引用本文：刘慧恒郑佩萍杨晖等，基于填权-TOPSIS法的严寒山地条件下冬真皓时办公用房围护结构保温方案多目标优选研究[J].暖理空调 2023 53(11):164170 DOI: 10 19991/j hvac1971 2023 11. 25
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1郑佩萍！杨晖”王聪聪”吴会军1刘彦展1郝学军”刘兵”杨丽修13
（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）
区临时办公用房固护结构保温方案多目标综合比选模型，以室内有效空间体积、国护结构传热系 摘要：基于DesignBuilder热负荷计算模型和煸权-TOPSIS法建立了冬奥山地严寒大风地数平均值、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临时用房的实用性能、保温性能、碳排放量与经济效益的量化指标，通过计算各方案贴近度，确定了最优方案.实测验证了最优方案的固护结构保温性能优予普通方案，更适应严案山地条件.
关键词：临时用房：国护结构：保温：多目标优选：严寒山地；冬奥；城权-TOPSIS法
Multi-objective optimization study on thermal insulation scheme for severe cold mountain conditions based on entropy-TOPSIS method
Liu Huibheng' Zheng Peiping? Yang Hui? Wang Congcong’ Wu Huijon'-* Liu Yanchen'' Hao Xuejun² Liu Bing’ Yang Lixiu'
(1. Guangzhou University Guangzhou; 2. Beijing University of Civil Enginering and Architeture Beijng: 3. Guangdong Provineial Key Laboratory of Building Energy Efficiency and Application TechnologiesGuangzhou; 4. BoxZgo Technology Co. L.td. Bejing)
multi-objctive prehensive parison and selection model for the thermal insulation schcme for the Abstract: Based on the DesignBuilder heat load calculation model and the entropy-TOPSIS method. acnvelopes of temporary offce buildings in severe cold and windy areas of the Winter Olympics is established.operating carbon missions the discounted anual average value of initial investment and operating cxpenses of The indoor effective space volume the average heat transfer coefficient of building envelopes the annualthermal insalation materials are uscd as the quantitative indicators of the Practical performance. thermalcalculating the closeness degrce of each scheme the optimal scheme is determined. The mcasured results showthat the thermal insulation performance of building envelopes of the optimal scheme is better than that of the ordinary scheme and is more suitable for severe cold mountain conditions.
severe cold mountain: Winter Olympics: entropy-TOPSIS method Keywords: temporary building: building envelope: thermal insulation: multi-objctive optimization;
0引言
临时用房为大型赛事、活动等顺利举办提供了
房存在保温隔热效果差、冷热负荷高的问题.特别地，在举行冬季奥运雪上比赛项目时，低温、暴温低于-25℃，极大风速超过了20m/s，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.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.
重要保障.集装箱形式（采用全钢结构）的临时用雪、大风等极端天气经常出现，赛场附近最低气
极响应“绿色办奥"的理念]
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，以指标，采用权-TOPSIS法进行多目标综合比选， 实用性能、保温性能、碳排放量与经济效益为评价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.
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6m或12m，与普筑空间而言是相对低窄的，其内部还需要进行二次 通房间尺寸类似，高度与宽度都不足3m，作为建装修，室内空间更加有限.若房间实际体积太小，易导致室内人员产生压抑感.因此，冬奥临料占用临时用房的实用体积，除此之外，应控制冬 时用房的围护结构保温方案应尽可能减少保温材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
1.1供暖热负荷计算模型
表1保温材料的物性参数及价格
保温材料EPS SEPS PUR AIP VIP HVIP导热系数/[W/（mK）] 密度/（kg/m²) 0 040 0 033 20 0 032 22 0 024 0 021 0 008 0 005 200比热客/[kJ/(kgK）] 1.220 160 1.380 1 380 1. 380 130 1. 240 266 1 005 333 0 876单价（10mm厚）/（元/m²） 5 3 12.5 12 5 20 0 40.0 100 0 150 0
K/w.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20W/m²，照明功率密度为4W/m²，人员数量为4人，新风量为30m²/（人h），换气次数为0.481h-.房间设计供暖 温度08：00-17：00为18C，07：00-08：00为12C，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.
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6.0m、宽3.0m、高2.9m.窗户和门采用双层Low-E玻璃，太阳得热系数为0.43，m、高0.90m.西南墙外门面积为3.85m².外墙、 传热系数为2.0W/（m²K）.东北墙外窗宽5.54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、0.11m²
表2临时用房外围护结构的构造和材料物性参数
外墙构造 屋面构造 地面构造蜗板 铝蜂窝板 板 铝蜂窝板 钢板 水泥压力板 铝箔 复合本地板厚度/mm 导热系数/[W/（mK）] 1.2 50 0.88 9.0 1.2 50 0 88 5.0 1.2 50 0 039 18 0 1.0 203 12.0 0 24密度/（kg/m²) 7 800 1 060 7 800 1 060 7800 350 2 710 650比热容/[k]/（kgK）] 0 450 0 440 0 450 0 440 0 450 1 300 0 837 1 200
由图1可以看出：延庆赛区的实测室外气温最低可达一39.9℃，全年平均值0.1℃：极大风速最高可
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.
