基于層次分析法篩選具有節能潛力的公共建筑

黃麗華，吳嘉文（上海市崇明區建筑建材業管理所， 上海 202150）

建筑在運行階段消耗的能源是占建筑全壽命周期的最重要的一部分。據統計，建筑運行能耗約占全國總能耗的30%～40%[1]。隨著我國力爭在 2030 年前實現碳達峰、在2060 年前實現碳中和目標的提出，加強建筑能源管理、降低建筑能耗是必須解決的剛性問題。上海市自 2012 年起籌備建設公共建筑能耗監測市級平臺以來，經過不斷努力，截止到 2019 年末，全市累計已有 1 780 棟公共建筑安裝了分項計量裝置并且將實時監測數據與能耗監測平臺聯網[2]。同時，各區級能耗監測平臺的各項工作也在平穩有序推進，區級平臺運行穩定，上傳數據質量不斷提升。建設能耗監測平臺的目的一方面在于加強對大型公共建筑的能耗監測、統計和對標，更主要的是將平臺監測數據的成果轉化為能效提升和能耗降低。

從目前的效果來看，市級和各區能耗監測平臺都已經可以實現能耗監測、統計和對標這一目的，但各個區如何將能耗監測平臺上的建筑能耗數據進行成果轉化，篩選出具有節能潛力的建筑實施改造優化還有待解決。平臺對建筑運行成本的控制和運行能效的提升作用都沒有發揮到最大。盡管區級到市級的各級主管部門通過完善各項管理制度積極解決這一問題，但收效甚微。

產生這一結果的主要原因在于目前的能耗監測平臺存在開發程度較低和接入監測的樓宇群體數量龐大這一對主要矛盾。目前市級和各區能耗監測系統主要是對各分項用能情況的顯示與記錄，隨著接入監測平臺的樓宇數量越來越多，各項技術指標互相影響，數據疊加量巨大已經無法通過人工篩查分析和判斷便可以得到想要的結果。因此，多數時間都只用能耗的高低來判斷建筑用能的好壞，沒有綜合考慮建筑本身存在的特性，更無法篩選出真正亟待節能改造的建筑。

崇明區作為上海市規劃的世界級生態島和綠色生態城區示范區，早在 2012 年便建設了第一代建筑能耗監測平臺并上線運營。2018 年，上海市崇明區更是在原有平臺基礎上進行了完善升級。本文以崇明區能耗監測平臺為例，研究探索如何通過對平臺進一步開發，實現對接入建筑的深入細致分析，尋找用能規律，降低建筑的運行成本，最終得出科學的節能及運行策略，實現能耗監測平臺成果轉化，增強崇明區的建筑節能管理水平。

1 能耗監測平臺

1.1 崇明區能耗監測平臺現狀

上海市崇明區能耗監測平臺目前共接入 49 棟公共建筑，主要包括辦公、場館、醫療和學校建筑。該平臺是依據上海市工程建設規范 DGJ 08 2068—2017《公共建筑用能監測系統工程技術標準》和其他相關技術導則以及規范設計和建設。平臺系統為 6 層架構。

（1）數據采集層：通過電能表等計量表獲取各回路的電耗及相關電力參數、能量消耗等能源信息。

（2）數據傳輸層：主要是把能源數據轉換成 TCP/IP 協議（傳輸控制協議/網際協議）格式上傳至能源管理服務器。

（3）數據存儲層：主要負責對能耗數據進行存儲。

（4）應用層：主要負責匯總、統計、分析和處理采集層所采集到并存儲在服務器上的數據，在此基礎上應用層還能實現如故障診斷、專家系統等高級應用。

（5）表現層：主要對存儲層和應用層中的能耗數據、分析處理結果進行展示和發布。

（6）用戶層：針對不同的用戶組展示不同的內容，以及對用戶進行各種管理和配置。

通過該架構，崇明區能耗監測平臺在縱向上實現了對下接收區內各機關辦公建筑及大型公共建筑的能耗監測數據、能耗統計數據、能源審計數據、綠色建筑數據，對上傳遞、接收區、市建筑能耗匯總及統計數據，是全上海市建筑能耗監測網絡中的關鍵樞紐；橫向上，又向區節能主管部門和其他各行業的主管部門提供本區建筑的實時用能狀況監測和分析，發揮了能源統計、能效評價、監測預警等重要作用，并為主管部門決策時提供數據支撐和依據。

