基于ISM模型分析绿色建筑能耗的影响因素

　　摘    要：　经济迅猛发展和城市化进程的加快，推动了建筑业的繁荣，但同时建筑能耗问题也日益严重，在能源稀缺供不应求的背景下，建筑业节能降耗迫在眉睫。文章从降低绿色建筑能耗角度出发，从建筑朝向和形状、窗户隔热和遮阳、墙体围护结构、人的行为、气候因素、建筑节能政策等6个方面对绿色建筑的能耗进行了研究，并采用ISM法（解释结构模型法）分析了这6个因素对建筑能耗的影响程度。研究表明，气候因素对绿色建筑能耗影响最大，其次是建筑节能政策、人的行为。最后，根据研究结果提出了相应的节能对策。

　　关键词：　绿色建筑; 能耗; 影响因素; ISM;

　　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.

　　Keyword：　Green Building; Energy Consumption; Influencing Factor; ISM;

　　0、 引言

　　建筑业作为社会发展的三大产业之一，对人类的生产和生活产生了巨大的影响。为应对全球能源和资源短缺问题、缓解生态环境的恶化，建筑业诞生了一种契合可持续发展理念的新型环保建筑——绿色建筑。近年来，绿色建筑的节能效果一直备受争议[1]，因此，国内外大量学者对绿色建筑的节能机理和能耗影响因素进行了深入研究。林波荣[2]等人对绿色建筑的围护结构、暖通空调系统、生活热水系统及可再生能源系统进行了研究，认为自然通风和采光技术的节能效果良好、人的行为模式对能耗影响较大。吴学军[3]研究并提出新型暖通空调技术能够对建筑物能耗和周围环境进行有效调节，为人们提供更为舒适的生活空间。纪冉[4]等人从外墙、外窗和屋面等三个方面对建筑围护结构的节能特性进行了研究分析，为建筑节能设计提供参考。彭渤[5]等人利用DeST软件模拟计算了建筑运行阶段的采暖能耗，通过窗户选型和优化窗墙比，致使运行阶段采暖能耗降低了约21.4%。何玥儿[6]等人从围护结构、能源技术两个方面量化了绿色建筑节能效益，认为合理设置外遮阳、改变围护结构热工性能可产生7%的节能率，节能技术的应用可使建筑实现46.9%的节能率。Esin T[7]从建筑全生命周期的角度出发研究了建筑材料的能耗问题，结果表明节约使用建筑材料、提高材料利用率能够降低建筑能耗。Baniassadi A[8]等人以屋顶为研究对象计算并分析了高反照率屋顶对住宅建筑能耗的影响。本文基于国内外众多学者的研究成果，全面、综合地总结了绿色建筑的能耗影响因素，并选取了其中影响较大的几个因素作为研究参数，采用ISM法分析了各因素对建筑能耗的影响并提出了相应的节能对策。

　　1 、绿色建筑能耗影响因素的选取

　　本文通过查阅大量相关文献，整理出了影响绿色建筑能耗的众多因素，经研究分析从中筛选出了最为重要的六个因素，分别是建筑形体和朝向、窗户遮阳和窗墙比、建筑围护结构、人的行为、环境因素、节能方针政策。
 

 

　　1.1 、建筑围护结构

　　建筑的围护结构是影响建筑能耗最重要的模块，其中墙体对建筑能耗的影响最大。墙体的节能设计与建筑能耗有直接关系，墙体节能的关键在于保温，建筑外墙作为室内外空气的隔绝层，其保温形式和效果显得尤为重要。外墙保温有外墙外保温、外墙内保温和外墙夹心保温三种类型，其中外墙外保温应用最为广泛，对建筑能耗的影响也最大。相关机构测试表明，建筑墙体如果不做保温处理，其能耗约占整个建筑结构能耗的50%，如果进行保温处理便下降为10%～15%。可见，建筑围护结构的保温隔热性能关系到整个建筑的节能效果。

　　1.2、 建筑形体和朝向

　　建筑物的形状直接决定了建筑的体形系数，体形系数是指建筑物暴露在空气中的面积与建筑体积的比值。体形系数越大，表示建筑的散热面积越大，相同传热系数的建筑物能耗就会更大。建筑朝向直接影响到建筑的自然通风和采光，同一地区太阳高度角相同，建筑朝向不同受到的光照强度就不同。在我国，南北朝向的建筑比东西朝向的建筑更加节能。

