（管理科学与工程专业论文）我国夏热冬冷地区民用建筑节能策略及影响因素研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当前，我国正处于大量消耗自然资源原材料以支撑经济高速增长的工业化 时期，能源对经济增长的约束作用已经开始显现，节能已经成为关系到我国 国计民生的大事。而民用建筑作为我国一个重要的能耗源，对其节能方法和 节能措施的研究也是刻不容缓。 本研究以某住宅小区为例，运用先进的建筑节能理论，采用实证分析的研 究方法，对影响民用建筑能耗的因素进行了深入的分析，主要研究工作如下： 1介绍了国内外民用建筑的节能现状，总结了发达国家民用建筑节能的发展 趋势，分析了我国民用建筑节能存在的问题。 2 探讨了基于住宅系统的民用建筑节能设计的设计思路和发展现状，为影响 住宅能耗的相关因素的选取提供了理论依据。 3 应用住宅系统节能的相关理论，结合我国实际情况，构造了影响民用建筑 能耗的因素模型，建立了相应的指标体系，并通过对具有典型夏热冬冷地 区气候特点的住宅小区的调研，收集了相关的研究数据，进行了初步的检 验和描述。 4 运用统计分析方法，深入研究了影响住宅能耗的主要因素及其这些因素对 住宅能耗总的影响程度，并结合统计分析结论探讨了我国夏热冬冷地区节 能住宅的设计思路。 5 运用粗糙集分析方法，在统计分析的基础上，进一步研究了住宅系统中影 响住宅能耗的各个相关因素对住宅能耗具体的影响规则，在验证了统计分 析结论的同时为我国夏热冬冷地区节能住宅的建设提供了设计原则和依 据。 本研究的研究成果对我国民用建筑节能的发展具有一定的指导意义，也可 以作为住宅设计施工单位在节能住宅设计过程中的设计原则和依据。 关键词：建筑节能设计粗糙集 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 不分明关系b ，x 燮娥琶隧瑟! 巅孽誊一篓li 螽器固麓鬃目翳券摹一l 懿；蹦 瀚颥嚣蓁鞫蕊臻翻型霎弱鞠t 翼。l 釉l 一霸熏! ；薹谨蘸i 茹鼙嚣 6 雾蚕鞋莠i | 爷。；辩l * 鬟登i l 鬟冀蚕嚣堑；囊i 1 霸铷黎8 女 撵器- 霪l 磐喜稀l t | 靼i 翌錾蓁u 蠹瑟豢凑地l 一蕃i 蠢萋| 霪荔蒿谣鼙裂两蟊蘑鸯吞 镧黧 蝥霜鹱，舅i鄹嚣必r e s i n t l l e a r e a w i t hh o ts u m m e 墙柚dc o l dw i n t e f si nc h m a ： 5 b a s c do nt h es t a t j s t i c a l 粕a l y s i s ，t h i ss e c t i o nu s e sr o u g hs e t t 0 s t u d ye a c h r e l e v a n tf a c t o ri ne n e r g ys a v i n go fd w e l l i n gh o u s e s 姐dt or e s e 舡c hh o wm e f a d o r sa 饪e c tt h ce n e 唱y s a v i n g ad e s i g ng i l i d e l 扯e i sp r o v i d e df b rt h e c o n s t n l c t i 叫o ft l l ee n e r g y - s a v i n gd w e l l i n gh o u s e si n t h ea f e a 们t hh o t s u n 曲e r sa n dc o l dw i nt e r si n ( m i i l a 1 f l l ef i n d i n g so “1 l i sr e s e眦hc 蛆b ear e f e r e n c cf o rt h ep o l i c ym a k i n go fm e e n e r g ys a v i n gi nd w el l i n gh o u s e s 孤df o rt t l ed e s i g no fl t l ee n e r g y - s a v i l l gd w e l l i n g h o u s e s k e y r d s ：a x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 民用建筑电力能源消耗的部分因素( 气候设计影响因素和整体设计影响因素) 的分析和研究，明确这些因素在我国夏热冬冷地区气候条件下的总体节能效果 和各个因素对整体节能效果的贡献，以进一步探讨基于住宅系统的节能设计应 用于我国夏热冬冷地区民用建筑节能设计中的可能性和应用方式，为我国民用 节能建筑的设计、系统化的制定建筑设计节能法律法规提供依据。 1 2 国内外研究现状 1 。2 1 住宅节能研究现状 当前，国内外关于住宅节能的相关研究主要集中在住宅节能的相关政策法 规研究、住宅节能的相关技术研究、住宅节能的消费行为和社会效益研究以 及基于住宅系统的节能研究四个方面。 ( 1 ) 相关政策法规研究 2 0 0 0 年，我国正式颁布了民用建筑节能管理规定，明确了建筑节能的重 要意义和作用，鼓励建筑节能技术的引进和使用”1 ，可以说，该规定是前期我 国民用建筑节能相关政策研究的主要成果，即国家通过一系列强制性的建筑节 能标准来指导节能住宅的建设。而目前的政策法规研究则主要集中于通过市场 和激励的手段来达到引导住宅节能的目的。如m e n a n t e a u ( 2 0 0 3 ) 就认为，当前阻 碍民用建筑节能进一步发展的原因不是技术的缺乏，而是将这些技术尽快推广 的激励机制，并探讨了产品绿色商标认证等合约节能方式代替强制性节能标准 的可行性和效果”1 ；而国家发改委经济研究所副所长刘树杰( 2 0 0 5 ) 则探讨了促 进节能和可再生能源发展的电价政策”。 ( 2 ) 相关技术研究 住宅节能的相关技术研究是当前住宅节能研究的主要方面，其主要集中在两 个领域，一是住宅使用的各种能耗设备的管理和功效提高，二是建筑的隔热保 温”。如k a o r uk a w a m o t o ( 2 0 0 5 ) 等探讨了用电设备能源管理的节能潜力和效果 “”：m i k a e ll u n d i n ( 2 0 0 5 ) 等用神经网络方法估计了不同条件下建筑物的热传 导率1 ：l a r b i ( 2 0 0 5 ) 建立了建筑热传导的统计模型“”；a l a nm e i e r ( 2 0 0 4 ) 等研究了中国住宅备用能源的节能效果“”。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 各种统计斌嘲 耧蝌引 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章住宅系统节能分析 2 1 国内外民用建筑节能现状 2 1 1 我国民用建筑节能现状 目前，就使用方式而言，我国民用建筑能源消耗一般包括采暖、空调、降 温、电器、照明、炊事、热水供应等所使用的能源，其中以采暖能耗数量最 多。而纵观我国当前的民用建筑自b 耗现状，建筑规模大、用能严重浪费、热 工性能差、采暖效率低是主要特点p “，特别是夏熟冬冷地区，湿热千冷、复 杂多样的气候使得民用建筑节能工作既复杂又艰巨p ”。 因此，我国民用建筑节能从2 0 世纪8 0 年代开始，针对以上特点，经过近 2 0 年的努力，取得了很大成效。就推广方向而言，我国民用建筑节能事业从 严寒地区、寒冷地区兴起后，己开始发展到夏热冬冷地区。就节能手段和措 施而言，目前我国在民用建筑节能领域主要是采取的措施主要有一下三个方 面：一是对现有建筑进行节能改造，使之能耗下降达到节能标准；二是在现 有建筑设计的标准上，新建节能建筑，力求在投资增加鼎一1 0 的情况下，通 过各种方法使建筑物能耗降低2 0 一3 0 ；三是大力推广太阳能建筑。这几种措 藏的节能潜力都很大，而且已在我国得到了不同程度的实施和应用”1 。而就 整个节能工作而言，主要分为三个阶段“。第阶段从1 9 8 6 年到1 9 9 6 年， 要求在1 9 8 0 年至1 9 8 1 年当地通用设计能耗水平的基础上节能3 勰；第二阶段 从1 9 9 6 年起，要求在达到第阶段要求的基础上再节能3 0 ：第三阶段从2 0 0 5 年起，要求在达到第二阶段的基础上再节能3 0 。现在，我国已基本完成前两 个阶段的工作任务，取得了可观的成果，目前，全国节能建筑己达到约5 0 0 0 万m 2 ”1 。 此外，为了更好的在我国推广和发展建筑节能，基于我国国情和节能工作 发展的需要，1 9 9 5 年，中华人民共和国建设部颁布了建筑节能“九五”计 划和2 0 1 0 年规划，规划提出，今后我国建筑节能的基本任务是；在保证 和改善建筑，特别是住宅质量和室内外环境使其符合小康目标的前提下，实 和改善建筑，特别是住宅质量和室内外环境使其符合小康目标的前提下，实 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 在其大多数民用建筑中，相关的政霜羟赢簖答羹密筮森甾鑫猛爸= 五括t 强 渔滢罐罐强给琴龠到趟姚嘏蹦譬髦矍塑藩勰到手i一缘奏葬往葡竿玉嚣譬镯 一：蒜；萎呈烈劣鏊圈斟掣r u l 鲁割烈掣雏j 耀憾臻露理嘎耀基葡陪嚼潮 喽；r槲型瓢冀霎罄羹螽意妊型鹭影裂i布置最高建筑以阻挡蔼北向冬季寒风且消除高层建筑对城 市外部空间的不利阴影影响；城镇周边由建筑围合以利防风，学校住宅等建筑 群置于城镇中部最有利的无风阳光地带“。其次，就 选址规划而言，主要是指在建筑设计之始便应该融入环境理念，充分利用 自然地形地貌配置道路、建筑、减少土方开挖、保护原有自然环境。规划布局 中，应首先依照气候学原理分析建设基地特定地形气候环境的情况，以便充分利用其有利气候因素的影响“”。最后，环 境散热主要针对目前普遍采用的建筑隔热技术都是出于对单体建筑考虑 ，其基本出发点是把建筑所在的周围环境看成迅速散热的巨大空间，因此只考 虑如何有效地把太阳辐射热从建筑外表隔离出去的错误做法，提出建筑隔热 应该与环境规划结合起来才能创造可持续发展的建筑环境。天空、风、水、 植物等因素都是可以加以利用的散热因素143j。2 2 。2 整体设计建筑节能 整体设计是民用建筑节能设计的一个方面。