上海市崇明區用能監測信息平臺目前提供了除常見的報表打印、數據查詢、建筑對比、數據傳輸等功能模塊外，還提供供用戶自行錄入的能源審計、綠色建筑、節能改造等個性化模塊，以及方便用戶查看納入平臺的建筑各項基礎數據及可視化數據分析圖等。

1.2 平臺優化方案

優化現有平臺的關鍵是要更好地實現能耗監測的成果轉化，幫助管理部門從接入監測平臺的大量樓宇中篩查出具有節能潛力且適宜開展節能改造的建筑。但是，篩選要考慮除了建筑能耗外的運行成本、管理能力等諸多因素，且各項參數之間會非線性地互相影響。針對這種影響因素多且難以定量的決策問題，適用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來解決[3]。該分析法是美國匹茲堡大學的Satty 教授提出的一種定性和定量的決策方法，尤其適用于復雜且龐大的、包含各種技術參數—且各項參數之間存在非線性互相影響的系統。AHP 可以幫助決策者用定量的方法確定各參數間的相對重要性，以便進一步分析各要素對最終決策目標的重要程度。AHP 根據問題的性質和所要達到的目的，按目標層、決策層、準則層分解多層次的目標樹，并按目標間的相互關聯影響及隸屬關系分組，形成一個多層次的分析結構模型。通過對每一層及其下一層目標兩兩比較的方式確定下層中目標的相對重要性，然后通過測定或估計整體中各部分對系統的影響綜合出所需的結果。層次分析法的流程圖如 1 所示。層次分析法共 4 個基本步驟：建立層次結構模型、構成判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗。

圖1 層次分析法流程圖

基于前期能耗監測平臺的實際工程應用的經驗，結合系統和軟件工程的雙思想，提出在目前的崇明區能耗監測系統中增添了 AHP 模塊進行主要技術參數的篩選。其思路如圖 2所示。增加了這一基于 AHP 算法開發的模塊后，可以將平臺管理者對于篩選具有能效提升和節能改造潛力的樓宇這一決策中各種影響決策的因素差異數值化，將決策過程標準化和定量化，從而減少了人工篩選的工作量、主觀性和誤差，過濾不符合預設定要求的公共建筑，迅速找出匹配程度最高的有待提升建筑能效水平的樓宇。

圖2 平臺優化建設思路圖

1.3 平臺優化架構設計

（1）平臺需要繼續獲取公共建筑群的基礎能源與資源消耗信息，主要包括各棟樓宇的用電、水、氣量，集中供熱/冷量、耗熱/冷量、循環水流量等主要技術參數信息，保證數據傳輸的穩定和數據準確率，并進行數據存儲與計算分析等預處理。

（2）本平臺所優化的內容體現在應用層增加基于 AHP的篩選模塊對所有樓宇進行剔篩，所需要的基本信息一方面來自每一棟單體建筑實時傳輸到平臺的能源數據，另一方面來自從目前平臺已有的能源審計、節能改造等模塊中采集的人工錄入的基本信息（建筑面積、設備信息、能源費用等）。該模塊將符合被改造條件的樓宇迅速篩選出來之后，再由管理部門根據實際需要進行實地考察，確定改造方案并實施改造。

（3）在現有平臺展示數據的基礎上，由 AHP 模塊篩選出的樓宇將同其他所有數據一樣，供用戶進行查詢。崇明區能耗監測平臺優化設計架構如圖 3 所示。

圖3 平臺架構圖

2 AHP 模塊應用示例

2.1 建立層次結構模型

在崇明區用能監測信息平臺的優化過程中，首先需要確定篩選原則，以求快速找到匹配程度最高的公共建筑。本研究團隊提出 3 項“準則”，即建筑能耗、運行成本以及監測和管理平臺能力。一個能耗監測平臺能否長久持續有效運行，需要用這 3 項“準則”進行評估。針對這 3 項“準則”，再采取專家意見法手段，遵循科學、系統性原則，最終確定 11 個具體篩選指標設定為指標層，形成層次結構模型，如圖 4 所示。

