基于系统动力学的近零能耗建筑推广效果提升机理研究.pdf

施工技术（中英文）年 月上第 卷 第 期：基于系统动力学的近零能耗建筑推广效果提升机理研究丁晓欣，徐熙震，王 群（吉林建筑大学经济与管理学院，吉林 长春；深圳职业技术学院，广东 深圳）摘要 目前，我国对近零能耗建筑的研究多使用定性分析，缺少定量分析，无法为其推广提供全面的数据支持，且未考虑各影响因素间的相互作用、相互联系，加之各因素对其产生影响的作用机理不明确，以及影响因素对其影响程度不明确，因此无法提出针对性措施。基于此，从政策、经济、技术维度构建影响近零能耗建筑发展因素的系统动力学模型，并进行稳定性、极端性、心智模型检验，验证模型的合理性和适用性。在此基础上，以河北省数据为样本，通过 软件进行系统仿真模拟，对关键影响因素进行敏感性分析，得到应提高劳动生产率、增加建筑业劳动力供给、落实政府激励措施，促进发展的结论。关键词 绿色建筑；近零能耗建筑；系统动力学；政策；经济；技术中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，：；国家自然科学基金：基于多智能体路径规划的装配式建筑部品部件协同优化原理与方法研究（）作者简介 丁晓欣，教授，：通信作者 徐熙震，硕士研究生，：收稿日期 引言 建筑业的发展过程必然伴随大量能源利用及资源消耗，导致环境问题频发。根据中国建筑能耗研究报告（）数据显示，年全国建筑全过程碳排放总量为 亿，占全国碳排放比重的。在“十四五”节能减排综合工作方案中提出加快发展近零能耗建筑，到 年城镇新建建筑全面执行绿色建筑标准的政策。因此，为应对能源过度消耗及气候极端变化，各国都在持续开展 丁晓欣等：基于系统动力学的近零能耗建筑推广效果提升机理研究 建筑节能工作，并推动近零能耗建筑的可持续发展。由于各国经济状况与地域条件等存在差异，因此各国对近零能耗概念的定义与发展路径存在不同。欧盟趋向于在稳步发展低能耗建筑的基础上实现零能耗建筑的目标，美国侧重于开发、获取可再生能源，逐步加大对可再生能源的利用率，进而实现能源需求达到净零平衡。虽然近零能耗建筑的概念尚未统一，但各国都以大力发展可再生能源、减少常规能源消耗为出发点进行思考与定义。在 近零能耗建筑技术标准中给出明确定义，对我国近零能耗建筑的发展进行全面规划。年，我国近零能耗建筑进入快速发展阶段。徐伟等指出该建筑存在技术性能与集成度低，试点示范数量不足的现状；丁晓欣等指出技术体系不成熟，政策激励措施不完善的现状；彭梦月等指出欠缺技术集成研究，市场激励机制未形成，相关产业不成熟，顶层设计不完善的情况；宋晓刚等指出国内市场需求不足，产业发展不成熟，政府相关设计标准和激励政策不完善的问题；裴丽倩指出政策标准规范有待完善，市场供需尚未激发，技术水平落后的现状。其中市场规模的发展程度主要由当地经济状况决定，因此政策、经济、技术是影响近零能耗建筑发展的主要因素，通过对文献进行梳理，我国学者对近零能耗建筑的影响因素研究大多停留于定性层面，缺少定量方面的研究。利用系统动力学可系统分析近零能耗建筑的影响因素及抽象近零能耗建筑发展主要影响因素的作用路径。基于此，本文从政策、经济、技术维度构建近零能耗建筑影响因素的系统动力学模型，选择河北省数据作为样本，运用 软件进行仿真模拟，提出促进近零能耗建筑发展的建议。模型建立 模型适用性分析 系统动力学理论基础是系统反馈控制理论，在反馈信息系统及解决复杂问题上具有优势。系统动力学中具备的反馈回路以及因果关系等内容，适合研究复杂近零能耗建筑影响因素间的关系，具体如下。