建筑節(jié)能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立─以夏熱冬冷地區(qū)為例(1)

1、建筑節(jié)能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立以夏熱冬冷地區(qū)為例(1)    簡介： 由于已有指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)模型結(jié)果過于抽象，所含的評(píng)價(jià)信息可用性較低，不能起到建筑節(jié)能評(píng)價(jià)應(yīng)有的作用。因此新建筑設(shè)計(jì)完成后，沒有有效的方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行節(jié)能水平的綜合評(píng)價(jià)，無法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況進(jìn)行有效的監(jiān)督?？茖W(xué)的評(píng)價(jià)方法和控制手段應(yīng)該貫穿從規(guī)劃、設(shè)計(jì)直至建設(shè)完成的全過程，沒有科學(xué)完整的評(píng)價(jià)體系和目標(biāo)勢必難以獲得預(yù)期的節(jié)能效果。   1.前言 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究的關(guān)鍵在于如何選取分項(xiàng)指標(biāo)以全面反映建筑能耗的情況、如何確定各分項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重以建立有機(jī)的指標(biāo)體系、如何確定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案作為

2、判定原始設(shè)計(jì)草案是否節(jié)能的基準(zhǔn)。在分析居住建筑能耗主要影響因素的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)由多個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)組成的指標(biāo)體系，并借鑒“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)”概念和采用相對(duì)指標(biāo)進(jìn)行節(jié)能評(píng)判的思想，采用指標(biāo)體系對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案”和原始設(shè)計(jì)草案建筑能耗的相對(duì)數(shù)量進(jìn)行比較，以達(dá)到全面而簡單的評(píng)判原始設(shè)計(jì)草案是否節(jié)能的目的。這種評(píng)價(jià)方法的目的是淡化專業(yè)知識(shí)的概念，不直接進(jìn)行建筑能耗絕對(duì)數(shù)量的比較，擺脫對(duì)能耗模擬軟件的依附，以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始設(shè)計(jì)草案全面而簡單的節(jié)能評(píng)價(jià)。 2.居住建筑能耗相關(guān)因素分析 2.1 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑能耗特點(diǎn) 夏熱冬冷地區(qū)的范圍，大致為隴海線以南，南嶺以北，四川盆地以東，大體上可以說是長江中下游地區(qū)。這個(gè)地

3、區(qū)七月份氣溫比同緯度其他地區(qū)一般高出2左右，是在這個(gè)緯度范圍內(nèi)除沙漠干旱地區(qū)以外最炎熱的地區(qū);一月份氣溫比同緯度其他地區(qū)一般要低810，是世界上同緯度下冬季最寒冷的地區(qū)。夏熱冬冷的氣候特征決定了該地區(qū)建筑能耗的組成，即夏季的空調(diào)能耗和冬季的采暖能耗。同時(shí)居住建筑與其他類型建筑既具有一般建筑的共同點(diǎn)，也有其自身的特點(diǎn)。 2.2 節(jié)能指標(biāo)簡介 根據(jù)建筑節(jié)能指標(biāo)的不同可以分為兩種方法：一是分項(xiàng)指標(biāo)控制法（規(guī)定性指標(biāo)），即對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻、屋面、窗）的傳熱系數(shù)、體形系數(shù)、窗墻比，以及采暖、空調(diào)、照明設(shè)備最小能效指標(biāo)規(guī)定一個(gè)限值。分項(xiàng)指標(biāo)由于過于具體，而且各指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，缺乏有效的關(guān)聯(lián)，無法進(jìn)行建筑各

4、部分能耗直接的平衡分析;二是綜合控制法（節(jié)能綜合指標(biāo)控制），即要求建筑總體能耗達(dá)到某一個(gè)指標(biāo)。建筑物的耗冷量指標(biāo)、耗熱量指標(biāo)、空調(diào)年耗電量和采暖年耗電量能從整體上反映了建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞和暖通空調(diào)系統(tǒng)效率的高低。但是由于計(jì)算方法繁復(fù)，不能得到有效的應(yīng)用。 評(píng)價(jià)指標(biāo)則是對(duì)節(jié)能分項(xiàng)指標(biāo)的綜合和對(duì)節(jié)能綜合指標(biāo)簡化。 3.綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)成 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將是由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、不同層次的指標(biāo)群構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體，將能較全面反映該地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)涵的基本特征。 3.1 室外氣象特征指標(biāo) 3.1.1 度日數(shù) 對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，采暖度日數(shù)和空調(diào)度日

