碳中和目標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，習主席在聯合國大會上提出，“我國確保2030 年前碳達峰，努力實現2060 年前碳中和”[3]，這一承諾體現了大國擔當，也意味著建筑業必須探索轉型升級和綠色發展的新路徑。根據脫鉤理論，經濟發展與環境保護不再是相互掣肘的關系[4]，大力發展綠色建筑能夠在改善居民生活質量的同時，降低能耗減少與碳排放。為達成2060年碳中和的目標，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[2]。然而，我國目前建筑產業綠色轉型效率低、轉化率不足，在此背景下，被動式超低能耗建筑的出現，高度契合了綠色建造發展理念。相較于普通綠色建筑和傳統主動式建筑，被動式超低能耗建筑的節能效果高達90%以上，能夠為居民營造出更加節能、舒適、健康的生活環境。被動式超低能耗建筑的發展綜合考慮了綠色度和節能減排，堅持走經濟發展與環境改善的雙贏之路。

1 我國現存評價體系的問題

被動式超低能耗建筑的持續發展，受到國內外廣泛關注，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被動式超低能耗建筑的技術和評價標準。然而，現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、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準，目前的相關研究大部分根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378——2014），構建“四節一環保”評價體系[5]。然而，《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378——2019）（以下簡稱“2019 版《標準》”提倡與時俱進，更加關注人與自然的和諧共生：一方面，將星級設計在原有等級基礎上增設基本級，與國際評價標準接軌；另一方面，將“四節”整合至“資源節約”中，完成從技術角度到使用者角度的轉變[6]。

（2）2019 版《標準》及各省市新制定的被動式超低能耗建筑評價標準主要側重于技術標準的確定，而缺少了對有關綠色建筑經濟性和推廣性等指標的制定[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，賦權方法大多都是單一的客觀賦權[9]或主觀賦權[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，本文擬在評價內容和指標方面，以2019 版《標準》的指標為基礎，增設經濟性和社會性指標，建立科學、全面的被動式超低能耗建筑綠色評價指標體系；在評價方法方面，通過博弈論組合賦權的方法，確定被動式超低能耗建筑評價指標權重，解決單一賦權方法權重順序不一致和過于依賴數據（專家主觀偏好性）的難題；進而通過構建組合賦權-偏序集模型，選取現存的被動式居住建筑進行綠色評價，用最優序關系代替權重具體數值，解決權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 建立評價指標體系

被動式超低能耗建筑的發展是推進建筑綠色節能，推動我國實現碳中和目標的重要措施。其不但能提供居民舒適、恒溫、恒濕的生活環境，還可以減少碳排放量，降低社會終端能耗。現階段，我國被動式超低能耗建筑正處于大力推廣和積極發展、創新階段。

本研究以2019版《標準》為依據，以達成碳中和為目標，遵循指標構建的基本原則，將安全耐久、資源節約與利用、健康舒適度、創新性、管理、經濟性及社會協調等7 類指標作為綠色評價的一級指標。評價等級和區間參考國內外現行規范和技術標準，主要有《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785）、PHI《德國被動房標準》等；在缺乏相應標準時，則通過專家經驗值或現場調研來確定指標標準值。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，兩者在節能技術和供暖（冷）需求等方面有較大差異。因此，為了評價的科學性和公平性，本文以居住建筑項目為研究對象，構建如表1 所示的評價指標體系。

表1 被動式超低能耗建筑綠色評價指標體系

2.2 博弈論組合權重的確定

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

2.2.1 評價指標主觀權重的確立

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

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

2.2.2 評價指標客觀權重的確立

熵權法是度量決策信息不確定性的一種客觀賦權方法。熵越小，指標信息不確定性越小，信息量越大，就越不能影響綠色評價的結果。熵值的大小通過指標數據的變異程度計算得出，有關熵權法的具體步驟可參考文獻[12]，得到的權重系數記為W3=W31,W32,…,W3m。

CRITIC 法是由Diakoulaki提出的一種客觀權重賦權法。本文引入CRITIC 法，通過對比被動房兩指標間的沖突性和強度，來分別計算數據的相關性系數和標準差，進而利用數據波動性和相關關系得到綠色評價指標的權重。具體步驟可參考文獻[13]，得到的權重系數用W4=W41,W42,…,W4m表示。

2.2.3 博弈論組合賦權方法確定綜合權重

為促使主、客觀的統一與融合，尋求最合理的權重排序，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的組合權重。博弈論組合賦權方法既能綜合考慮數據的客觀信息和決策專家的實踐經驗，又能弱化主觀賦權的隨意性和客觀賦權的片面性。具體步驟可參考文獻[11]，記組合權重為（a 為最有化線性組合系數）。

