碳中和目标下被动式超低能耗居住建筑绿色评价

■ 冯亚娟 FENG Yajuan 何 婷 HE Ting

0 引言

我国每年的碳排放量居高不下，虽然近年来呈下降趋势，但仍明显高于大部分发达国家。2018 年，我国CO2排放总量约为112 亿t，占全球29.71%[1]；其中，建筑全过程碳排放总量为49.3 亿t[2]。2020 年，习主席在联合国大会上提出，“我国确保2030 年前碳达峰，努力实现2060 年前碳中和”[3]，这一承诺体现了大国担当，也意味着建筑业必须探索转型升级和绿色发展的新路径。根据脱钩理论，经济发展与环境保护不再是相互掣肘的关系[4]，大力发展绿色建筑能够在改善居民生活质量的同时，降低能耗减少与碳排放。为达成2060年碳中和的目标，建筑部门必须控制建筑能耗，在“十四五”期末建筑能耗总量保证在12 亿tce 内[2]。然而，我国目前建筑产业绿色转型效率低、转化率不足，在此背景下，被动式超低能耗建筑的出现，高度契合了绿色建造发展理念。相较于普通绿色建筑和传统主动式建筑，被动式超低能耗建筑的节能效果高达90%以上，能够为居民营造出更加节能、舒适、健康的生活环境。被动式超低能耗建筑的发展综合考虑了绿色度和节能减排，坚持走经济发展与环境改善的双赢之路。

1 我国现存评价体系的问题

被动式超低能耗建筑的持续发展，受到国内外广泛关注，欧盟甚至要求在2020年以后必须采用被动房，使居住建筑实现近零能耗；我国河北省、山东省、天津市等也在近年相继出台了有关被动式超低能耗建筑的技术和评价标准。然而，现存的评价体系和方法尚无法对被动式超低耗能居住建筑做出科学、合理的绿色评判，究其原因，主要有以下3 点。

（1）被动式超低能耗建筑评价需要符合绿色建筑标准，目前的相关研究大部分根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378——2014），构建“四节一环保”评价体系[5]。然而，《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378——2019）（以下简称“2019 版《标准》”提倡与时俱进，更加关注人与自然的和谐共生：一方面，将星级设计在原有等级基础上增设基本级，与国际评价标准接轨；另一方面，将“四节”整合至“资源节约”中，完成从技术角度到使用者角度的转变[6]。

（2）2019 版《标准》及各省市新制定的被动式超低能耗建筑评价标准主要侧重于技术标准的确定，而缺少了对有关绿色建筑经济性和推广性等指标的制定[7-8]，在实践中无法完成对绿色建筑的全面评价。

（3）国内外对被动式超低能耗建筑的绿色评价研究尚在起步阶段，赋权方法大多都是单一的客观赋权[9]或主观赋权[10]，未能解决建筑绿色评价信息不确定性和融合的问题。

针对以上3 点，本文拟在评价内容和指标方面，以2019 版《标准》的指标为基础，增设经济性和社会性指标，建立科学、全面的被动式超低能耗建筑绿色评价指标体系；在评价方法方面，通过博弈论组合赋权的方法，确定被动式超低能耗建筑评价指标权重，解决单一赋权方法权重顺序不一致和过于依赖数据（专家主观偏好性）的难题；进而通过构建组合赋权-偏序集模型，选取现存的被动式居住建筑进行绿色评价，用最优序关系代替权重具体数值，解决权重信息不确定性问题，提供可视化分组，明确被动式建筑绿色等级。

2 评价方法和步骤

2.1 建立评价指标体系

被动式超低能耗建筑的发展是推进建筑绿色节能，推动我国实现碳中和目标的重要措施。其不但能提供居民舒适、恒温、恒湿的生活环境，还可以减少碳排放量，降低社会终端能耗。现阶段，我国被动式超低能耗建筑正处于大力推广和积极发展、创新阶段。

本研究以2019版《标准》为依据，以达成碳中和为目标，遵循指标构建的基本原则，将安全耐久、资源节约与利用、健康舒适度、创新性、管理、经济性及社会协调等7 类指标作为绿色评价的一级指标。评价等级和区间参考国内外现行规范和技术标准，主要有《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T 50785）、PHI《德国被动房标准》等；在缺乏相应标准时，则通过专家经验值或现场调研来确定指标标准值。被动式超低能耗建筑分为被动式超低能耗居住建筑和被动式超低能耗公共建筑，两者在节能技术和供暖（冷）需求等方面有较大差异。因此，为了评价的科学性和公平性，本文以居住建筑项目为研究对象，构建如表1 所示的评价指标体系。

表1 被动式超低能耗建筑绿色评价指标体系

2.2 博弈论组合权重的确定

由于评价指标中既有定性指标又有定量指标，若采取单一的评价方法，则无法消除客（主）观赋权法自身局限性，得到的指标重要性排序受数据本身（专家喜好）的影响较大。本文采用博弈论组合赋权的方法，将多种主观赋权法和客观赋权法进行组合优化，得到最优序关系。