它一般从建筑方位朝向、建筑 体型、太阳辐射、建筑外部空间环境构成等方面进行深入研究，分析太阳辐 射、大气环流和地理特征等因素对住宅能耗的有利或不利影响，以期对上述 因素进行充分利用、改造，形成良好的居住条件和有利于节能的微气候环境l “。( 1 ) 朝向建筑物的 方位朝向对建筑物的节能效果具有重要的影响。首先，就 通风而言，从有利于建筑单体通风的角度考虑，建筑的长边最好 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 鹏，塑鹜戮蚕黝戳弘氢；耳1 璺| 判墓| 鬻- 寸珥磺圳羹矧r 诵管 翼蠢壁雾 豇雨m 鸯1 强噬沥堤：峨驯。蛐羹舅秘葡潆婆雾珲气象巍掘确；西廊；舞简 僧笛崭；魏确u 舯积耄鬟囊i 础辫强垄彤重型冀薹霎囊霎墓蚕羹霞薹，雪 堂；h 篙毙“描锄副翳簖酗鞴鹃翻颤n 弼萎掣薹；蓉鏖艟謦魁酗 配鞋必 圈。蚕群器霉枭罂! 托舱辫弧谍诣器i 孰简 单描述，以验证所取得 数据的代表性。 3 21 夏热冬冷地区的气候特点 夏热冬冷地区的气候显著特点是夏天热，冬天冷，而且常年湿度很高。这 个地区气候不佳，是世界上同纬度地区气候条件较差的地区。 该地区最热月的平均气温为2 5 - 3 0 ，而且以2 8 3 0 居多；其地区7 月 份的平均气温，比世界上同纬度其它地区一般高2 ，是地球上这个纬度范围 内除了沙漠干旱地区以外最炎热的地区( 表3 1 ) 。由于纬度较低，又多连续 的晴天，夏天太阳辐射相当强烈，太平洋副热带高压盘据长江中下游地区， 笼罩时间达1 个多月。从太平洋吹来的凉风，又受到东南丘陵的阻挡，使夏 天这个地区主要背风面，因而往往是静风天气。多数地方高于3 5 的酷热天 气有半个月到1 个月之多，最热月1 4 时的平均气温达到了3 2 3 3 ，最高气 温高于4 0 ，最低气温也超过2 8 ，全天无凉爽时刻。白天热浪滚滚，夜 间静风率高，白天积蓄的热量难以散发，气温仍然居高不下。 表3 1 ：夏热冬冷地区代表性城市的热气象表 项目 上海 杭州南 京合肥南昌武汉长沙重庆成都 最热月平均 气温 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 室内外平均温差一般为5 左右，然而在太阳辐射下，室外综合温度大大高于 空气温度，室内外平均温差高达1 0 以上。因此隔热的主要内容是太阳辐射， 利用太阳辐射的方位特性可以优化建筑体型设计使其有利于隔热。 2 2 3 单体设计 建筑整体布局满足节能要求的同时，单体建筑设计也是节能设计的关键， 建筑单体设计也应服从节能建筑设计的原则，单体建筑节能设计主要体现在 建筑平面、立面、剖面设计和内部布置以及局部构造设计上。 ( 1 ) 平面风路设计 建筑内部的通风条件是决定人们健康、舒适的重要因素之一。它通过空 气更新和气流的作用对人体的生物感受起到直接的影响作用，并通过对室内 气温、湿度及内表面温度的影响而起到间接的影响作用。通常认为，自然通 风的作用具有三种不同的功能：第一、健康通风，即保证室内空气质量；第 二、热舒适通风，即增加体内散热，以及防止由皮肤潮湿引起的不舒适以改 善热舒适条件；第三、降温通风，即当室内气温高于室外的气温时，使建筑 构件降温。 自然通风主要有风压通风、热压通风等几种方式。一般建筑自然通风以 风压通风为主，热压通风为辅。具体的平面风路控制措施主要针对风向、风 速、流场分布进行控制引导，主要取决于建筑方位朝向、导风设施、平面风 路以及通风口布置几方面因素。 ( 2 ) 立面节能设计 进行建筑立面的节能设计需要确定合适的窗墙比。窗墙面积比对建筑能耗 的影响，主要取决于窗与外墙之间热工性能的差异，相差越大，影响越显著。 比如，单层金属窗的夏季空调负荷是同面积2 4 0 m m 厚砖墙的5 倍，全年能耗 是3 6 倍，能耗差别是巨大的。同时，窗墙面积比不仅影响能耗；也影响建筑 立面效果、室内采光、通风等。窗墙面积比过小，建筑通风不良，自然采光 不足，会增加空调与照明能耗。但减少窗户能耗的根本途径，不是减少窗墙 面积比，而是利用高新科技、大幅度提高窗的热工性能。 建筑立面的节能设计还较为重视建筑遮阳设计，一般而言，设计良好的立 面遮阳设施其遮阳效果比室内百叶窗帘的遮阳效果高4 倍，且其形式处理可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 耗的主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 但波动较大，在较为寒冷的4 月和1 0 月仍然出现了较多的降水天气；最后， 2 0 0 4 年该地区日照较少，日照最多的4 月也仅有1 4 5 个小时的日照时间，冬 季臼照相较于其他季嚆衙国降裱；垂矧惜鉴# i l 霉；氰囊藩鞴笈氟豁耋虿 翕型；2鍪疆笾型掣当裂，鲫阳巍缡捌“鞋韭豹韶越鞭越剥豺注牲岣扎夔酾甜韩藏封彭；墨诺莲瑶僖灞漏能耗 一般来说，住宅的楼板面积( 建筑面积) 同用电量呈现正向相关关系，这 是因为，面积越大，则使用的电器越多，故用电量越大啪 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 图3 3 ：一年中小区各住宅楼用电量变化情况 资料来源：本研究整理 图3 - 4 ：一年中小区各住宅楼用电密度变化情况 资料来源：本研究整理 通过用电量和用电密度的变化趋势不难看出，除个别样本外，用电量和用电 密度的变化趋势都基本相同，均呈现冬夏两季较高，春秋两季较低的形态， 而平均用电量和用电密度的峰值则更多地出现在了较为寒冷的冬季。