灰色理论在北方农宅空气品质评价中的应用

闫艳艳 王昭俊 刘鑫

哈尔滨工业大学市政环境工程学院

灰色理论在北方农宅空气品质评价中的应用

闫艳艳 王昭俊 刘鑫

哈尔滨工业大学市政环境工程学院

本文针对室内空气品质的系统特征，依据北方村镇建筑的特性，确定了CO2、CO、PM2.5、NO2、SO2、NH3等6个评价指标。结合严寒地区六栋农宅的室内空气品质指标实测值，建立灰色系统综合评价模型，通过关联度分析，确定六栋农宅的室内空气品质优劣等级，并展望了该评价体系应用于绿色村镇能源利用系统评估工作的前景。

北方农宅 空气品质 灰色系统 关联度 评价

0 引言

室内空气品质评价是认识室内环境的一种科学方法。随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们对居住环境提出越来越高的要求，因此室内空气品质问题引起人们高度重视。人类要确定室内空气对生存和发展的适宜性，就必须对空气品质进行评价。室内空气品质评价涉及室内污染物对室内人员的健康危害以及室内人员的主观反应，两方面的影响因素非常复杂。因此，室内空气品质评价属于多因子综合评价范畴。灰色综合理论应用于“部分信息已知、部分信息未知”的多因子系统评价，也可应用于严寒地区村镇能源利用系统的评估。

1 灰色评价的数学模型

用于评价室内空气品质的方法很多，选用不同的评价方法会得到不同的评价结果。关联矩阵法与层次分析法主要应用于系统多方案的排序比较[1]；模糊综合评价法[2]应用于系统整体效果的评价，但首先要确定评定集的数字化结果，为评价工作增加难度。其次，运用模糊综合评判计算出的综合评定值是整个系统的评价结果，不能针对每一指标的好坏情况进行判断，一定程度上影响了系统改进工作的进展。因此，本文选择灰色系统理论作为室内空气品质的评估方法。

由于人们对系统的认识水平有限，获取的信息具有不确定性，通常使用颜色的深浅来描述系统信息的完备程度。灰色系统理论研究的对象是“部分信息已知、部分信息未知”的“小样本、贫信息、不确定”系统。在进行室内空气品质评价时，取参考序列Y1，Y2，……，Ym为m个评价对象的实测值。比较序列X1，X2，……，Xn为室内空气品质评价的n个评价标准系列，经过数据预处理后，参考因素序列Yi，i∈M={1，2，……，m}，比较序列Xj，j∈N={1，2，……，n}，序列标识为：

ξi,j(k)是关联系数，体现了系统的整体性。ri,j称为Xj与Yi的关联度，集中反映了所有数据点上的关联系数的大小。反映Xj与Yi序列曲线之间的相似程度，其值越大说明Xj与Yi之间联系越紧密。式（5）中ρ（0< ρ

由关联度ri,j，i∈M，j∈N组成一个m×n阶关联矩阵：

在关联矩阵R中，每一行的元素均为某一待评价对象与不同室内空气品质等级的灰色关联系数，最大关联系数对应的等级即为该对象的室内空气品质的等级；R中每一列的各元素为某一室内空气品质等级与相应评价对象的灰色关联系数，可以通过比较任意两行的对应元素评价室内空气品质的优劣程度。

2 评价指标的确定

室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查相结合的方式进行[3]。量化监测通过直接测量室内污染物浓度来客观描述室内空气质量，一般国际上选用CO2、CO、甲醛、可吸入颗粒物、NO2、SO2、室内细菌总数、温度、相对湿度、风速、照度及噪声共12个指标定量反映室内环境质量，这些指标可根据具体对象适当增减；主观调查主要利用人的感觉器官进行描述和评判工作，一般选用室内空气品质满意程度来反映主观评价。

目前世界上还没有一个国家制定出一套完整的室内空气品质标准。日本与我国国情相近，根据我国大气环境质量标准（GB3095-82）和一些较先进国家与地区所建议的室内空气标准[4]在表1中列出一套标准建议值作为室内空气的品质客观评价指标值。

表1 室内空气品质建议标准值

在环境评价中有表2所示的室内空气品质等级划分[5]：

表2 室内空气品质等级划分

由于种类繁多，不可能对每种污染物进行检测，需要从中挑选有代表性的，对人体健康和舒适度有重要影响的指标作为检测和评估的内容。北方村镇建筑室内空气品质评价指标的确定应结合村镇农宅的建筑特点和用能模式。村镇农宅一般独立门户，建筑物建造以经验为主，建筑物质量与户主的经济水平挂钩，围护结构保温意识淡薄，冬季采暖负荷较大，农宅采暖以土炕为主，且采暖设备与炊事设备相连接；除了电能外，村镇用能模式以生物质能和煤炭为主，秸秆柴薪的直接燃烧破坏了室内空气品质，农户通过开窗改善空气质量，而开窗又加大了冷风渗透负荷，为维持室内舒适的热环境，需要更多的供热能耗，生物质能和煤的大量燃烧加重室内空气污染程度，如此，恶性循环；农宅建筑的室内装修简单，故甲醛等有机物挥发物相对较少；农户一般在庭院内饲养家禽家畜，禽畜粪便不及时清理会产生NH3等有害气体。综上分析，北方村镇建筑室内空气品质的影响因素主要来自燃料燃烧和禽畜粪便不及时清理散发的有害气体。本文选取CO2、 PM2.5、NO2、SO2、NH3、CO等6个评价指标。参考相关室内空气环境规范并结合表1，确定各种评价指标的背景值，并提出如表3的评价标准序列。

