碳中和目標(biāo)下被動式超低能耗居住建筑綠色評價

■ 馮亞娟 FENG Yajuan 何 婷 HE Ting

0 引言

我國每年的碳排放量居高不下，雖然近年來呈下降趨勢，但仍明顯高于大部分發(fā)達國家。2018 年，我國CO2排放總量約為112 億t，占全球29.71%[1]；其中，建筑全過程碳排放總量為49.3 億t[2]。2020 年，習(xí)主席在聯(lián)合國大會上提出，“我國確保2030 年前碳達峰，努力實現(xiàn)2060 年前碳中和”[3]，這一承諾體現(xiàn)了大國擔(dān)當(dāng)，也意味著建筑業(yè)必須探索轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展的新路徑。根據(jù)脫鉤理論，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護不再是相互掣肘的關(guān)系[4]，大力發(fā)展綠色建筑能夠在改善居民生活質(zhì)量的同時，降低能耗減少與碳排放。為達成2060年碳中和的目標(biāo)，建筑部門必須控制建筑能耗，在“十四五”期末建筑能耗總量保證在12 億tce 內(nèi)[2]。然而，我國目前建筑產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型效率低、轉(zhuǎn)化率不足，在此背景下，被動式超低能耗建筑的出現(xiàn)，高度契合了綠色建造發(fā)展理念。相較于普通綠色建筑和傳統(tǒng)主動式建筑，被動式超低能耗建筑的節(jié)能效果高達90%以上，能夠為居民營造出更加節(jié)能、舒適、健康的生活環(huán)境。被動式超低能耗建筑的發(fā)展綜合考慮了綠色度和節(jié)能減排，堅持走經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境改善的雙贏之路。

1 我國現(xiàn)存評價體系的問題

被動式超低能耗建筑的持續(xù)發(fā)展，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，歐盟甚至要求在2020年以后必須采用被動房，使居住建筑實現(xiàn)近零能耗；我國河北省、山東省、天津市等也在近年相繼出臺了有關(guān)被動式超低能耗建筑的技術(shù)和評價標(biāo)準(zhǔn)。然而，現(xiàn)存的評價體系和方法尚無法對被動式超低耗能居住建筑做出科學(xué)、合理的綠色評判，究其原因，主要有以下3 點。

（1）被動式超低能耗建筑評價需要符合綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，目前的相關(guān)研究大部分根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378——2014），構(gòu)建“四節(jié)一環(huán)?！痹u價體系[5]。然而，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378——2019）（以下簡稱“2019 版《標(biāo)準(zhǔn)》”提倡與時俱進，更加關(guān)注人與自然的和諧共生：一方面，將星級設(shè)計在原有等級基礎(chǔ)上增設(shè)基本級，與國際評價標(biāo)準(zhǔn)接軌；另一方面，將“四節(jié)”整合至“資源節(jié)約”中，完成從技術(shù)角度到使用者角度的轉(zhuǎn)變[6]。

（2）2019 版《標(biāo)準(zhǔn)》及各省市新制定的被動式超低能耗建筑評價標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定，而缺少了對有關(guān)綠色建筑經(jīng)濟性和推廣性等指標(biāo)的制定[7-8]，在實踐中無法完成對綠色建筑的全面評價。

（3）國內(nèi)外對被動式超低能耗建筑的綠色評價研究尚在起步階段，賦權(quán)方法大多都是單一的客觀賦權(quán)[9]或主觀賦權(quán)[10]，未能解決建筑綠色評價信息不確定性和融合的問題。

針對以上3 點，本文擬在評價內(nèi)容和指標(biāo)方面，以2019 版《標(biāo)準(zhǔn)》的指標(biāo)為基礎(chǔ)，增設(shè)經(jīng)濟性和社會性指標(biāo)，建立科學(xué)、全面的被動式超低能耗建筑綠色評價指標(biāo)體系；在評價方法方面，通過博弈論組合賦權(quán)的方法，確定被動式超低能耗建筑評價指標(biāo)權(quán)重，解決單一賦權(quán)方法權(quán)重順序不一致和過于依賴數(shù)據(jù)（專家主觀偏好性）的難題；進而通過構(gòu)建組合賦權(quán)-偏序集模型，選取現(xiàn)存的被動式居住建筑進行綠色評價，用最優(yōu)序關(guān)系代替權(quán)重具體數(shù)值，解決權(quán)重信息不確定性問題，提供可視化分組，明確被動式建筑綠色等級。

