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資料探勘在公共建築能耗分析中的應用研究

本文提出運用資料探勘技術進行公共建築的能耗分析,以提高節能決策的有效性,主要研究內容及方法如下: 
①能量利用效率的量化。針對能量利用效率存在簡單判定的不足,提出能耗分佈率的概念並給出其計算公式。 
②建立公共建築能耗分析的聚類模型。公共建築能耗分析的資料探勘應用主題有能耗預測、基準評價、執行優化等,這裡側重於執行優化主題。闡釋了公共建築能耗分析的資料探勘全過程,包括資料預處理、模式發現、結果解釋和評估以及模型應用四個階段,針對每個階段存在的部分問題給出對應的解決方案。 
③資料探勘工具 Weka 的二次開發。原始 Weka 系統在聚類方面只集成了少數幾種傳統的演算法,本文將 Chameleon 演算法嵌入 Weka 系統,擴充了系統功能並做了部分漢化工作,得到經二次開發的 Weka 改進版。通過在 Weka 平臺上對 Chameleon演算法實現和進行相關對比試驗,結果表明 Chameleon 演算法能夠獲得更好的聚類效果以及具有更好地發現任意形狀和大小簇的能力。 

④利用某辦公樓和某商場一個月的逐時能耗資料,在嵌入 Chameleon 演算法的Weka 改進版上進行了實驗,根據公共建築能耗分析的資料探勘過程建立起面向執行優化主題的聚類模型。根據該模型將某辦公樓和某商場按照能耗的時間分佈規律分別劃分為三個時間段,以達到減少能耗的目標,並且可運用該模型進行相應型別建築的節能診斷工作。


本課題的研究目的是利用資料探勘技術強大的資料分析和知識發現能力,通過對歷史能耗資料深層次的分析和利用,從尋找能耗的時間分佈規律的角度進行節能診斷。在開源的資料探勘工具 Weka 平臺下嵌入適合能耗資料特徵的演算法,建立起個性化的公共建築能耗資料探勘系統。運用該系統建立起尋求時間分佈規律的能耗資料聚類挖掘模型,通過這個模型可以獲得能耗的時間分佈規律,進而推匯出表徵系統執行效果的引數—能量利用效率,為實現公共建築各用能裝置系統的能耗評價及其節能措施提供重要的決策依據。 

本課題的研究通過對公共建築的能耗資料進行深度分析,做出初步節能診斷,並且給出初步的節能改造方案和節能措施,從而為促進節能減排工作起到一定的指導和借鑑作用。 



建築能耗分析中存在的問題
 

傳統的建築的能耗分析方法即計算機模擬計演算法,需要建立系統的精確的數學模型,但由於所有的模擬計算都是在事先設定的理想引數下進行計算,因此不能切實反映建築實際執行狀態下的能耗狀況;而且由於評價工具(軟體)對專業領域知識要求比較高,建築的實際使用者或者業主、物業管理人員無法通過此軟體瞭解自己的房屋能耗狀況,應用受到很大侷限。而簡單計算方法雖然易於實現,但是精度較差。 對於能耗的定量分析,採用何種指標也存在很大的困難。大致有 3種評價方法: 
①對各能耗系統的總效能進行規定,該方法不僅不具體規定建築區域性的熱工效能,而且允許設計師在某個環節有一定的突破,但在整個綜合能耗上滿足規定,從而允許設計師能夠有自由發揮的空間。如圍護結構的綜合指標:空調系統的綜合評價指標:空調能量消費係數 CAC/AC、綜合傳熱值 OTTV 以及周邊全年負荷係數 PAL 等。該指標在設計師、裝置工程師自由設計和建築節能規範控制兩方面滿足了需求。 
②使用規定性指標的方法,該方法是對各能耗系統的最高能耗進行規定,進一步可以細分為兩類。一類是對建築的各組成元素進行了規定,如建築圍護結構(牆體、屋面、門窗)的傳熱係數、遮陽係數、窗牆比、體形係數,以及照明裝置、採暖、空調最小能效指標等規定一個限值。 
③採用了綜合性指標,該指標即綜合影響建築能耗各個方面的因素,包括空調系統,建築圍護結構和其他建築裝置等,通過統計建築能耗的資料,以建築實際的能耗資料(如天然氣消耗、耗電量、耗煤量等)作為表達建築能耗現狀的指標。這類指標計算方法明確,客觀,可以從各個側面廣泛地反映了建築的綜合能耗效能,由於其可以方便的轉化為經濟指標,而且直接與建築執行的成本相關聯,因此比較容易被接受和運用。

但這種評價過於籠統,只給出的一個不足以反映建築節能的潛力的絕對指標,並沒有考慮到影響建築能耗的各個相互關聯的因素。


能效分析理論
 

能量傳輸效率是指使用者獲得的總能量與輸出總能量之比。



資料探勘應用於建築能耗分析的主題


①能耗預測。公共建築能耗跟建築型別、建築年齡、建築面積、辦公比例、商業比例、賓館比例、玻璃傳熱係數、冷源裝機容量等眾多因素有關,可以使用分類或者回歸分析的方法建立起能耗預測模型。同時,建築能耗是一個時間上連續的變數,因此建築能耗的影響因素都看成為具有時序的,為時間的函式,可以採用時間序列法研究建築能耗自身變化過程及發展趨勢。 
②基準評價。通過基準評價,建築業主或管理者可以瞭解其建築執行情況,對比自己建築與其它類似建築的能源消耗差異,如果發現目標建築比其它同類建築能耗高,可以採取措施降低能耗;在建築設計階段和建築改造階段以及在對建
資料探勘應用於建築能耗分析的主題 築目標進行單獨能源或多重能源審計時,基準評價可以評價建築設計以及擬採取的節能措施是否合理。可以運用關聯規則進行公共建築能耗的基準評價工作,對樣本建築(包括的屬性值可以有:建築面積、電腦數量、印表機數量等)生成關聯規則,然後將這些規則應用於待評價的目標建築,從而對目標建築的能耗狀況進行評價。 

③執行優化。公共建築執行能耗的高低很大程度上取決於裝置執行管理、維護水平的高低,公共建築用能裝置系統可以細分為暖通空調系統、照明系統、電梯系統、插座裝置等用能子系統,可以運用關聯規則挖掘各子系統之間的關係,也可採用聚類挖掘出不同的執行模式,從而為節能決策提供支援。


 

參考文獻    資料探勘在公共建築能耗分析中的應用研究   劉文鳳