基于AHP的夏熱冬冷地區居住建筑空調能耗評價體系構建與應用研究

段姣姣，向夏楠，王晨光，王 盛，詹 俏，楊亞夫

(湖南城市學院 市政與測繪工程學院，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，我國建筑業蓬勃發展，城市房屋密度幾乎飽和.建筑作為社會3 大能耗大戶之一，對能源的消耗和環境影響巨大.因此，針對低能耗建筑、綠色建筑、可持續性建筑、零能耗建筑等的研究從未間斷并呈現越來越被重視的態勢.研究人員不僅需從設計、施工、運營維護、控制、改造等方面考慮建筑節能，還應進一步綜合使用者的心理、行為等復雜的社會背景因素.

夏熱冬冷地區夏季炎熱、冬季寒冷，常年濕度高，在自然條件下其室內熱環境差.然而，這類地區面積廣、人口稠密、經濟發達[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，居住建筑的空調使用量也快速增加.通過查詢夏熱冬冷地區各省歷年統計年鑒，發現這類地區各省、市歷年城鎮居民空調每百戶擁有量急劇增加.近年來，家用空調數量穩定增加，由1 戶1 臺向1 室1 臺發展[3].因此，不解決日益增加的居住建筑空調能耗問題，建筑業“雙碳”目標難以實現.

1 居住建筑空調能耗研究背景

已有研究一般通過調研實測[4-7]和實驗模擬[8-9]得出如下結論：居住建筑空調能耗與建筑、居住者、設備、氣象條件等有關.

1.1 評價指標體系構建

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

1.2 評價方法選擇

建筑空調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計方法，即對提出的所有變量進行相關分析，剔除重復變量，重新組合出新的彼此無關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計方法，即對提出的所有因素根據其隸屬關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構模型，并確定最低層相對于最高層的權重.

居住建筑空調能耗的影響因素是錯綜復雜的，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 建筑空調能耗評價

2.1 評價流程

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

圖1 居住建筑空調能耗評價流程

2.2 具體評價指標

從縱向角度來看，居住建筑空調能耗小到房間、住戶，大到建筑或小區，甚至熱工區(如夏熱冬冷地區)，涉及面很廣.根據居住建筑空調能耗和各縱向層間的關聯度，可將居住建筑空調能耗劃分為房間、住戶、建筑和熱工區4 個層次.從橫向角度來看，居住建筑空調能耗根據不同的影響因素可劃分為物理、人為、技術、社會和經濟5 個層次.具體評價指標體系見表1.

表1 居住建筑空調能耗評價指標體系

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、建筑和熱工區的戶型(房間形狀)、層數、面積、朝向、圍護的結構參數等；人為因素包括其常住人口在室時間、空調啟閉時間(年均和日均)、空調開啟溫度、開窗狀態等；技術因素包括其空調設備類型、數量、性能參數、單位時間能耗等；社會因素包括其常住人口結構、數量、節能意識、年齡、職業等；經濟因素包括其常住人口經濟收入、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構問題，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合的方法，能把定性因素量化，將人的主觀判斷用數學方式處理，可在一定程度上檢驗和減少主觀影響，使評價更趨科學化[12].AHP 本質是一種思維方式，已有很多學者將其應用于建筑的節能水平評估.

首先，該方法通過把復雜系統分解成各組成因素，并將這些因素按支配關系組成多層次結構；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.應用AHP 法的整個過程是分解、判斷和綜合的過程，其主要內容和步驟如圖2 所示.

圖2 AHP 方法的內容與步驟

2.3.1 構造各層判斷矩陣

在確定好層次結構的基礎上，構造各層判斷矩陣M，且其元素(賦值依據見表2)應滿足

表2 指標關聯程度賦值

2.3.2 計算權重向量

權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

確定好優先級并在判斷矩陣的基礎上按式(4)～式(6)進行一致性檢驗.

表3 隨機一致性指標

2.3.4 組合權重排序

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

3 實例分析

本研究以夏熱冬冷地區某城市居住建筑空調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居住建筑空調能耗的主要因素是建筑物物理參數、設備技術參數、居住者行為以及其社會特征和經濟水平，其中經濟水平受限于居住者的社會特征，如節能意識.

3.1 建立層次結構

首先，在物理、人為、技術和社會4 個主導因素的基礎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 的層次結構.其具體結構如圖3 所示.

圖3 某居住建筑空調能耗評價層次結構

3.2 結果分析

根據2.3.1～2.3.2 的相關理論計算得出，目標層到準則層的判斷矩陣與權重值見表4，準則層B1 到指標層的判斷矩陣與權重值見表5.再根據2.3.3 對權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重值

表5 準則層B1 到指標層的判斷矩陣與權重值

同理，準則層B2～B4 到指標層的判斷矩陣與權重值均可被計算出來，具體結果見表6～表8.其權向量的一致性檢驗結果依次為：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重值

表7 準則層B3 到指標層的判斷矩陣與權重值

表8 準則層B4 到指標層的判斷矩陣與權重值

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

圖4 某居住建筑空調能耗影響因素排序

表9 組合權重計算結果

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能耗權重最大的因素；C 層每日空調啟閉時間、開啟溫度和圍護結構參數是影響此居住建筑空調能耗權重排名前3 的因素.因此，引導空調使用人的行為和圍護結構的優化設計是該建筑節能減排的關鍵.

4 結論

本文構建了夏熱冬冷地區居住建筑空調能耗評價體系，其縱向表現為房間、住戶、建筑或小區、城市或熱工區4 個層次；橫向表現為物理、人為、技術、社會、經濟5 個層次.通過對具體問題的確定、相關因素的劃分與選定、層次結構的建立、判斷矩陣的構造、優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學模型，并利用該模型對夏熱冬冷地區某居住建筑空調能耗進行了評價.結果表明：人為因素是影響此建筑空調能耗權重最大的準則層影響因子，為46.68%；空調的每日啟閉時間和開啟溫度以及圍護結構參數是影響此建筑空調能耗權重排名前3 的指標層影響因子，分別為19.48%、12.30%和11.59%.

在研究過程中還發現居住建筑能耗評價的指標數據不完整、定量難度大、評價方法不成熟和數據處理工作量較大等問題，這使得居住建筑空調能耗評價系統的建構具有長期性，以后的研究可考慮建立互聯網大數據處理系統.