近零能耗建筑在发展初期受众多因素影响，且各影响因素间关系复杂，难以量化成数学公式，而通过系统动力学理论可整合影响因素间的关系，将关键因素具体化、平行化，从而使各因素间的影响路径明确化。通过建立近零能耗建筑系统动力学模型，可用因果关系图、存量流量图（以下简称 图）和仿真模拟进行研究，从而提出相应策略促进近零能耗建筑发展。因果关系图与主要反馈分析 从政策、技术、经济层面研究近零能耗建筑发展影响因素，其中政策维度主要通过政府加强顶层设计，完善标准体系推动近零能耗建筑的发展。技术维度通过加强技术创新，完善近零能耗建筑涉及的主、被动技术，从而使技术具有普及性，进而降低开发成本。经济维度中的市场规模及人口规模主要取决于经济发展水平，所以当地经济发展水平是近零能耗建筑发展的关键。因此，在确定系统边界及变量间相应反馈关系的基础上，构建因果关系，如图 所示，分析其相互关系得到如下因果回路：政策支持力度建筑节能标准体系建筑节能和设备效率开发商建设意愿近零能耗建筑面积；技术创新能力综合节能率增量成本项目成本开发商建设意愿近零能耗建筑面积；人均 地区经济发展水平供应商数量项目成本开发商建设意愿近零能耗建筑面积。图 近零能耗建筑影响因素因果关系 在因果回路中，纪博雅等指出在政策支持力度不断加大的环境下，我国建筑节能内涵更加丰富，建筑节能体系标准不断优化升级，包含建筑节能相关技术标准体系和建筑绿色低碳相关技术标准体系，使以盈利为目的的开发商加大对节能建筑的开发意愿，不断增加近零能能耗建筑面积。在因果回路中，崔明懿等指出技术进步与能耗强度呈负相关的结论，技术不断进步可有效减少能耗，从而提高建筑节能率。而高节能率的近零能耗建筑与传统建筑相比需投入大量新型建筑材料、设备等，虽然全生命周期内成本较低，但前期需增加较多成本，影响开发商的建设意愿。在因果回路中，经济发展水平较高地区的市场化程度较高。章 施工技术（中英文）第 卷铁生等指出市场化程度较高地区的法律制度完善，商业信用较高，因此供应商更愿意在市场化程度高的地方发展。随着供应商数量增多不可避免地产生市场竞争，从而降低绿色建材或机械设备等价格，从而降低项目成本。因果关系图可反映近零能耗建筑影响因素间的关系和作用路径，但不能动态、定量表述因素间的关系，因此在因果关系图的基础上进一步延伸和深化，得到模型 图。模型假设与 图对近零能耗建筑系统动力学模型进行以下假设。）河北省从 年开始公布近零能耗建筑面积的相关数据，因此，统一化处理 年前的近零能耗建筑面积，使其与 年的面积水准保持一致。）通过梳理相关能源及环境指标，结合其他学者的研究，将建筑业能源消耗作为资源消耗指数（）的选取依据，将建筑业中产生的废水、废气及固体废物作为环境污染指数（）的选取依据，其他能源环境指标暂不作为参考依据。通过上述假设，考虑模拟仿真参考数据具有可行性，对模型进行简化，构建影响因素 图，如图 所示。其中，政策支持力度、技术创新能力、地区经济发展水平、近零能耗建筑面积为状态变量，其他变量为辅助变量。图 近零能耗建筑影响因素 图 模型模拟 样本选择 选取河北省为样本对象。截至 年，河北省累计近零能耗建筑项目与面积处于全国领先水平，且有关近零能耗建筑相关政策较完善，因此河北省内发展情况可较充分代表我国发展水平。模型参数确定 该 图包含 个参数，研究的时间边界为 年，仿真步长为 年，其中参数来源如下：近零能耗建筑面积、地区人口总量、地区 总量等参数，通过查阅国家统计年鉴、河北省经济年鉴、政府工作报告、河北省住房和城乡建设厅官网进行获取；人均 等数据通过公式计算获得；绿色诉求因子、建筑业劳动人口缺量因子等参数通过统计学方法进行回归分析，从而对数据进行预测分析。