将所有 样本的用电密度按月加总后( 图3 5 ) ，这一趋势表现的更为明显，其中，用 电密度的峰值出现在最冷的1 月，此外1 2 月、2 月和7 月的用电密度也维持 在一个较高的水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 图3 5 ：所有样本的一年中累计用电密度变化情况 资料来源；本研究整理 而就各个样本一年累积的用电情况而言，其累积用电量用电密度的基本分布 如表3 5 所示： 表3 5 ：各样本用电量分布情况 n = 4 8 均值方差最小值最大值 一一婴坌皇 一 2 55 07 5 总用电量 5 9 9 2 6 11 4 6 e + 0 91 7 3 0 2 ，5 7 1 4 5 0 3 9 42 3 1 1 7 1 55 1 3 4 6 8 67 9 9 4 6 5 夏季用f 毡量 1 0 1 1 9 4 54 7 7 8 7 8 0 41 9 7 62 7 6 4 83 6 7 08 8 1 9 2 51 4 2 0 b 7 5 冬季用电量 2 0 1 9 2 9 41 3 9 e + 0 8 5 2 1 34 5 8 5 1 9 39 5 6 0 9 3 51 8 2 0 4 22 7 5 1 7 3 2 资料来源；本研究整理 其中，一年中累积用电量最大的为第4 5 号样本，一年累积用电1 4 5 0 3 9 4 度， 将用电量转换为用电密度后，其基本分布如表3 6 ，用电密度最大的为第4 1 号样本，一年中累积的用电密度为4 3 6 4 ，同时，在本研究中，为了进一步研 究基于住宅系统的节能设计的各项因素对住宅用电量的影响，除了统计全年 各月的累计用电数据之外，还分别统计了夏季( 7 ，8 月) 和冬季( 1 ，2 ，1 2 月) 的累积用电数据，也分别列在了对应的表3 5 和3 6 中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 第4 章住宅能耗影响因素分析 4 1 统计分析 在本研究中，首先采用了一些基本的统计分析方法对数据进行了分析，所 使用的统计软件为s p s s 第1 2 0 版。s p s s ( s t a t i s t i c a lp m d u c ta i l ds e j c e s o l u t i o n s ，统计产品与服务解决方案) 由s t a t i s t i c a lp a c k a e ef o rt h es o c i a l s c i e n c c s ( 社会科学统计软件包) 发展而来，是世界上最早的统计分析软件。 它由美国斯坦福大学的三位研究生于2 0 世纪6 0 年代末研制，历经3 0 多年的 发展，已经成为世界上应用最广泛的专业统计软件，长期以来应用于自然科 学、技术科学、社会科学的各个领域。 以下给出的即是通过s p s s 分析的结果，在本研究中，还将结合数据对结 果进行了进步的讨论。 4 1 1 气候特征和用电密度的回归分析 表4 1 显示了以月为研究单位，将每月的气温、湿度、降水量、日照四个 反映气候特征的指标作为自变量，每月的所有住宅总用电密度作为因变量， 进行逐步回归( s t e p w i s e ) 的结果： 表缸1 ：气候特征和用电密度的回归分析 d 8 7 8 “o e mv a r i a 6 1 e ：总用电密孽 b s i g = 0 3 9 3 9 7 0 ( s i g - 0 0 2 9 ，n = 1 2 ) 。 c o n s t a n t 1 1 1 5 5 3 9 6 40 0 0 0 气温一2 0 3 6 2 0 10 0 2 9 资料来源：本研究整理 其结果表明，只有气温和总能耗之间存在一定的负向关系，气温越高，则能 耗越低，反之，则能耗越高，这与过去夏热冬冷地区气候和能耗的相关研究 的研究结果相矛盾。对此，本研究对气候特征指标进行了扩充，引入了四个 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 相对气候指标，即相对气温、相对湿度、相对降水量和相对日照，其产生方 法是取一年中总用电密度最低的一个月( 1 0 月) 的气温、湿度、降水量和日 照作为基准值，将其他月份的各项对应的气象数据的值分别减去这一基准值 并将结果取绝对值，如月相对气温的公式为： 月相对气温刊该月气温一气温基准值 将由此得到的四个气候指标的趋势线如图4 1 和4 2 所示； 图4 1 ：相对气温变化趋势 图4 - 2 ：相对湿度、相对降水量、相对日照变化趋势 资料来源：本研究整理 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 通过观察可以发现，住宅能耗相关影响因素对住宅能耗有明显的影响，其判 定系数r 2 约为0 4 6 ，说明在住宅节能设计过程中，通过基于住宅系统的节能 设计，会取得较好的节能效果。