2.2.1 评价指标主观权重的确立

层次分析法（AHP）是决策者通过使用1-9 标度对指标重要程度进行打分，进而构建出指标判别矩阵，得到指标权重排序；受主观因素影响，需要对所得数据进行一致性检验。具体步骤可参考文献[11]，得到的指标权重系数记为W1=W11,W12,…,W1m。

序关系分析法（G1）法与层次分析法的不同在于，它只需要先确定指标的序关系，而不需要一致性检验。采用rj赋值参考表，对评价指标重要程度打分[12]，并将G1 法得到的权重系数记为W2=W21,W22,…,W2m。

2.2.2 评价指标客观权重的确立

熵权法是度量决策信息不确定性的一种客观赋权方法。熵越小，指标信息不确定性越小，信息量越大，就越不能影响绿色评价的结果。熵值的大小通过指标数据的变异程度计算得出，有关熵权法的具体步骤可参考文献[12]，得到的权重系数记为W3=W31,W32,…,W3m。

CRITIC 法是由Diakoulaki提出的一种客观权重赋权法。本文引入CRITIC 法，通过对比被动房两指标间的冲突性和强度，来分别计算数据的相关性系数和标准差，进而利用数据波动性和相关关系得到绿色评价指标的权重。具体步骤可参考文献[13]，得到的权重系数用W4=W41,W42,…,W4m表示。

2.2.3 博弈论组合赋权方法确定综合权重

为促使主、客观的统一与融合，寻求最合理的权重排序，本文利用博弈论来计算被动式超低能耗建筑绿色评价指标的组合权重。博弈论组合赋权方法既能综合考虑数据的客观信息和决策专家的实践经验，又能弱化主观赋权的随意性和客观赋权的片面性。具体步骤可参考文献[11]，记组合权重为（a 为最有化线性组合系数）。

2.3 偏序理论

全序是偏序的特例。传统评价结果为全序，理论上，传统评价能够升级为偏序评价。偏序集评价充分体现了决策者的有限理性，具有不确定性的本质特征[14]。

偏序集运用于市政工程风险评价中，能够帮助决策者事先识别决策风险。其不但能够体现排序的稳健程度，而且能够进行传统意义上的优化。除此之外，偏序的HASSE 图体现聚类功能，能应用于等级评价问题。研究中融入决策者偏好信息，符合专家经验与数据融合的发展趋势。

2.3.1 偏序定义

设R 是集合A 上的一个二元关系，若R 满足以下条件：

（1）自反性，即对任意x∈A，有xRx。

（2）反对称性，即对任意x,y,z∈A，若xRx且yRx，则x=y。

（3）传递性，即对任意x,y,z ∈A，若xRy 且yRz，则xRz。

2.3.2 计算公式

根据上述定义，对于m个样本，n个指标的决策问题，构建满足指标重要性排序由大到小的评价矩阵X，进而通过累加变换，构造出比较关系矩阵R=（rij）m×n，即给定偏序集（A，）。对于∀ai,aj∈A，则：

HASSE图不仅与HASSE矩阵一一对应，同时也是有向图的精简版，即对给定的比较关系有向图，保留两点之间最大路径，删除之外的非最大路径，得到剩余的图便是HASSE图。范懿[15]给出了比较关系矩阵和HASSE 矩阵之间的转换公式：

式中，R为关系矩阵；HR为HASSE 矩阵；I 为单位矩阵；*为布尔运算。

2.4 组合赋权-偏序集模型的评价步骤

综上，基于博弈论组合赋权-偏序集模型的被动房绿色评价方法基本步骤可概括为：①数据预处理；②分别利用主观赋权法（AHP 法和G1 法）和客观赋权发（熵权法和CRITIC 法），计算被动式超低能耗建筑绿色评价指标权重{ W1，W2，W3，W4}；③利用博弈论组合赋权方法，计算评价指标的组合权重，得到指标最优序关系；④通过偏序集理论，得到被动式超低能耗居住建筑项目绿色度等级和HASSE 图可视化排序。

3 实证分析

为验证组合赋权-偏序集模型综合评价方法的科学性和有效性，本文选取华东和华北两地区的10 个在建和已建被动式超低能耗建筑项目，对其进行实地调研和评价。

3.1 数据预处理

在10 个被动式超低能耗居住建筑项目中，分别选取10 栋单体建筑作为评价对象。根据指标体系，对绿色评价指标数据进行收集处理：①定量指标数据可由项目的图纸资料、监测数据、检测报告、实地调研等获取；②定性指标数据则由经验丰富的决策者打分确定。本研究将各评价指标的标准区间中位数作为分级样本，通过与分级样本的比较、分类完成评价对象的等级划分。5 个分级样本的构建，有利于建筑项目等级划分与聚类；由于项目绿色度评价是具有不确定性多因素综合评价，具体的排序没有实际意义，因此，分级样本无需比较先后顺序，只需按照评价等级的优劣排序，依次编号为A15、A14、A13、A12、A11，与10 个评价对象组合成为新的评级样本。

