基于AHP的夏熱冬冷地區(qū)居住建筑空調(diào)能耗評價體系構(gòu)建與應(yīng)用研究

段姣姣，向夏楠，王晨光，王 盛，詹 俏，楊亞夫

(湖南城市學(xué)院 市政與測繪工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

由于人口增多、城市化加快和消費水平的日益增長，近20 a 來，我國建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，城市房屋密度幾乎飽和.建筑作為社會3 大能耗大戶之一，對能源的消耗和環(huán)境影響巨大.因此，針對低能耗建筑、綠色建筑、可持續(xù)性建筑、零能耗建筑等的研究從未間斷并呈現(xiàn)越來越被重視的態(tài)勢.研究人員不僅需從設(shè)計、施工、運營維護、控制、改造等方面考慮建筑節(jié)能，還應(yīng)進一步綜合使用者的心理、行為等復(fù)雜的社會背景因素.

夏熱冬冷地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，常年濕度高，在自然條件下其室內(nèi)熱環(huán)境差.然而，這類地區(qū)面積廣、人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達[1]，且由于冬季采暖和夏季制冷等措施的普及，其建筑能耗急劇上升.

在各類型建筑中，居住建筑的規(guī)模是最大的，且人均住宅面積逐年增長.2001 年我國居住建筑竣工面積為前5 a 居住建筑竣工面積之和，截至2017 年初，存量住宅面積高達550 億m2[2].同時，隨著人們生活水平的提高，居住建筑的空調(diào)使用量也快速增加.通過查詢夏熱冬冷地區(qū)各省歷年統(tǒng)計年鑒，發(fā)現(xiàn)這類地區(qū)各省、市歷年城鎮(zhèn)居民空調(diào)每百戶擁有量急劇增加.近年來，家用空調(diào)數(shù)量穩(wěn)定增加，由1 戶1 臺向1 室1 臺發(fā)展[3].因此，不解決日益增加的居住建筑空調(diào)能耗問題，建筑業(yè)“雙碳”目標難以實現(xiàn).

1 居住建筑空調(diào)能耗研究背景

已有研究一般通過調(diào)研實測[4-7]和實驗?zāi)M[8-9]得出如下結(jié)論：居住建筑空調(diào)能耗與建筑、居住者、設(shè)備、氣象條件等有關(guān).

1.1 評價指標體系構(gòu)建

針對同一熱工區(qū)的居住建筑空調(diào)能耗進行分析，其氣象條件基本具有一致性.因此，本文從建筑、居住者、設(shè)備等角度出發(fā)，結(jié)合各指標對居住建筑空調(diào)能耗的影響程度，選取其主要因素(物理、人為、技術(shù)、社會和經(jīng)濟)作為5 個一級指標)，并建立相應(yīng)的二級指標，構(gòu)建居住建筑空調(diào)能耗評價指標體系.

1.2 評價方法選擇

建筑空調(diào)能耗的評價方法主要包括主成分分析法(PCA)、層次分析法(AHP)、熵值法、模糊評價法、因子分析法等，其中應(yīng)用較為廣泛的是主成分分析法和層次分析法.

主成分分析法是一種降維統(tǒng)計方法，即對提出的所有變量進行相關(guān)分析，剔除重復(fù)變量，重新組合出新的彼此無關(guān)的綜合指標替換原有指標，并盡可能多地保留原有信息.

層次分析法是一種排序統(tǒng)計方法，即對提出的所有因素根據(jù)其隸屬關(guān)系按不同層次聚集組合，再通過兩兩重要性的對比形成多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，并確定最低層相對于最高層的權(quán)重.

居住建筑空調(diào)能耗的影響因素是錯綜復(fù)雜的，需要建立指標體系進行分層處理.基于此，本文采用層次分析法作為評價方法.

2 建筑空調(diào)能耗評價

2.1 評價流程

首先，通過調(diào)研分析和文獻綜述[10-11]，初步建立一套科學(xué)精煉的、代表性較強的指標體系和相應(yīng)的評價標準；其次，選用適當?shù)脑u價方法并建立準確的數(shù)學(xué)模型.居住建筑空調(diào)能耗評價的一般流程如圖1 所示.

圖1 居住建筑空調(diào)能耗評價流程

2.2 具體評價指標

從縱向角度來看，居住建筑空調(diào)能耗小到房間、住戶，大到建筑或小區(qū)，甚至熱工區(qū)(如夏熱冬冷地區(qū))，涉及面很廣.根據(jù)居住建筑空調(diào)能耗和各縱向?qū)娱g的關(guān)聯(lián)度，可將居住建筑空調(diào)能耗劃分為房間、住戶、建筑和熱工區(qū)4 個層次.從橫向角度來看，居住建筑空調(diào)能耗根據(jù)不同的影響因素可劃分為物理、人為、技術(shù)、社會和經(jīng)濟5 個層次.具體評價指標體系見表1.

表1 居住建筑空調(diào)能耗評價指標體系

在表1 中，各項指標又包括了多項要素，如物理因素包括房間、住戶、建筑和熱工區(qū)的戶型(房間形狀)、層數(shù)、面積、朝向、圍護的結(jié)構(gòu)參數(shù)等；人為因素包括其常住人口在室時間、空調(diào)啟閉時間(年均和日均)、空調(diào)開啟溫度、開窗狀態(tài)等；技術(shù)因素包括其空調(diào)設(shè)備類型、數(shù)量、性能參數(shù)、單位時間能耗等；社會因素包括其常住人口結(jié)構(gòu)、數(shù)量、節(jié)能意識、年齡、職業(yè)等；經(jīng)濟因素包括其常住人口經(jīng)濟收入、消費水平等.