其中建筑形体因素和住宅周边环境因素都对 用电密度产生了影响。在建筑形体因素中，朝向对用电密度具有显著的正向 影响，即建筑物的长边越趋近于南北走向( 建筑越趋近于东西朝向) ，则建筑 的耗电量越大，反之，则越小。而在住宅周边环境因素中，住宅西部的绿化 比例与用电密度显著负相关，即在建筑物西部的植物越多，则住宅的能耗越 小，反之，则越大。此外，本研究还进一步的分析了两个极端天气容易出现 的季节( 夏季和冬季) 的住宅用电量与住宅系统中同住宅能耗相关的诸多因 素之间的关系，其回归分析( s t c p w i s e ) 的结果如表4 4 ，4 5 所示： 表4 - 4 ：基于夏季用电密度的回归分析 资料来源：本研究整理 表4 5 ：基于冬季用电密度的回归分析 资料来源：本研究整理 结果表明，在夏冬两季，朝向都对用电密度具有显著的正向影响，且夏季， 住宅西部的绿化比例与用电密度显著负相关，而冬季，住宅东部的绿化比例 与用电密度显著负相关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 4 2 粗糙集分析 如本研究4 1 3 节所示，由于统计分析存在的上述问题，因此，在本研究 中，进一步采用了粗糙集的方法对数据进行了分析。在分析过程中，使用了 当前较为流行的粗糙集工具应用软件r o s e t t a 。r o s e t t a 是波兰华沙大学和娜威 科技大学联合开发的基于粗糙集的知识发现决策分析系统。其可以处理多种 格式的数据，如文本和数据库数据等，这些数据将以决策表的形式存在于系 统中，当决策表成功装载入p r o j e c t 后，系统便用粗糙集理论逐步分析数据， 最后得到决策规则。 在互联网上可较为容易地免费获得r o s e h a 系统及其使用说明。 4 2 1 粗糙集概述 粗糙集理论是一种处理不精确性问题的新型数学工具。它自问世以来，无 论是在理论或应用上都是一个新的、重要的并且是迅速发展的既有理论又有 应用的研究领域。它对于人工智能和认知科学十分的重要，尤其在机器学习、 知识获取、决策分析、数据库的知识发现、专家系统、决策支持系统、归纳 推理、矛盾归结、模式识别、模糊控制及其他各个方面的应用，粗糙集理论 都提供了一种很有效的新的数学方法。 粗糙集的基本定义如下： 定义4 1 ：令x u ，口为论域u 上的一个等价关系，当z 能用属性子 集占确切地描述( 即是属性子集b 所确定的【，上的不分明集的并) 时，称x 是 8 可定义的；否则称盖为嚣不可定义的。嚣可定义集是论域的子集，它可以 在知识库k 中精确地定义，而口不可定义集不能在这个知识库中定义。口可 定义集称作口精确集，曰不可定义集称为b 非精确集或口粗糙集。 对于粗糙集，可以近似地定义，一般使用两个精确集，即粗糙集的上近似 ( u p p e ra p p m x i m a t i o n ) 和下近似( 1 0 w e ra p p r o x i m a t i o n ) 来描述。 定义4 2 ：给定知识表达系统s = t u ，足，r ，对于每个子集石u 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 模式。 ( 8 )解释得到的模式，也可采用可视化表示等方法；可重复第( 1 ) 步到 第( 7 ) 步的迭代过程。 ( 9 )巩固得到的知识，如检查与其他知识是否冲突，将知识合并到另一 系统。以进一步加工利用等。 而粗糙集理论可支持知识获取的多个步骤，如数据预处理、数据约简、规 则生成等等。 4 2 2 基于决策表的知识表达系统 定义4 4 ：一个决策表是一个知识表达系统s t u ，r ，y ，) ，r c u d 是属性的集合，子集c 和d 分别称为条件属性和结果属性，d g 。 条件属性c 和结果属性d 的等价关系i n d ( c ) 和i n d ( d ) 的等价类分别称为 条件类和决策类。 一个一般的决策表如表4 6 所示： 表4 6 ：决策表的一般形式 结果属性 u 条件属性1条件属性2条件属性n ( 决策属性) 对象1 o b j l 4 t 由t i - v 4 l 0 西j a f f i r f 2 一v 口l ed 何j 一曲f i r 讯一阳m eo b j l - 妇c h i - v 口t 对象2 o b j 2 m n 订 l - v 口h 嘶2 - 口以r f 2 一m m e伪口- 口喇r 加一m m po 自2 如c 括f 一v 口缸p 对象mo 两m 劬f j m m e o t 卅一口嘶一2 - 缸eo b j m m h i r t n w l h ed 自m - 如出f d ，1 p 4 m e 资料来源：丛国栋，基于粗糙集的i t 项目评标决策模型及其支持系统研究， p 1 4 ，华中科技大学硕士论文，2 0 0 4 决策表是粗糙集获取知识的前提和基础，即粗糙集获取的知识，均是通过 对决策表的约简和处理来实现的。在本研究中，由于住宅系统的各类特征因 素同住宅的用电能耗存在着因果关系( 决定与被决定的关系) ，故可以通过决 策表的方式来表达。 