公共建筑能耗影響因素指標(biāo)合成分析及交互作用研究

羅澤豐 詹筱霞

（贛南科技學(xué)院 資源與建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

公共建筑的能耗研究一直是建筑領(lǐng)域節(jié)能降耗研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通過(guò)建立和分析公共建筑的能耗影響因素，并根據(jù)有關(guān)能耗影響因素開(kāi)展指標(biāo)合成分析，進(jìn)而開(kāi)展基于公共建筑能耗影響因素的交互作用計(jì)算和分析，為公共建筑能耗控制重點(diǎn)的選擇提供技術(shù)支撐，為公共建筑領(lǐng)域節(jié)能降耗實(shí)現(xiàn)路徑的分析提供參考。

1 公共建筑能耗影響因素建立和分析

關(guān)于公共建筑能耗影響因素的建立與分析，基于文獻(xiàn)調(diào)查、實(shí)地調(diào)研、專(zhuān)家咨詢和訪談問(wèn)卷等形式，確定了我國(guó)現(xiàn)階段的公共建筑能耗影響因素主要包括建筑本體、用能設(shè)備、人工使用時(shí)長(zhǎng)、建筑功能環(huán)境等四個(gè)方面[1]。各層面的影響因素如圖1所示。

圖1 公共建筑能耗影響因素統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖1所示內(nèi)容可以看出，在建筑本體層面，存在的公共建筑能耗影響因素?cái)?shù)量最多，有15項(xiàng)指標(biāo)，且這15項(xiàng)指標(biāo)均和公共建筑的土建設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)以及綠建設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)緊密關(guān)聯(lián)；在用能設(shè)備層面的能耗因素只有4項(xiàng)，集中體現(xiàn)于公共建筑內(nèi)部暖通設(shè)備的溫度設(shè)置及燈光、設(shè)備等的布設(shè)密度；在人工使用時(shí)長(zhǎng)和建筑功能環(huán)境層面的能耗影響因素?cái)?shù)量雖然較少，但是運(yùn)行時(shí)間、采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)等影響因素均對(duì)建筑的日常運(yùn)行能耗、年度運(yùn)行能耗有著較大的影響。[2]此外根據(jù)圖1所示的22項(xiàng)公共建筑能耗影響因素指標(biāo)，對(duì)于我國(guó)江西省內(nèi)大部分公共建筑的能耗影響因素值域進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)圖1 所示的公共建筑能耗影響因素和表1 所示的江西省內(nèi)公共建筑能耗影響因素值域統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為開(kāi)展江西省內(nèi)的公共建筑能耗影響因素指標(biāo)合成分析、交互作用計(jì)算及其分析等，提供了保障支撐。

2 公共建筑能耗影響因素指標(biāo)合成分析

從前文可以看出，22 項(xiàng)公共建筑能耗影響因素指標(biāo)，類(lèi)別數(shù)值不同、單位不同，因此各項(xiàng)影響因素指標(biāo)之間存在性質(zhì)差異和單位量級(jí)差異[3]。另一方面，雖然這些能耗影響因素指標(biāo)存在性質(zhì)差異和單位量級(jí)差異，但均是在某一方面體現(xiàn)公共建筑的能耗表現(xiàn)?；谶@些影響因素指標(biāo)的差異和效用共同點(diǎn)，使用主成分分析法開(kāi)展指標(biāo)合成分析，將各類(lèi)影響因素指標(biāo)間的差異降到最低，將各類(lèi)影響因素指標(biāo)間的共通性提升至最大，以此有利于實(shí)現(xiàn)公共建筑能耗影響指標(biāo)的交互作用計(jì)算與分析[4]。

2.1 主成分分析法的理論內(nèi)容

主成分分析法，是將一系列搜集整理到的影響因素指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的一種數(shù)學(xué)方法。以公共建筑能耗影響因素指標(biāo)為例，如在統(tǒng)計(jì)階段共有m 個(gè)初始影響因素指標(biāo)變量，分別為X1、X2、X3、X4、...、Xm和n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，那么Xij表示第i 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)第j 項(xiàng)影響因素指標(biāo)的取值。Xij’表示對(duì)Xij進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的取值。初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算公式如式（1）[5]。

根據(jù)式（1）對(duì)公共建筑能耗影響因素進(jìn)行初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后，可以建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)變量之間的有關(guān)系數(shù)矩陣R[6]。有關(guān)系數(shù)矩陣R中第i行第j個(gè)矩陣元素的計(jì)算式如式2所示。

2.2 主成分分析法計(jì)算

根據(jù)表1 所示的統(tǒng)計(jì)值域，按照式（1）和式（2）進(jìn)行22 項(xiàng)公共建筑能耗影響因素指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 江西省內(nèi)公共建筑能耗影響因素指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算結(jié)果

