摘 要 建筑系统环境性能模拟是建筑环境性能研究的基础。通过对建筑系统环境性能现有模拟方法的详细分析，提出了一种直接集成模拟新方法。在提出的直接集成模拟法中，确定采用从下往上的方法对建筑系统的各种环境影响进行分类，并根据综合分析方法从中选取了几类主要环境影响种类作为模拟的对象；定义了一个环境影响公共基本单位——黑点，并根据被研究国家或地区现阶段的实际情况，采用层次分析法和专家问卷调查结果确定了各类主要环境影响的权重系数和当量值。
关键词 建筑系统；环境性能；模拟方法；直接集成；层次分析法
一般地，在对建筑系统的环境性能[1]进行深入研究（如评价）之前，首先必须确定和表达这个被研究建筑系统的环境性能，这个过程就称作建筑系统环境性能模拟。这就是说，建筑系统环境性能模拟是建筑系统环境性能研究的基础，因此选用一个好的模拟方法可以起到事半功倍的效果。
1 模拟方法分析
1.1 清单式模拟和集成式模拟
同任何事物一样，环境性能的模拟方法也经历了一个由简单到复杂的发展过程，即由最初的清单式模拟向集成式模拟转变。
（1）清单式模拟方法
清单式模拟方法是指对被研究对象的各类环境影响分别进行模拟，其结果为一系列环境影响的列表，故被称作为清单式模拟[2]。清单式模拟方法的步骤简单，计算方便，不需进行各类环境影响的集成，因此其模拟结果的误差较小。但在实际工作中，由于各类环境影响的危害性质都大不相同，因此清单式模拟方法的使用范围受到了很大限制，只能应用于一些简单的模拟研究中。
（2）集成式模拟方法
对于不同的研究对象，在其全寿命周期中，环境影响的种类和危害的程度都会不同，因此，当对环境性能进行某些研究时（如环境性能评价和优化），则必须首先应用一定的方法将被研究对象的所有环境影响集合成一个整体的环境性能指数，然后才能继续进行下一步的研究[3]。这就是集成式模拟方法。集成式模拟方法的适用范围广，模拟结果简单，但由于其计算过程复杂，需要进行环境影响的集成，因此可能出现较大的误差。
表1 为清单式模拟方法和集成式模拟方法的比较。在现阶段的建筑系统环境性能模拟研究中，根据模拟目的的不同，采用的模拟方法也不同，例如，在建筑系统环境性能评价中，一般采用集成式模拟方法对建筑系统环境性能进行模拟。
1.2 集成式模拟的量化方法
在集成式模拟进行集成前，需要将各类环境影响进行量化。常用的量化方法有以下两种：基准比较法和直接量化法。
（1）基准比较法
基准比较法首先将环境性能分为几个大类，每个大类又分为多个子项，每个子项分别制定一个或一系列基准，然后根据这些标准对各个子项的表现进行打分，将各大类中每个子项的得分累加，得出各大类的总分，最后，根据一定的权重系数对各大类的得分进行集成。由于环境性能的子项一般都比较多，且现阶段基础研究资料非常匮乏，使得各子项之间的相对重要性很难科学地确定，因此很多时候开发者只好根据自己的主观进行，这就导致基准比较法存在着较大的误差。例如，在LEED 中，新建筑的能耗降低20%，可以得到2 个分值，而采用当地生产的建筑材料，也同样可得到2 个分值[5]。但是，如果从对环境危害的后果来看，这两项的得分应该有较大的差别。另外，在基准比较法中经常采用定性的概念，如当地生产的建筑材料等，这又可能给模拟结果带来较大的误差。
（2）直接量化法
环境性能集成式模拟采用的另外一种量化方法为直接量化法，如荷兰环境影响评价体系Eco-indicator[7]中采用的量化方法。与基于基准的量化方法不同，直接量化法首先根据一定原则将被研究对象的环境影响进行分类，并确定各分类的基本单位量，最后，根据这些基本单位量对各分类的环境影响进行直接量化。由于各分类的基本单位量不同，因此在随后的集成中，存在着较大的困难。例如，在Eco-indicator 中按危害对象的不同将环境影响分为对人类健康的危害、对生态环境的危害和对自然资源的危害三大类，各类的基本单位量分别为DALYs（Disability-Adjusted LifeYears）、PAF（Potentially Affected Fraction of species）和EER（Effort of Extracting Resources）[7]，由于这三类基本单位量的性质根本不同，因此Eco-indicator 最后只好又采用分类与基准进行比较的方法对结果进行分析。
