綠色大學綜合節(jié)能系統(tǒng)

張艷玲/山東協(xié)和學院機電工程學院

綠色大學綜合節(jié)能系統(tǒng)

張艷玲/山東協(xié)和學院機電工程學院

綠色大學是在日益嚴重的環(huán)境問題的背景下生態(tài)文明和社會可持續(xù)發(fā)展理念之于校園的必然結果。高校作為國家軟實力建設的主體，生態(tài)現(xiàn)代化文化的傳承體和創(chuàng)新體，具有巨大的人文社會價值。積極探索和深化高校能源改革、構建綠色大學是一項迫切的任務。本文以山東協(xié)和學院的面板數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)依據(jù)，設計出一套綠色大學的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出了將模型融入到指標檢測中的新的模式，從而達到了對校區(qū)整個節(jié)能系統(tǒng)進行準確持續(xù)的動態(tài)評估及改善的目的。實踐表明，該模型能夠有效的提升能源利用效率和改良局域氣候環(huán)境，具有重要的應用意義。

綠色大學；建筑模型；能源優(yōu)化

20世紀末，面對“全球日益嚴重的環(huán)境問題以及全球性“綠色運動”的廣泛展開，高等教育機構、特別是大學在全球、區(qū)域和國家環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展中應承擔什么職責? ”這樣的問題，綠色大學的概念應運而生。綠色大學是指在學校辦學及校園設施建設、運營管理中遵循科學發(fā)展觀，充分體現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材、環(huán)境保護建設及運營、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的管理思路和節(jié)約教育理念，形成良好節(jié)約型校園文化的校園[1]。“綠色大學”，顧名思義，綠色的大學，但這里的“綠色”指代“可持續(xù)”，即可持續(xù)發(fā)展的大學[2]。在能源環(huán)境問題日益嚴峻的今天，“綠色大學”被賦予了更豐富的內涵，從總體的要求看，在綠色大學當中，不僅要有足夠的環(huán)境教育教學資源，開設環(huán)境科學、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等課程，對學生進行熱愛自然、保護環(huán)境和節(jié)約資源的教育，也不僅是校園綠化和改變生活方式，綠色大學更是一種大學模式或辦學方式的轉變，包括辦學理念、教學目標、教學內容、教學方法和思維方式等一系列的轉變，是一種系統(tǒng)的大學綠色教育[3][4]。

綠色大學與傳統(tǒng)大學不同，基本職能是培養(yǎng)具有環(huán)境（保護）和可持續(xù)發(fā)展意識與具有可持續(xù)發(fā)展社會建設能力的人才，為社會可持續(xù)發(fā)展提供智力支持[5]。綠色大學轉變了傳統(tǒng)大學的辦學思想與理念，將環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展納入到辦學目標中，同時也轉變了傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)目標和模式[6]。

目前大力推進的“綠色大學”建設，成為名副其實的綠色校園建設，我國許多高校正紛紛開展建設節(jié)約型校園的工作，積極創(chuàng)建“綠色大學”，為此，低碳節(jié)約成為其在校園建設、管理、科研等方面秉承的重要理念[7]。為此，我們以山東協(xié)和學院的面板數(shù)據(jù)研究并分析了分布式能耗影響的門檻效應，設計出一套相應的綠色大學的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出將模型融入到指標檢測中，從而對校區(qū)系統(tǒng)重要性進行準確持續(xù)的動態(tài)評估改善。

