大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)電耗逐時(shí)使用率聚類分析

李 沁，李百戰(zhàn)，丁 勇

（重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045）

建筑領(lǐng)域一直都是全世界能源消耗的主要領(lǐng)域。有學(xué)者指出，中國(guó)2010年建筑總能耗占到全國(guó)能源消耗總量的20.9%，而公共建筑是建筑中的用能大戶，其能耗水平遠(yuǎn)高于居住建筑［1］。辦公建筑作為公共建筑的重要組成部分，其用能特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注［2－3］。而有研究表明照明電耗占大型公共建筑總電耗的20%～40%［4－5］，是不可忽略的一項(xiàng)用能。

目前中國(guó)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中針對(duì)照明及插座能耗的預(yù)測(cè)方式為照明密度、電器設(shè)備密度結(jié)合逐時(shí)使用率來(lái)計(jì)算，但并沒(méi)有對(duì)辦公建筑進(jìn)行分類考慮。而對(duì)辦公建筑的人員密度、照明密度和設(shè)備用電密度進(jìn)行了大量的研究［6－12］，但對(duì)逐時(shí)使用率的研究較少。而研究表明大型辦公建筑與小型辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)用能特性有差異［13］，而目前辦公人員作息時(shí)間并沒(méi)有分開(kāi)討論［14］。因辦公類型和辦公人員作息規(guī)律的差異會(huì)導(dǎo)致電耗曲線差異明顯［15－16］。因此可根據(jù)電耗逐時(shí)使用率的差異進(jìn)行分類討論。

為了研究大型辦公建筑的照明與插座系統(tǒng)用能的逐時(shí)使用率，本文通過(guò)對(duì)重慶市公共建筑監(jiān)測(cè)平臺(tái)上的17棟大型辦公建筑在2012年全年各小時(shí)的電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到各辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率，再根據(jù)典型逐時(shí)使用率的不同，運(yùn)用系統(tǒng)聚類法將辦公建筑進(jìn)行分類。

1 辦公建筑用能特性分析

從重慶市公共建筑監(jiān)測(cè)平臺(tái)上選取的17棟大型辦公建筑的基本情況及2012年電耗如表1。其中照明及插座設(shè)備是指建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設(shè)備用電的總稱。17建筑的單位面積年總電耗22.64～157.29 k Wh／m2·a，電耗高的辦公建筑用電量是電耗低的近7倍。而單位面積照明及插座系統(tǒng)電耗6.65～137.39 k Wh／m2·a。數(shù)據(jù)表明建筑之間能耗水平差異較大，而照明及插座系統(tǒng)用能占年總用能的25%～70%。

表1 辦公建筑基本信息及電耗數(shù)據(jù)

2 大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)用電逐時(shí)使用率

在實(shí)際運(yùn)行中，建筑大部分時(shí)間都處于部分負(fù)荷下運(yùn)行。這主要是因?yàn)榇笮娃k公建筑內(nèi)的用電設(shè)備并不同時(shí)運(yùn)行，即使同時(shí)運(yùn)行，也并不會(huì)都同時(shí)達(dá)到額定容量。對(duì)于不同能耗水平的建筑，不便于進(jìn)行比較，因此采用逐時(shí)使用率對(duì)比建筑的實(shí)際運(yùn)行水平。不同時(shí)刻用電設(shè)備的使用率與在室人員的概率正相關(guān)，人員在室率越大，用電設(shè)備使用的概率越大，即該時(shí)刻的用電使用率越大。

由于實(shí)際條件的限制，無(wú)法獲得重慶市公共建筑各用能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量。因此通過(guò)提取各個(gè)樣本建筑的照明及插座系統(tǒng)在2012年的全年小時(shí)用能的最大值代替設(shè)計(jì)總?cè)萘?。建筑照明及插座系統(tǒng)用能的逐時(shí)使用率計(jì)算如式（1）。