具体而言，则是将各住宅的长宽比、f o 、遮阳率、面积、周长、朝向、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 绿化面积( 东) 、绿化面积( 南) 、绿化面积( 西) 、绿化面积( 北) 、绿化面 积比( 东) 、绿化面积比( 南) 、绿化面积比( 西) 、绿化面积比( 北) 、东西 向墙面立体植物作为条件变量( 条件属性) ，将住宅的用电密度作为决策变量 ( 决策属性) ，将一个样本看作一个对象，即对于不同的对象而言，不同的条 件变量( 住宅的各项特征) 决定了决策变量( 住宅的能耗) ，从而构成了基本 的决策表，其部分的决策表如表4 7 所示。 剐鞘昧窿恃。爨长龚蕊 君剖 暖糯 萋蚕霎 醛 担景 啭羞 鞋，、 晦般 导g d一 骄丑 醛 瞄证 蜡越 醛 旧* 蝾丑 醛 g g宕g g 旧盆g “ 晕。鲁昌窭器 酶 nn o 氍 8 8 g 墨鱼 g “一 d 皇篁 譬 蜡 器 8 g 8昌 量 d“d 熊 c 。矗高 娶 8 888 要s d6 宕 “ 秣 器 昌 一 2 厦昌g 器 一 n 盥 88 匡 d击 1曼 驱 g8 g 恒 一do 时留荨 碍 巨 潮 l 薯 橱 型 悄联妪g懒函米票譬攥镒婶堪善醴螺瞬岬坦咩寸馔 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 同时，为了便于在后续研究中使用r o s e l t a 对数据进行进一步的分析，本 研究通过r o s e t t a 提供的o d b c 数据源接口将得到的决策表导入到r o s c t l a 软 件p r o j e c t l 项目中，如图4 - 3 所示。 图4 3 ：将决策表导入r o s e t t a 的p r o j e c t l 项目 资料来源：研究过程中的系统截图 4 2 3 数据预处理 就粗糙集而言，数据预处理主要包括决策表补齐和决策表离散化两个方 面，在此，仅结合本研究的实际介绍决策表离散化的概念和基本算法。 运用耜糙集理论处理决策表时，要求决策表中的值用离散f 如整型、字符 串型、枚举型) 数据表达。如果某些条件属性或决策属性的值域为连续型，则 在处理前必须进行离散化处理，而且，即使对于离散数据，有时也需要通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 将离散值进行合并( 抽象) 得到更高抽象层次的离散值。一般而言，可以将离散 化问题描述为： 决策表st c 【，r ，矿，r ；c u p 是属性集合，子集c 和 分别称 为条件属性集和结果属性集，【，* 仁，屯，x 。) 是有限的对象集合，即论域。 设据测种类个数为r ) 。属性口的值域上的一个断点可以记为仁，d ，其 中口r ，c 为实数值。在值域圪；n ，l 】上的任意一个断点集合 ( n ，c ：) ，0 ，c ：) ，( a ，c 乏) ) 定义了匕上的一个分类只， 只一 【c ：，c ；) ，【c ；，c ；) ，【c 乏，c 乏+ t k 皇c ： c ； c ； 用电密度( 5 ) o 1 8 0 3 9 ) ) = 用电密度( 4 ) o 0 7 8 4 3 l o 1 1 7 6 4 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 3 绿化面积( 东) ( 4 8 0 ，9 3 7 ) ) = 用电密度( 4 ) o 1 1 7 6 4 7 4 遮阳率( 0 6 0 4 1 7 ，爿：) ) a n d 绿化面积( 西) ( ，1 6 1 ) ) a n d 绿 化面积比( 北) ( 木，1 1 1 3 6 9 ) ) = 用电密度( 4 ) o 1 1 7 6 4 7 5 f o v ( 0 2 9 7 0 l ，0 3 2 7 4 5 ) ) a n d 朝向( 4 5 ，6 9 ) ) = 用电密度( 4 ) o 0 7 8 4 3 1 6 f o v ( $ ，0 2 9 7 0 1 ) ) a n d 朝向( 6 9 ，十) ) = 用电密度( 5 ) o 0 7 8 4 3 1 7 长宽比( ，3 0 2 5 9 8 ) ) a n d 朝向( 4 5 ，6 9 ) ) = 用电密度( 4 ) o 0 7 8 4 3 l 8 f o v ( o 2 9 7 0 l ，0 3 2 7 4 5 ) ) a n d 绿化面积( 西) ( ，1 6 1 ) ) a n d 绿化面积比( 北) ( 半，1 1 1 3 6 9 ) ) = 用电密度( 4 ) o 1 5 6 8 6 3 9长宽比( ，3 0 2 5 9 8 ) a n d 遮阳率( o 6 0 4 1 7 ，爿c ) a n d 绿化面 积比( 西) ( ( 十，o 0 5 1 6 0 ) = 用电密度( 4 ) 0 0 7 8 4 3 1 1 0 朝向( 6 9 ，术) ) a n d 绿化面积比( 南) ( 木，l _ 3 1 8 2 0 ) ) = 用电 密度( 5 ) o 0 7 8 4 3 1 1 1 朝向( 6 9 ，$ ) ) a n d 绿化面积比( 北) ( 1 1 1 3 6 9 ，十) ) = 用电 密度( 5 ) o 