完成對(duì)于初始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化之后，可以通過(guò)計(jì)算并比較累計(jì)貢獻(xiàn)率的方式，從前文22 項(xiàng)影響因素指標(biāo)中，進(jìn)一步確定公共建筑能耗關(guān)鍵因素指標(biāo)。因素Xij的累計(jì)貢獻(xiàn)率ɑij計(jì)算式如式3所示。

根據(jù)表2和式3依次計(jì)算這22項(xiàng)公共建筑能耗影響因素指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率，得出的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

通常情況下，一般將累計(jì)貢獻(xiàn)≥90%的影響因素指標(biāo)，作為關(guān)鍵影響因素指標(biāo)。透過(guò)表3 可以看出，累計(jì)貢獻(xiàn)率≥90%的影響因素指標(biāo)編號(hào)分別為X5、X6、X13、X14、X15、X16、X17、X21、X22，對(duì)應(yīng)的影響因素指標(biāo)分別為體形系數(shù)、外表面積、外墻遮陽(yáng)系數(shù)、窗戶和墻體面積、地下墻體及地面熱阻、空調(diào)設(shè)定溫度、供暖設(shè)定溫度、采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)。

3 公共建筑能耗影響因素交互作用計(jì)算

所謂公共建筑能耗影響因素之間的交互作用，即每?jī)蓚€(gè)因素之間通過(guò)交互影響率計(jì)算，如果這兩個(gè)因素之間的交互影響率＞0.5，則兩個(gè)因素指標(biāo)呈現(xiàn)協(xié)同作用；如果這兩個(gè)因素之間的交互影響率=0.5，則兩個(gè)因素指標(biāo)互不影響；如果這兩個(gè)因素之間的交互影響率＜0.5，則兩個(gè)因素指標(biāo)呈現(xiàn)拮抗作用[7]。由于江西省內(nèi)公共建筑的能耗影響因素指標(biāo)較多，對(duì)22 項(xiàng)指標(biāo)中任意兩項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展交互作用計(jì)算，不僅計(jì)算量大，也存在較大誤差影響[8]。故選取前文確定的9 項(xiàng)關(guān)鍵因素指標(biāo)X5、X6、X13、X14、X15、X16、X17、X21、X22進(jìn)行交互作用計(jì)算。任意兩個(gè)影響因素指標(biāo)間的交互作用計(jì)算式如式（4）所示。

式中：σi-j——第i項(xiàng)影響因素指標(biāo)和第j項(xiàng)影響因素指標(biāo)之間的交互影響率；

ɑi——第i項(xiàng)影響因素指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率；

ɑj——第j項(xiàng)影響因素指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率。

根據(jù)表3和公式（4）計(jì)算的結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4 中的計(jì)算結(jié)果，可以判斷江西省內(nèi)公共建筑9 項(xiàng)能耗關(guān)鍵影響因素指標(biāo)中，任意兩項(xiàng)指標(biāo)之間的交互作用情況，比如影響因素X5與影響因素X6之間的交互影響作用值σ5-6=0.621，這說(shuō)明影響因素X5與影響因素X6之間呈現(xiàn)協(xié)同作用，這兩個(gè)因素指標(biāo)中有一項(xiàng)能耗上升，另外一項(xiàng)因素指標(biāo)的能耗也會(huì)上升；比如影響因素X13與影響因素X21之間的交互影響作用值σ13-21=0.478，這說(shuō)明影響因素X13與影響因素X21之間呈現(xiàn)拮抗作用，這兩個(gè)因素指標(biāo)中有一項(xiàng)能耗上升，另外一項(xiàng)因素指標(biāo)的能耗會(huì)下降。根據(jù)9項(xiàng)關(guān)鍵因素指標(biāo)中任意兩項(xiàng)指標(biāo)的交互作用情況，開(kāi)展相應(yīng)的能耗應(yīng)對(duì)措施，將有助于實(shí)現(xiàn)公共建筑的能耗控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查和調(diào)研咨詢等手段，確定我國(guó)現(xiàn)階段公共建筑能耗影響因素的有關(guān)指標(biāo)。再根據(jù)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，確定各個(gè)有關(guān)能耗影響因素指標(biāo)的值域。然后借助主成分分析法的有關(guān)理論，對(duì)各個(gè)影響因素指標(biāo)的初始值域開(kāi)展數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，盡可能降低各個(gè)影響因素指標(biāo)間的性質(zhì)差異、量級(jí)單位差異。而后在完成關(guān)鍵影響因素指標(biāo)的篩選后，利用交互作用計(jì)算函數(shù)式，對(duì)9 個(gè)關(guān)鍵影響因素指標(biāo)中的任意兩項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展交互作用影響值計(jì)算，根據(jù)交互作用影響率判斷9 個(gè)關(guān)鍵影響因素指標(biāo)中任意兩項(xiàng)指標(biāo)的交互作用影響情況。