模型参数表达 模型参数主要包含数学语言以及 计算机程序表达，由于参数较多，仅选取具有代表性的参数举例。参数数学语言表达 ）节能率 近零能耗建筑技术标准中规定，近零能耗建筑节能率为 ，因此将节能率定义为常量，取值 。）近零能耗建筑经济效益赵玉清等指出 近零能耗建筑办公楼比节能 的办公楼前期费用多 万元，比建设期费用多 万元，比使用阶段费用少 万元，因此，每平方米近零能 耗 建 筑 经 济 效 益 如 下：单位面积近零能耗建筑（前期建设期 使用阶段）近零能耗建筑 元，其中，单位面积近零能耗建筑为每平方米近零能耗建筑的经济效益；前期为近零能耗建筑前期阶段的成本；建设期为近零能耗建筑建设期阶段的成本；使用阶段为近零能耗建筑使用阶段的成本；近零能耗建筑为近零能耗建筑的建筑面积。高彩凤等通过选取 个典型的近零能耗公共建筑，得出其增量成本均值为 元 的结论。由增量效益与增量成本的比值，得到近零能耗建筑经济效益为 元 的结论。将上述结果类比本研究，选取平均值计算河北省单位面积近零能耗建筑经济效益，如式（）所示：近零能耗建筑 单位面积近零能耗建筑近零能耗建筑 近零能耗建筑（）式中：近零能耗建筑为近零能耗建筑的经济效益。）绿色建筑发展诉求因子绿色建筑发展诉求主要取决于人类活动对环境与生态的压力。徐福留等指出生态压力指数可根据资源消耗指数（）和环境污染指数（）计算得到，绿色建筑发展诉求因子（）可类比得出，计算如下：绿色建筑 （）式中：绿色建筑为绿色建筑发展诉求因子；为资源消耗指数；为环境污染指数。丁晓欣等：基于系统动力学的近零能耗建筑推广效果提升机理研究 对绿色建筑诉求因子进行回归分析，得到次方曲线回归方程，即 ，相关性良好。）建筑业劳动人口缺量因子建筑业劳动力缺口为每年从事建筑业的劳动人口与每年建筑业退休人口数量之差。张英杰等指出每年建筑业农民工从业人数预测模型，如式（）所示：（）（）式中：为年份；为第 年建筑业农民工从业人员人数；为第 年退休率；为第 年农村人口剩余劳动力；为第 年农村剩余劳动力从事建筑业的比率。在此基础上，考虑城镇人口与农村人口从业人员比例不同，对建筑业劳动人口缺量因子定义如下：（）（）式中：表示第 年建筑业劳动人口缺量；表示第 年城镇人口剩余劳动力；表示剩余劳动力从事建筑业的比率。参数计算机语言表达 模型中具有状态变量、辅助变量、影子变量，由于相同类别的参数定义思路相同，且影子变量不存在计算机语言，因此本文仅对政策支持力度、技术创新能力、绿色建筑发展诉求因子进行阐述。技术创新能力主要由被动式超低能耗建筑示范项目、产业技术创新联盟数量及技术专利数量进行表示，即技术创新能力 被动式超低能耗建筑示范数量 产业技术创新联盟数量 技术专利数量。绿色建筑发展诉求因子 （）（，）（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，）（）模型检验 稳定性检验 在有差别的时间间隔下运行模型，通过仿真结果对比检验模型构建的稳定性。本文选取近零能耗建筑面积为模拟对象，情景，时间间隔分别设定为 ，与原本模型时间间隔 进行对比，运行结果如图 所示。可以看出在不同步长情况下，模型运行结果基本一致，即该模型具有稳定性。图 近零能耗建筑面积稳定性检验运行 极端性检验 检验系统动力学模型的极端性是将某参数变成极端情况，分析模型运行是否可靠。选取综合节能率和近零能耗建筑面积作为对象，将综合节能率由 改为，即零能耗建筑，运行结果如图，所示，通过综合节能率的极端性变动使增量成本发生变化，但在其他变量制约和影响下，近零能耗建筑面积发展趋势和原本运行结果基本保持一致，因此该模型在极端情况下仍具有可靠性。