0 7 8 4 3 l 1 2f o v ( 爿c ，o 2 9 7 0 1 ) ) a n d 绿化面积比( 北) ( 1 1 1 3 6 9 ， ) ) a n d 东西向墙面立体植物( 1 ) ) = 用电密度( 5 ) o 0 7 8 4 3 1 1 3 朝向( 6 9 ， ) a n d 绿化面积( 西) ( 1 6 1 ， ) a n d 绿化面积比 ( 西) ( 0 0 5 1 6 0 ，0 1 8 0 3 9 ) = 用电密度( 5 ) o 0 7 8 4 3 1 1 4 长宽比( ，3 0 2 5 9 8 ) ) a n d 绿化面积( 西) ( ，1 6 1 ) ) a n d 绿 化面积比( 北) ( ，1 1 1 3 6 9 = 用电密度( 4 ) o 1 1 7 6 4 7 资料来源：本研究整理 由规则可以看出，住宅周边环境是影响住宅能耗的主要因素，如住宅西面的 绿化面积比例或绿化面积较低时，住宅的用电能耗处于一个较高的水平，建 筑南面的绿化面积比例与住宅用电能耗也存在着负向的相关关系，此外，在 住宅外形较为规则的情况下，外墙没有立体植物遮挡的住宅的能耗较高。同 时，建筑的形体特征对住宅电力能耗也存在一定影响，其中最为主要的影响 表现在朝向上，东西朝向的住宅的能耗水平一般都较高。 同时，通过对剩余规则的进一步观察可以发现，在部分上述重要指标的数 值上升到一定水平之后，对住宅节能的贡献并没有呈现显著的差异。如以住 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 宅西向绿化比例所得到的相关规则( 表4 1 4 ) 为例： 表4 1 4 ：住宅西向绿化比例所得到的其他相关规则 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 资料来源：本研究整理 不难看出，在建筑西面绿化比例大于0 1 8 0 3 9 之后，其表现出的与用电密度的 关系较为分散，不同的比例对应的用电密度并无显著差别。 4 2 6 粗糙集方法分析结论 采用粗糙集的方法对数据进行分析后，其结论基本与统计分析的结论相 同，住宅西向的绿化比例和建筑的朝向以及建筑的体型系数f o v 和遮阳率是 最为值得关注的设计因素。但是，与统计分析得到的数据的大致关系和趋势 有所不同的是，采用粗糙集的方法，由于最后得到的是各种数据的规则，其 结果的表现形式更为精细，在对比分析的过程中，也更容易发现数据之间表 现出的各种直观的联系，如住宅系统中对住宅能耗产生影响的各个因素处于 不同水平时对应的节能效果和能耗状态等等，这对进一步的进行知识发现是 较为有利的，同时也应该看到，采用粗糙集的方法，其得到的规则往往较多， 在选择过滤条件时，往往存在一定的困难。 4 3 我国民用建筑节能发展研究 由此不难看出，近年来，面对日益严峻的能源短缺，节能已经成为我国社 会生活的主旋律之一。而在国家发展改革委员会启动的节能中长期专项规 划提出实施的“十大重点节能工作”中，建筑节能的榜上有名也进一步说 明了其在这场节能革命中的重要地位。 但纵观目前我国民用建筑节能的发展，在具体的节能设计的理念上同发达 国家还存在着一定差距。在夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中，虽 然明确提出了夏热冬冷地区室内热环境和建筑节能设计的指标，也较为详细 地对建筑和建筑热工节能设计的诸多原则( 包括建筑群规划布置、朝向、形 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 体系数、外窗面积的设计原则) 进行了说明，但多是从狭义的建筑系统的角 度出发，仅仅对建筑本身的设计进行了规定，而没有将周边的环境纳入到建 筑节能的系统中来；同时，对建筑热工设计中具体的设计因素，也没有明确 其可能达到的节能效果，而只是列出了设计的要求。这些显然都是不利于我 国夏热冬冷地区居住建筑节能的开展的。因此，在这些领域，欧洲发达国家 的民用建筑节能经验显然值得我们借鉴。 欧盟的“c o s te f i c i e n tp 鹋s i v eh o u s 够e u r 0 d e a l ls t a i i d a r d s ”( c e p h e u s ) 计划是欧洲建立基于广义建筑系统的低成本节自皆建筑被动式节能房屋 ( p 髂s i v eh 0 u s e ) 的重要计划，欧洲委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 是其主要资助方。该计划的主要目的是验证建筑被动式节能设计理论的技术、 经济和社会可行性，并通过在五个欧盟国家的2 5 0 多个试点，示范这项技术 在不同类型的建筑中应用的经济效益( 相较于其他节能技术更低的成本) 和 节能效果”1 。在这项计划中，广泛采用了在广义建筑系统中一切可以利用的、 对建筑能耗有积极作用的建筑因素，在阐明了不同因素对节能贡献程度的同 时，通过广泛分布的建筑试点，验证了从广义建筑系统角度出发所构建的节 能建筑的成本优势和社会可行性“” 而本研究的研究结果表明，基于广义建筑系统的被动式节能房屋也是今后 我国民用建筑发展的方向。 