2 評價方法和步驟

2.1 建立評價指標(biāo)體系

被動式超低能耗建筑的發(fā)展是推進建筑綠色節(jié)能，推動我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要措施。其不但能提供居民舒適、恒溫、恒濕的生活環(huán)境，還可以減少碳排放量，降低社會終端能耗?，F(xiàn)階段，我國被動式超低能耗建筑正處于大力推廣和積極發(fā)展、創(chuàng)新階段。

本研究以2019版《標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，以達成碳中和為目標(biāo)，遵循指標(biāo)構(gòu)建的基本原則，將安全耐久、資源節(jié)約與利用、健康舒適度、創(chuàng)新性、管理、經(jīng)濟性及社會協(xié)調(diào)等7 類指標(biāo)作為綠色評價的一級指標(biāo)。評價等級和區(qū)間參考國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要有《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50785）、PHI《德國被動房標(biāo)準(zhǔn)》等；在缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時，則通過專家經(jīng)驗值或現(xiàn)場調(diào)研來確定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。被動式超低能耗建筑分為被動式超低能耗居住建筑和被動式超低能耗公共建筑，兩者在節(jié)能技術(shù)和供暖（冷）需求等方面有較大差異。因此，為了評價的科學(xué)性和公平性，本文以居住建筑項目為研究對象，構(gòu)建如表1 所示的評價指標(biāo)體系。

表1 被動式超低能耗建筑綠色評價指標(biāo)體系

2.2 博弈論組合權(quán)重的確定

由于評價指標(biāo)中既有定性指標(biāo)又有定量指標(biāo)，若采取單一的評價方法，則無法消除客（主）觀賦權(quán)法自身局限性，得到的指標(biāo)重要性排序受數(shù)據(jù)本身（專家喜好）的影響較大。本文采用博弈論組合賦權(quán)的方法，將多種主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法進行組合優(yōu)化，得到最優(yōu)序關(guān)系。

2.2.1 評價指標(biāo)主觀權(quán)重的確立

層次分析法（AHP）是決策者通過使用1-9 標(biāo)度對指標(biāo)重要程度進行打分，進而構(gòu)建出指標(biāo)判別矩陣，得到指標(biāo)權(quán)重排序；受主觀因素影響，需要對所得數(shù)據(jù)進行一致性檢驗。具體步驟可參考文獻[11]，得到的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)記為W1=W11,W12,…,W1m。

序關(guān)系分析法（G1）法與層次分析法的不同在于，它只需要先確定指標(biāo)的序關(guān)系，而不需要一致性檢驗。采用rj賦值參考表，對評價指標(biāo)重要程度打分[12]，并將G1 法得到的權(quán)重系數(shù)記為W2=W21,W22,…,W2m。

2.2.2 評價指標(biāo)客觀權(quán)重的確立

熵權(quán)法是度量決策信息不確定性的一種客觀賦權(quán)方法。熵越小，指標(biāo)信息不確定性越小，信息量越大，就越不能影響綠色評價的結(jié)果。熵值的大小通過指標(biāo)數(shù)據(jù)的變異程度計算得出，有關(guān)熵權(quán)法的具體步驟可參考文獻[12]，得到的權(quán)重系數(shù)記為W3=W31,W32,…,W3m。

CRITIC 法是由Diakoulaki提出的一種客觀權(quán)重賦權(quán)法。本文引入CRITIC 法，通過對比被動房兩指標(biāo)間的沖突性和強度，來分別計算數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，進而利用數(shù)據(jù)波動性和相關(guān)關(guān)系得到綠色評價指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟可參考文獻[13]，得到的權(quán)重系數(shù)用W4=W41,W42,…,W4m表示。

2.2.3 博弈論組合賦權(quán)方法確定綜合權(quán)重

為促使主、客觀的統(tǒng)一與融合，尋求最合理的權(quán)重排序，本文利用博弈論來計算被動式超低能耗建筑綠色評價指標(biāo)的組合權(quán)重。博弈論組合賦權(quán)方法既能綜合考慮數(shù)據(jù)的客觀信息和決策專家的實踐經(jīng)驗，又能弱化主觀賦權(quán)的隨意性和客觀賦權(quán)的片面性。具體步驟可參考文獻[11]，記組合權(quán)重為（a 為最有化線性組合系數(shù)）。

2.3 偏序理論

全序是偏序的特例。傳統(tǒng)評價結(jié)果為全序，理論上，傳統(tǒng)評價能夠升級為偏序評價。偏序集評價充分體現(xiàn)了決策者的有限理性，具有不確定性的本質(zhì)特征[14]。

偏序集運用于市政工程風(fēng)險評價中，能夠幫助決策者事先識別決策風(fēng)險。其不但能夠體現(xiàn)排序的穩(wěn)健程度，而且能夠進行傳統(tǒng)意義上的優(yōu)化。除此之外，偏序的HASSE 圖體現(xiàn)聚類功能，能應(yīng)用于等級評價問題。研究中融入決策者偏好信息，符合專家經(jīng)驗與數(shù)據(jù)融合的發(fā)展趨勢。