图 成本变动因子极端性检验运行 图 近零能耗建筑面积极端性检验运行 施工技术（中英文）第 卷 心智模型检验 检验系统动力学心智模型，主要验证以时间序列形成的仿真结果与现实情况的吻合性，如图 所示。图 心智模型检验运行 通过图 可以看出在 年前，由于资源消耗及环境污染，对绿色建筑的发展诉求较大，加上劳动力问题，该阶段虽较动荡，但政府对近零能耗建筑的发展诉求支持力度较大。年后，随着建筑业从业人员减少，政策支持力度有所减缓，但仍维持在较高水平。年国家提出双碳政策，近零能耗建筑高速增长，与河北省近零能耗建筑发展过程吻合。模型运行 输入 图中全部参数后，运行 软件可得到仿真结果，本文选取近零能耗建筑面积、政策支持力度、创新能力提升率对模型运行结果进行分析。建筑面积发展趋势分析 近零能耗建筑面积发展仿真运行结果如图 所示，可预测河北省近零能耗建筑将以指数式增长，迎来发展高峰期，与河北省近零能耗建筑发展趋势高度契合。年以来，河北省发布大量有关近零能耗建筑相关政策，通过对建筑面积进行目标规划，以及多重奖励措施激励，如提高奖补标准、容积率奖励等，极大增强其发展动力。可以看出，在近零能耗建筑发展早期，政府宏观调控市场的行为，极大促进其发展。图 近零能耗建筑建筑面积发展趋势运行 政策支持力度增长趋势分析 近零能耗建筑在发展过程中离不开政府宏观调控，且我国近零能耗建筑仍处于初期阶段，在市场端仍未展现出较大需求，因此，为促进其发展，政府端调控极为必要。政府支持力度增长趋势运行如图 所示。可以看出，政策调控作用在近零能耗建筑发展早期具有明显效果，随着近零能耗建筑发展不断成熟，政府调控作用趋向平缓。在 年前，河北省人口自然增长率一直保持在，且建筑业从业人数较多，因此，劳动力缺口不明显，而 年后，河北省自然增长率明显下降，且从事建筑业的人数急剧减少，使劳动力供给侧减少。年后，三胎政策及相关政策推出，使外流规模下降，劳动力缺口稳中上升。同时随着双碳政策的提出，国家对节能减排及绿色建筑的支持力度逐渐增大。图 政策支持力度增长趋势运行 创新能力提升率趋势分析 在近零能耗建筑中应用主动式技术、被动式技术及可再生能源技术，可极大提高节能率、减少能源消耗，且技术开发的成熟度直接影响近零能耗建筑成本，因此，其创新能力高低非常重要。创新能力的提升离不开政策推动，且当地经济水平影响创新能力，创新能力提升率趋势分析如图 所示。由图 可知，发展初期，创新能力提升率保持在较高水平，年后的发展速率更快，因为发展初期，河北省与德国能源署开展密切合作，全国首个中德被动式超低能耗绿色公共建筑项目在河北建成，在学习德国先进技术的同时发布相关政策快速提升创新能力。同时随京津冀协同发展国家战略的提出，使河北省劳动生产率稳中上升，创新能力随之提升，且随着近零能耗建筑逐渐成熟，劳动生产率对创新能力的影响效果更加显著。敏感性分析 通过对模型中相关因素进行敏感性分析，得到不同因素的敏感程度。根据因果主要反馈路径分析得出技术创新能力与地区发展水平通过影响项 丁晓欣等：基于系统动力学的近零能耗建筑推广效果提升机理研究 图 创新能力提升率趋势分析 目成本进而影响其建筑面积的增长速率，因此，本文对政策支持力度、成本变动因子参数进行调整，观察近零能耗建筑面积增长趋势的变化，从而得到对建筑面积的影响程度，如图 所示。其中成本变动因子增量成本政府补贴，因此，成本变动对开发商建设意愿起决定性作用。