1.高校能源現(xiàn)狀和模型構建

1.1 高校能耗現(xiàn)狀

在當前能源緊張，國際金融危機對實體經(jīng)濟帶來沖擊的大背景、大環(huán)境下，高校理應成為推動資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設的重要力量。高校校園擁有大量的建筑存量，是社會組成的一部分，也是社會能耗的大戶[8]。我國大學數(shù)量近2000余所，在校生人數(shù)達2300多萬，占全國人口的4.4％，消費著社會總能源的8％；根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部門的有關統(tǒng)計，高校的用能用水不但總量大，種類多，而且人均能耗也很高。在統(tǒng)計的全國45所高校中人均年用水量是145.2噸，是全國人均生活用水量的1.95倍，45所高校中人均年能耗量是0.775噸標準煤，是全國人均用能的4.32倍，從這些數(shù)據(jù)可以看出，高校人均年能耗特別高。也能夠看出大學校園蘊藏著的巨大的節(jié)能潛力。高校不僅是水、電、氣等能源的消耗大戶，同時也是節(jié)能技術研究開發(fā)的重要基地，在國家建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會中，責任很大，任務也很重。近年來，全國各高校在建設節(jié)約型校園方面做了許多積極的探索，也積累了許多很好的經(jīng)驗，取得了一定的成效，但與我國建設節(jié)約型社會的指標相比，有很大的差距，高校能源消費方面存在的浪費現(xiàn)象很普遍，節(jié)約用水、節(jié)約用電、節(jié)約用氣的潛力非常大。而校園設施量大面廣，基礎數(shù)據(jù)嚴重缺失，能源管理水平低，嚴重制約著校園節(jié)能工作深入持久地開展[9]。

1.2 綠色大學綜合節(jié)能系統(tǒng)模型

在整個實驗中，我們采用的是山東協(xié)和學院的面板數(shù)據(jù)，郭店校區(qū)作為大型公共建筑的重要組成部分之一，其特點是占地面積大，建筑物種類及數(shù)量多，搞好能源管理工作，對大學能源進行優(yōu)化利用，對達到能源動態(tài)平衡和優(yōu)化利用，節(jié)約能源，提高能源利用效率，有重要意義。

大學校園能源系統(tǒng)是一個具有中、長期能源的需求系統(tǒng)，大學校園能源系統(tǒng)結構復雜，解決好能源調度問題需要從整體出發(fā)，建立問題模型，統(tǒng)籌規(guī)劃，優(yōu)化調度。校園綜合節(jié)能系統(tǒng)是實現(xiàn)校園節(jié)能系統(tǒng)運籌技術、管理技術與優(yōu)化技術發(fā)展的核心。根據(jù)校園日常生活活動的規(guī)律性，針對校園系統(tǒng)運行過程中能源浪費問題，進行過程能量優(yōu)化和能源重調度。

1.2.1 系統(tǒng)建模分析。

校園綜合節(jié)能系統(tǒng)是個復雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，具有非線性、強耦合、大延時的特點。校園綜合節(jié)能系統(tǒng)建模的目的是為了依據(jù)所建模型，利用一定的方法對系統(tǒng)進行優(yōu)化，將得到的優(yōu)化參數(shù)作為控制系統(tǒng)的設定參數(shù)，指導系統(tǒng)優(yōu)化運行，達到目標最優(yōu)。

整個建模過程中，我們采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡建模，利用神經(jīng)網(wǎng)絡對校園綜合節(jié)能系統(tǒng)進行建模，可以充分利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢，發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡處理非線性問題的優(yōu)勢，避免數(shù)值分析計算量過大，耗時過長，建立精確完善需要充分了解機理等缺點。我們使用了前向網(wǎng)絡中算法最成熟使用最頻繁的BP網(wǎng)絡。

1.2.2 BP網(wǎng)絡建模。

校園綜合節(jié)能系統(tǒng)建立了一個加動量項的9輸入5輸出的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，設置隱含層的節(jié)點個數(shù)為45，此處節(jié)點個數(shù)的設置是通過試湊法得出，模型結構如圖1所示。其中x1～x9為模型的九個輸入量為水、電、燃氣、信息系統(tǒng)、校園網(wǎng)絡、一卡通系統(tǒng)、能源管理、車輛管理和餐具清洗，模型的輸出為水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡結構建模

連接權值W，V的初始值用歸一化的隨機數(shù)設定，根據(jù)規(guī)則我們對校園水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗進行訓練過程進行實驗，在訓練周期達到90次以后，網(wǎng)絡基本穩(wěn)定。