2.3 層次分析法評價

層次分析法(AHP)主要用于求解多層次結(jié)構(gòu)問題，是多指標綜合評價的一種定量方法，同時它也是一種定性與定量相結(jié)合的方法，能把定性因素量化，將人的主觀判斷用數(shù)學(xué)方式處理，可在一定程度上檢驗和減少主觀影響，使評價更趨科學(xué)化[12].AHP 本質(zhì)是一種思維方式，已有很多學(xué)者將其應(yīng)用于建筑的節(jié)能水平評估.

首先，該方法通過把復(fù)雜系統(tǒng)分解成各組成因素，并將這些因素按支配關(guān)系組成多層次結(jié)構(gòu)；其次，通過各層次因素的兩兩比較，對其相對重要性作出判斷，并構(gòu)造判斷矩陣；最后，通過計算，確定決策方案相對重要性的總排序.應(yīng)用AHP 法的整個過程是分解、判斷和綜合的過程，其主要內(nèi)容和步驟如圖2 所示.

圖2 AHP 方法的內(nèi)容與步驟

2.3.1 構(gòu)造各層判斷矩陣

在確定好層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造各層判斷矩陣M，且其元素(賦值依據(jù)見表2)應(yīng)滿足

表2 指標關(guān)聯(lián)程度賦值

2.3.2 計算權(quán)重向量

權(quán)重向量是對各判斷矩陣中的準則層或指標層的指標因子進行重要性排序，包括3 個步驟：

1)求解判斷矩陣M各行元素的乘積pi，即

2.3.3 一致性檢驗

確定好優(yōu)先級并在判斷矩陣的基礎(chǔ)上按式(4)～式(6)進行一致性檢驗.

表3 隨機一致性指標

2.3.4 組合權(quán)重排序

由于目標層A-準則層B和準則層B-指標層C的權(quán)重存在各自的排序，為了得到各因素的綜合排名，需計算組合權(quán)重，即

3 實例分析

本研究以夏熱冬冷地區(qū)某城市居住建筑空調(diào)能耗為對象進行影響因素評價，通過理論分析確定了影響夏熱冬冷地區(qū)居住建筑空調(diào)能耗的主要因素是建筑物物理參數(shù)、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、居住者行為以及其社會特征和經(jīng)濟水平，其中經(jīng)濟水平受限于居住者的社會特征，如節(jié)能意識.

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

首先，在物理、人為、技術(shù)和社會4 個主導(dǎo)因素的基礎(chǔ)上分析各自指標體系；其次，建立目標層A-準則層B-指標層C 的層次結(jié)構(gòu).其具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示.

圖3 某居住建筑空調(diào)能耗評價層次結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)2.3.1～2.3.2 的相關(guān)理論計算得出，目標層到準則層的判斷矩陣與權(quán)重值見表4，準則層B1 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值見表5.再根據(jù)2.3.3 對權(quán)向量進行一致性檢驗，其中目標層A-準則層B 的CR=0.011＜0.1，準則層B1 到指標層的CR=0.015＜0.1.這說明目標層A-準則層B1-指標層的判斷矩陣與權(quán)向量均通過了一致性檢驗.

表4 目標層到準則層的判斷矩陣與權(quán)重值

表5 準則層B1 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值

同理，準則層B2～B4 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值均可被計算出來，具體結(jié)果見表6～表8.其權(quán)向量的一致性檢驗結(jié)果依次為：準則層B2到指標層的CR=0.015＜0.1；準則層B3 到指標層的CR=0.011＜0.1；準則層 B4 到指標層的CR=0.015＜0.1.這說明準則層B2～B4 到指標層 的判斷矩陣與權(quán)向量也均通過了一致性檢驗.

表6 準則層B2 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值

表7 準則層B3 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值

表8 準則層B4 到指標層的判斷矩陣與權(quán)重值

對以上各層判斷矩陣與權(quán)重值進一步計算分析，得到居住建筑空調(diào)能耗組合權(quán)重見表9，其因素排序如圖4 所示.

圖4 某居住建筑空調(diào)能耗影響因素排序

表9 組合權(quán)重計算結(jié)果

由表9 和圖4 可知，從橫向來看，B 層人為因素是影響此居住建筑空調(diào)能耗權(quán)重最大的因素；C 層每日空調(diào)啟閉時間、開啟溫度和圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響此居住建筑空調(diào)能耗權(quán)重排名前3 的因素.因此，引導(dǎo)空調(diào)使用人的行為和圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是該建筑節(jié)能減排的關(guān)鍵.

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了夏熱冬冷地區(qū)居住建筑空調(diào)能耗評價體系，其縱向表現(xiàn)為房間、住戶、建筑或小區(qū)、城市或熱工區(qū)4 個層次；橫向表現(xiàn)為物理、人為、技術(shù)、社會、經(jīng)濟5 個層次.通過對具體問題的確定、相關(guān)因素的劃分與選定、層次結(jié)構(gòu)的建立、判斷矩陣的構(gòu)造、優(yōu)先級確定和一般性檢驗等程序，選用層次分析法作為評價方法確定了評價體系的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對夏熱冬冷地區(qū)某居住建筑空調(diào)能耗進行了評價.結(jié)果表明：人為因素是影響此建筑空調(diào)能耗權(quán)重最大的準則層影響因子，為46.68%；空調(diào)的每日啟閉時間和開啟溫度以及圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響此建筑空調(diào)能耗權(quán)重排名前3 的指標層影響因子，分別為19.48%、12.30%和11.59%.

在研究過程中還發(fā)現(xiàn)居住建筑能耗評價的指標數(shù)據(jù)不完整、定量難度大、評價方法不成熟和數(shù)據(jù)處理工作量較大等問題，這使得居住建筑空調(diào)能耗評價系統(tǒng)的建構(gòu)具有長期性，以后的研究可考慮建立互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).