基于ISM的綠色建筑能耗影響因素分析

徐樂

摘要：經(jīng)濟迅猛發(fā)展和城市化進程的加快推動了建筑業(yè)的繁榮，但同時建筑能耗問題也日益嚴重，在能源稀缺供不應(yīng)求的背景下，建筑業(yè)節(jié)能降耗迫在眉睫。文章從降低綠色建筑能耗的角度出發(fā)，從建筑朝向和形狀、窗戶隔熱和遮陽、墻體圍護結(jié)構(gòu)、人的行為、氣候因素、建筑節(jié)能政策等6個方面對綠色建筑的能耗進行了研究，并采用ISM法（解釋結(jié)構(gòu)模型法）分析了這6個因素對建筑能耗的影響程度。研究表明，氣候因素對綠色建筑能耗影響最大，其次是建筑節(jié)能政策、人的行為。最后，根據(jù)研究結(jié)果提出了相應(yīng)的節(jié)能對策。

Abstract： The rapid economic development and the acceleration of urbanization have promoted the prosperity of the construction industry， but at the same time， the problem of building energy consumption is also increasingly serious， in the context of energy shortage， energy saving and consumption reduction in the construction industry is imminent. Six factors has been studied to reduce the energy consumption of green building： building towards and shape， insulation and shading of windows， wall retaining structure， human behavior， climate factors， building energy conservation policy， ISM （Interpretive Structural Model Method） has been used to analyze the influence of these six factors on building energy consumption. The research shows that climate factors have the greatest impact on energy consumption of green buildings， followed by building energy conservation policies and human behavior. Finally， corresponding energy-saving countermeasures are proposed according to the research results.

關(guān)鍵詞：綠色建筑;能耗;影響因素;ISM

0? 引言

中國現(xiàn)處于經(jīng)濟發(fā)展的快速時期，城市建設(shè)的高速發(fā)展極大地推動了建筑業(yè)的進步[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國建筑能耗的占比達到全部能源消耗的27%以上，而且每年都會上漲1%[2]。為應(yīng)對能源危機，緩解建筑能源消耗問題，對影響綠色建筑能耗的因素進行分析具有十分重要的意義。近年來大量國內(nèi)外學者對綠色建筑能耗影響因素及相關(guān)問題進行了理論分析和實證研究。楊利明[3]從維護結(jié)構(gòu)優(yōu)化、建筑能源綜合利用、智能控制技術(shù)三個方面探討建筑能耗降低新技術(shù)。豐曉航[4]等人建模分析了不同通風模式對城市建筑氣密性的影響，論證了氣密性對減少建筑能耗的重要性。段良飛[5]等人通過模擬基準建筑參數(shù)的變化，包括體型系數(shù)、外墻、外窗等，進行模擬取值和軟件分析探索這些因素對建筑能耗的影響。Esin T[6]提出了從建筑的全生命周期減少建筑材料從而降低建筑能耗。Baniassadi A[7]等人研究了高反照率屋頂對住宅建筑能耗的直接和間接影響。國內(nèi)外學者在對建筑能耗的影響因素進行分析時大多只選取了一兩個影響因素，因此本文將研究多個因素同時作用下對綠色建筑能耗的影響。文章通過查閱大量文獻，選擇出需要研究的影響因素，然后基于ISM對各因素間的影響關(guān)系進行研究，分析總結(jié)并提出節(jié)能對策。

1? 綠色建筑能耗影響因素的選取

影響綠色建筑能耗的因素有許多，為了對主要影響因素進行詳細分析，研究參考了近十年綠色建筑的相關(guān)文獻。研究發(fā)現(xiàn)，建筑朝向和形狀、窗戶隔熱和遮陽、建筑圍護結(jié)構(gòu)、人的行為、氣候因素、建筑節(jié)能政策等因素是綠色建筑相關(guān)研究中最為常見的因素，且對建筑的能耗影響較大。因此，文章主要分析這幾個因素對綠色建筑能耗的影響。

1.1 建筑朝向和形狀

空調(diào)制冷產(chǎn)生的冷負荷量的多少與建筑朝向有很大的關(guān)聯(lián)。一般來說，南北朝向的建筑能耗比東西朝向的建筑少很多。建筑物的體形系數(shù)也會影響建筑能耗，建筑體形系數(shù)越大，建筑的散熱面積就越大散熱速度也越快，這意味著表面積大的建筑物能耗更大。研究表明，體形系數(shù)每增加0.01，建筑能耗就會增加2.5%[8]。