2.3.1 偏序定義

設(shè)R 是集合A 上的一個二元關(guān)系，若R 滿足以下條件：

（1）自反性，即對任意x∈A，有xRx。

（2）反對稱性，即對任意x,y,z∈A，若xRx且yRx，則x=y。

（3）傳遞性，即對任意x,y,z ∈A，若xRy 且yRz，則xRz。

2.3.2 計算公式

根據(jù)上述定義，對于m個樣本，n個指標(biāo)的決策問題，構(gòu)建滿足指標(biāo)重要性排序由大到小的評價矩陣X，進而通過累加變換，構(gòu)造出比較關(guān)系矩陣R=（rij）m×n，即給定偏序集（A，）。對于?ai,aj∈A，則：

HASSE圖不僅與HASSE矩陣一一對應(yīng)，同時也是有向圖的精簡版，即對給定的比較關(guān)系有向圖，保留兩點之間最大路徑，刪除之外的非最大路徑，得到剩余的圖便是HASSE圖。范懿[15]給出了比較關(guān)系矩陣和HASSE 矩陣之間的轉(zhuǎn)換公式：

式中，R為關(guān)系矩陣；HR為HASSE 矩陣；I 為單位矩陣；*為布爾運算。

2.4 組合賦權(quán)-偏序集模型的評價步驟

綜上，基于博弈論組合賦權(quán)-偏序集模型的被動房綠色評價方法基本步驟可概括為：①數(shù)據(jù)預(yù)處理；②分別利用主觀賦權(quán)法（AHP 法和G1 法）和客觀賦權(quán)發(fā)（熵權(quán)法和CRITIC 法），計算被動式超低能耗建筑綠色評價指標(biāo)權(quán)重{ W1，W2，W3，W4}；③利用博弈論組合賦權(quán)方法，計算評價指標(biāo)的組合權(quán)重，得到指標(biāo)最優(yōu)序關(guān)系；④通過偏序集理論，得到被動式超低能耗居住建筑項目綠色度等級和HASSE 圖可視化排序。

3 實證分析

為驗證組合賦權(quán)-偏序集模型綜合評價方法的科學(xué)性和有效性，本文選取華東和華北兩地區(qū)的10 個在建和已建被動式超低能耗建筑項目，對其進行實地調(diào)研和評價。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在10 個被動式超低能耗居住建筑項目中，分別選取10 棟單體建筑作為評價對象。根據(jù)指標(biāo)體系，對綠色評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行收集處理：①定量指標(biāo)數(shù)據(jù)可由項目的圖紙資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢測報告、實地調(diào)研等獲??；②定性指標(biāo)數(shù)據(jù)則由經(jīng)驗豐富的決策者打分確定。本研究將各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間中位數(shù)作為分級樣本，通過與分級樣本的比較、分類完成評價對象的等級劃分。5 個分級樣本的構(gòu)建，有利于建筑項目等級劃分與聚類；由于項目綠色度評價是具有不確定性多因素綜合評價，具體的排序沒有實際意義，因此，分級樣本無需比較先后順序，只需按照評價等級的優(yōu)劣排序，依次編號為A15、A14、A13、A12、A11，與10 個評價對象組合成為新的評級樣本。

21個指標(biāo)中，R8、R10、R16、R17是反向指標(biāo)，其余指標(biāo)均是正向指標(biāo)。對15 組數(shù)據(jù)進行正向化處理后，需用公式y(tǒng)i＝（xi－xi,max）/（xi,maxxi,min）對評級樣本進行無量綱化處理，結(jié)果見表2。

表2 被動式超低能耗居住建筑評級樣本預(yù)處理指標(biāo)值

3.2 各指標(biāo)組合權(quán)重及排序

偏序集評價方法需要的是指標(biāo)權(quán)重的重要性排序，根據(jù)博弈論組合賦權(quán)方法，計算得到指標(biāo)最優(yōu)序關(guān)系（表3）。

3.3 繪制HASSE 圖

首先，根據(jù)表3 的綠色評價指標(biāo)最優(yōu)序關(guān)系，將評級樣本預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行重排序，進而構(gòu)建出評價矩陣；然后，依據(jù)公式（1），建立偏序關(guān)系矩陣R；再通過公式（2）得到HASSE 矩陣；最后，利用python 語言繪制HASSE 圖（圖1）。HASSE 圖能直觀反映出被動式超低能耗居住建筑綠色度等級關(guān)系和聚類信息，便于等級分類和查找。