圖4 層次結構模型

目標層Sx即被篩選樓宇，“準則”層S12～S14分別代表建筑能耗、運行成本和管理能力，指標層S1～S11含義如表 1 所示。

表1 指標層各項要素含義

2.2 構造判斷矩陣與一致性檢驗

建立篩選模塊的兩兩指標之間的判斷矩陣。該矩陣表示針對上一層某元素，本層次相關元素之間的相對重要性，通常采用 1～9 標度法進行重要性比例標度描述。其含義如表2 所示。

其次，進行目標層對“準則”層、“準則”層對指標層的判斷矩陣的建立。本研究將目標層對“準則層”的判斷矩陣與一致性檢驗進行展示。構成的判斷矩陣如式（1）所示。

再進行矩陣歸一化，其結果如表 3 所示。

表3 矩陣歸一化

最后，經過層次單排序和一致性檢驗。因為判斷矩陣的生成是通過經驗和知識得到的，故需對矩陣進行一致性判斷，才能證明所構建的 AHP 篩選模塊中各指標之間邏輯關系的正確性。

（1）計算判斷矩陣的一致性指標 CI，計算公式如式（2）所示。

式中：λmax—判斷矩陣Jsx－s12～s14的最大特征值；

n—判斷矩陣的階數，即各項元素的數量。

（2）根據 AHP 算法中隨機一致性指標 RI 與階數n之間的對應數值關系，即可得出與一致性比例 CR 相關的平均隨機一致性指標 RI。隨機一致性指標 RI 列表如表 4 所示。

表4 RI 列表

（3）計算一致性比例 CR，計算公式如式（3）所示。

當 CR＜0.1 時，即可認為判斷矩陣具有良好的一致性；否則，需對該矩陣進行一致性修正。經計算，求得λmax=3.053 7，CI=0.026 9。

經查表，當n=3 時，RI= 0.58。由式（3）可知，CR=0.026 9/0.58 =0.046 3＜0.1，故判斷矩陣Jsx－s12～s14滿足一致性條件。

2.3 各要素權重分析

平臺各項要素權重如表 5 所示。

表5 平臺各項要素權重表

綜合表 5 各項指標的權重排序發現，單位建筑面積能耗S1、單位建筑面積電費S4、節能管理創新性S10這 3 項指標權重較大，是篩選時關鍵要素和優先考慮項。在平臺上勾選這 3 項指標經過 AHP 篩選模塊計算的結果是崇明新城文化科技館。

為了驗證 AHP 篩選模塊的準確性，所以要進行單位建筑面積的電費和能耗對比，并提出場館類建筑的節能改造策略。

3 建筑運行分析

3.1 能耗數據對比

上文已經通過 AHP 篩選模塊選出崇明新城文化科技館，然后在平臺上針對同類型的場館類建筑進行單位建筑面積能耗S1和單位建筑面積電費S4統計對比，其結果如表 6。

表6 同類型場館建筑單位面積電費和能耗對比表

由表 6 可知，崇明新城文化科技館的單位建筑面積電費和能耗是這些同類型場館類建筑中最高的，說明篩選模塊正確篩選并發現了該科技文化館的能耗和電費問題。

3.2 場館類建筑節能改造策略

場館類建筑耗能較大的系統分別是暖通、照明和動力系統。因為要保證場館內的溫、濕度環境場達標，場館照明時間和照度達標，滿足電梯、生活水泵等用能負荷，所以針對這 3 項系統進行節能策略的提出，同時改變場館建筑的能源管理方式，如表 7 所示。

表7 場館類建筑節能改造策略

4 結 語

本研究針對目前能耗監測平臺成果轉化率低，難以通過監測推動建筑切實的能效提升和節能降耗這一問題，以崇明區能耗監測平臺為例，研究增加基于 AHP 的篩選模塊，幫助平臺用戶和各級主管部門篩選具有節能潛力的建筑，降低了篩選準則和指標權重系數的人為主觀性，提高容錯能力，減少人為工作量并降低重復性。

本研究通過專家意見法的方式確定了 AHP 模型的 11項具體篩選指標以及權重，并在示例中從目前接入平臺的建筑中篩選出了崇明新城文化科技館。經過數據對比分析發現崇明新城文化科技館單位建筑面積電費與能耗均是本案例同類型場館建筑中的最大。這說明本平臺的篩選模塊結果有效。