基于灰色系统理论的低碳建筑评价

杨海红，刘梦颖，李金瑾

(武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)



基于灰色系统理论的低碳建筑评价

杨海红，刘梦颖，李金瑾

(武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

摘要：低碳建筑是建筑业应对能源危机与环境问题新的发展趋势，而对其进行评价则是一项复杂的系统工程。首先，从全寿命周期的角度建立了低碳建筑评价体系；然后，根据评价指标所需信息的不确切性和不完全性，选用灰色系统理论，构建了多层次灰色评价模型，最后，结合工程实例验证了该评价方法在建筑低碳效果评价领域的可行性，为低碳建筑的评价研究引进一种新的评价方法。

关键词：低碳建筑；全寿命周期；层次分析；灰色评价

近年来世界经济发展较快，能源危机和环境问题却日趋严重，低碳经济发展成了影响人类发展的全局性问题。建筑业是耗能大户，其耗能约占社会能源消耗总量的30%以上，主要原因是由于建筑在施工、运营管理和拆除报废的过程中会排放大量的温室气体，预计到2030年全社会所产生的温室气体有25%来自建筑业[1]。国家“十二五”规划中，明确提出控制建筑等领域温室气体排放[2]。为了减轻能源与环境压力，需要把开发低碳建筑放在首要位置。

近年来，低碳建筑逐渐成为建筑业的主流趋势，并且在我国也越来越受到重视。而我国低碳建筑的研究才刚刚起步，关于低碳建筑的许多评价指标是定性的，所以很难对其进行整体评价，因而在一定程度上限制了低碳建筑的发展。针对这一现状， 笔者采用了灰色系统理论对建筑低碳效果进行评价，并建立了多层次灰色评价模型。

1低碳建筑评价指标体系

由于在建筑工程实施的各个过程中都会排放大量的温室气体，因此，要实现建筑物真正的低碳化，应该从建筑物寿命周期的角度来降低碳排放量[3]，并需要在建筑物寿命周期各阶段分别采取有针对性的技术和措施。 笔者从全寿命周期的角度出发，参考相关文献，并基于绿色建筑的评价指标体系，以节能减排为宗旨，分析每个阶段与碳排放相关的指标，遵循系统性、科学性、实用性、可比性、继承与创新等指标体系构建原则，分别从规划设计阶段、施工阶段、运营维护阶段及拆除报废阶段选取评价指标，构建低碳建筑评价指标体系，如表1所示。

表1　低碳建筑评价指标体系

2低碳建筑多层次灰色评价模型

2.1多层次灰色评价模型的建立

2.1.1确定各评价指标的权重

表2　评判标度表

2.1.2制定评价指标的评分等级

根据评价指标达到低碳效果的程度， 笔者把评价指标优劣性划分为“好”、“较好”、“一般”、“较差”和“差”5个等级，然后把这些评价等级分别赋值为5、4、3、2、1[5]，从而把定性指标定量化，达到评价的需要。

2.1.3确定评价样本矩阵

假设有p个专家对低碳建筑评价指标进行打分，且第k个专家对评价指标Vij的打分为dijk，则评价样本的矩阵可以表示为:

2.1.4确定评价灰类

确定评价灰类，就是确定评价灰类的等级数、灰类的灰数及灰数的白化权函数[6]。根据评分等级，可设定5个评价灰类，灰类序号为e(e=1,2,3,4,5)，其相应的灰数及白化权函数分别如下所示。

第1灰类“好”(e=1)，灰数⊗1∈(5,∞)，白化权函数为:

第2灰类“较好”(e=2)，灰数⊗2∈[0,4,8]，白化权函数为:

第3灰类“一般”(e=3)，灰数⊗3∈[0,3,6]，白化权函数为:

第4灰类“较差”(e=4)，灰数⊗4∈[0,2,4]，白化权函数为:

第5灰类“差”(e=5)，灰数⊗5∈[0,1,2]，白化权函数为:

2.1.5计算灰色评价系数

对于评价指标Bij，评价项目属于第e类评价灰类的白化权分为fe(dij1),fe(dij2),…,fe(dijp)，其中，dijp为专家的打分。将评价项目属于第e个评价灰类的灰色评价系数记为xije，则有:

2.1.6计算灰色评价权向量和权矩阵

记所有评价专家就评价指标Bij对于受评项目主张第e个灰类的灰色评价权为rije，则有rije=xije/xij，e=(1,2,3,4,5)。因此，评价指标Bij对于各灰类的灰色评价权向量rij=(rij1,rij2,rij3,rij4,rij5)，从而得到Bi所属指标Bij的灰色评价权矩阵：

2.1.7对Bi进行综合评价

对评价项目中的Bi进行综合评价,将其综合评价结果记为Ci，则有Ci=Ai·Ri=(bi1,bi2，bi3，bi4，bi5)。

2.1.8对B进行综合评价

记Bi对于各评价灰类的灰色评价权矩阵为R，R=(B1,B2,…,Bm)T。将评价项目的灰色综合评价结果记为C，则有C=A·R=(b1,b2,b3,b4,b5)，其反映了项目低碳效果属于每个评价灰类的程度，按照最大权原则[7]确定建筑低碳效果所属的灰类，Ce取得最大值时即为该项目的综合评价等级。

2.2案例应用

2.2.1案例基本情况

某市一住宅项目，位于市区中部，该项目总用地面积为28.04万m2,其中地上建筑面积为21.75万m2，容积率为2.38。该项目是某地产公司推出的首个绿色地产产品，该项目在实践过程中采用了一系列的节能、环保措施，以减少对环境的破坏[8]。

