基于ISM的綠色建筑能耗影響因素分析

徐樂

摘要：經濟迅猛發展和城市化進程的加快推動了建筑業的繁榮，但同時建筑能耗問題也日益嚴重，在能源稀缺供不應求的背景下，建筑業節能降耗迫在眉睫。文章從降低綠色建筑能耗的角度出發，從建筑朝向和形狀、窗戶隔熱和遮陽、墻體圍護結構、人的行為、氣候因素、建筑節能政策等6個方面對綠色建筑的能耗進行了研究，并采用ISM法（解釋結構模型法）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，其次是建筑節能政策、人的行為。最后，根據研究結果提出了相應的節能對策。

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.

關鍵詞：綠色建筑;能耗;影響因素;ISM

0? 引言

中國現處于經濟發展的快速時期，城市建設的高速發展極大地推動了建筑業的進步[1]。據統計，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。近年來大量國內外學者對綠色建筑能耗影響因素及相關問題進行了理論分析和實證研究。楊利明[3]從維護結構優化、建筑能源綜合利用、智能控制技術三個方面探討建筑能耗降低新技術。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的變化，包括體型系數、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系進行研究，分析總結并提出節能對策。

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文獻。研究發現，建筑朝向和形狀、窗戶隔熱和遮陽、建筑圍護結構、人的行為、氣候因素、建筑節能政策等因素是綠色建筑相關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

空調制冷產生的冷負荷量的多少與建筑朝向有很大的關聯。一般來說，南北朝向的建筑能耗比東西朝向的建筑少很多。建筑物的體形系數也會影響建筑能耗，建筑體形系數越大，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，不同季節的窗戶得熱和光照也不同，因此，移動遮陽裝置對不同季節的窗戶遮陽和采光的調節作用顯得尤為重要。

1.3 建筑圍護結構

墻體的傳熱方式主要有輻射、傳導和對流。熱輻射主要發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部氣體發熱膨脹;熱傳導主要是由室內外墻體的溫差產生的，熱能沿墻壁由高溫測移動到低溫側;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 建筑節能政策

政府政策的引領能夠對企業標準、規范或是個人行為偏好產生一定的影響，從而影響建筑能耗。建筑節能政策對建筑物的能源消耗不如技術手段的效果那樣明顯，節能政策通常要求物體有一個反應時間，這是正常的滯后[9]。但是節能政策在建筑中的作用確實不容忽視的，例如節能政策影響人的行為意識，加快節能技術和節能手段的創新也能夠進一步推動建筑節能的發展。

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，本研究在福州地區進行了現場調研。調查對象為福州萬福中心辦公樓的辦公人員，隨機調查了該辦公樓辦公人員對空調和照明的使用習慣，調查結果如表1所示。

調查分析結果表明，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，而溫室效應造成的全球變暖反過來又會增加空調用電量，進一步增加建筑能耗，形成惡性循環。我國大部分地區為夏熱冬冷或夏熱冬暖地區，一般來說，這些地區制冷能源消耗的增加遠比供暖能源消耗的減少要大得多，最終會導致總能源消耗的增加。因此，由溫室效應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）是一種系統結構模型化技術，它通過將復雜的系統分解為若干子系統，利用實踐經驗及計算機輔助，最終構成一個多級遞階的結構模型。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系

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

在表3中，數值0和1表示Si與Sj之間的關聯性。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系。相同因素之間不需要描述直接關系，因此其相互關聯性為1，即矩陣的對角線上都為1，再根據邏輯關系矩陣表（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系。根據布爾矩陣運算法則，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，應滿足公式：。

2.1.4 劃分影響因素層級

總結分析可達矩陣M中各影響因素之間的邏輯關系，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的列對應的因素構成的集合。先行集A（Si）是Si的起始集，表示的是Si列中所有因素為1的行對應的因素構成的集合。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。重復上述步驟，直至全部因素都被分層。

2.1.5 構建ISM模型

根據上述計算結果，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系，由此構建出ISM模型，如圖1所示。

2.2 結果分析

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

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

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

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量和面積，建筑圍護結構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構的形式，進而影響綠色建筑能耗。

3? 結論與建議

本章通過文獻調查法、問卷調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系，將分析結果按照重要程度由高到低依次排列為：氣候因素、建筑節能政策、人的行為、建筑朝向和形狀、建筑圍護結構、窗戶隔熱和遮陽。根據這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各部門應當協同治理、共同努力，改善生態環境、延緩全球變暖。從建筑全生命周期的角度來看，運營階段夏季空調制冷所產生的能耗占比巨大，改善生態環境能夠從根本上降低這部分能耗。

②政府及有關部門應嚴格建筑節能標準和規范、制定有力的政策制度，并對企業違規和人的浪費行為進行限制。同時也應該激勵建設單位等業主方選擇節能材料，對使用節能材料進行一定的補貼，調動節能的積極性。

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

參考文獻：

[1]郭建英.全國人大代表郭建英：加快推進被動式超低能耗綠色建筑建設[J].中國勘察設計，2019（03）：56.

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[3]楊利明.綠色建筑能耗評價方法及能耗降低新技術探討[J].制冷技術，2012（02）：44-47.

[4]豐曉航，燕達，彭琛，等.建筑氣密性對住宅能耗影響的分析[J].暖通空調，2014（02）：5-14.

[5]段良飛，邵宗義，張航.基于外圍護結構性能的住宅建筑能耗模擬分析[J].區域供熱，2015（02）：13-16.

[6]Esin T. A study regarding the environmental impact analysis of the building materials production process （in Turkey）[J]. Building and Environment.2007，42（11）：3860-3871.

[7]Baniassadi A， Sailor D J， Crank P J， et al. Direct and indirect effects of high-albedo roofs on energy consumption and thermal comfort of residential buildings[J].Energy & Buildings.2018，178：71-83.

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[9]吳琦，曾凡銀.我國節能政策對能源強度影響的實證分析[J].統計與決策，2014（08）：134-136.