居住建筑節能評價與能效標識理論模型

楊玉蘭,李百戰,姚潤明,康寧

(1.浙江工業大學建筑工程學院杭州310014;2.重慶大學城市建設與環境工程學院,重慶400045;3.英國雷丁大學 建筑管理與工程學院雷丁RG6 6AW;4.中國建筑西南設計研究院,成都610081)

隨著中國經濟的不斷發展,建筑能耗在總能耗中所占的比例也在逐年上升。能源消耗不但加劇能源危機,而且造成環境污染。建筑節能評價和能效標識是提高中國建筑能效的最重要和最有效的措施之一。當前,以中國《建筑能效測評與標識技術導則》[1]為模板,一些地區結合自己特點,也制定了適宜本地區的建筑能效測評與標識方法,比如重慶市建設委員會頒布了《重慶市建筑能效測評與標識管理辦法(渝文審[2008]4)》[2]和《重慶市建筑能效測評與標識技術導則》。

以某種建筑運行能耗計算方法或者建筑運行能耗計算機模擬軟件為基礎的建筑能效評價方法是目前建筑節能評價的主要方法。歐盟建筑能效指導EPBD 2002/91/EC(Energy Performance of Buildings Directive)[3]框架下的建筑能耗證書制度以及中國的《建筑能效測評與標識技術導則》都屬于該類建筑能效評價方法。該類方法最大的優點是能為建筑能耗提供定量的比較和評價,不足之處則是評價依賴于某一建筑能耗計算方法或計算機模擬軟件。任何一種建筑能耗計算方法或模擬軟件都是在一定的假定條件下對建筑能耗進行計算或模擬,一方面建筑能耗計算方法和模擬的結果經常與實際數據出現較大出入,另一方面任何一種建筑能耗計算方法和模擬軟件都不能將影響建筑能效的各方面都包含進去,并建立定量的能耗計算。

當前中國尚缺乏具有說服力的建筑節能綜合評價模型及方法;其次,建筑節能評價是比較復雜的課題,評價中存在主觀判斷與客觀判斷,主觀判斷中必然存在不確定信息和不完全信息,然而,尚未發現處理建筑節能評價中的不確定信息和不完全信息的文獻資料。

該文以證據理論和建筑節能技術標準為基礎,提出了一個建筑節能評價與能效標識理論模型。將該模型應用到夏熱冬冷地區居住建筑節能評價,形成了一套夏熱冬冷地區居住建筑節能評價與能效標識方法。在所提出方法的基礎上,開發了一套夏熱冬冷地區居住建筑節能評價及能效標識計算機軟件。為了驗證夏熱冬冷地區居住建筑節能評價及能效標識方法和軟件,應用開發的軟件對重慶一實例建筑進行節能評價及能效標識,評價結果與即將頒布的《節能建筑評價標準(征求意見稿)》評價結果趨于一致。

1 建筑節能評價與能效標識理論模型

構建的建筑節能評價及能效標識理論模型如圖1所示。

首先對被評建筑進行建筑節能強制性條款檢查。如果被評建筑未通過強制性條款檢查,其能效等級被標識為“差”。如果被評建筑通過強制性條款檢查,則進入下一階段的能效標識。能效標識采用在證據理論和證據推理方法基礎上構建的建筑能效標識模型進行。建筑能效標識有2個主要步驟:首先,從各建筑節能評價指標出發,依據已經建立的一套夏熱冬冷地區居住建筑評價指標建筑能效等級信度分配原則,對被評建筑進行建筑能效等級信度分配;然后,應用結合能效標識模型的證據合成算法將分項指標信度綜合成為最后的建筑能效等級信度,最后根據綜合能效等級信度對被評建筑進行能效標識。

建筑節能評價指標體系構建及權重分配是很重要的內容,通過結合理論分析及專家問卷調查構建出一套評價指標,并按照群體層次分析權重模型進行專家問卷調查,為各指標分配了權重。建筑節能評價指標的構建及權重分配詳見參考文獻[4]。已經構建好的建筑節能評價指標及權重如圖2所示:

建筑能效等級數量和名稱確定也是該模型的重要步驟之一。雖然所提出的建筑節能評價模型能處理多個建筑能效等級,但是,過多過細的建筑能效評價等級也是不必要的。為了避免采用星級和數字等級帶來理解上的混淆,采用文字等級:“差”、“通過”、“銅牌”、“銀牌”和“金牌”。這5個等級具有含義清楚,等級數量合適、容易理解的特點。

1.1 強制性條款檢查

模型中的強制性條款檢查主要基于《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[5]和《GB 12021.3-2004房間空氣調節器能效限定值及能源效率等級》這2個標準進行。《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中3.0.3,4.0.3,4.0.4,4.0.7,4.0.8,5.0.5,6.0.2為強制性條文,必須嚴格執行。然而,考慮到第6.0.2條一般情況下不適用,所以未納入強制性條款檢查范圍。第3.0.3條評價的可操作性較差,所以,也未將該條款納入模型的強制性條款檢查。第3.0.3條是關于“采暖、空調能耗節能50%”的條款 ,正如《居住建筑節能設計標準(征求意見稿)》[6]中指出:“這種全年采暖和空調的能耗計算,只可能采用典型建筑按典型模式運算,而實際建筑是多種多樣、相當復雜的,運行情況也是千差萬別的,因此,設計時按照標準的規定去做就可以滿足要求,如果再花時間去計算分析所設計建筑物的節能率究竟是多少,可能就不值得了”。除了以上2條之外其余5條均納入評價方法的強制性條款檢查內容。

1.2 指標信度分配

為模型中的17個建筑節能評價指標的能效等級分配信度,是本模型的關鍵內容之一。結合中國現行標準規范、考慮到各指標的當前技術發展水平、并參照某些發達國家的標準規范的基礎上,構建了一套為17個指標分配信度的原則。以房間空調設備能效指標為例,針對該指標的信度分配方法如表1所示。其余指標的信度分配原則可參見文獻[7]。

表1 房間空調器能效指標信度分配原則

1.3 證據理論(DS理論)與證據推理方法(ER方法)

證據理論由Dempter[8-10]在20世紀的60年代年提出,由Shafer于20世紀70年代年推廣提煉形成證據理論,并于1976年發表著作“數學的證據理論(A Mathematical Theory of Evidence)”[11],因此證據理論又稱D-S證據理論。該方法具有較完善的數學基礎,能充分地利用冗余信息及信息之間的互補性,獲得更可靠的信息,改善決策等優點[12]。DS理論最大的局限和爭議在于:在使用證據理論進行證據合成時,當證據具有較強的沖突時將導致合成結果有悖常理,Zadeh[13]引用2個醫生看病的例子是最好的例證。

證據推理方法(Evidential Reasoning Approach),簡稱ER方法,由 Yang Jian-bo和 Madan G Singh于1994年提出[14]。ER方法通過組合信度和權重以及歸一化組合后的基本信度函數,獲得基本信度分配,從而改善了證據理論在證據沖突時的合成[15]。與DS理論的指數級計算復雜度相比,ER算法為線性復雜度,不但計算復雜度較低,并且易于編程。

1.4 基于證據理論與證據推理方法的建筑能效標識理論模型

構建的建筑節能評價理論模型如圖3所示。建模過程中,將評價等級視為證據理論中的辯識框,辨識框中的命題(即能效等級)為互斥的和窮盡的。所謂互斥,即某一個能效等級完全確定后,則該能效等級的信任度為1,其它的能效等級的信任度必為0,所有能效等級的信度之和必須小于或等于1。所謂窮盡的,即辨識框包含所有的可能的能效等級,不允許評價者用辨識框之外的能效等級來評價對象。