表2 为基准比较法和直接量化法的比较。在现阶段用于建筑系统环境性能评价的模拟研究中，一般都是采用基于基准的量化方法，因此误差较大。
2 本文提出的模拟方法
2.1 主要思路
通过以上对建筑系统环境性能模拟方法的分析，并借鉴Eco-indicator 中环境性能的量化过程，本文提出了一种新的建筑系统环境性能模拟方法——直接集成模拟法。与Eco-indicator 中的模拟方法不同，该方法不仅确定了各分类的基本单位量，而且还确定了各分类基本单位量的当量值。新方法的主要思路如下：
（1）首先对建筑系统的环境影响进行分类，确定各分类的基本单位量；
（2）定义一个建筑系统环境影响公共基本单位，确定出各分类基本单位量对这个公共基本单位的当量值；
（3）最后根据各自的当量值对各分类进行模拟。
由于各分类全部采用公共基本单位，因此最后的模拟结果可以直接进行集成。
2.2 新方法的优点
与现阶段建筑系统环境性能评价体系采用的模拟方法相比，本文提出的直接集成模拟方法具有以下优点：
（1）误差大幅减少
在本文提出的直接集成模拟方法中，只需对各大类环境影响的相对重要性进行确定，因此可以采用比较科学的多因素决策方法[8]，这样就明显地减少了模拟过程中出现的系统误差。
（2）过程简单，更适合采用计算机处理
采用本文提出的直接集成模拟法，需要输入的各项参数大大减少，因此适宜于采用计算机进行处理，这样就大大降低了使用过程的复杂程度，且有利于进行全过程的研究。
（3）结果具有实际含义，易于理解
直接集成模拟法定义了一个具有实际含义的环境影响公共单位，这就使得模拟结果易于理解，还可以使得不同类型的建筑系统可以直接进行环境性能比较。
（4）有利于推广
与采用基准比较法的集成方法相比，各国和地区使用时只需对方法中应用的统计数据库进行调整，而不再需要重新进行基础研究，且需调整的项目非常少。
（5）有利于后续工作的开展
直接集成模拟法的结果为定量结果，与定性的结果相比，它更适宜于后续工作的开展，如评价等。
3 直接集成模拟法的基本研究
由于各国环境污染程度和环境承载力都大相径庭，这使得相同环境影响在不同国家造成的危害都不相同，因此所有的研究均应以被研究国家的实际情况为背景，各项计算均尽可能地采用被研究国家现阶段的数据。
3.1 环境影响的分类
建筑系统对环境的影响多种多样，几乎包括了地球上存在的所有环境影响，因此不可能对建筑系统的全部环境影响都进行模拟。由于一些影响对环境危害的性质相同，而一些影响对环境危害的对象相同，因此，通过适当的分类方法可以把这些环境影响合并成同一类进行模拟，从而大大简化建筑系统环境性能的模拟过程。
到目前为止，世界上已进行了大量有关环境影响的研究，但是仍有很多环境影响的作用机理还不是很清楚，另外，一些环境影响之间还存在着相互作用的关系，因此，在实际应用中，采用合适的分类方法可以取得较好的模拟效果。
对环境影响进行分类的方法一般有两种：从下往上法和从上往下法[9]。
按各种环境影响的危害性质进行分类的方法称作从下往上的方法，例如，将环境影响分成温室
效应、臭氧层破坏、酸雨等[9]。在采用从下往上法进行分类的环境影响模拟中，环境影响量化的计算比较简单，例如，通常可以采用一些当量系数将一些相同危害的影响进行合并。但是，如果采用这种方法进行分类，则会出现比较多的类别，另外，在形成的各个环境影响类别中，量化所采用的单位也会不相同，因此，各类环境影响的集成存在着一定的困难。
从上往下的方法是按各种环境影响的危害对象进行分类，它一般分成对人类健康的危害、对生态系统的危害和对自然资源的危害等几类[9]。与从下往上法相比，在从上往下分类的环境影响评价中，其环境影响的量化过程比较复杂，需要对环境中有害物的排放量、浓度、危害等进行一定程度的模拟。不过，由于从上往下分类得到的危害种类的定义比较明确，且数量较少，因此有利于后续研究工作的进行。
