黃麗華，吳嘉文（上海市崇明區(qū)建筑建材業(yè)管理所， 上海 202150）

建筑在運(yùn)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(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑運(yùn)行能耗約占全國(guó)總能耗的30%～40%[1]。隨著我國(guó)力爭(zhēng)在 2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的提出，加強(qiáng)建筑能源管理、降低建筑能耗是必須解決的剛性問(wèn)題。上海市自 2012 年起籌備建設(shè)公共建筑能耗監(jiān)測(cè)市級(jí)平臺(tái)以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷努力，截止到 2019 年末，全市累計(jì)已有 1 780 棟公共建筑安裝了分項(xiàng)計(jì)量裝置并且將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)[2]。同時(shí)，各區(qū)級(jí)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的各項(xiàng)工作也在平穩(wěn)有序推進(jìn)，區(qū)級(jí)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，上傳數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提升。建設(shè)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的目的一方面在于加強(qiáng)對(duì)大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和對(duì)標(biāo)，更主要的是將平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的成果轉(zhuǎn)化為能效提升和能耗降低。

從目前的效果來(lái)看，市級(jí)和各區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)都已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和對(duì)標(biāo)這一目的，但各個(gè)區(qū)如何將能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)上的建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，篩選出具有節(jié)能潛力的建筑實(shí)施改造優(yōu)化還有待解決。平臺(tái)對(duì)建筑運(yùn)行成本的控制和運(yùn)行能效的提升作用都沒(méi)有發(fā)揮到最大。盡管區(qū)級(jí)到市級(jí)的各級(jí)主管部門(mén)通過(guò)完善各項(xiàng)管理制度積極解決這一問(wèn)題，但收效甚微。

產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因在于目前的能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)存在開(kāi)發(fā)程度較低和接入監(jiān)測(cè)的樓宇群體數(shù)量龐大這一對(duì)主要矛盾。目前市級(jí)和各區(qū)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)各分項(xiàng)用能情況的顯示與記錄，隨著接入監(jiān)測(cè)平臺(tái)的樓宇數(shù)量越來(lái)越多，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)互相影響，數(shù)據(jù)疊加量巨大已經(jīng)無(wú)法通過(guò)人工篩查分析和判斷便可以得到想要的結(jié)果。因此，多數(shù)時(shí)間都只用能耗的高低來(lái)判斷建筑用能的好壞，沒(méi)有綜合考慮建筑本身存在的特性，更無(wú)法篩選出真正亟待節(jié)能改造的建筑。

崇明區(qū)作為上海市規(guī)劃的世界級(jí)生態(tài)島和綠色生態(tài)城區(qū)示范區(qū)，早在 2012 年便建設(shè)了第一代建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)并上線(xiàn)運(yùn)營(yíng)。2018 年，上海市崇明區(qū)更是在原有平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善升級(jí)。本文以崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)為例，研究探索如何通過(guò)對(duì)平臺(tái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接入建筑的深入細(xì)致分析，尋找用能規(guī)律，降低建筑的運(yùn)行成本，最終得出科學(xué)的節(jié)能及運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)成果轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)崇明區(qū)的建筑節(jié)能管理水平。

1 能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)

1.1 崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)現(xiàn)狀

上海市崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)目前共接入 49 棟公共建筑，主要包括辦公、場(chǎng)館、醫(yī)療和學(xué)校建筑。該平臺(tái)是依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范 DGJ 08 2068—2017《公共建筑用能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和其他相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則以及規(guī)范設(shè)計(jì)和建設(shè)。平臺(tái)系統(tǒng)為 6 層架構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)采集層：通過(guò)電能表等計(jì)量表獲取各回路的電耗及相關(guān)電力參數(shù)、能量消耗等能源信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層：主要是把能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 TCP/IP 協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）格式上傳至能源管理服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：主要負(fù)責(zé)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（4）應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)匯總、統(tǒng)計(jì)、分析和處理采集層所采集到并存儲(chǔ)在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用層還能實(shí)現(xiàn)如故障診斷、專(zhuān)家系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用。

（5）表現(xiàn)層：主要對(duì)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層中的能耗數(shù)據(jù)、分析處理結(jié)果進(jìn)行展示和發(fā)布。

（6）用戶(hù)層：針對(duì)不同的用戶(hù)組展示不同的內(nèi)容，以及對(duì)用戶(hù)進(jìn)行各種管理和配置。

通過(guò)該架構(gòu)，崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)在縱向上實(shí)現(xiàn)了對(duì)下接收區(qū)內(nèi)各機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、能源審計(jì)數(shù)據(jù)、綠色建筑數(shù)據(jù)，對(duì)上傳遞、接收區(qū)、市建筑能耗匯總及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，是全上海市建筑能耗監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵樞紐；橫向上，又向區(qū)節(jié)能主管部門(mén)和其他各行業(yè)的主管部門(mén)提供本區(qū)建筑的實(shí)時(shí)用能狀況監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)揮了能源統(tǒng)計(jì)、能效評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警等重要作用，并為主管部門(mén)決策時(shí)提供數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