5、數(shù)將是反映氣象特征的主要?dú)庀髤?shù)。夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ134-2001中采用了采暖度日數(shù)HDD18和空調(diào)度日數(shù)CDD26兩個(gè)變量。本研究中采暖節(jié)能效果分析時(shí)采用氣象變量采暖度日數(shù)，而在分析空調(diào)節(jié)能效果時(shí)采用氣象變量空調(diào)度日數(shù)，并將根據(jù)HDD18和CDD26來確定當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ慕ㄖ锊膳旰碾娏亢涂照{(diào)年耗電量。 3.1.2 太陽輻射總量 選擇采暖期太陽輻射總量和空調(diào)期太陽輻射總量作為影響建筑全年能耗的太陽輻射因素的衡量指標(biāo)。采用逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)(Medpha)生成了全年逐時(shí)太陽輻射總量，然后統(tǒng)計(jì)得到了夏熱冬冷地區(qū)主要城市采暖期太陽輻射總量和空調(diào)期太陽輻射總量數(shù)據(jù)。由于太陽輻

6、射總量在不同方向上的值是不同的，而窗戶對(duì)太陽輻射總量的變化比較敏感，所以以窗戶正向與東向的夾角作為太陽輻射總量變化的衡量參數(shù)。 3.2 建筑體形特征指標(biāo) 3.2.1 建筑朝向 “最佳朝向”及“最佳朝向范圍”的概念是對(duì)各地日照和通風(fēng)兩個(gè)主要影響朝向的因素，通過觀察、實(shí)測后整理出的成果。 3.2.2 體形系數(shù) 在原體形系數(shù)概念的基礎(chǔ)上提出“極限體形系數(shù)”和“體形完善系數(shù)”。極限體形系數(shù)是指建筑物橫截面周長與面積的比值，它反映了建筑物橫截面形狀對(duì)節(jié)能綜合指標(biāo)的影響。體形完善系數(shù)定義為極限體形系數(shù)與體形系數(shù)的比值，它反映了在橫截面形狀一定的情況下建筑物高度對(duì)節(jié)能綜合指標(biāo)的影響。 3.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱

7、工性能指標(biāo) 為了簡化分析，主要從屋頂、外墻和窗戶三個(gè)方面分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，其中將門和樓梯間內(nèi)墻當(dāng)作外墻近似處理。對(duì)于屋頂和外墻采用傳熱系數(shù)和熱惰性兩個(gè)指標(biāo)，其中采用的是平均傳熱系數(shù)，即按面積加權(quán)法求得外墻的傳熱系數(shù);對(duì)于窗戶采用傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)指標(biāo)。 窗墻面積比是窗洞口面積與房間立面單元外墻的面積（即建筑層高與開間定位線圍成的面積）之比。民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）JGJ26-95第4.2.4條規(guī)定，不同朝向窗墻面積比不應(yīng)超過以下數(shù)值：北向0.25，東、西向0.30，南向0.35。 3.4 室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)性能指標(biāo) 室內(nèi)環(huán)境和暖通空調(diào)系統(tǒng)性能參數(shù)是建筑能耗分析

8、的基準(zhǔn)，相對(duì)于其他影響因素來說，始終保持恒定不變。所以，在選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的分項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，并沒有從這兩個(gè)方面選擇相應(yīng)的衡量指標(biāo)，而是將相關(guān)參數(shù)如室內(nèi)溫度、換氣次數(shù)和能效比等參數(shù)蘊(yùn)藏于建筑能耗的分析之中，間接地反映了室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)性能。 4.綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的層次關(guān)系 綜上所述，可以從室外氣象、建筑體形和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能三個(gè)方面選擇了17個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)：反映室外氣象特征的采暖度日數(shù)（HDD16）、空調(diào)度日數(shù)（CDD26）、采暖期太陽輻射總量和空調(diào)期太陽輻射總量;反映建筑體形特征的極限體形系數(shù)、體形完善系數(shù)和建筑朝向，其中朝向表示為建筑的正向方向與正東向的夾角;反映建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