2.2.2灰色系统理论评价

(1)确定指标权重。按照各指标与低碳建筑的重要性，将一级指标的4个元素进行两两比较，得到一级指标的判断矩阵W:

同样的方法，获得二级指标的判断矩阵:

求出上述判断矩阵的特征值和特征向量，计算出各级评价指标的权重为：

A=(0.472 3,0.169 4,0.285 4,0.072 5)

A1=(0.219 3,0.354 2,0.055 3,0.195 3,0.068 4,0.107 5)

A2=(0.164 4,0.445 7,0.105 1,0.284 9)

A3=(0.500 0,0.500 0)

A4=(0.333 3,0.666 7)

(2)邀请5位专家，对所有影响因素进行打分，可得评价矩阵D：

用同样的方法算出其他各评价指标的灰色评价权向量，从而得出该项目低碳效果有关指标的评价权矩阵Ri(i=1,2,3,4,5)，这里仅以R1为例。

(4)综合评价。根据Ci=Ai×Ri求得评价结果为：

C1=(0.365 0,0.367 8,0.240 5,0.026 4,0.000 0)

C2=(0.335 1,0.327 3,0.242 1,0.095 6,0.000 0)

C3=(0.361 7,0.352 0,0.244 7,0.041 6,0.000 0)

C4=(0.343 0,0.352 2,0.257 0,0.047 7,0.000 0)

则该工程项目低碳度的总灰色评价权矩阵R=(C1,C2,C3,C4,C5)T，最终得出该项目的低碳度综合评价权向量为：C=A×R=(0.357 3,0.355 2,0.243 1,0.044 0,0.000 0)

(5)算出综合评价值，判定该项目的低碳效果。由上述赋值，可得灰类等级值化向量为⊗=(5,4,3,2,1)，该项目低碳效果综合评价值Y=C×⊗T=4.024 6，则该项目低碳效果等级为“较好”。

3结论与建议

笔者将灰色系统理论引进建筑低碳效果评价领域，建立了低碳建筑多层次灰色分析模型。通过案例应用验证了笔者所建低碳建筑评价体系和所选评价方法的有效性。该评价方法能够最大可能地利用所有数据，避免了在评价过程中遗漏有用的信息而造成评价不准确的情况。该方法不但能够获得综合评价结果，还能对各评价指标进行排序。此外，通过研究还可得出以下启示：

(1)注重场址选择与节能设计。在建筑选址时，要考虑所处的地形地貌条件，方便施工且有利于后期的使用与维护；选址时还要考虑出行方便，能够充分利用公共交通网络。在节能设计时，要充分利用自然环境，如冬季利用阳光、夏季利用自然风，减少建筑使用能耗，以降低碳的排放量。同时还要综合考虑建筑朝向、建筑间距等方面来实现低碳的目的。

(2)促进低碳建筑技术发展。由于我国低碳建筑技术的研究起步较晚，在施工阶段所需降低CO2排放的新材料、新技术都比较欠缺，致使许多低碳设计无法实现。政府应当增加投入，大力倡导低碳建筑技术的研发，尽快降低低碳建筑的开发成本，并且还要尽快建立低碳检测系统。

(3)加强宣传教育并建立激励机制。低碳建筑的发展是个漫长的过程，为了更好地发展低碳建筑，可通过宣传教育，使人们对低碳建筑节能减排有更深入的了解。由于现阶段国家有关低碳建筑的机制尚不健全，政府对CO2排放多的建筑企业没有相应的制约措施，同时也缺乏对CO2排放低的建筑企业缺乏相应的激励措施。这就会使得建筑企业缺乏开发低碳建筑的动力，阻碍低碳建筑的发展。

参考文献：

[1]李兵.低碳建筑技术体系与碳排放测算方法研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[2]李美华.低碳建筑技术评估体系指标构架研究[D].北京：北京交通大学,2013.

[3]闫大伟.全寿命周期视角下低碳建筑评价体系研究[D].西安：西安建筑科技大学,2013.

[4]廖红强,邱勇,杨侠，等.对应用层次分析法确定权重系数的探讨[J].机械工程师,2012(6):22-25.

[5]黄海峰.基于灰色理论的建筑工程全过程绿色管理方法与评价研究[D].杭州：浙江大学,2013.

[6]张守华,孙兆辉,祝志明.层次灰色方法在科研项目评估中的应用研究[J].系统工程与电子技术,2006,27(10):1744-1747.

[7]丁古丽,陈进.基于灰色系统理论的绿色施工风险评价研究[J].工程管理学报,2010,24(2):182-185.

[8]郑俊巍.低碳建筑评价指标体系分析研究[D].成都：西南石油大学,2012.

YANG Haihong:Assoc. Prof.;School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，China.

文章编号：2095-3852(2016)02-0210-04

文献标志码:A

收稿日期：2015-10-29.

作者简介：杨海红(1972- )，女，湖北武汉人，武汉大学土木建筑工程学院副教授.

中图分类号：TU023

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.02.016

An Evaluation of the Low-carbon Building Based on Gray System Theory

YANGHaihong,LIUMengying,LIJinjin

Abstract：The low-carbon building is a new trend of the construction to face energy crisis and environmental issues. And assessment of low-carbon building is complex system engineering. In order to measure the low-carbon effect of a building, we need to evaluation methods to achieve evaluation. This paper establishes the low-carbon buildings evaluation system based on the perspective of the whole life, then, in accordance with inaccurate and incomplete of the information of evaluation, establishing a multi-level gray evaluation model with gray system theory. Finally, with an engineering example, it verifies the evaluation method is practical and feasible in the field of the low-carbon effects evaluation of the construction, and introduces a new evaluation method for the evaluation of low-carbon buildings.

Key words：low carbon building; life-cycle; analytic hierarchy; gray evaluation