圖3 建筑節能評價理論模型

假定有L個評價指標,構成了L個證據信息源。從各指標出發,對建筑的能效評價將以信任度βn,j(n的方式表達,βn,j表示從指標Ej的角度提供的證據,將建筑能效指派到能效等級Hn的程度,即從指標Ej提供的信息,評價者以信度βn,j認為建筑的能效屬于等級Hn的程度。信度βn,j滿足下式:。≥0并且

以ER算法為基礎,結合構建的建筑節能評價模型,將各評價指標信度合成為綜合信度的算法如式(1)-(14)所示:

首先,通過結合評價指標權重和信度矩陣,建立證據理論中的基本信度分配函數。

并且

式中:mn,i為從評價指標Ei的角度提供的證據,將建筑評價到能效等級 Hn的基本信度分配;為分配到等級的信度之外的信度,由和2部分組成;為Ei這個指標之外的其它指標對評價的作用,實質上它是ER方法解決證據沖突的重要措施為Ei這個指標的證據進行評價的不完全的程度。如果從Ei這個指標的證據進行評價是完全的,則

根據ER的迭代算法,將各評價因素的基本概率分布函數集結,用以下方法計算:

式中迭代初始條件為

βn和βH分別表示證據合并后的N個評價等級的信度和未分配的信度,

2 實例研究

以所提出的理論模型為基礎,采用Delphi作為開發工具,應用軟件工程理論和方法指導,開發了一套基于Windows的夏熱冬冷地區居住建筑節能評價和能效標識軟件。采用軟件對重慶龍湖?觀山水住宅小區6號樓進行建筑節能評價及能效標識。

2.1 強制性條款檢查

按照所構建的方法對該建筑進行強制性條款檢查,檢查結果為“通過”。

被評建筑屋面采用憎水珍珠巖保溫板保溫,根據施工圖中說明,并采用《實用供熱空調設計手冊》[16]的計算方法,經過計算,被評建筑屋頂總熱阻為1.31 m2?℃/W,傳熱系數為0.76 W/(m2?℃),熱惰性為5.63;外墻總熱阻為1.2 m2?℃/W,總傳熱系數為0.83 W/(m2?℃),熱惰性為2.95;內墻總熱阻為1.27 m2?℃/W,傳熱系數為0.79 m2?℃;樓板總熱阻為0.67 m2?℃/W,傳熱系數為1.49 m2?℃。可見,被評建筑屋面、外墻、分戶墻和樓板完全滿足《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》傳熱系數及熱惰性要求。

雖然缺乏住戶所安裝的鋼制防盜門的詳細熱工資料,然而目前市場上銷售的普通保溫鋼制門的傳熱系數值在1.5～1.6 W/m2?℃之間,保溫性能優越的鋼制門傳熱系數可達0.95 m2?℃,所以,該項也通過強制性條款檢查。

被評建筑為一正南正北的住宅建筑,其東、南、西、北朝向的窗墻比分別為0.24、0.29、0.24、0.24。按照施工圖說明,并查閱了中國標準圖集92SJ713和02JZ603-1,并按照《GB 50176-93民用建筑熱工設計規范》第4.1.1條,將被評建筑外窗的傳熱系數確定為3.7 K(W/m2?K),可見,外窗傳熱系數滿足《JGJ 134–2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》表4.0.4的規定。

根據施工圖說明,該住宅的外門窗的空氣滲透性能小于1.5 m3/m?h。查閱分析了《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.7條、《GB 7107建筑外窗空氣滲透性能分級及其檢測方法》的有關條款。該住宅建筑空氣滲透性能滿足《JGJ 134–2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》關于外門窗空氣滲透條款的規定。

按照施工圖進行計算,被評建筑體形系數為0.30。達到《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》4.0.3關于建筑體形系數的規定。

由于被評建筑符合《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.3條、第4.0.4條和第4.0.8條的規定,所以,不需要進行節能綜合指標的強制性條款檢查。又因為《GB12021.3-2004房間空氣調節器能效限定值及能源效率等級》從2009年才開始實施,被評建筑的建成年代為2007年,所以,不宜對被評建筑的房間空調效率進行強制性條款檢查。