首先，在住宅系统相关因素与住宅用电密度的回归分析中较大的判定系数 表明，被动式节能房屋利用对住宅系统各个特征因素的规划和设计，在我国 夏热冬冷地区特定的气候条件下同样可以达到较好的节能效果，是一种值得 推广的民用建筑节能方式。 其次，具体的影响因素的研究表明，建筑自身的特征与建筑周边的环境对 住宅的能耗都有显著的影响，因此，在设计过程中，不应只注重对建筑自身 的节能因素的设计，而应站在广义建筑系统的角度，将建筑和环境作为一个 整体来进行节能规划。这也进一步说明，相较于目前我国的民用建筑节能设 计规范，被动式节能房屋更具优势。 最后，被动式节能房屋阐明了不同节能设计方式对住宅节能不同的贡献程 度，这与本研究中不同设计因素对住宅能耗的影响存在差异的结论相吻合， 是我国民用建筑节能发展过程中需要注意的另一个问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 结论 本研究针对目前我国民用建筑能耗总量巨大、效率较低的实际情况，通过 回顾我国建筑用能和节能的现状及发展趋势，在总结了当前民用建筑节能技 术和方法的基础上，以住宅节能系统为突破口，结台我国夏热冬冷地区的气 候情况，重点研究了基于住宅系统的节能设计在我国夏热冬冷地区民用建筑 设计应用过程中应该关注的主要影响因素及其应用中应该注意的问题。其研 究的基本结论如下： 1 极端的天气情况是导致民用建筑能耗偏高的重要原因，而在我国夏热冬冷 地区，在冬夏季节均会出现极端天气的情况下，冬季的低温较之夏季的高 温对住宅的用电量具有更为显著的影响。因此，在我国夏热冬冷地区民用 建筑的节能过程中，最为重要的是注意建筑的冬季采暖，其次是注意建筑 的夏季降温。 2 基于住宅系统的节能设计在我国夏热冬冷地区民用建筑设计应用过程中 具有广泛前景和较好的效果。 3 在基于住宅系统的节能设计应用于我国夏热冬冷地区民用建筑设计的过 程中，建筑的朝向和建筑西向的绿化比例是最应该关注的方面，其中建筑 越偏向东西朝向，其用电量越大，而建筑西面的绿化比例较大时，其用电 能耗较小。 4 建筑西面的绿化比例只要超过一个范围，就可以得到一个较好的节能效 果。 而基于以上结论，本研究认为，在今后建筑设计单位进行夏热冬冷地区民 用建筑设计规划或国家制定夏热冬冷民用建筑设计指导性意见时，应注意以 下几个问题： 1 夏热冬冷地区民用建筑节能建筑的设计主要应以冬季采暖节能设计为主， 但由于夏热冬冷地区特殊的天气情况( 如日照较少、湿度较高) ，应注意 与寒冷地区冬季采暖节能设计的主要原则( 如通过提高住宅的目照时间等 方式) 要有所区别，可以参考的设计原则包括建筑朝向尽可能接近南北朝 向，加强建筑周边，特别是建筑东西方向的绿化等等。 2 夏热冬冷地区民用建筑夏季节能也占有较为重要的地位，防晒降温和保持 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 通风是建筑节能设计过程中最应该注意的问题。 3 夏熟冬冷地区民用建筑设计过程中，应特别注意建筑周边的绿化水平，较 为合适的绿化不仅可以美化环境，还具有减少能源消耗的作用。但需注意， 绿化应控制在一个合理的水平，并不是越多越好。 此外，由于本研究为实证研究，研究数据的取得是最为重要和困难的环节， 由于时间和资源的限制，因此，本研究主要针对某一特定的、所处位置具有 典型的我国夏热冬冷地区气候特点的住宅小区进行研究，所有研究数据的取 得也均来自该小区。因此，在本研究的基础上，还有诸多问题有待在今后的 进一步研究中加以明确。 1 基于住宅系统的节能设计在民用建筑节能中发挥作用的过程。由于本研究 主要是从宏观的角度，应用一些统计的方法来研究基于住宅系统的节能设 计的相关因素在我国夏热冬冷地区的节能效果和主要影响因素，因此，对 这些因素具体在民用建筑节能过程中发挥作用的过程并没有清楚的认识， 如就建筑西向绿化比例而言，在建筑西向的植物对建筑节能时贡献，主要 是在夏季通过遮挡阳光的照射而使得室内温度下降还是在冬季通过阻挡 西北风对室内温度的影响就是一个值得进一步研究的问题。 2 明确界定基于住宅系统的节能设计在民用建筑节能设计过程中应用的具 体范围和指标。在本研究中，已经发现了一些指标只要超过一定的范围， 就可以达到一个较好的效果，但是，由于数据的限制，无法准确得到在夏 热冬冷地区各种气候条件下这一范围的具体值，这有待今后进一步的研 究。 3 对建筑节能系统的其他方面进行研究。由于时间和资源的限制，本研究只 设计到了住宅系统中整体设计和气候设计子系统的部分因素，而对于住宅 系统的其他子系统中可能有节能作用的因素的节能效果和节能过程，还有 待进一步的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 致谢 转眼间，三年的研究生生涯即将结束，回首往事，感慨良多。 感谢导师赵冬梅教授三年来在我学习、生活和思想上给予的无私关怀与帮 助。导师严谨治学的态度、高度的责任心、渊博的专业知识、敏锐把握学术 前沿发展方向的能力以及独到的学术见解，都给我以很大的启迪。特别是在 本论文的写作过程中，从选题、调研、写作到最终完成，始终得到导师的精 心指导和启发。导师的孜