2.3 偏序理論

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

偏序集運用于市政工程風險評價中，能夠幫助決策者事先識別決策風險。其不但能夠體現排序的穩健程度，而且能夠進行傳統意義上的優化。除此之外，偏序的HASSE 圖體現聚類功能，能應用于等級評價問題。研究中融入決策者偏好信息，符合專家經驗與數據融合的發展趨勢。

2.3.1 偏序定義

設R 是集合A 上的一個二元關系，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

根據上述定義，對于m個樣本，n個指標的決策問題，構建滿足指標重要性排序由大到小的評價矩陣X，進而通過累加變換，構造出比較關系矩陣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，同時也是有向圖的精簡版，即對給定的比較關系有向圖，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]給出了比較關系矩陣和HASSE 矩陣之間的轉換公式：

式中，R為關系矩陣；HR為HASSE 矩陣；I 為單位矩陣；*為布爾運算。

2.4 組合賦權-偏序集模型的評價步驟

綜上，基于博弈論組合賦權-偏序集模型的被動房綠色評價方法基本步驟可概括為：①數據預處理；②分別利用主觀賦權法（AHP 法和G1 法）和客觀賦權發（熵權法和CRITIC 法），計算被動式超低能耗建筑綠色評價指標權重{ W1，W2，W3，W4}；③利用博弈論組合賦權方法，計算評價指標的組合權重，得到指標最優序關系；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-偏序集模型綜合評價方法的科學性和有效性，本文選取華東和華北兩地區的10 個在建和已建被動式超低能耗建筑項目，對其進行實地調研和評價。

3.1 數據預處理

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。根據指標體系，對綠色評價指標數據進行收集處理：①定量指標數據可由項目的圖紙資料、監測數據、檢測報告、實地調研等獲取；②定性指標數據則由經驗豐富的決策者打分確定。本研究將各評價指標的標準區間中位數作為分級樣本，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個指標中，R8、R10、R16、R17是反向指標，其余指標均是正向指標。對15 組數據進行正向化處理后，需用公式yi＝（xi－xi,max）/（xi,maxxi,min）對評級樣本進行無量綱化處理，結果見表2。

表2 被動式超低能耗居住建筑評級樣本預處理指標值

3.2 各指標組合權重及排序

偏序集評價方法需要的是指標權重的重要性排序，根據博弈論組合賦權方法，計算得到指標最優序關系（表3）。

3.3 繪制HASSE 圖

首先，根據表3 的綠色評價指標最優序關系，將評級樣本預處理后的數據進行重排序，進而構建出評價矩陣；然后，依據公式（1），建立偏序關系矩陣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 指標權重及最優序關系

3.4 結果分析

HASSE 圖有上級優于下級的特點，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，符合構建結果；根據被動式超低能耗居住建筑綠色評價結果（表4），10 個實際項目的等級分類均符合現實，驗證了博弈論組合賦權-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能效果，符合綠色建筑標準，但是仍有較大的發展空間。評價結果呈現“兩頭少，中間多”分布規律，符合我國被動式超低能耗建筑發展現狀。產生該現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在生產技術方面，我國的被動式房屋建設多依靠于其他國家的關鍵性技術，自主研發知識產權較少。為提高綠色度等級，抓牢被動式超低能耗建筑發展機遇期，國家和建筑企業需提高綠色創新，形成高質量產業鏈體系，實現被動式超低能耗建筑大規模、高標準的生產。

表4 被動式超低能耗居住建筑項目評價結果

為了進一步檢驗博弈論組合賦權-偏序集綜合評價方法的科學性和有效性，選取RSR 秩和比法、熵權-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）。可以看出，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重具體數值，不同的賦權方式導致權重大小存在差異性，卻忽略了權重本身的不確定性。本文提出的博弈論組合賦權-偏序集綜合評價方法，克服了精準權重問題，僅通過最優序關系就能完成科學、直觀的等級評價和分類，且不受權重數值波動，可見其優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 結論

為了達成2060 年碳中和目標，突出綠色發展理念，建筑業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體系不全面的難題，本研究根據碳中和目標和2019 版《標準》，增設經濟性和社會性指標，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體系。

在此基礎上，提出一種新的決策信息不確定性綜合評價方法，以解決主客觀賦權兩者之間的沖突，并尋找一致性，從而提高評價結果的穩健性。運用博弈論組合賦權，將主觀意識和客觀數據等信息融合，從而得到最優序關系。組合賦權-偏序集評價模型既可以解決精準賦權的難題，又削弱了指標權重數值不確定性的缺點。

此外，為驗證該方法的科學性和有效性，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果與實際綠色星級相同，驗證了指標體系和評價模型的科學性和可操作性。與其他方法比較，本研究方法更直觀、準確，為被動式超低能耗建筑綠色度評價提供新方法新思路。