大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)電耗逐時(shí)使用率聚類(lèi)分析

摘要：

逐時(shí)使用率對(duì)于預(yù)測(cè)辦公建筑照明與插座系統(tǒng)電耗，以及核定節(jié)能改造的節(jié)能量有十分重要的意義。選取重慶17幢辦公建筑作為研究對(duì)象，根據(jù)建筑全年逐時(shí)照明與插座系統(tǒng)的實(shí)測(cè)電耗數(shù)據(jù)，計(jì)算各建筑全年每個(gè)工作日24 h的逐時(shí)使用率。利用聚類(lèi)分析方法，根據(jù)日逐時(shí)使用率的不同，將辦公建筑快速分為3類(lèi)。根據(jù)是否經(jīng)常加班以及午休時(shí)是否關(guān)閉部分用電設(shè)備，可以快速判斷辦公建筑屬于哪一分類(lèi)。最后對(duì)3類(lèi)建筑分時(shí)段計(jì)算典型逐時(shí)使用率，便于實(shí)際應(yīng)用中快速查詢。

關(guān)鍵詞：

辦公建筑；聚類(lèi)分析；逐時(shí)使用率；能耗特征；照明能耗；能耗分析

中圖分類(lèi)號(hào)：

TU113.65

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2014）05-0089-06

Cluster Analysis of Hourly Usage Ratio of Lighting and Equipments Energy Use in Office Buildings

Li Qin， Li Baizhan， Ding Yong

（Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering， Chongqing University，Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：

The hourly usage ratio is very important for lighting and equipment energy predicting of office buildings and energy saving calculation of energy efficient retrofit. 17 office buildings in Chongqing were selected to calculate daily usage ratio by using whole-year electrical consumption data of lighting and equipments energy system. According to the different hourly usage ratio， office buildings have been categorized into two main types by using cluster analysis method. Then， the typical hourly usage ratios of two types of office buildings were calculated.

Key words：

office building； cluster analysis； hourly usage ratio； energy consumption performance； lighting energy； energy profile

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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)法將辦公建筑進(jìn)行分類(lèi)。

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(chēng)。17建筑的單位面積年總電耗22.64～157.29 kWh/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 kWh/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%。

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）。

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。

3 大型辦公建筑聚類(lèi)分析

選用層次聚類(lèi)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(lèi)分析是一種探索性的分析，在分類(lèi)的過(guò)程中，人們不必事先給出一個(gè)分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，聚類(lèi)分析能夠從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，自動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)。

各樣本大型辦公建筑的典型日逐時(shí)使用率曲線的聚類(lèi)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D2中的最小元素，設(shè)它是G（k）i和G（k）j間的距離，將G（k）i和G（k）j兩類(lèi)合并成一類(lèi)，于是產(chǎn)生新的聚類(lèi)G（k+1）1，G（k+1）2，…，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(lèi)，形成n-1=16類(lèi)。再計(jì)算新產(chǎn)生的類(lèi)別與其他類(lèi)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(lèi)為止。

5）根據(jù)上述步驟的計(jì)算結(jié)果，得到聚類(lèi)譜系圖。辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)電耗的聚類(lèi)譜系圖如圖2。聚類(lèi)譜系圖以直觀的方式表現(xiàn)出聚類(lèi)的全過(guò)程，它把類(lèi)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(lèi)別的合并，而直線段的長(zhǎng)短可表示類(lèi)別之間的距離。

6）確定最佳聚類(lèi)個(gè)數(shù)，得到最終聚類(lèi)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(lèi)時(shí)，主要是想通過(guò)聚類(lèi)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(lèi)數(shù)。判定最佳分類(lèi)數(shù)的方法主要來(lái)自方差分析的思路，兩類(lèi)合并時(shí)距離系數(shù)變化率越大說(shuō)明這兩類(lèi)越不應(yīng)該合并。從表2中看出當(dāng)聚類(lèi)個(gè)數(shù)從3類(lèi)合并為2類(lèi)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(lèi)聚為2類(lèi)，最佳聚類(lèi)個(gè)數(shù)取3較為合理。在聚類(lèi)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(lèi)，如圖2。

根據(jù)逐時(shí)使用率數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制A、B、C類(lèi)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(lèi)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。

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。

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(lèi)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(lèi)建筑下班時(shí)段后移，使用率逐時(shí)下降較緩，說(shuō)明該類(lèi)辦公建筑在夜間常有加班。

根據(jù)3類(lèi)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(lèi)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(lèi)。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(lèi)，否則分為C類(lèi)。

根據(jù)表3的結(jié)果，可以判斷3類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)。得到以下結(jié)論：

1）基于層次聚類(lèi)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(lèi)的方法。根據(jù)聚類(lèi)步驟之間距離系數(shù)變化率來(lái)判斷最佳聚類(lèi)個(gè)數(shù)，最佳聚類(lèi)數(shù)為幾，就表明樣本建筑中有幾類(lèi)典型特征曲線。

2）通過(guò)對(duì)3類(lèi)辦公建筑的典型逐時(shí)使用率進(jìn)行研究，認(rèn)為分類(lèi)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(lèi)同樣適用，且方便快捷。

3）得到待評(píng)辦公建筑快速分類(lèi)判斷思路，得到各類(lèi)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(lèi)型的公共建筑。參考文獻(xiàn)：

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