基于熵权-TOPSIS法的严寒山地条件下冬奥临时办公用房围护结构保温方案多目标优选研究*

刘慧恒 郑佩萍 杨 晖 王聪聪 吴会军,3 刘彦辰,3△ 郝学军 刘 兵 杨丽修,3

(1.广州大学,广州;2.北京建筑大学,北京;3.广东省建筑节能与应用技术重点实验室,广州;4.北京摩盒科技有限公司,北京)

0 引言

临时用房为大型赛事、活动等顺利举办提供了重要保障。集装箱形式(采用全钢结构)的临时用房存在保温隔热效果差、冷热负荷高的问题[1-3]。特别地,在举行冬季奥运雪上比赛项目时,低温、暴雪、大风等极端天气经常出现[4],赛场附近最低气温低于-25 ℃,极大风速超过了20 m/s[5],这对保证临时用房室内热环境及降低建筑能耗提出了更高的要求。良好的围护结构保温是保证临时用房室内热环境的重要前提[6]。因此,构造御寒防风、低碳经济的围护结构保温措施是冬奥临时建筑研发的重点技术之一。

另一方面,实用性及经济性是临时用房建设的重点关注内容。集装箱一般长6 m或12 m,与普通房间尺寸类似,高度与宽度都不足3 m,作为建筑空间而言是相对低窄的,其内部还需要进行二次装修,室内空间更加有限[7]。若房间实际体积太小,易导致室内人员产生压抑感[8]。因此,冬奥临时用房的围护结构保温方案应尽可能减少保温材料占用临时用房的实用体积。除此之外,应控制冬奥临时用房建设成本,并重视用房的生态效益,以此减少筹办冬奥会的资源消耗及对环境的影响,积极响应“绿色办奥”的理念[9-10]。

本文对冬奥山地严寒大风地区临时办公用房的不同围护结构保温方案进行了能耗模拟分析,以实用性能、保温性能、碳排放量与经济效益为评价指标,采用熵权-TOPSIS法进行多目标综合比选,并对优选方案进行围护结构热工性能和室内热环境实测分析,为严寒山地大风地区临时用房的围护结构保温构造决策提供技术参考。

1 研究方法

本研究以集装箱房围护结构保温层的材料类型及厚度为研究对象,选取7种常见保温材料:岩棉、膨胀聚苯板(EPS)、石墨聚苯板(SEPS)、聚氨酯板(PUR)、气凝胶毡(AIP)、真空绝热板(VIP)和气凝胶真空绝热板(HVIP),保温材料的物性参数[10]及价格(调研结果)见表1。利用DesignBuilder仿真软件建立北京冬奥会(延庆赛区)集装箱办公房热负荷计算模型,并引入熵权-TOPSIS法对实用性能、保温性能、碳排放量与经济效益4个评价目标建立综合比选模型。

表1 保温材料的物性参数及价格

1.1 供暖热负荷计算模型

以北京2022年冬奥会延庆赛区集装箱式临时办公用房为DesignBuilder能耗模拟软件建模原型,临时用房长6.0 m、宽3.0 m、高2.9 m。窗户和门采用双层Low-E玻璃,太阳得热系数为0.43,传热系数为2.0 W/(m2·K)。东北墙外窗宽5.54 m、高0.90 m,西南墙外门面积为3.85 m2。外墙、屋面和地面的主体构造和材料物性参数如表2所示。室内、外表面换热阻分别为0.04、0.11 m2·K/W[11]。该用房作息按照延庆赛区日程设定,人员、设备、灯光作息08:00—17:00取1,其余时间取0。室内设备功率密度为20 W/m2,照明功率密度为4 W/m2,人员数量为4人,新风量为30 m3/(人·h),换气次数为0.481 h-1。房间设计供暖温度08:00—17:00为18 ℃,07:00—08:00为12 ℃,其余时间为5 ℃。采用石墨烯加热膜电热墙供暖,电热效率为0.87。