圖1 被動式超低能耗居住建筑評價等級HASSE 圖

表3 指標(biāo)權(quán)重及最優(yōu)序關(guān)系

3.4 結(jié)果分析

HASSE 圖有上級優(yōu)于下級的特點，且具有傳遞性。由圖1 可看出，偏序集評價方法將被動式超低能耗居住建筑綠色度劃分為5 個等級，由上到下分別對應(yīng)評價等級三星級、二星級、一星級、基本級和不合格。5 個虛擬分級樣本的綠色度評價結(jié)果分別為：A11不合格、A12基本級、A13一星級、A14二星級、A15三星級，符合構(gòu)建結(jié)果；根據(jù)被動式超低能耗居住建筑綠色評價結(jié)果（表4），10 個實際項目的等級分類均符合現(xiàn)實，驗證了博弈論組合賦權(quán)-偏序集被動式超低能耗居住建筑綠色評價的合理性。

由表4 可知，評價等級為基本級的較多，三星級沒有，說明這10 個研究對象均能達到建筑節(jié)能效果，符合綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，但是仍有較大的發(fā)展空間。評價結(jié)果呈現(xiàn)“兩頭少，中間多”分布規(guī)律，符合我國被動式超低能耗建筑發(fā)展現(xiàn)狀。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因有以下3 個方面：①在政策方面，國家對該類型建筑的政策支持體系還不完善；②在建設(shè)成本方面，該類型建筑的成本比一般建筑高約600 萬元/m2；③在生產(chǎn)技術(shù)方面，我國的被動式房屋建設(shè)多依靠于其他國家的關(guān)鍵性技術(shù)，自主研發(fā)知識產(chǎn)權(quán)較少。為提高綠色度等級，抓牢被動式超低能耗建筑發(fā)展機遇期，國家和建筑企業(yè)需提高綠色創(chuàng)新，形成高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)鏈體系，實現(xiàn)被動式超低能耗建筑大規(guī)模、高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)。

表4 被動式超低能耗居住建筑項目評價結(jié)果

為了進一步檢驗博弈論組合賦權(quán)-偏序集綜合評價方法的科學(xué)性和有效性，選取RSR 秩和比法、熵權(quán)-TOPSIS 法、層次分析-TOPSIS法3 種綜合評價方法，對15 個評級樣本進行綠色度排序（表5）?？梢钥闯?，這3 類綜合評價方法對具體的綠色度排名有較大差異性，主要原因是它們都過度依賴于權(quán)重具體數(shù)值，不同的賦權(quán)方式導(dǎo)致權(quán)重大小存在差異性，卻忽略了權(quán)重本身的不確定性。本文提出的博弈論組合賦權(quán)-偏序集綜合評價方法，克服了精準(zhǔn)權(quán)重問題，僅通過最優(yōu)序關(guān)系就能完成科學(xué)、直觀的等級評價和分類，且不受權(quán)重數(shù)值波動，可見其優(yōu)于其他綜合評價方法。

表5 評級樣本不同綜合評價方法綠色度排序

4 結(jié)論

為了達成2060 年碳中和目標(biāo)，突出綠色發(fā)展理念，建筑業(yè)需要大力推廣被動式超低能耗建筑。針對被動式超低能耗建筑評價指標(biāo)體系不全面的難題，本研究根據(jù)碳中和目標(biāo)和2019 版《標(biāo)準(zhǔn)》，增設(shè)經(jīng)濟性和社會性指標(biāo)，更新綠色度等級，豐富和完善被動式超低能耗居住建筑綜合評價指標(biāo)體系。

在此基礎(chǔ)上，提出一種新的決策信息不確定性綜合評價方法，以解決主客觀賦權(quán)兩者之間的沖突，并尋找一致性，從而提高評價結(jié)果的穩(wěn)健性。運用博弈論組合賦權(quán)，將主觀意識和客觀數(shù)據(jù)等信息融合，從而得到最優(yōu)序關(guān)系。組合賦權(quán)-偏序集評價模型既可以解決精準(zhǔn)賦權(quán)的難題，又削弱了指標(biāo)權(quán)重數(shù)值不確定性的缺點。

此外，為驗證該方法的科學(xué)性和有效性，對10 個被動式超低能耗居住建筑進行綠色度等級評判，利用HASSE 圖完成可視化分類。最終得到的實證分析結(jié)果與實際綠色星級相同，驗證了指標(biāo)體系和評價模型的科學(xué)性和可操作性。與其他方法比較，本研究方法更直觀、準(zhǔn)確，為被動式超低能耗建筑綠色度評價提供新方法新思路。