基于ISM的绿色建筑能耗影响因素分析

徐乐

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的角度出发，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。

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.

关键词：绿色建筑;能耗;影响因素;ISM

0  引言

中国现处于经济发展的快速时期，城市建设的高速发展极大地推动了建筑业的进步[1]。据统计，中国建筑能耗的占比达到全部能源消耗的27%以上，而且每年都会上涨1%[2]。为应对能源危机，缓解建筑能源消耗问题，对影响绿色建筑能耗的因素进行分析具有十分重要的意义。近年来大量国内外学者对绿色建筑能耗影响因素及相关问题进行了理论分析和实证研究。杨利明[3]从维护结构优化、建筑能源综合利用、智能控制技术三个方面探讨建筑能耗降低新技术。丰晓航[4]等人建模分析了不同通风模式对城市建筑气密性的影响，论证了气密性对减少建筑能耗的重要性。段良飞[5]等人通过模拟基准建筑参数的变化，包括体型系数、外墙、外窗等，进行模拟取值和软件分析探索这些因素对建筑能耗的影响。Esin T[6]提出了从建筑的全生命周期減少建筑材料从而降低建筑能耗。Baniassadi A[7]等人研究了高反照率屋顶对住宅建筑能耗的直接和间接影响。国内外学者在对建筑能耗的影响因素进行分析时大多只选取了一两个影响因素，因此本文将研究多个因素同时作用下对绿色建筑能耗的影响。文章通过查阅大量文献，选择出需要研究的影响因素，然后基于ISM对各因素间的影响关系进行研究，分析总结并提出节能对策。

1  绿色建筑能耗影响因素的选取

影响绿色建筑能耗的因素有许多，为了对主要影响因素进行详细分析，研究参考了近十年绿色建筑的相关文献。研究发现，建筑朝向和形状、窗户隔热和遮阳、建筑围护结构、人的行为、气候因素、建筑节能政策等因素是绿色建筑相关研究中最为常见的因素，且对建筑的能耗影响较大。因此，文章主要分析这几个因素对绿色建筑能耗的影响。

1.1 建筑朝向和形状

空调制冷产生的冷负荷量的多少与建筑朝向有很大的关联。一般来说，南北朝向的建筑能耗比东西朝向的建筑少很多。建筑物的体形系数也会影响建筑能耗，建筑体形系数越大，建筑的散热面积就越大散热速度也越快，这意味着表面积大的建筑物能耗更大。研究表明，体形系数每增加0.01，建筑能耗就会增加2.5%[8]。

1.2 窗户隔热和遮阳

不同类型的窗户对建筑能耗有不同的影响。窗户的框扇材料及玻璃性能决定了其较高的传热系数以及较差的隔热能力，和墙体比较，单位面积窗户的得热和失热都远远大于墙体，一般是墙体的5至20倍。此外，不同季节的窗户得热和光照也不同，因此，移动遮阳装置对不同季节的窗户遮阳和采光的调节作用显得尤为重要。

1.3 建筑围护结构

墙体的传热方式主要有辐射、传导和对流。热辐射主要发生在屋顶和墙壁材料之间。墙体被太阳光照射后会吸收其中的阳光以及辐射热，储存的能量会使得墙体内部气体发热膨胀;热传导主要是由室内外墙体的温差产生的，热能沿墙壁由高温测移动到低温侧;热对流的热量主要是通过建筑的空气间隙和缝隙垂直向上移动。

1.4 建筑节能政策

政府政策的引领能够对企业标准、规范或是个人行为偏好产生一定的影响，从而影响建筑能耗。建筑节能政策对建筑物的能源消耗不如技术手段的效果那样明显，节能政策通常要求物体有一个反应时间，这是正常的滞后[9]。但是节能政策在建筑中的作用确实不容忽视的，例如节能政策影响人的行为意识，加快节能技术和节能手段的创新也能够进一步推动建筑节能的发展。

1.5 人的行为

人的因素也是影响建筑能耗的重要原因，为进一步量化这一因素对建筑能耗的影响，本研究在福州地区进行了现场调研。调查对象为福州万福中心办公楼的办公人员，随机调查了该办公楼办公人员对空调和照明的使用习惯，调查结果如表1所示。

调查分析结果表明，建筑能耗与用电时间成正比，且奢侈型人员占比约为10%，故经粗略分析，奢侈型人员将会提高能耗大约22.2%。

1.6 气候因素

建筑耗能会排放大量的温室气体，而温室效应造成的全球变暖反过来又会增加空调用电量，进一步增加建筑能耗，形成恶性循环。我国大部分地区为夏热冬冷或夏热冬暖地区，一般来说，这些地区制冷能源消耗的增加远比供暖能源消耗的减少要大得多，最终会导致总能源消耗的增加。因此，由温室效应造成的全年平均气温升高会进一步加剧建筑能源消耗，气候因素也是影响建筑能耗的重要因素。