早期，绿色建筑发展诉求促使政府大力支持近零能耗建筑的发展，激励政策及标准体系的完善，使政策调控在该时期起主导作用，同时政策支持成为技术进步与市场发展的源动力。随着时间推移，节能技术不断创新，迅速提高近零能耗建筑节能率及舒适性，且当地经济水平增长带动劳动生产率提高，进一步降低近零能耗建筑成本，逐渐取代政策因素成为主导型因素，形成市场主导、政策调控辅助的发展模式。图 敏感性分析运行 结语 ）建立了政策、经济、技术三维系统动力学模型，并定量模拟各影响因素对其产生的影响，为推广近零能耗建筑提供数据支持。）在考虑各因素间相互关系的基础上绘制近零能耗建筑影响因素因果回路图，理清各影响因素对其产生影响的作用路径。）通过分析各影响因素的灵敏性，得到各影响因素对近零能耗建筑在不同发展阶段影响程度不同的结论。政治、经济、技术因素对近零能耗建筑均产生较显著的影响，且在不同发展阶段影响程度不同，为推动其发展，提出以下措施。）提高劳动生产率 通过对创新能力提升率进行情景模拟，将劳动生产率作为驱动因素，设定基准、基准、基准、个情景，其中基准 将劳动生产率增加，基准 将劳动生产率增加，仿真结果如图 所示。由图 可知，劳动生产率的提升明显提高创新能力提升率，而提高劳动生产率的关键是提高人员综合素质。因此应加大人才培养力度，国家鼓励研发节能减排技术、工艺及设备，企业可通过组织专业培训提高人员技术水平，同时鼓励高等院校开展相应学科建设，增加相关课程，培养高素质专业人才，从而形成多层次的人才培养体系。图 创新能力提升率情景模拟 ）增加建筑业劳动力供给通过对政策支持力度增加率进行情景模拟，将建筑业劳动力缺口因子作为驱动因素，设定基准、基准、基准 三个情景，其中基准 是劳动力因子下降，基准 是劳动力因子增加，模拟结果如图 所示，由图 可知，建筑业劳动力短缺会加大政策支持力度。因此，为缓解劳动力短缺的情况，可改善建筑工人生活条件，提高工资水平，同时加快建筑业发展转型的方式，以提高建筑业的吸引力。图 政策支持力度增加率情景模拟 ）落实政府激励措施由于开发商的建设意愿主要受成本因素影响，其中成本变动因子增量成本政府补贴，因此在发展早期，建筑增量成本受 施工技术（中英文）第 卷技术、市场影响，无法快速减少时，政府激励措施显得尤为重要。政府应因地制宜落实财政补贴奖励、税收减免等可控的经济激励措施，同时发展绿色金融、绿色信贷，增加开发商建设意愿，调动整个产业链的积极性。参考文献：中国建筑能耗研究报告 建筑节能（中英文），（）：，（）：，：薛一冰，孙雅鑫基于全生命周期的零能耗建筑研究建筑节能，（）：，（）：，中国建筑科学研究院有限公司，河北省建筑科学研究院近零能耗建筑技术标准：北京：中国建筑工业出版社，：，徐伟，杨芯岩，张时聪中国近零能耗建筑发展关键问题及解决路径建筑科学，（）：，（）：丁晓欣，谢倩怡我国严寒地区近零能耗建筑发展及问题分析北方建筑，（）：，（）：，彭梦月，杨润芳，杨铭我国近零能耗建筑推广模式、效果分析及政策建议建设科技，（）：，（）：，宋晓刚，刘耀华，张培兴，等被动式超低能耗建筑推广发展策略研究建筑经济，（）：，（）：裴丽倩 被动式超低能耗建筑可持续发展研究北京：北京交通大学，：，潘越，吴绍艳基于系统动力学的装配式建筑落地效果提升机理研究 以江苏省为例建筑经济，（）：，（）：纪博雅，毛晓峰，曹勇，等我国建筑节能低碳技术标准体系现状与发展建议建筑经济，（）：，（）：崔明懿，陈瑞，赵留彦技术进步、工业化程度对能耗强度影响的差异分析 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