日18:00至15日12:00臨時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,實驗房的西南墻內壁面溫度高于普通房,最大溫差為0.7 ℃;從15日06:00起,內壁面溫度上升,普通房逐漸高于實驗房。可能是普通房的圍護結構傳熱系數大于實驗房,受太陽輻射及室外氣溫上升的影響,普通房的內壁面溫度變化明顯。在整個測試段內,實驗房西南墻的內外壁面最大溫差為4.4 ℃,比普通房的內外壁面最大溫差(5.6 ℃)小1.2 ℃,可見實驗房圍護結構的熱惰性和保溫性能優于普通房。

3.3 實驗房室內熱環境評價

根據GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[19](長期逗留區域冬季舒適區溫度為18～24 ℃、相對濕度低于60%),分析了實驗房的室內熱環境,如圖6所示。從圖6可以看出,非工作時間室內溫度都高于5 ℃,符合GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的要求[20];在工作時間內,室內溫度基本為18～24 ℃,相對濕度約為22%,溫濕度達標90%。因此,實驗房所營造的室內熱環境可以滿足室內熱舒適需求。

注:括號內數據表示在工作時間段內室驗房的室內溫濕度符合該熱舒適區溫濕度要求范圍的數量占總量的百分比。圖6 實驗房室內熱環境客觀參數

4 結束語

基于DesignBuilder熱負荷計算模型和熵權-TOPSIS法建立的綜合比選模型,以臨時用房的室內有效空間體積、圍護結構傳熱系數平均值、全年運營碳排放量、保溫材料初投資與運營費用折現年均值分別作為用房的實用性能、保溫性能、碳排放量與經濟效益的量化指標,進行了嚴寒山地冬奧臨時辦公用房圍護結構不同保溫構造綜合比選。比選結果表明,由熵權-TOPSIS法綜合比選模型所得到的全局最優方案為:氣凝膠真空絕熱板保溫方案(外墻30 mm、地面20 mm、屋面30 mm)。該方案所構建的臨時用房的室內有效空間體積達47.3 m3,傳熱系數平均值為0.358 W/(m2·K),碳排放量為127.9 kg/(m2·a),年均成本為2 310元/a。結合貼近度最大(0.783)和指標標準值占比情況可知,該方案綜合效益最佳,更適用于嚴寒山地。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,本文對圍護結構采用普通保溫和采用熵權-TOPSIS法比選得到的最優保溫方案的實驗房進行了實測分析,結果表明:實驗房西南墻內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;實驗房的室內溫濕度在工作時間內達標率高達90%,滿足了臨時用房的室內熱舒適需求。