21个指标中，R8、R10、R16、R17是反向指标，其余指标均是正向指标。对15 组数据进行正向化处理后，需用公式yi＝（xi－xi,max）/（xi,maxxi,min）对评级样本进行无量纲化处理，结果见表2。

表2 被动式超低能耗居住建筑评级样本预处理指标值

3.2 各指标组合权重及排序

偏序集评价方法需要的是指标权重的重要性排序，根据博弈论组合赋权方法，计算得到指标最优序关系（表3）。

3.3 绘制HASSE 图

首先，根据表3 的绿色评价指标最优序关系，将评级样本预处理后的数据进行重排序，进而构建出评价矩阵；然后，依据公式（1），建立偏序关系矩阵R；再通过公式（2）得到HASSE 矩阵；最后，利用python 语言绘制HASSE 图（图1）。HASSE 图能直观反映出被动式超低能耗居住建筑绿色度等级关系和聚类信息，便于等级分类和查找。

图1 被动式超低能耗居住建筑评价等级HASSE 图

表3 指标权重及最优序关系

3.4 结果分析

HASSE 图有上级优于下级的特点，且具有传递性。由图1 可看出，偏序集评价方法将被动式超低能耗居住建筑绿色度划分为5 个等级，由上到下分别对应评价等级三星级、二星级、一星级、基本级和不合格。5 个虚拟分级样本的绿色度评价结果分别为：A11不合格、A12基本级、A13一星级、A14二星级、A15三星级，符合构建结果；根据被动式超低能耗居住建筑绿色评价结果（表4），10 个实际项目的等级分类均符合现实，验证了博弈论组合赋权-偏序集被动式超低能耗居住建筑绿色评价的合理性。

由表4 可知，评价等级为基本级的较多，三星级没有，说明这10 个研究对象均能达到建筑节能效果，符合绿色建筑标准，但是仍有较大的发展空间。评价结果呈现“两头少，中间多”分布规律，符合我国被动式超低能耗建筑发展现状。产生该现象的主要原因有以下3 个方面：①在政策方面，国家对该类型建筑的政策支持体系还不完善；②在建设成本方面，该类型建筑的成本比一般建筑高约600 万元/m2；③在生产技术方面，我国的被动式房屋建设多依靠于其他国家的关键性技术，自主研发知识产权较少。为提高绿色度等级，抓牢被动式超低能耗建筑发展机遇期，国家和建筑企业需提高绿色创新，形成高质量产业链体系，实现被动式超低能耗建筑大规模、高标准的生产。

表4 被动式超低能耗居住建筑项目评价结果

为了进一步检验博弈论组合赋权-偏序集综合评价方法的科学性和有效性，选取RSR 秩和比法、熵权-TOPSIS 法、层次分析-TOPSIS法3 种综合评价方法，对15 个评级样本进行绿色度排序（表5）。可以看出，这3 类综合评价方法对具体的绿色度排名有较大差异性，主要原因是它们都过度依赖于权重具体数值，不同的赋权方式导致权重大小存在差异性，却忽略了权重本身的不确定性。本文提出的博弈论组合赋权-偏序集综合评价方法，克服了精准权重问题，仅通过最优序关系就能完成科学、直观的等级评价和分类，且不受权重数值波动，可见其优于其他综合评价方法。

表5 评级样本不同综合评价方法绿色度排序

4 结论

为了达成2060 年碳中和目标，突出绿色发展理念，建筑业需要大力推广被动式超低能耗建筑。针对被动式超低能耗建筑评价指标体系不全面的难题，本研究根据碳中和目标和2019 版《标准》，增设经济性和社会性指标，更新绿色度等级，丰富和完善被动式超低能耗居住建筑综合评价指标体系。

在此基础上，提出一种新的决策信息不确定性综合评价方法，以解决主客观赋权两者之间的冲突，并寻找一致性，从而提高评价结果的稳健性。运用博弈论组合赋权，将主观意识和客观数据等信息融合，从而得到最优序关系。组合赋权-偏序集评价模型既可以解决精准赋权的难题，又削弱了指标权重数值不确定性的缺点。

此外，为验证该方法的科学性和有效性，对10 个被动式超低能耗居住建筑进行绿色度等级评判，利用HASSE 图完成可视化分类。最终得到的实证分析结果与实际绿色星级相同，验证了指标体系和评价模型的科学性和可操作性。与其他方法比较，本研究方法更直观、准确，为被动式超低能耗建筑绿色度评价提供新方法新思路。