第i小時(shí)逐時(shí)使用率（Pt）＝

逐時(shí)使用率受到建筑使用功能、正常工作時(shí)間、使用者個(gè)人習(xí)慣等因素的影響。根據(jù)上式，分別計(jì)算17棟建筑在2012年每個(gè)工作日的照明及插座系統(tǒng)用電的逐時(shí)使用率。再對(duì)求得的每個(gè)辦公建筑的工作日逐時(shí)使用率求均值，將24 h的均值定義為單個(gè)建筑的照明及插座系統(tǒng)電耗的典型日逐時(shí)使用率。將17棟辦公建筑的典型日逐時(shí)使用率繪制箱型圖，如圖1。雖然17棟建筑總電耗差異較大，但從圖1中可以看出，它們典型日逐時(shí)使用率趨勢(shì)相近，辦公建筑的上班時(shí)間對(duì)辦公人員的在室率影響很大，因此用電使用率與時(shí)刻強(qiáng)相關(guān)。從箱型圖中箱體的長(zhǎng)短來(lái)判斷數(shù)據(jù)的離散程度，可看出在8：00—10：00和17：00—22：00的時(shí)間段，建筑之間逐時(shí)使用率的差別較大，主要是由于這些時(shí)段辦公人員的在室率變化很大。因此，可將全天分為4個(gè)階段進(jìn)行 分 析，即 夜 間 時(shí) 段 （0：00—8：00 和 19：00—24：00）、上班時(shí)段（8：00—9：00）、日間時(shí)段（9：00—17：00）和下班時(shí)段（17：00—19：00）。夜間時(shí)段指夜間無(wú)人員活動(dòng)的時(shí)段；上班時(shí)段指辦公人員陸續(xù)到達(dá)，用能逐步上升至日間階段的水平的時(shí)段；日間時(shí)段是正常辦公時(shí)段；下班時(shí)段指辦公人員陸續(xù)離開(kāi)，用能逐步下降到夜間水平的時(shí)段。

圖1 大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)典型日逐時(shí)使用率

3 大型辦公建筑聚類分析

選用層次聚類分析法從大量樣本建筑的用電數(shù)據(jù)中快速篩選并提取照明及插座系統(tǒng)用電使用率特征曲線。聚類分析是一種探索性的分析，在分類的過(guò)程中，人們不必事先給出一個(gè)分類的標(biāo)準(zhǔn)，聚類分析能夠從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，自動(dòng)進(jìn)行分類。

各樣本大型辦公建筑的典型日逐時(shí)使用率曲線的聚類分析步驟如下：

1）將日24 h的逐時(shí)使用率作為因子，建立因子矩陣陣x ijn×p，表示為n＝17個(gè)樣本建筑數(shù)，每個(gè)樣本有p＝24個(gè)因子，x ij表示第i個(gè)樣本建筑的第j個(gè)小時(shí)的逐時(shí)使用率。

2）將17棟辦公建筑各自作為一類，有n＝17類。選用歐氏距離方法計(jì)算各因子之間的距離，類間平均距離法計(jì)算樣本建筑間距離，可形成距離矩陣D2。其中，n為類的個(gè)數(shù)。類間平均距離法計(jì)算

3）找出前一步求得的矩陣D2中的最小元素，設(shè)它是和間的距離，將和兩類合并成一類，于是產(chǎn)生新的聚類，，…，令n＝n－1。表示將計(jì)算所得距離最近的兩個(gè)建筑合并為一類，形成n－1＝16類。再計(jì)算新產(chǎn)生的類別與其他類的距離，形成新的距離矩陣。

4）重復(fù)第3步驟，直到所有建筑合并為一類為止。

5）根據(jù)上述步驟的計(jì)算結(jié)果，得到聚類譜系圖。辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)電耗的聚類譜系圖如圖2。聚類譜系圖以直觀的方式表現(xiàn)出聚類的全過(guò)程，它把類間的最大距離算作相對(duì)距離25，其余距離均換算成與之相比的相對(duì)距離大小。圖2中線條的連接表示了類別的合并，而直線段的長(zhǎng)短可表示類別之間的距離。

圖2 照明及插座系統(tǒng)電耗的逐時(shí)使用率聚類譜系圖

6）確定最佳聚類個(gè)數(shù)，得到最終聚類結(jié)果。對(duì)照明及插座系統(tǒng)的逐時(shí)使用率進(jìn)行聚類時(shí)，主要是想通過(guò)聚類分析的方法，快速提取各建筑用電使用率分布特征，因此需判斷最佳分類數(shù)。判定最佳分類數(shù)的方法主要來(lái)自方差分析的思路，兩類合并時(shí)距離系數(shù)變化率越大說(shuō)明這兩類越不應(yīng)該合并。從表2中看出當(dāng)聚類個(gè)數(shù)從3類合并為2類時(shí)，距離系數(shù)變化最大且大于前面相鄰步驟變化，因此認(rèn)為不應(yīng)該從3類聚為2類，最佳聚類個(gè)數(shù)取3較為合理。在聚類譜系圖中畫(huà)1條豎線與3條橫線相交，這3條對(duì)應(yīng)的就是聚為的ABC3類，如圖2。