1.2 窗戶隔熱和遮陽

不同類型的窗戶對建筑能耗有不同的影響。窗戶的框扇材料及玻璃性能決定了其較高的傳熱系數(shù)以及較差的隔熱能力，和墻體比較，單位面積窗戶的得熱和失熱都遠遠大于墻體，一般是墻體的5至20倍。此外，不同季節(jié)的窗戶得熱和光照也不同，因此，移動遮陽裝置對不同季節(jié)的窗戶遮陽和采光的調(diào)節(jié)作用顯得尤為重要。

1.3 建筑圍護結(jié)構(gòu)

墻體的傳熱方式主要有輻射、傳導(dǎo)和對流。熱輻射主要發(fā)生在屋頂和墻壁材料之間。墻體被太陽光照射后會吸收其中的陽光以及輻射熱，儲存的能量會使得墻體內(nèi)部氣體發(fā)熱膨脹;熱傳導(dǎo)主要是由室內(nèi)外墻體的溫差產(chǎn)生的，熱能沿墻壁由高溫測移動到低溫側(cè);熱對流的熱量主要是通過建筑的空氣間隙和縫隙垂直向上移動。

1.4 建筑節(jié)能政策

政府政策的引領(lǐng)能夠?qū)ζ髽I(yè)標準、規(guī)范或是個人行為偏好產(chǎn)生一定的影響，從而影響建筑能耗。建筑節(jié)能政策對建筑物的能源消耗不如技術(shù)手段的效果那樣明顯，節(jié)能政策通常要求物體有一個反應(yīng)時間，這是正常的滯后[9]。但是節(jié)能政策在建筑中的作用確實不容忽視的，例如節(jié)能政策影響人的行為意識，加快節(jié)能技術(shù)和節(jié)能手段的創(chuàng)新也能夠進一步推動建筑節(jié)能的發(fā)展。

1.5 人的行為

人的因素也是影響建筑能耗的重要原因，為進一步量化這一因素對建筑能耗的影響，本研究在福州地區(qū)進行了現(xiàn)場調(diào)研。調(diào)查對象為福州萬福中心辦公樓的辦公人員，隨機調(diào)查了該辦公樓辦公人員對空調(diào)和照明的使用習慣，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

調(diào)查分析結(jié)果表明，建筑能耗與用電時間成正比，且奢侈型人員占比約為10%，故經(jīng)粗略分析，奢侈型人員將會提高能耗大約22.2%。

1.6 氣候因素

建筑耗能會排放大量的溫室氣體，而溫室效應(yīng)造成的全球變暖反過來又會增加空調(diào)用電量，進一步增加建筑能耗，形成惡性循環(huán)。我國大部分地區(qū)為夏熱冬冷或夏熱冬暖地區(qū)，一般來說，這些地區(qū)制冷能源消耗的增加遠比供暖能源消耗的減少要大得多，最終會導(dǎo)致總能源消耗的增加。因此，由溫室效應(yīng)造成的全年平均氣溫升高會進一步加劇建筑能源消耗，氣候因素也是影響建筑能耗的重要因素。

2? 基于ISM模型分析綠色建筑能耗影響因素

2.1 建立ISM模型

ISM（Interpretive Structure Modeling）是一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)，它通過將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，利用實踐經(jīng)驗及計算機輔助，最終構(gòu)成一個多級遞階的結(jié)構(gòu)模型。首先，對以上選取的6個綠色建筑能耗影響因素進行編號，如表2所示。

2.1.1 確定各影響因素之間的邏輯關(guān)系

首先創(chuàng)立ISM討論小組，小組成員有建筑與土木工程專業(yè)教授四名，從事建筑行業(yè)超過十年工作經(jīng)驗的管理人員六名。經(jīng)專家研究討論最終確定了這6個影響因素之間的邏輯關(guān)系，如表3所示。

在表3中，數(shù)值0和1表示Si與Sj之間的關(guān)聯(lián)性。若Sj對Si有影響，記為1;若Sj對Si沒有影響，記為0。當兩個因素之間互相影響時，考慮影響較大的一方。

2.1.2 建立ISM鄰接矩陣

鄰接矩陣A表示的是各因素之間的直接關(guān)系。相同因素之間不需要描述直接關(guān)系，因此其相互關(guān)聯(lián)性為1，即矩陣的對角線上都為1，再根據(jù)邏輯關(guān)系矩陣表（表3），建立ISM鄰接矩陣A：

2.1.3 生成ISM可達矩陣

可達矩陣M主要用來描述各因素之間的間接關(guān)系。根據(jù)布爾矩陣運算法則，對鄰接矩陣A和單位矩陣I求和，并對A+I做冪運算得到可達矩陣M，應(yīng)滿足公式：。