表2 临时用房外围护结构的构造和材料物性参数

图1显示了延庆赛区2020年5月1日至2021年5月1日的逐时室外气温和极大风速的变化。由图1可以看出:延庆赛区的实测室外气温最低可达-39.9 ℃,全年平均值0.1 ℃;极大风速最高可达40.2 m/s,全年平均值约12.5 m/s。因此,模拟供暖期取气候与之相近的哈尔滨现行供暖期,即10月20日至次年4月20日。

图1 延庆赛区逐时室外气温和极大风速的变化

1.2 确定综合比选指标

以轻薄、高性能、低碳经济的围护结构保温方案为最终目标,从临时用房的实用功能、保温性能、碳排放量和经济效益4个评价目标分析保温构造对临时用房整体效益的定量影响,需要确定替代4个评价目标的量化指标。保温层厚度依据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[12](以下简称《近零能耗标准》)中的传热系数限值确定,不同材料围护结构的保温层厚度不同,使得房间6个面共同影响室内的有效空间,所以将室内有效空间作为围护结构影响房间功能实用性的量化指标;以各围护结构传热系数平均值(K)作为临时用房的保温性能指标;碳排放量计算仅考虑室内人工热环境营造过程(运营阶段)中产生的碳排放[13];经济性分析考虑保温材料初投资和运营费用之和的年均成本,临时用房的使用年限设定为20 a[14],运营成本为20 a总和折现值[15]。指标计算如式(1)～(6)所示:

(1)

(2)

(3)

P2=δp2A2

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中CM为年均碳排放量,kg/(m2·a);t为临时用房设计使用年限,a,为20 a;A1为建筑占地面积,m2,为18 m2;Er为第r年的供暖耗电量,kW·h/m2;Fr为第r年的电力碳排放因子,kg/(kW·h),取2019年数据均值0.719 9 kg/(kW·h)[16];CP为建筑绿地碳汇系统年减碳量,kg/a,取0 kg/a;P为临时用房的运营成本现值与保温初投资费用总和的年均值,元/a;P1为临时用房的运营成本,元;a为贴现系数;P2为保温材料初投资费用,元;p1为电价,0.61元/(kW·h);δ为保温材料厚度,m;p2为保温材料价格,元/m3;A2为围护结构的总面积,m2,为82 m2;re为涵盖了能源价格上涨影响的市场利率,取3.66%[16];Kh为围护结构h的传热系数,W/(m2·K);Ah为围护结构h的面积,m2。

1.3 多目标方案综合优选:熵权-TOPSIS法

多目标优选实际决策时,一般不追求单个指标的最优,而是统筹兼顾各个指标,确保提升整体效益[17]。本文采用了多目标综合优选方法:熵权-TOPSIS法。熵权法确定各个评价指标的客观权重,一定程度消除主观因素的影响[17-18]。TOPSIS法判断方案的优劣,判断依据是比较备选方案与最优目标、最劣目标的距离远近(即贴近度的大小),最优方案是指各指标为所有备选方案产生的单项指标最优值集合,最劣方案反之。贴近度的大小介于0～1之间,值越大,距离最劣方案越远,距离最优方案越近,表示备选方案综合越优[17]。熵权-TOPSIS法的计算方法[18]见式(7)～(18),综合比选流程如图2所示。本文按照保温材料类型分组优选出各类材料的最佳厚度方案,继而在各保温材料的最佳厚度方案中综合比选材料的类型与厚度均最优的方案。

图2 基于熵权-TOPSIS法的集装箱房保温构造综合比选流程图

1) 构造原始矩阵R=[rij]m×n。

假设有m个保温决策方案{S1,S2,…,Sm}和n个评价指标{I1,I2,…,In}。决策方案Si关于指标Ij的样本属性值为rij,1≤i≤m,1≤j≤n[18]。

2) 将R=[rij]m×n经过标准化处理得到决策矩阵A=[aij]m×n。

若Ij为效益型指标,则

(7)

式中rj为原始矩阵第j列的元素。

若Ij为成本型指标,则

(8)