表2 聚類過(guò)程中類別間距離系數(shù)

根據(jù)逐時(shí)使用率數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制A、B、C類建筑的典型逐時(shí)使用率的分段曲線圖，如圖3～5。在夜間階段和日間階段，由于人員在室率變化不大，因此照明及插座系統(tǒng)的使用率變化較穩(wěn)定，用平直線表示，該時(shí)段使用率的均值作為平直線取值。而對(duì)于上班和下班時(shí)段，人員在室率變化很大，一般認(rèn)為人員到達(dá)率服從泊松分布。但由于上班和下班時(shí)段較短，為簡(jiǎn)化模型，用斜直線代替表示該時(shí)段的用電使用率，將夜間和日間的使用率均值作為斜線的首尾點(diǎn)。其中B類建筑在日間時(shí)段由于午休，辦公人員離開(kāi)辦公室會(huì)關(guān)閉一部分用電設(shè)備，因此在13：00逐時(shí)使用率有所下降。

圖3 A類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率曲線

在夜間時(shí)段，辦公建筑基本沒(méi)有人員活動(dòng)，其應(yīng)急照明以及特殊用電設(shè)備還保留運(yùn)行，故此階段的逐時(shí)使用率不為零。該時(shí)段人員在室率變化不大，因此逐時(shí)使用率較為平穩(wěn)。

在上班時(shí)段，辦公人員陸續(xù)進(jìn)入建筑，照明設(shè)備和辦公電器設(shè)備大量開(kāi)啟，人員在室率升高，逐時(shí)使用率急速上升。

圖4 B類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率曲線

圖5 C類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率曲線

在日間時(shí)段，辦公人員到達(dá)辦公室后非特殊情況不會(huì)離開(kāi)，人員在室率基本不變，照明及插座系統(tǒng)的使用率波動(dòng)不大。故對(duì)該時(shí)段的逐時(shí)使用率取均值來(lái)描述。B類建筑在午間因午休而使用率有所下降，逐時(shí)使用率在中午存在一個(gè)較小的波谷。

下班時(shí)段辦公人員陸續(xù)離開(kāi)，照明設(shè)備和辦公電器設(shè)備大量關(guān)閉，人員在室率降低，逐時(shí)使用率急速下降。而A類建筑下班時(shí)段后移，使用率逐時(shí)下降較緩，說(shuō)明該類辦公建筑在夜間常有加班。

根據(jù)3類建筑在4個(gè)時(shí)段的照明及插座系統(tǒng)逐時(shí)使用率情況的分析，可以繪制建筑分類判斷思路，如圖6。如果使用大型辦公建筑的公司經(jīng)常在夜間有加班情況，應(yīng)分為A類。如在夜間基本不加班，而辦公人員在午休時(shí)會(huì)關(guān)閉部分用電設(shè)備，應(yīng)分為B類，否則分為C類。

圖6 建筑分類判斷思路

為了應(yīng)用便捷，根據(jù)3類大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率曲線，得到一天24 h的典型逐時(shí)使用率（如表3）。對(duì)于大型辦公建筑進(jìn)行節(jié)能改造后的節(jié)能量計(jì)算時(shí)，可直接查表得到逐時(shí)使用率，用使用率乘以功率可得到節(jié)能量。

表3 3類辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率時(shí)刻

根據(jù)表3的結(jié)果，可以判斷3類辦公建筑在下一步進(jìn)行節(jié)能改造或者節(jié)能運(yùn)行管理時(shí)的重點(diǎn)對(duì)象。對(duì)于節(jié)能管理而言，應(yīng)加強(qiáng)夜間時(shí)段用電設(shè)備的管理，關(guān)閉部分不必要的用電設(shè)備；對(duì)于A和C兩類型建筑應(yīng)在午休時(shí)關(guān)閉部分用電設(shè)備。對(duì)于節(jié)能改造而言，對(duì)于日間用電負(fù)荷率相近但用電水平差異大的建筑，應(yīng)針對(duì)用能水平高的建筑進(jìn)行節(jié)能改造，換用能效更高的用電設(shè)備。