2.1.4 劃分影響因素層級

總結(jié)分析可達矩陣M中各影響因素之間的邏輯關(guān)系，可以分為可達集R（Si）、先行集A（Si）和共同集C（Si），如表4所示。

可達集R（Si）表示的是Si行中所有因素為1的列對應(yīng)的因素構(gòu)成的集合。先行集A（Si）是Si的起始集，表示的是Si列中所有因素為1的行對應(yīng)的因素構(gòu)成的集合。共同集C（Si）表示的是R（Si）和A（Si）的共同部分。假設(shè)Si是起始集，只影響其他因素而不受其他因素的影響，就必須滿足條件：，記為B（F）;假設(shè)Si是終止集，只受其他因素影響而不影響其他因素，就必須滿足條件：記為E（F）。因此，最高層因素也即終止級因素為E（F）=S3。將這個因素除去，剩余的五個因素按照上述步驟建立鄰接矩陣、計算可達矩陣，求出新的可達集、先行集以及共同集。重復(fù)上述步驟，直至全部因素都被分層。

2.1.5 構(gòu)建ISM模型

根據(jù)上述計算結(jié)果，第一層因素集合為{S3}，去除S3之后，計算得到第二層因素集合為{S1，S2};再去除S1、S2、S3，計算得到第三層因素集合為{S4，S5}，同理，第四層因素集合為{S6}。隨著層數(shù)的增加說明該因素對綠色建筑能耗的影響更大，層與層之間的因素用箭頭連接，跨層之間的因素無需建立聯(lián)系，由此構(gòu)建出ISM模型，如圖1所示。

2.2 結(jié)果分析

該模型是一個四層的綠色建筑能耗影響因素解釋結(jié)構(gòu)模型，從下往上表示的是各因素間產(chǎn)生影響的方向。隔層因素之間沒有箭頭不表示它們毫無關(guān)聯(lián)，可能是存在間接關(guān)系。

①模型最底層的因素，即氣候因素是引發(fā)綠色建筑能耗增加的根本原因。因為氣候變暖，使得建筑外部和內(nèi)部溫差變大，通過熱傳導(dǎo)，室內(nèi)溫度會上升，就導(dǎo)致空調(diào)能耗的迅猛增加。氣候變化也會影響政府發(fā)行不同的節(jié)能政策，同時也對人的行為產(chǎn)生影響。

②第三層的因素是建筑節(jié)能政策和人的行為。建筑節(jié)能政策能夠限制開發(fā)商（或業(yè)主方）不采取節(jié)能技術(shù)的行為，同時激勵型政策能夠促進開發(fā)商（或業(yè)主方）選擇節(jié)能材料以及采取節(jié)能措施以降低能耗。人為因素也會因為節(jié)能政策而改善自身的用能方式，提高節(jié)能意識等等。

③第一層影響因素是窗戶隔熱和遮陽，它是對綠色建筑能耗的影響最直接、最具體的因素。同時，第一層因素也受第二層因素的影響，比如建筑朝向和形狀影響了窗戶數(shù)量和面積，建筑圍護結(jié)構(gòu)的大小會影響建筑的形狀，此外，建筑形狀又會限制建筑圍護結(jié)構(gòu)的形式，進而影響綠色建筑能耗。

3? 結(jié)論與建議

本章通過文獻調(diào)查法、問卷調(diào)查法等方式選取了影響綠色建筑能耗的6個因素，并逐個進行分析;然后采用了ISM方法分析6個因素之間的影響關(guān)系，將分析結(jié)果按照重要程度由高到低依次排列為：氣候因素、建筑節(jié)能政策、人的行為、建筑朝向和形狀、建筑圍護結(jié)構(gòu)、窗戶隔熱和遮陽。根據(jù)這6個因素對綠色建筑能耗的影響程度，主要提出以下對策：

①各部門應(yīng)當協(xié)同治理、共同努力，改善生態(tài)環(huán)境、延緩全球變暖。從建筑全生命周期的角度來看，運營階段夏季空調(diào)制冷所產(chǎn)生的能耗占比巨大，改善生態(tài)環(huán)境能夠從根本上降低這部分能耗。

②政府及有關(guān)部門應(yīng)嚴格建筑節(jié)能標準和規(guī)范、制定有力的政策制度，并對企業(yè)違規(guī)和人的浪費行為進行限制。同時也應(yīng)該激勵建設(shè)單位等業(yè)主方選擇節(jié)能材料，對使用節(jié)能材料進行一定的補貼，調(diào)動節(jié)能的積極性。

③加大節(jié)能宣傳和教育力度。人的行為意識對綠色建筑能耗的改變有著重要的作用，全民節(jié)能必然會降低建筑能耗，因此要把節(jié)能理念普及到所有人之中。

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