表3 室内空气品质评价标准序列

3 实例

根据文献[6]测得的严寒地区部分农宅不同采暖方式的室内空气品质实测值，对六栋建筑的室内空气品质进行等级评价和优劣排序。实测结果如表4。

表4 六栋农宅室内空气品质实测值

在灰色评价中各个评价因子含有不同的物理量，量纲不同，数值上也相差较大，应进行预处理。各评价因子有很宽的数域范围，且它们对强度的感觉类似噪声一样遵循对数关系，因此借鉴声学研究中的处理方法，用指标强度L对室内空气品质的影响因子进行数值处理，使之能反映人体感觉的优劣程度，便于进行序列间的灰色关联分析[7]。对任意评价指标，为确定其特定的k值，需选定两个参考点。并且将第一个参考点取各指标的标准值，清洁级别的计算值取0，轻污染级别的计算值取2。无量纲处理公式如下：

式中：L为指标强度；n为评价指标的实测值；no为作为比较基准的标准值（依据表3）；k为各评价指标的常数。

表5 无量纲处理后的室内空气品质评价标准序列

利用式（8）对表3中的基础数据和表4中的实测数据进行预处理，得到表5、表6所示的无量纲评价序列。

表6 无量纲处理后的室内空气品质实测值序列

在评价实例中，评价对象M={1，2，3，4，5，6}，评价等级N={1，2，3，4}，评价指标U={1，2，3，4，5，6，7}，取分辨系数ρ=0.5，由表5、表6数据，依据式（3）、式（4）可求出：

再根据式（5）、式（6）、式（7）依次求出关联系数、关联度，从而得出室内空气品质的关联矩阵R，如表7。

表7 室内空气品质评价的关联矩阵

根据关联矩阵，可得出如下分析结论：

1）每一栋建筑最大关联度对应的级别即为其室内空气品质评价的结果。可见1号建筑、6号建筑属于未污染等级；3号建筑、4号建筑属于轻污染等级；2号建筑、5号建筑属于重污染等级。

2）关联矩阵中任意一个元素即反映了评价对象与某一等级的灰色关联度。虽然1号建筑、6号建筑均属于未污染级别，但6号建筑的清洁等级和未污染等级的关联度比1号建筑的大，且轻污染等级和重污染等级的关联度都比较小，说明与1号建筑相比6号建筑稍偏向清洁级别，室内空气品质最优；2号建筑和5号建筑相比，5号建筑的重污染等级关联度较大，且清洁等级和未污染等级的关联度较小，因此5号建筑的空气品质最差；3号建筑与4号建筑同属轻污染级别，但在四个评价等级关联度中，重污染等级关联度仅次于轻污染等级关联度，且3号建筑的重污染等级关联度大于4号建筑，说明与4号建筑相比，3号建筑的室内空气品质略差。综合上述比较分析，六栋建筑的室内空气品质由优到劣的排列次序为：6号、1号、4号、3号、2号、5号。

5 结论

室内空气品质的影响因素很多，涉及多个单项指标，因此它的评价等级是一个灰色概念，本文利用灰色系统理论的灰色关联分析法，依据灰色关联矩阵提供的信息，确定实例中六栋建筑的优劣级别，并直观反映出处于同一等级的评价对象之间的室内空气品质差异。灰色评价方法计算过程简单方便，充分利用实测数据，是多因素综合评价体系中较优的方法。村镇建筑的室内空气品质与农宅的用能结构和用能特性相关联，因此灰色系统理论也可以应用于村镇能源利用系统的评估，该理论对绿色村镇评估体系的建立具有一定的指导意义。

[1]李光耀,刘晓红.基于层次分析法的室内空气品质等级模糊综合评价[J].苏州大学学报(工科版),2006,(3):28-32

[2]初春玲,曹叔维,周俊彦.室内空气品质的模糊性综合评判[J].建筑热能通风空调,1999,(3):9-11

[3]王昭俊.室内空气环境[M].北京:化学工业出版社,2005

[4]沈晋明.室内污染物与空气品质评价[J].通风除尘,1995,(4): 10-13

[5]陆雍森.环境评价[M].上海:同济大学出版社,1990

[6]谢栋栋.严寒地区农宅室内空气品质现场测试与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013

[7]朱赤晖.基于灰色系统理论的室内空气品质的评价及应用研究[D].长沙:湖南大学,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

闫艳艳（1992～），女，硕士研究生；黑龙江省哈尔滨工业大学市政环境工程学院3215（150090）；E-mail:yyy19920906@126.com

“十二五”国家科技支撑计划课题（2013BAJ12B01）