　　1.3、 窗户遮阳和窗墙比

　　窗户就建筑本身而言，因其较差的气密性和较大的传热系数而成为影响建筑能耗的重要因素，是建筑保温、隔热、隔音的薄弱环节。夏季，太阳辐射强度大，阳光直射会造成建筑室内过热，导致建筑能耗增高。窗户遮阳能使大部分阳光不直接照射，一部分阳光被玻璃反射回空气，另一部分被门窗材料所吸收，从而起到降低室温、改善室内热环境的作用，减少空调的使用，达到节能减排的目的。窗户的传热系数大于同朝向、同面积的外墙的传热系数，传热系数越大，保温隔热功能越差，因此，建筑能耗也随着窗墙比的增加而增加。

　　1.4 、人的行为

　　建筑的功能是为人的生产生活服务，同时，人的行为也会对建筑产生作用。人的行为除了正常的行走运动外，生活方式上的偏好会对建筑能耗产生重要影响，例如室内人员的运动、开窗、开灯、空调、遮阳等几种具体行为直接影响到建筑的能源消耗。建筑的采暖和制冷主要受到人的行为的控制，生活方式和作息规律会影响建筑照明的时长、空调温度的设定、开空调的时长，这些行为偏好基本决定了建筑运营阶段的用电量，从而影响建筑能耗。

　　1.5、 节能政策

　　建筑节能政策方针会对建筑市场起到引领作用，为建筑业的发展指明道路和方向。我国是实行社会主义市场经济体制，政府出台的相关政策更能对建筑节能起到积极作用，个人行为意识和企业生产标准均受到政策的影响。吴琦[9]等人曾使用虚拟变量和协整检验等测量方法，定性研究并客观分析了节能政策和方针对我国建筑节能强度的影响，研究发现，建筑物的节能政策对节约资源和降低能耗有着重要影响，其影响程度仅次于节能技术。

　　1.6、 环境因素

　　建筑所在地的局部微气候对建筑能耗有着重要影响。夏季室外温度较高，为满足人体的舒适度需求通常需要借助空调等降温设备。冬季室外温度较低时则需要借助暖气设备提高室内温度，气温越高（低），制冷（采暖）设备消耗的电能就越多。此外，室外绿化率也对建筑局部微气候产生影响，绿色植物通过光合作用吸收CO2，能够一定程度上降低周围的空气温度。改善室外微气候降低建筑能耗和提高室内环境质量已成为城市规划和建筑设计领域的一个重要方向。

　　2、 基于ISM模型分析绿色建筑能耗影响因素

　　2.1 、建立ISM模型

　　ISM(Interpretive Structure Modeling）是一种系统结构模型化技术，它通过将复杂的系统分解为若干子系统，利用实践经验及计算机辅助，最终构成一个多级递阶的结构模型。它需要通过因素影响关系列出邻接矩阵，并在已知邻接矩阵的基础上加以运算，得到可达矩阵，而后对可达矩阵进行分解得到阶梯式的结构。解释结构模型能够直观的找出直接、间接风险因素，可找到解决问题的关键点。

　　首先，对以上选取的6个绿色建筑能耗影响因素进行编号，如表1所示。

　　表1 影响绿色建筑能耗的关键因素

　　2.1.1、 确定各影响因素之间的逻辑关系

　　建立ISM讨论小组，共有15名成员组成，其中从事建筑科研人员6名，从事建筑工作行业专家9名。他们采用头脑风暴法进行小组讨论，通过讨论后，确定了6个影响因素之间的逻辑关系，如表2所示。

　　表2 绿色建筑能耗影响因素逻辑关系矩阵表

　　在上表中，数值0和1表示Ei与Ej之间的关联性。若Ej对Ei有影响，记为1。若Ej对Ei没有影响，记为0。当两个因素之间互相影响时，考虑影响较大的一方。

　　2.1.2、 建立ISM邻接矩阵与生成ISM可达矩阵

　　邻接矩阵A表示的是各因素之间的直接关系。相同因素之间不需要描述直接关系，因此其相互关联性为1，即矩阵的对角线上都为1，再根据逻辑关系矩阵表（表2），建立ISM邻接矩阵A:

　　可达矩阵M主要用来描述各因素之间的间接关系。根据布尔矩阵运算法则，对邻接矩阵A和单位矩阵I求和，并对A+I做幂运算得到可达矩阵M,应满足公式：

　　计算得到M:

　　2.1.3、 划分影响因素层级

　　划分影响因素层级。首先，先选出被要素Ei影响的因素，并建立一个集合用来对这些要素进行统计，我们把这个集合称为可达集S(Ei)。还需要建立一个集合统计影响要素Ei的要素，这个集合命名为先行集A(Ei)。然后，建立的集合都只针对要素Ei。经过对元素的统计只要出现S(Ei)∩A(Ei)=S(Ei)的情况，那么Ei就是该模型的第1级要素。最后，通过上述方法可以求出所有的第1级要素，删去所有上级因素可达矩阵的行和列，对剩下的要素进行迭代最后会得到系统所有最低级的要素。因此，最高层因素也即终止级因素为S(F)=E3。将这个因素除去，剩余的五个因素按照上述步骤建立邻接矩阵、计算可达矩阵，求出新的可达集、先行集以及共同集。重复上述步骤，直至全部因素都被分层。总结分析可达矩阵M中各影响因素之间的逻辑关系，可以分为可达集R(Ei)、先行集A(Ei)和共同集C(Ei),如表3所示。

　　表3 可达集、先行集和共同集

　　2.1.4、 构建IEM模型

　　根据上述计算结果，第一层因素集合为{E3}，去除E3之后，计算得到第二层因素集合为{E1,E2}。再去除E1、E2、E3，计算得到第三层因素集合为{E4,E5},同理，第四层因素集合为{E6}。随着层数的增加说明该因素对绿色建筑能耗的影响更大，层与层之间的因素用箭头连接，跨层之间的因素无需建立联系，由此构建出ISM模型，如图1所示。

　　图1 绿色建筑能耗影响因素的ISM模型

　　2.2 、结果分析

　　该模型是一个四层的绿色建筑能耗影响因素解释结构模型，从下往上表示的是各因素间产生影响的方向。隔层因素之间没有箭头不表示它们毫无关联，可能是存在间接关系。

　　1）第一层影响因素是窗户隔热和遮阳，作为绿色建筑能耗的影响最直接、最基本的因素。

　　2）第二层影响因素也影响第一层影响因素，建筑朝向和形状影响了窗户数量和面积，建筑围护结构的大小会影响建筑的形状，此外，建筑形状又会限制建筑围护结构的形式，进而影响绿色建筑能耗。

　　3）第三层的因素是建筑节能政策和人的行为。建筑节能政策导向力度直接影响开发商（或业主方）采取节能技术的决策行为。人为因素也会因为节能政策倡导，可使人为因素提高节能意识采取节能措施。

　　4）第四层的气候因素是引发绿色建筑能耗增加的根本原因。气候直接影响建筑外部温度，全球气候变暖建筑外部温度上升，通过热传导，室内温度也随之上升，导致空调能耗增大。气候变暖，引起人们关注从而对人的行为产生影响，同时受到政府及相关部门特别关注，从而采取相应的节能政策。

　　3 、结论与建议

　　文章基于ISM法研究了六个影响绿色建筑能耗的因素，通过建立矩阵分析了几个因素间的相互关系。研究结果表明，环境因素对建筑能耗的影响最大，其次是节能方针政策和人的行为。根据各因素间的相互影响关系及对建筑能耗的影响程度，提出以下建议。

　　1）改善生态环境刻不容缓。虽然生态治理和气候改善是一个长期而缓慢的过程，但从长期角度看是缓解资源短缺和能源问题的根本方法。此外，改善局部气候条件，如增加建筑周围的绿化面积也是降低建筑能耗的有效方法。
　　2）加快落实有效适用的方针政策。在我国，政府对市场的引领和调控作用十分重要，节能政策的出台为建筑业节能减排指明了方向，同时对企业和个人的节能行为能起到规范作用。
　　3）发挥媒体、学校的宣传教育作用。绿色建筑运营维护阶段的能耗主要来源于照明、制冷和供暖等，因此人的活动和行为偏好会对能耗起到重要作用，能源节约意识尤为重要。

　　参考文献

　　[1]王梦娟,林欣燕,陈健.建筑节能现存问题及优化措施研究[J].建设科技,2019(24):75-77+81.
　　[2]林波荣,肖娟.我国绿色建筑常用节能技术后评估比较研究[J].暖通空调,2012,42(10):20-25.
　　[3]吴学君.新型暖通空调技术在绿色建筑中的应用及影响探析[J].建材与装饰,2020(03):219-220.
　　[4]纪冉,孙睿忆,张姝.建筑围护结构的节能效果分析[J].黑龙江科技信息,2016(07):231.
　　[5]彭渤,林波荣.基于生命周期评价的绿色建筑选材优化研究——以寒冷地区住宅建筑为例[J].动感(生态城市与绿色建筑),2014(04):117-120.
　　[6]何玥儿,丁勇,刘猛.夏热冬冷地区绿色建筑的节能效益[J].土木建筑与环境工程,2018,40(01):113-121.
　　[7]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.
　　[8]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.
　　[9]吴琦，曾凡银.我国节能政策对能源强度影响的实证分析[J].统计与决策，2014(08):134-136.