3) 计算指标Ij的特征比重pij。

(9)

4) 计算指标Ij的熵值ej。

(10)

当pij=0时,令lnpij=0。

5) 计算指标Ij的差异性系数gj。

gj=1-ej

(11)

gj越大,说明该指标越重要。

6) 确定指标Ij的权重wj。

(12)

7) 对决策矩阵A=[aij]m×n进行加权处理,得到综合评价矩阵Z=[zij]m×n。

zij=aijwj

(13)

8) 确定指标Ij的正、负理想解。

正理想解z+:

(14)

负理想解z-:

(15)

9) 计算方案Si与正、负理想解的距离。

(16)

(17)

10) 计算方案Si的贴近度Ci。

(18)

Ci越接近1,表示离负理想解越远,离正理想解越近,方案Si综合比选最优。

2 综合比选结果与讨论

2.1 同种材料的备选方案确定

根据《近零能耗标准》,严寒A区乙类公共建筑屋面传热系数为0.10～0.20 W/(m2·K),外墙传热系数为0.10～0.25 W/(m2·K),地面传热系数为0.20～0.30 W/(m2·K)。由各围护结构的传热系数限值可以计算出各类保温材料的最小、最大厚度。在此基础上,以1.0 m2·K/W热阻为保温材料的步长设定依据,确定同种保温材料的不同厚度构造方案,得到保温材料岩棉、EPS、SEPS、PUR、AIP、VIP、HVIP的步长分别为:40、35、35、25、20、10、5 mm。7种材料各有14组不同厚度的方案。

2.2 备选方案各指标分析

图3显示了各种保温材料不同厚度备选方案的指标值变化。由图3a可以看出,不同材料的备选方案,围护结构的传热系数平均值在0.34 W/(m2·K)左右,是由《近零能耗标准》和保温层厚度步长决定的。由图3b可以看出,HVIP方案的室内有效空间体积中位值为46.95 m3,显著优于其他保温材料,比最小的岩棉中位值(30.65 m3)大16.3 m3,是因为HVIP的导热系数最小(0.005 W/(m2·K)),岩棉最大(0.040 W/(m2·K)),达到同等热阻时,HVIP所需的厚度仅为岩棉的1/8,从而采用HVIP保温的围护结构更轻薄,室内空间更大。由图3c可以看出,HVIP方案的运营阶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)。由图3d可以看出:岩棉方案保温材料初投资与运营费用折现年均值的中位值最小,仅为1 910元/a;AIP方案最大,为4 510元/a。

图3 各种保温材料不同厚度备选方案的指标值变化

2.3 比选最优保温构造结果与分析

将7种保温材料最优厚度方案进行综合比选,得到优选方案,见表3。贴近度由大到小排序为:0.783(HVIP)>0.697(SEPS)>0.677(岩棉)>0.664(EPS)>0.378(VIP)>0.267(PUR)>0.227(AIP)。方案7(HVIP)的室内有效空间体积(47.3 m3)最大,比方案1(岩棉)大16.4 m3,实用性能较好;方案7的围护结构传热系数为0.358 W/(m2·K),低于平均值(0.364 W/(m2·K)),保温性能较好;方案7的运营阶段碳排放量为127.8 kg/(m2·a),比碳排放量最大的方案5(AIP)减少了10.1%,环境效益较优。方案1的保温材料初投资与运营费用折现年均值最小(1 910元/a),方案5最大(3 930元/a),而方案7为2 310元/a,比7种方案的平均值(2 610元/a)小11.5%,经济效益处于中等偏上水平。贴近度最大的方案7相比最小的方案5,空间增加了14%,传热系数平均值降低了5.6%,碳排放量减少了10.1%,总成本降低了41.2%。

表3 不同类型保温材料方案的综合比选指标和贴进度

将各方案的指标原始值(见表3)经标准化处理[18]得到对应的标准值,用于绘制图4所示的各方案的4项指标比率情况,方案7的4项指标总体占优,贴近度最大,表明方案7综合效益最佳,更适用于严寒山地。