上海市崇明區(qū)用能監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)目前提供了除常見(jiàn)的報(bào)表打印、數(shù)據(jù)查詢(xún)、建筑對(duì)比、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K外，還提供供用戶(hù)自行錄入的能源審計(jì)、綠色建筑、節(jié)能改造等個(gè)性化模塊，以及方便用戶(hù)查看納入平臺(tái)的建筑各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及可視化數(shù)據(jù)分析圖等。

1.2 平臺(tái)優(yōu)化方案

優(yōu)化現(xiàn)有平臺(tái)的關(guān)鍵是要更好地實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)的成果轉(zhuǎn)化，幫助管理部門(mén)從接入監(jiān)測(cè)平臺(tái)的大量樓宇中篩查出具有節(jié)能潛力且適宜開(kāi)展節(jié)能改造的建筑。但是，篩選要考慮除了建筑能耗外的運(yùn)行成本、管理能力等諸多因素，且各項(xiàng)參數(shù)之間會(huì)非線(xiàn)性地互相影響。針對(duì)這種影響因素多且難以定量的決策問(wèn)題，適用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來(lái)解決[3]。該分析法是美國(guó)匹茲堡大學(xué)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(fù)雜且龐大的、包含各種技術(shù)參數(shù)—且各項(xiàng)參數(shù)之間存在非線(xiàn)性互相影響的系統(tǒng)。AHP 可以幫助決策者用定量的方法確定各參數(shù)間的相對(duì)重要性，以便進(jìn)一步分析各要素對(duì)最終決策目標(biāo)的重要程度。AHP 根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和所要達(dá)到的目的，按目標(biāo)層、決策層、準(zhǔn)則層分解多層次的目標(biāo)樹(shù)，并按目標(biāo)間的相互關(guān)聯(lián)影響及隸屬關(guān)系分組，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)每一層及其下一層目標(biāo)兩兩比較的方式確定下層中目標(biāo)的相對(duì)重要性，然后通過(guò)測(cè)定或估計(jì)整體中各部分對(duì)系統(tǒng)的影響綜合出所需的結(jié)果。層次分析法的流程圖如 1 所示。層次分析法共 4 個(gè)基本步驟：建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)成判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)。

圖1 層次分析法流程圖

基于前期能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合系統(tǒng)和軟件工程的雙思想，提出在目前的崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中增添了 AHP 模塊進(jìn)行主要技術(shù)參數(shù)的篩選。其思路如圖 2所示。增加了這一基于 AHP 算法開(kāi)發(fā)的模塊后，可以將平臺(tái)管理者對(duì)于篩選具有能效提升和節(jié)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(shù)值化，將決策過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)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(guò)濾不符合預(yù)設(shè)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(tái)優(yōu)化建設(shè)思路圖

1.3 平臺(tái)優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）平臺(tái)需要繼續(xù)獲取公共建筑群的基礎(chǔ)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(huán)水流量等主要技術(shù)參數(shù)信息，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算分析等預(yù)處理。

（2）本平臺(tái)所優(yōu)化的內(nèi)容體現(xiàn)在應(yīng)用層增加基于 AHP的篩選模塊對(duì)所有樓宇進(jìn)行剔篩，所需要的基本信息一方面來(lái)自每一棟單體建筑實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_(tái)的能源數(shù)據(jù)，另一方面來(lái)自從目前平臺(tái)已有的能源審計(jì)、節(jié)能改造等模塊中采集的人工錄入的基本信息（建筑面積、設(shè)備信息、能源費(fèi)用等）。該模塊將符合被改造條件的樓宇迅速篩選出來(lái)之后，再由管理部門(mén)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行實(shí)地考察，確定改造方案并實(shí)施改造。

（3）在現(xiàn)有平臺(tái)展示數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由 AHP 模塊篩選出的樓宇將同其他所有數(shù)據(jù)一樣，供用戶(hù)進(jìn)行查詢(xún)。崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 平臺(tái)架構(gòu)圖

2 AHP 模塊應(yīng)用示例

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

在崇明區(qū)用能監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的優(yōu)化過(guò)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(tuán)隊(duì)提出 3 項(xiàng)“準(zhǔn)則”，即建筑能耗、運(yùn)行成本以及監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)能力。一個(gè)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)能否長(zhǎng)久持續(xù)有效運(yùn)行，需要用這 3 項(xiàng)“準(zhǔn)則”進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)這 3 項(xiàng)“準(zhǔn)則”，再采取專(zhuān)家意見(jiàn)法手段，遵循科學(xué)、系統(tǒng)性原則，最終確定 11 個(gè)具體篩選指標(biāo)設(shè)定為指標(biāo)層，形成層次結(jié)構(gòu)模型，如圖 4 所示。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型

目標(biāo)層Sx即被篩選樓宇，“準(zhǔn)則”層S12～S14分別代表建筑能耗、運(yùn)行成本和管理能力，指標(biāo)層S1～S11含義如表 1 所示。

表1 指標(biāo)層各項(xiàng)要素含義

2.2 構(gòu)造判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)