达40.2m/s，全年平均值约12.5m/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级大风速的变化
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/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准（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：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20a，运营成所示： 本为20a总和折现值[].指标计算如式（1)~（6）
式（1）~（6）中Cx为年均碳排放量，kg/（m²a）：z为临时用房设计使用年限，a，为20a:A；为建筑占地面积，m²，为18m²：E，为第r年的供暖耗电量，kWh/m²：F，为第r年的电力碳排故因 子，kg/（kWh），取2019年数据均值0.7199kg/（kWh)1；C为建筑绿地碳汇系统年减碳量，kg/a，取0kg/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：P；为临时用房的运营成本，元；a为贴现系数：P：为保 温材料初投资费用，元；P为电价，0.61元/（kWh）；为保温材料厚度，m;p:为保温材料价格，元/m²；A：为围护结构的总面积，m²，为82m；r.为涵盖了能源价格上涨影响的市场利率，（m²K）；A为围护结构h的面积，m². 取3.66%；K为围护结构h的传热系数，W/
1.3多目标方案综合优选：权-TOPSIS法
多目标优选实际决策时，一般不追求单个指标益[.本文采用了多目标综合优选方法：权 的最优，面是统筹兼顾各个指标，确保提升整体效TOPSIS法.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-.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.权-TOPSIS法的计算方法见式（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
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
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.
与正理想解的距离D：
(16)
1）构造原始矩阵R=[r]x
与负理想解的距离D
假设有m个保温决策方案（SS，".S）和n个评价指标{I.I，"，I.）.决策方案S关于指标1 的样本属性值为r，1≤i≤m，1≤j≤
(17)
10）计算方案S的贴近度C，
(18)
2）将R=[r]经过标准化处理得到决策矩阵A=[a
C.越接近1.表示离负理想解越远，离正理想解越近，方案S.综合比选最优.
若1为效益型指标，则
(7)
式中r；为原始矩阵第列的元素.
若1;为成本型指标，则
(8)
3）计算指标1 的特征比重p..
(9)
4）计算指标1，的值e.
(10)
当p=0时，令lnp =0.
5）计算指标I，的差异性系数g.
图2基于煸权-TOPSIS法的集装箱房保温构造 综合比选流程图
(11)
g；越大，说明该指标越重要.
2综合比选结果与讨论
6）确定指标1 的权重w)
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0.10~0.20W/（m²K），外墙 传热系数为0.10~0.25W/（m²K），地面传热系数为0.20~0.30W/（m²K）.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1.0m²K/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、PURAIP、VIP、HVIP的步长分别为：40、35、35、25、20、10、5mm.7种材料各有14组不同厚度的方案.
(12)
7）对决策矩阵A=[a]进行加权处理，得到综合评价矩阵Z=[x]a
(13)
8）确定指标1，的正、负理想解.
正理想解：
(14)
负理想解：
(15)
式（14）、（15）中2= max(z }] = min(2 }.
2.2备选方案各指标分析
9）计算方案S与正、负理想解的距离.
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0.34W/（mK）左右，是由（近零能耗标准）和保温层厚度内有效空间体积中位值为46.95m²，显著优于其 步长决定的.由图3b可以看出，HVIP方案的室他保温材料，比最小的岩棉中位值（30.65m²）大16.3m²，是因为HVIP的导热系数最小（0.005W/（m²K）），岩棉最大（0.040W/（m²K）），达
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，0. 783(HVIP)>0. 697(SEPS)>0. 677(岩棉)> 得到优选方案，见表3，贴近度由大到小排序为：0. 664(EPS) >0. 378 (VIP) > 0. 267 (PUR) >0.227（AIP）.方案7（HVIP）的室内有效空间体用性能较好：方案7的围护结构传热系数为0.358 积（47.3m²）最大，比方案1（岩棉）大16.4m²，实W/（m²K），低于平均值（0.364W/（m²K）），保温性能较好：方案7的运营阶段碳排放量为127.8kg/（m²a）.比碳排放量最大的方案5温材料初投资与运营费用折现年均值最小（1910 （AIP）减少了10.1%，环境效益较优.方案1的保元/a），方案5最大（3930元/a），而方案7为2310元/a，比7种方案的平均值（2610元/a）小11.5%，7相比最小的方案5，空间增加了14%，传热系数 经济效益处于中等偏上水平.贴近度最大的方案
图3各种保温材料不同厚度备选方案的指标值变化
3实测结果与分析
3.1实测环境
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3e可以看出，HVIP方案的运营阶排放量中位值最大的AIP方案小10.4kg/（m² 段碳排放量中位值最小（122.6kg/（m²a）），比碳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1910元/a；AIP方案最大，为4510元/a
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%.
理得到对应的标准值，用于绘制图4所示的各 将各方案的指标原始值（见表3）经标准化处方案的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.
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15cm.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、0.491W/（mK）.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1.1m、室内温湿度测点距地面高0.4m，实测