根据以上对环境影响分类方法的分析，由于现阶段对一些基础研究仍进行得还不够，很多基础数据都无法得到，因此本文提出的直接集成模拟法采用从下往上的分类方法对建筑系统的环境影响进行分类，即根据各种环境影响危害的性质进行分类，这样就不仅可以避免了复杂的环境影响量化工作，而且还可以减少模拟过程中出现的误差。
按照从下往上的分类方法，建筑系统的环境影响可以划分为以下几大常见类：（1）温室气体；（2）酸雨气体；（3）臭氧层破坏物质；（4）固体废弃物；（5）废水；（6）室内空气污染物；（7）悬浮颗粒物；（8）噪声；（9）光污染；（10）热岛效应；等。
3.2 环境影响的选取
通过对建筑系统的环境影响进行分类后，建筑系统环境影响的种类可以大大减少。但是，从分类结果可以看到，整个建筑系统环境影响的种类还是很多，如果对这些环境影响种类都进行模拟，则会使模拟过程变得非常复杂，因此，只能从这些环境影响种类中选取几种主要的类别进行模拟。
直接集成模拟方法采用分项评分的方法选取需要模拟的环境影响种类，即先根据文献资料对各类环境影响的危害性、数据的科学性、影响的范围、建筑系统的贡献和去除的难易程度等几项内容分别进行口头评价，然后将口头评价转化为相应的评分（分值越高表明研究的意义越大），最后，从中选取总分最高的几类环境影响作为模拟的对象。
各项口头评价的内容如下：（1）环境影响的危害性是指各类环境影响对周围环境和人类健康的危害。环境影响的危害性越大，对其进行研究的意义越大。（2）数据的科学性包括两个方面的内容，一是现有基础研究数据的多少，二是模拟的难易程度。数据科学性越好，则意味着模拟中出现的误差越小。（3）环境影响的范围可以分为全球、区域、城市、小区和室内等五类。影响的范围越大，则该类环境影响被研究的意义越大。（4）建筑系统的贡献率是指在全球的环境影响中建筑所占的比例。贡献率越大，则模拟的现实意义越大。（5）去除的难易程度是指去除这类环境影响的困难性。越难去除的环境影响，则越需要重视。
各项口头评价的分级与相应的评分如表3 所示。
由于本文提出的直接集成模拟法准备在下阶段采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process,
AHP）来确定各类环境影响的权重系数，而AHP 一般只适应于7 种以下因素的应用[10]，因此选取的环境影响种类应不超过7 类。
3.3 权重系数的确定
权重系数是以某种数量形式对比、权衡被评价事物总体中诸因素相对重要性的量值。它既是决策者的主观评价，又是指标本质的物理属性的客观反映，是主客观综合度量的结果。权重系数主要决定于两个方面：第一，指标本体在决策中的作用和指标价值的可靠程度；第二，决策者对该指标的重视程度[11]。
各类环境影响集成是一个多因素决策问题。在多因素决策问题中，各种因素通常不可能采用同样量纲来测定，某些因素要么根本不可能测定，要么测定的代价太高，因此，大多数多因素决策要求决策者先对问题中各因素的重要性分出级别，然后根据这些重要性级别确定各因素的权重系数，最后再进行集合[8]。
通常有两种基本的方法可以得到各类环境影响的重要性级别。一种是观察社会在其他但是有关的情形下做出的实际选择，它一般以政府组织制定的目标或者社会为此准备付出的代价为基础，因此又被称作偏爱显示法。另一种方法是直接对社会上有代表意义的一个小组进行调查。在很多的实例中，这个小组一般是一个专家小组，因此这种方法又被称为专家小组法[12]。
由于通常很难分开和解释一些与社会有关的基本价值，例如，政府制定的政策目标经常是在减少负荷的需要和准备做出必需的牺牲之间的妥协，因此采用偏爱显示法得到的结果可能与实际情况并不是非常符合。另外，一些涉及范围很广的问题，像保护人类健康、生态系统质量和自然资源的花费在现实生活中也非常难以得到。因此，偏爱显示法在建筑环境影响评价中的应用不是非常广泛[12]。
在专家小组法中，当确定重要性级别时，采用的分类原则非常重要。当各个种类的定义过于复杂（一般需要较深的背景知识），且种类的数目过多时，对于被要求给出重要性级别的被调查人员来说，则明显的存在着严重的认知压力。因此，要想运用专家小组法取得合理的重要性级别，则最好将被调查的环境影响种类限制在一定的数量之内[12]。