4 結(jié) 論

通過(guò)重慶市17棟大型辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)全年逐時(shí)用電數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算各建筑全年每個(gè)工作日24 h的逐時(shí)使用率，利用層次聚類分析方法，根據(jù)日逐時(shí)使用率的不同，將建筑快速分為3類。得到以下結(jié)論：

1）基于層次聚類分析方法，建立了對(duì)照明及插座系統(tǒng)的用電逐時(shí)使用率進(jìn)行快速分類的方法。根據(jù)聚類步驟之間距離系數(shù)變化率來(lái)判斷最佳聚類個(gè)數(shù)，最佳聚類數(shù)為幾，就表明樣本建筑中有幾類典型特征曲線。

2）通過(guò)對(duì)3類辦公建筑的典型逐時(shí)使用率進(jìn)行研究，認(rèn)為分類結(jié)果能有效反映照明及插座系統(tǒng)的用能特點(diǎn)。而應(yīng)用該方法對(duì)更大樣本量建筑進(jìn)行分類同樣適用，且方便快捷。

3）得到待評(píng)辦公建筑快速分類判斷思路，得到各類辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)的典型逐時(shí)使用率表，可供預(yù)測(cè)辦公建筑的的照明及插座系統(tǒng)電耗時(shí)快速查詢，也可以用于辦公建筑照明及插座系統(tǒng)改造后的節(jié)能量計(jì)算。

4）辦公建筑照明及插座系統(tǒng)的用電逐時(shí)使用率與人員在室率的相關(guān)性很強(qiáng)。在后續(xù)研究中，應(yīng)針對(duì)人員在室率進(jìn)行深入研究。人員在室率與建筑運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，因此可使用相同方法分析其他類型的公共建筑。

［1］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告，2012［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］梁傳志.夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑能耗特性研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

［3］肖賀.辦公建筑能耗統(tǒng)計(jì)分布特征與影響因素研究［D］.北京：清華大學(xué)，2011.

［4］周欣，燕達(dá)，任曉欣，等.大型辦公建筑照明能耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及模型初探［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2013（4）：14-23.

Zhou X，Yan D，Ren X X.Data analysis and modeling of lighting energy use in large office building［J］.China Illuminating Engineering Journal，2013（4）：14-23.

［5］Giorgos N S，Constantinos A B.Energy consumption and the potential of energy savings in Hellenic office buildings used as bank branches—A case study ［J］.Energy and Buildings，2011，43（4）：770-778.

［6］許巧玲，陳曉彥，趙超，等.基于多元統(tǒng)計(jì)方法的酒店建筑能耗分析研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（2）：249-253.

Xue X L，Chen X Y，Zhao C，et al.A study on energy performance of hotel buildings by using multivariable statistics analysis ［J］.Journal of Fuzhou University：Natural Science Edition，2011（2）：249-253.

［7］Gavin D，Ian K.Small power equipment loads in UK office environments［J］.Energy and Building，2005，37（1）：87-91.

［8］Geun Y Y，Hyo J K，Hyoin K.A field survey of visual comfort and lighting energy consumption in open plan offices［J］.Sustainable and Healthy Buildings，2012，46（1）：146-151.

［9］Geun Y Y，Hyoin K，Jeong T K.Effects of occupance and lighting use patterns on lighting evergy consumption［J］.Energy and Buildings，2012，46（1）：152-158.

［10］Lee S J，Lee M W，Hoon K.Decision of lighting power density for office building lighting ［J］.Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers，2012，26（1）：22-28.

［11］Friedrich L，Jean-Louis S.Minimizing lighting power density in office rooms equipped with anidolic daylighting systems ［J］.Solar Energy，2010，84（4）：587-595.

［12］Menezes A C，Cripps A，Buswell R A.Estimating the energy consumption and power demand of small power equipment in office buildings［J］.Energy and Buildings，2014，75（1）：199-209.

［13］Joseph C L，Danny H W.Electricity consumption characteristics in shopping malls in subtropical climates［J］.Energy Conversion ＆ Management，2003，44：1391-1398.

［14］Yun G Y，Steemers K.Time-dependent occupant behaviour models of window control in summer ［J］.Building and Environment，2008，43（9）：1471-1482.

［15］Menezesa A C，Crippsa A，Buswellb R A，et al.Estimating the energy consumption and power demand of small power equipment in office buildings ［J］.Energy and Buildings，2014，75（7）：199-209.

［16］Masoso O T，Grobler L J.The dark side of occupants’behavior on building energy use ［J］.Energy and Buildings，2010，42（1）：173-177.

（編輯王秀玲）