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

其次，進(jìn)行目標(biāo)層對(duì)“準(zhǔn)則”層、“準(zhǔn)則”層對(duì)指標(biāo)層的判斷矩陣的建立。本研究將目標(biāo)層對(duì)“準(zhǔn)則層”的判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)進(jìn)行展示。構(gòu)成的判斷矩陣如式（1）所示。

再進(jìn)行矩陣歸一化，其結(jié)果如表 3 所示。

表3 矩陣歸一化

最后，經(jīng)過(guò)層次單排序和一致性檢驗(yàn)。因?yàn)榕袛嗑仃嚨纳墒峭ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)得到的，故需對(duì)矩陣進(jìn)行一致性判斷，才能證明所構(gòu)建的 AHP 篩選模塊中各指標(biāo)之間邏輯關(guān)系的正確性。

（1）計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo) CI，計(jì)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(shù)，即各項(xiàng)元素的數(shù)量。

（2）根據(jù) AHP 算法中隨機(jī)一致性指標(biāo) RI 與階數(shù)n之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系，即可得出與一致性比例 CR 相關(guān)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI。隨機(jī)一致性指標(biāo) RI 列表如表 4 所示。

表4 RI 列表

（3）計(jì)算一致性比例 CR，計(jì)算公式如式（3）所示。

當(dāng) CR＜0.1 時(shí)，即可認(rèn)為判斷矩陣具有良好的一致性；否則，需對(duì)該矩陣進(jìn)行一致性修正。經(jīng)計(jì)算，求得λmax=3.053 7，CI=0.026 9。

經(jīng)查表，當(dāng)n=3 時(shí)，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(mǎn)足一致性條件。

2.3 各要素權(quán)重分析

平臺(tái)各項(xiàng)要素權(quán)重如表 5 所示。

表5 平臺(tái)各項(xiàng)要素權(quán)重表

綜合表 5 各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重排序發(fā)現(xiàn)，單位建筑面積能耗S1、單位建筑面積電費(fèi)S4、節(jié)能管理創(chuàng)新性S10這 3 項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重較大，是篩選時(shí)關(guān)鍵要素和優(yōu)先考慮項(xiàng)。在平臺(tái)上勾選這 3 項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過(guò) AHP 篩選模塊計(jì)算的結(jié)果是崇明新城文化科技館。

為了驗(yàn)證 AHP 篩選模塊的準(zhǔn)確性，所以要進(jìn)行單位建筑面積的電費(fèi)和能耗對(duì)比，并提出場(chǎng)館類(lèi)建筑的節(jié)能改造策略。

3 建筑運(yùn)行分析

3.1 能耗數(shù)據(jù)對(duì)比

上文已經(jīng)通過(guò) AHP 篩選模塊選出崇明新城文化科技館，然后在平臺(tái)上針對(duì)同類(lèi)型的場(chǎng)館類(lèi)建筑進(jìn)行單位建筑面積能耗S1和單位建筑面積電費(fèi)S4統(tǒng)計(jì)對(duì)比，其結(jié)果如表 6。

表6 同類(lèi)型場(chǎng)館建筑單位面積電費(fèi)和能耗對(duì)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(fèi)和能耗是這些同類(lèi)型場(chǎng)館類(lèi)建筑中最高的，說(shuō)明篩選模塊正確篩選并發(fā)現(xiàn)了該科技文化館的能耗和電費(fèi)問(wèn)題。

3.2 場(chǎng)館類(lèi)建筑節(jié)能改造策略

場(chǎng)館類(lèi)建筑耗能較大的系統(tǒng)分別是暖通、照明和動(dòng)力系統(tǒng)。因?yàn)橐ＷC場(chǎng)館內(nèi)的溫、濕度環(huán)境場(chǎng)達(dá)標(biāo)，場(chǎng)館照明時(shí)間和照度達(dá)標(biāo)，滿(mǎn)足電梯、生活水泵等用能負(fù)荷，所以針對(duì)這 3 項(xiàng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能策略的提出，同時(shí)改變場(chǎng)館建筑的能源管理方式，如表 7 所示。

表7 場(chǎng)館類(lèi)建筑節(jié)能改造策略

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究針對(duì)目前能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)成果轉(zhuǎn)化率低，難以通過(guò)監(jiān)測(cè)推動(dòng)建筑切實(shí)的能效提升和節(jié)能降耗這一問(wèn)題，以崇明區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)為例，研究增加基于 AHP 的篩選模塊，幫助平臺(tái)用戶(hù)和各級(jí)主管部門(mén)篩選具有節(jié)能潛力的建筑，降低了篩選準(zhǔn)則和指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的人為主觀性，提高容錯(cuò)能力，減少人為工作量并降低重復(fù)性。

本研究通過(guò)專(zhuān)家意見(jiàn)法的方式確定了 AHP 模型的 11項(xiàng)具體篩選指標(biāo)以及權(quán)重，并在示例中從目前接入平臺(tái)的建筑中篩選出了崇明新城文化科技館。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)崇明新城文化科技館單位建筑面積電費(fèi)與能耗均是本案例同類(lèi)型場(chǎng)館建筑中的最大。這說(shuō)明本平臺(tái)的篩選模塊結(jié)果有效。