图4 备选方案指标比率情况

3 实测结果与分析

3.1 实测环境

实测对象为冬奥延庆赛区的实验房与普通房,实验房位于普通房的左侧,间距约15 cm。2个房间的围护结构除保温层不同,其他构造都保持一致,具体的保温构造与供暖方式如表4所示,其中实验房、普通房的外墙传热系数分别为0.162、0.491 W/(m2·K)。实测内容包括临时用房的西南墙壁面温度与室内温湿度,壁面温度测点距地面高1.1 m、室内温湿度测点距地面高0.4 m,实测仪器参数如表5所示。壁面温度测试时间为2022年3月14日18:00至15日12:00,2个房间在8 h前(14日10:00)断电,开始进入自然室温状态(无室内热扰)。实验房的室内温湿度测试时间为2022年2月22日00:00至3月2日00:00(共8 d),期间实验房墙暖供暖设定温度为22 ℃。

表4 实验房与普通房保温层构造与供暖方式

表5 测试内容与仪器参数

3.2 围护结构表面温度

图5显示了3月14日18:00至15日12:00临时用房西南墙壁面温度与室外气温的变化。由图5可以看出:在14日18:00至15日06:00,实验房的西南墙内壁面温度高于普通房,最大温差为0.7 ℃;从15日06:00起,内壁面温度上升,普通房逐渐高于实验房。可能是普通房的围护结构传热系数大于实验房,受太阳辐射及室外气温上升的影响,普通房的内壁面温度变化明显。在整个测试段内,实验房西南墙的内外壁面最大温差为4.4 ℃,比普通房的内外壁面最大温差(5.6 ℃)小1.2 ℃,可见实验房围护结构的热惰性和保温性能优于普通房。

3.3 实验房室内热环境评价

根据GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[19](长期逗留区域冬季舒适区温度为18～24 ℃、相对湿度低于60%),分析了实验房的室内热环境,如图6所示。从图6可以看出,非工作时间室内温度都高于5 ℃,符合GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的要求[20];在工作时间内,室内温度基本为18～24 ℃,相对湿度约为22%,温湿度达标90%。因此,实验房所营造的室内热环境可以满足室内热舒适需求。

注:括号内数据表示在工作时间段内室验房的室内温湿度符合该热舒适区温湿度要求范围的数量占总量的百分比。图6 实验房室内热环境客观参数

4 结束语

基于DesignBuilder热负荷计算模型和熵权-TOPSIS法建立的综合比选模型,以临时用房的室内有效空间体积、围护结构传热系数平均值、全年运营碳排放量、保温材料初投资与运营费用折现年均值分别作为用房的实用性能、保温性能、碳排放量与经济效益的量化指标,进行了严寒山地冬奥临时办公用房围护结构不同保温构造综合比选。比选结果表明,由熵权-TOPSIS法综合比选模型所得到的全局最优方案为:气凝胶真空绝热板保温方案(外墙30 mm、地面20 mm、屋面30 mm)。该方案所构建的临时用房的室内有效空间体积达47.3 m3,传热系数平均值为0.358 W/(m2·K),碳排放量为127.9 kg/(m2·a),年均成本为2 310元/a。结合贴近度最大(0.783)和指标标准值占比情况可知,该方案综合效益最佳,更适用于严寒山地。相比贴近度最小(0.227)的气凝胶毡方案(外墙100 mm、地面80 mm、屋面125 mm),有效空间体积增加了14%,传热系数平均值降低了5.6%,碳排放量减少了10.1%,年均成本降低了41.2%。最后,本文对围护结构采用普通保温和采用熵权-TOPSIS法比选得到的最优保温方案的实验房进行了实测分析,结果表明:实验房西南墙内外壁面的最大温差比普通房小1.2 ℃,具有较好的热惰性和保温性能;实验房的室内温湿度在工作时间内达标率高达90%,满足了临时用房的室内热舒适需求。