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。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2所示。

2.1.1 确定各影响因素之间的逻辑关系

首先创立ISM讨论小组，小组成员有建筑与土木工程专业教授四名，从事建筑行业超过十年工作经验的管理人员六名。经专家研究讨论最终确定了这6个影响因素之间的逻辑关系，如表3所示。

在表3中，数值0和1表示Si与Sj之间的关联性。若Sj对Si有影响，记为1;若Sj对Si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

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3），建立ISM邻接矩阵A：

2.1.3 生成ISM可达矩阵

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：。

2.1.4 划分影响因素层级

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（Si）、先行集A（Si）和共同集C（Si），如表4所示。

可达集R（Si）表示的是Si行中所有因素为1的列对应的因素构成的集合。先行集A（Si）是Si的起始集，表示的是Si列中所有因素为1的行对应的因素构成的集合。共同集C（Si）表示的是R（Si）和A（Si）的共同部分。假设Si是起始集，只影响其他因素而不受其他因素的影响，就必须满足条件：，记为B（F）;假设Si是终止集，只受其他因素影响而不影响其他因素，就必须满足条件：记为E（F）。因此，最高层因素也即终止级因素为E（F）=S3。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。

2.1.5 构建ISM模型

根据上述计算结果，第一层因素集合为{S3}，去除S3之后，计算得到第二层因素集合为{S1，S2};再去除S1、S2、S3，計算得到第三层因素集合为{S4，S5}，同理，第四层因素集合为{S6}。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。

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模型最底层的因素，即气候因素是引发绿色建筑能耗增加的根本原因。因为气候变暖，使得建筑外部和内部温差变大，通过热传导，室内温度会上升，就导致空调能耗的迅猛增加。气候变化也会影响政府发行不同的节能政策，同时也对人的行为产生影响。

②第三层的因素是建筑节能政策和人的行为。建筑节能政策能够限制开发商（或业主方）不采取节能技术的行为，同时激励型政策能够促进开发商（或业主方）选择节能材料以及采取节能措施以降低能耗。人为因素也会因为节能政策而改善自身的用能方式，提高节能意识等等。

③第一层影响因素是窗户隔热和遮阳，它是对绿色建筑能耗的影响最直接、最具体的因素。同时，第一层因素也受第二层因素的影响，比如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  结论与建议

本章通过文献调查法、问卷调查法等方式选取了影响绿色建筑能耗的6个因素，并逐个进行分析;然后采用了ISM方法分析6个因素之间的影响关系，将分析结果按照重要程度由高到低依次排列为：气候因素、建筑节能政策、人的行为、建筑朝向和形状、建筑围护结构、窗户隔热和遮阳。根据这6个因素对绿色建筑能耗的影响程度，主要提出以下对策：

①各部门应当协同治理、共同努力，改善生态环境、延缓全球变暖。从建筑全生命周期的角度来看，运营阶段夏季空调制冷所产生的能耗占比巨大，改善生态环境能够从根本上降低这部分能耗。

②政府及有关部门应严格建筑节能标准和规范、制定有力的政策制度，并对企业违规和人的浪费行为进行限制。同时也应该激励建设单位等业主方选择节能材料，对使用节能材料进行一定的补贴，调动节能的积极性。

③加大节能宣传和教育力度。人的行为意识对绿色建筑能耗的改变有着重要的作用，全民节能必然会降低建筑能耗，因此要把节能理念普及到所有人之中。

参考文献：

[1]郭建英.全国人大代表郭建英：加快推进被动式超低能耗绿色建筑建设[J].中国勘察设计，2019（03）：56.

[2]唐文娟.浅谈中国建筑能耗现状[J].城市建设，2010（25）：86.

[3]杨利明.绿色建筑能耗评价方法及能耗降低新技术探讨[J].制冷技术，2012（02）：44-47.

[4]丰晓航，燕达，彭琛，等.建筑气密性对住宅能耗影响的分析[J].暖通空调，2014（02）：5-14.

[5]段良飞，邵宗义，张航.基于外围护结构性能的住宅建筑能耗模拟分析[J].区域供热，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.

[8]胡達明，陈定艺，单平平，等.夏热冬暖地区居住建筑朝向对能耗的影响分析[J].建筑节能，2017，45（05）：57-60.

[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.