2.2 基于各指標對實例建筑進行建筑能效等級信度分配

從17個指標出發,對被評建筑進行基于施工圖的分析及計算、現場測試及問卷調查,并根據已經構建的各指標信度分配原則,對被評建筑的17個指標進行信度分配。

“建筑朝向”:被評建筑其東、南、西、北朝向的外墻面積分別為20%、30%、20%、30%。參照《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.2條的規定,以及《節能建筑評價標準(征求意見稿)》第4.1.5條的規定,將該條指標的的信度分配如下 :=1.00。以上信度分配的含義為:從第 1個指標(即:“建筑朝向”)出發,該建筑的4個能效等級(即:“通過”、“銅牌”、“銀牌”、“金牌”)所獲信度分別為0.00、0.00 、0.00、1.00。而且說明從該指標出發,對該建筑的節能評價是完全確定的,β4,1=1.0的含義是指從該指標出發,該建筑的節能評價獲得了“金牌”,說明該建筑的朝向對于建筑節能是很有利的。

“建筑體形系數”:被評建筑的體形系數為0.30。參照《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.3條。將該條指標的信度分配如下:

“建筑室外環境”:被評建筑東面距離另一高層住宅建筑的最小距離為13.0 m,西面距離另一住宅建筑的最小距離為13.0 m,南面距離另一高層住宅最小距離31.0 m,北向臨街,距離北向建筑的距離超過30 m,根據該樓盤的銷售宣傳,該小區室外綠地率達60%。參照《GB 50180城市居住區規劃設計規范》[20]第7.0.2.3和第5.0.2.3條的內容,將該指標的信度分配如下 :

“圍護結構保溫隔熱性能”:參照以下資料,《GB/T 8484-2008建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法》,《GB/T 8484-2002建筑外窗保溫性能分級及檢測方法》分級指標,《GB/T 16729-1997建筑外門保溫性能分級及檢測方法》,英國新建住宅建筑圍護結構傳熱系數限值[17],英國最佳能效住宅案例所推薦的圍護結構傳熱系數[18]。綜合考慮以上數據,外墻和屋頂獲“銀牌”,樓板獲“銅牌”,內墻和戶門獲“金牌”,外窗則屬于“通過”。再根據外墻、屋頂、戶門、外窗占總建筑外表面積的比例。該指標的建筑能效等級信度分配下:

“圍護結構的氣密性能”:參照以下資料,《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.7條,《GB 7107建筑外窗空氣滲透性能分級及其檢測方法》,《GB/T 7106-2008建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》,《GB/T 7107-2002建筑外窗氣密性能分級及檢測方法》。將該指標信度分配如下:

“建筑內外遮陽”:該建筑設有固定的外遮陽設施,被調查的住戶家均設置內遮陽設施。參照《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第4.0.6條規定,該指標的信度分配如下:

“暖通空調系統設備能效”:問卷調查和訪談結果顯示,平均每戶安裝房間空調器的臺數為3.5臺。被調查住戶安裝的空調設備能效等級如圖4所示。參照《GB 12021.3-2004房間空氣調節器能效限定值及能源效率等級》的等級劃分,將該指標的信度分配如下：

圖4 被調查住戶所安裝空調器能效等級

“電氣與照明設備能效”:雖然缺乏用戶詳細的照明功率及燈具類型數據,但是通過與住戶的訪談,有約70%的住戶表示愿意采用2級節能燈,約30%的住戶表示愿意采用1級節能燈。參照《GB 50034-2004建筑照明設計標準》等資料,該指標的信度分配如下 :

“給水排水系統設備能效”:被評建筑給水系統共設3個給水分區,城市給水管網直接給水區和2個“低位水箱+水泵聯合變頻”供水區,給水系統采用鋼塑復合管,絲扣鏈接。室內污廢水合流,采用硬聚氯乙烯排水管,粘接,所選潔具符合國家節水標準。參照《GB 50368-2005住宅建筑規范》第6.3.3條以及《GB 50015-2003建筑給水排水設計規范》,該指標的信度分配如下:

“電梯設備效率”:被評建筑共設電梯3部,全部采用小機房。參照《GB 7588-2003電梯制造與安裝安全規范》等資料。該指標的信度分配如下:

“主要建筑設備運行管理制度”:該小區物業管理單位定期檢查公用設施,妥善保管建設單位移交的資料,有業主維修上報制度。參照《物業管理條例(國務院第504號)》第二十七條,第二十八條及第二十九條內容,將該指標的信度分配如下:

“物業管理人員資質”:該小區物業管理公司的資質為二級。參照《物業管理企業資質管理辦法》[19]的有關內容,該指標的信度分配如下:

“建筑節能知識培訓與宣傳”:該小區入住時間約為2 a,入住以來沒有進行過建筑節能相關的培訓和宣傳。所以將該指標的信度分配如下：

“能耗統計與公示”:目前,由住宅和城鄉建設部科學技術司研究起草的《建筑節能信息公示管理辦法》處于公開征求意見階段。所以,從該指標出發,對該建筑的節能評價是不確定的,或者說目前還不具備開展該項指標的評價條件。該指標的信度分配如下:

“室內熱濕環境”:住戶室內溫濕度現場測試值如表2所示。參照《JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第3.0.2條及《GB/T 18883-2002室內空氣質量標準》相關內容。該指標的信度分配如下 :

表2 住戶室內溫濕度測試值

“室內聲光環境”:雖然《GB 50034-2004建筑照明設計標準》第5.1.1條對居室不同位置的照明標準值等做了規定,但是,考慮到在居民家中開展各位置的測試對居民生活影響較大,所以,我們采用問卷調查的方式獲得住戶對居室聲光環境的評價,被調查住戶室內聲光環境滿意度如圖5所示。根據調查結果,該指標的信度分配如下:

圖5 被調查住戶室內聲光滿意度

“室內空氣品質”:《GB/T 18883-2002室內空氣質量標準》對室內16種物質的標準值及測試方法做了詳細的規定,考慮到研究經費有限,選擇了CO2濃度和CO濃度這2個值進行測試。為了彌補測試參數不完全這一不足,還在住戶中開展了問卷調查。住戶室內CO2和CO濃度測試值如表3所示。被調查住戶室內空氣品質滿意度如圖6所示。可見,住戶CO2和CO濃度測試結果均在《GB/T 18883-2002室內空氣質量標準》允許范圍內。該指標的信度分配如下:

按照建立的能效評價理論模型,以上指標的權重及信度值確定后,應用式(1)-(14)的迭代算法,可以算出被評建筑能效的綜合信度。由于手工計算量較大,采用開發的軟件進行計算,經軟件計算,得出被評建筑能效綜合信度為圖7所示,根據綜合信度最大值,將被評建筑能效等級確定為“通過”。評價過程中出現了0.08的不確定信度,從以上信度分配過程可知,該不確定信度的產生主要來源于“能耗統計與公示”這一指標的評價。

表3 住戶室內CO2和CO濃度測試值

圖6 被調查住戶室內空氣品質滿意度

圖7 被評建筑的建筑能效等級綜合信度

為了驗證提出的夏熱冬冷地區建筑節能評價及能效標識方法,采用《節能建筑評價標準(征求意見稿)》對實例建筑進行評價,評價結果為“B”。可見2種方法對同一棟建筑的評價結果趨于一致。說明提出的建筑節能評價模型基本正確。