9、的窗墻比、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)與熱惰性指標(biāo)、外墻的傳熱系數(shù)與熱惰性指標(biāo)、窗戶的傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)，其中窗墻比分為建筑物前、后、左、右四個(gè)方向的窗墻比。建筑節(jié)能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)則為建筑全年耗電量，即為采暖年耗電量和空調(diào)年耗電量之和。 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的應(yīng)用 綜合指標(biāo)體系的應(yīng)用是指建立17個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)之間的聯(lián)系，無需利用能耗分析軟件進(jìn)行復(fù)雜能耗分析，即可由17個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)的取值判定建筑是否節(jié)能。分項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)之間的聯(lián)系在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系內(nèi)部表現(xiàn)為各指標(biāo)間的相對(duì)權(quán)重，因此各指標(biāo)之間的權(quán)重的確定是應(yīng)用指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。 5.1 權(quán)重確定方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，且具有分布存儲(chǔ)

10、、自適應(yīng)和自組織等突出特點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的BP網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，可把一組樣本的I/O問題變?yōu)橐粋€(gè)非線性優(yōu)化問題。如果用BP網(wǎng)絡(luò)來處理建筑節(jié)能的評(píng)價(jià)問題，就可以通過學(xué)習(xí)，自動(dòng)歸納掌握各指標(biāo)影響節(jié)能綜合指標(biāo)的規(guī)律，并將各指標(biāo)權(quán)重以相對(duì)聯(lián)系的方式隱含于網(wǎng)絡(luò)之中，從而使建筑節(jié)能效果的評(píng)價(jià)既具有客觀規(guī)律性，又達(dá)到簡單適用的目的。 5.2 節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值 5.2.1 輸入?yún)?shù) 本文采取DeST能耗分析軟件重新確定了節(jié)能綜合評(píng)判基準(zhǔn)。 由于能耗分析軟件的限制，本文在進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)的應(yīng)用分析時(shí)對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行了一定的簡化：首先由于軟件分析速度較慢，本文則只以長沙為例進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

11、的訓(xùn)練。在地點(diǎn)確定的情況下，反映氣象特征的4個(gè)指標(biāo)取值固定不變，訓(xùn)練所需節(jié)能分析樣本將大大減少;其次由于DeST軟件所帶的圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫限制了對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能更為具體的分析，因此在確定節(jié)能樣本的輸入?yún)?shù)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的只能按構(gòu)件的類型進(jìn)行選擇，將熱惰性和遮陽系數(shù)隱含起來。 因此，節(jié)能分析樣本的輸入?yún)?shù)為10個(gè)，每個(gè)參數(shù)有高、中、低三個(gè)水平的取值。 節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)各水平取值 5.2.2 輸出參數(shù) 以節(jié)能百分比的形式給出是否節(jié)能的判定結(jié)果，如果建筑滿足節(jié)能要求，則節(jié)能百分比為零或正值，如果建筑不滿足節(jié)能要求，則節(jié)能百分比負(fù)值。節(jié)能百分比定義為： 式中：BEPi節(jié)能百分比; Es根據(jù)度日數(shù)

12、得到的建筑全年耗電量標(biāo)準(zhǔn)值，kWh/m2; Ei待評(píng)價(jià)建筑全年耗電量的DeST模擬計(jì)算值，kWh/m2; 5.3 BP網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用 根據(jù)以上所選定的節(jié)能分析樣本，初步選定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10×330個(gè)、傳遞函數(shù)為tansig，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1個(gè)、傳遞函數(shù)為purelin，節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)即為10×30×1。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最終形式并沒有完全確定，如果訓(xùn)練和檢驗(yàn)的結(jié)果不能滿足預(yù)期要求，還將根據(jù)具體情況進(jìn)行一定的調(diào)整。 利用BP網(wǎng)絡(luò)得出的訓(xùn)練樣本網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望值的最大相對(duì)誤差為小于5（個(gè)別異常情況除外），檢驗(yàn)樣本網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望值的最大相對(duì)誤差為4.3，可見該網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能好，說明了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能綜合評(píng)價(jià)的可行性和有效性。 6.結(jié)論 本綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是在科學(xué)性原則，可行性原則，層次性原則，完備性原則，主導(dǎo)性原則，獨(dú)立性原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑能耗特點(diǎn)建立起來的一個(gè)有機(jī)整體。這是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、相互制約、不同層次的指標(biāo)群，是對(duì)節(jié)能分項(xiàng)指標(biāo)的綜合和對(duì)節(jié)能綜合指標(biāo)簡化，能較全面反映該地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)涵的基本特征。 建筑節(jié)能的評(píng)價(jià)問題是一個(gè)I/O（輸入/輸出）問