通过专项研究得出各项环境影响间的重要性级别后，可以采用多种方法来确定各项环境影响的权重系数，其中，AHP 是在实际中运用得最多的一种方法，它是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法，可以很方便地计算出各类环境影响的权重系数[10]。
根据以上分析，直接集成模拟法中各类环境影响权重系数的确定采用以下方法：根据专家小组的意见确定各类环境影响的重要性；根据各类环境影响的重要性程度确定各类环境影响间的重要性差别；利用AHP 计算出各类环境影响的权重系数。采用以上方法可以尽可能地减少环境影响权重系数确定过程中出现的误差，从而提高了环境性能模拟的准确性。
3.4 各类环境影响当量值
权重系数确定以后，各类环境影响在被研究区域内总环境危害中所占比例即已确定。因此，如果可以确定一定时期内被研究区域内各类环境影响的排放总量，就可以根据权重系数计算出该研究区域内各类环境影响危害的当量值。这就是直接集成模拟方法确定各类环境影响当量值的基本思路。
在直接集成法选取的几类主要建筑环境影响中，各类影响危害的范围都不相同，其中，温室效应和臭氧层破坏属于全球环境影响，而酸雨、固体废弃物和废水则属于区域环境影响，因此它们的排放总量应根据不同的原则选取。
（1）全球环境影响
对于全球环境影响，由于其在一定区域内受到的危害与这一区域排放该类环境影响的多少并无直接关系，而是与全球这类环境影响的排放总量有关。因此，为了表征某一区域受到这类环境影响危害的程度，直接集成模拟法定义了一个效用排放量Eeff 的概念：效用排放量Eeff 等于区域内造成现有某种环境危害应有的这种环境影响的排放量。假设在一定区域内，各类环境影响的危害都与人口数量呈正比，且在全球范围内每个人受到的同一类环境影响的危害一样大，则有：
式中： E eff 为某区域的效用排放量； E ave 为全球人平排放量； P area 为某区域内总人数。
（2）区域环境影响
对于区域环境影响，如果其危害的区域小于或等于被研究的区域，则可认为区域内这类环境影响造成的危害是由该区域内这类环境影响的排放总量决定的。例如，如果以中国为研究对象，则酸雨、固体废弃物和废水这三种环境影响的排放总量可以按一定时期内全中国的排放总量计算。
确定了被研究区域一年内各类环境影响的排放（或效用）总量，并根据各类环境影响的权重系数，可以计算出该研究区域中各类环境影响的当量值。
3.4 环境影响公共基本单位
为了方便各类环境影响最后的集成，直接集成式模拟法要求定义一个环境影响公共基本单位，本文将该公共基本单位称为“黑点”。由于在建筑系统对周围环境的影响中，能源消耗带来的环境影响所占的比例最大，又由于在建筑系统消耗的能源中，以电力形式消耗的能源最多，因此“黑点”采用与电力直接联系的定义：一个“黑点”即代表被研究区域内现阶段生产1kWh 电力（包括火电、水电和核电）过程中平均对周围环境造成的影响，这样就可以更加形象地表示建筑系统的环境性能。
根据“黑点”的定义和各类环境影响的当量值，可以计算出1000“黑点”对应于各类环境影响的当量值。基本环境影响单位当量值确定后，则在直接集成式模拟法中，各类环境影响都可以直接转化为采用“黑点”表示的数值，这就使得环境性能的集成过程变得非常简单，且结果更加形象具体。另外，由于采用了相同的环境影响单位，更可以在各模拟对象间进行横向和纵向的比较，使得研究的应用范围大大拓宽。
4 结论
本文通过对建筑系统环境性能模拟方法的详细分析，提出了一种直接集成模拟新方法。在本文提出的直接集成模拟法中，确定采用从下往上的方法对建筑系统的各种环境影响进行分类；根据综合分析方法从中选取了几类主要环境影响种类作为模拟的对象；采用专家问卷调查和层次分析法确定各类主要环境影响的权重系数；根据各类主要环境影响的权重系数和被研究国家或地区现阶段的实际情况确定各类环境影响的当量值；定义一个环境影响公共基本单位——黑点并计算出其对于各类环境影响的当量值。该方法具有可以大幅减少误差；过程简单，更适合采用计算机处理；结果具有实际含义，易于理解；有利于推广和后续工作的开展等优点。
|
阅读次数:2216 
[
[
[
[
[
[