3 結論

以證據理論、證據推理方法、建筑節能技術標準為基礎,提出了居住建筑節能評價與能效標識理論模型。將該模型應用到夏熱冬冷地區居住建筑節能評價,形成了一套夏熱冬冷地區居住建筑節能評價與能效標識方法。所構建的建筑節能評價模型為多指標建筑節能綜合評價模型,相對于基于計算機建筑能耗模擬的建筑節能評價方法來說,考慮的因素更加全面,而且還能獲取及處理評價中的不確定信息。為了便于該方法的使用和推廣,以提出的夏熱冬冷地區居住建筑節能評價方法為基礎,開發出了一套夏熱冬冷地區居住建筑節能評價及能效標識計算機軟件。通過對重慶地區實例建筑的評價和標識,評價結果與中國《節能建筑評價標準(征求意見搞)》的評價結果趨于一致,從而驗證了提出的方法的正確性。

(致謝 該文相關研究得到國家科技支撐計劃子課題“建筑節能技術評價指標體系與評價方法研究”(子課題任務書編號2006BAJ0113-02)以及浙江工業大學高層次引進人才科研啟動專項基金“減少暖通空調系統使用造成的二氧化碳排放量研究”(項目編號:106004329)資助,作者在此一并表示衷心的感謝。)

[1]關于征求《建筑能效測評與標識管理辦法》和《建筑能效測評與標識技術導則》意見的函[EB/OL].2006-10-25.http://www.cin.gov.cn/zcfg/jswj/jskj/200611/t20061101_158522.htm.

[2]重慶市建筑能效測評與標識管理辦法(渝文審[2008]4)[EB/OL].2008-02-13.http://www.cq.gov.cn/zwgk/gfxwj/dengji/94009.htm.

[3]Directive 2002/91/EC of the European parliament and of the council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings[EB/OL].http://europa.eu.int/smartapi/cgi/sga_doc?smartapi！ celexapi！ prod！CELEXnumdoc&lg = EN&numdoc =32002L0091&model=guichett.

[4]楊玉蘭,李百戰,姚潤明.居住建筑能效評價指標及權重的確定[J].暖通空調,2009,39(5):48-52.

[5]JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[6]關于征求《居住建筑節能設計標準(征求意見稿)》意見的函(建標標函[2006]46號)[EB/OL].2006-08-14.http://www.mohurd.gov.cn/zcfg/jswj/bzde/200611/t20061101_156699.htm.

[7]楊玉蘭.居住建筑節能評價與建筑能效標識研究[D].重慶:重慶大學城市建設與環境工程學院.2009.

[8]DEMPSTER A P.Upper and lower probabilities induced by a multivalued mapping[J].The Annals of Mathematical Statistics.1967,39(2):325-339.

[9]DEMPSTER A P.Upper and lower probabilities generated by a random closed interval[J].The Annals of M athematical Statistics.1968,39(3):957-966.

[10]DEMPSTER A P.Upper and lower probability inferences for families of hypotheses with monotone density ratios[J].The Annals of Mathematical Statistics,1969,40(3):953-969.

[11]SHAFER G.A mathematical theory of evidence[M].Princeton:Princeton University Press,1976.

[12]吳強.智能群體決策支持系統中若干關鍵理論與方法研究[D].合肥:中國科學技術大學計算機系,2006.

[13]ZADEH A L.Review of books:A mathematical theory of evidence[J].The AI Magazine,1984:81-83.

[14]YANG JIAN-BO,MADAN G S.An evidential reasoning approach for multiple attribute decision decision making with uncertainty[J].IEEE Transactions on System,Man and Cybernetic,1994,24(1):1-18.

[15]WANG Y M,Y J B,XU D L.Environmental impact assessment using theevidential reasoning approach[J].European Journal of Operational Research,2006,174:1885-1913.

[16]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].中國建筑工業出版社,1993

[17]Office of the Deputy Prime Minister.The building regulations 2000:conservation of fuel and power L1AConservation of fuel and power in new dwellings[S].2006.

[18]Energy Efficiency Best practice in Housing-Energy efficient domestic extensions.2005[EB/OL].http://www.est.org.uk/bestpractice

[19]中華人民共和國建設部.物業管理企業資質管理辦法[M].北京:中華人民共和國建設部,2004