2.模型評估和優(yōu)化

2.1 遺傳算法簡介

遺傳算法(GA)是模擬生物自然進化的過程的一種人工智能算法。模擬了生物通過遺傳、變異和選擇，從簡單到復雜，從低級到高級一步步進化和發(fā)展過程。這一思想來源于達爾文的進化論和近代的基因理論。遺傳算法的本質是一種基于概率搜索的計算機尋優(yōu)，利用編碼技術和一定的算法來模擬優(yōu)化過程。遺傳算法以選擇、復制、交叉、變異這些基因操作為模型，把相應的算子加到染色體上，依據(jù)適應性的大小保留優(yōu)良品質，同時組合成新的染色體。隨著操作的不斷進行，好的特征逐漸得到保留和繼承，而差的特征則遭到淘汰。這樣，整個種群不斷進化并逐漸收斂于最優(yōu)解[10]。

2.2 系統(tǒng)的優(yōu)化

建模的目的是校園綜合節(jié)能系統(tǒng)為了對校園用能優(yōu)化，減少校園的開支。在保證校園系統(tǒng)正常運作的情況下，調整校園用能系統(tǒng)的可調參數(shù)，使校園耗能最少。F為為優(yōu)化目標函數(shù)，A 、B、C、D、E表示水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗的權重系數(shù)，η、θ、λ、ψ、φ為歸一化的輸出用水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗表示每兩個量互相影響表示三個以上變量相互影響是參數(shù)控制項。由于校園水、電、氣、單位面積能耗的使用情況相互影響，相互制約，所以A、B、C、D、E五個值相互關聯(lián)，相互影響取值大小。根據(jù)所建模型的9個輸入(校園耗能系統(tǒng)的大小）是已知的，而其他參數(shù)可進行調整，將模型的輸出的5個變量作為優(yōu)化參量。定義優(yōu)化目標為

其中

我們規(guī)定原來系統(tǒng)的權重系數(shù)A、B、C、D、E都取值為1，群體大小為80，終止進化代數(shù)為100，交叉概率為0.6，變異率為0.1。選取3組樣本輸入數(shù)據(jù)帶入模型進行優(yōu)化，當耗能取最小值時，得到權重系數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

由上表分析得到，我們校園的耗能系統(tǒng)存在很大的缺陷，造成很大一部分能源的浪費，因此，需要我們綜合節(jié)能系統(tǒng)進行優(yōu)化，校園綜合節(jié)能的潛力很大。

3.實踐數(shù)據(jù)

針對校園綜合節(jié)能系統(tǒng)模型的建立及優(yōu)化得到的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)校園實際水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗等與校園水、電、燃氣、信息系統(tǒng)、校園網(wǎng)絡、一卡通系統(tǒng)、能源管理、車輛管理和餐具清洗有關，根據(jù)建模優(yōu)化及仿真的分析與總結得出校園用水系統(tǒng)、用電系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡、一卡通系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、車輛管理和餐具清洗的參數(shù)控制項需要優(yōu)化。分析得出的參數(shù)優(yōu)化區(qū)間如表2所示。

表2 校園綜合耗能系統(tǒng)參數(shù)控制調整表

4.結束語

通過對山東協(xié)和學院的面板數(shù)據(jù)進行了研究分析，設計出一套相應的綠色大學的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出將模型融入到指標檢測中，對校區(qū)整個節(jié)能系統(tǒng)進行準確持續(xù)的動態(tài)評估改善。

創(chuàng)建節(jié)約型校園，興建綠色大學，有利于營造節(jié)儉、環(huán)保的育人環(huán)境，培養(yǎng)學生的節(jié)約美德、環(huán)保意識和社會責任感，以盡可能小的資源消耗獲取更好的辦學效益，使高校在建設節(jié)約型社會中發(fā)揮應有的作用，促進整個社會和諧的、可持續(xù)的發(fā)展。

[1]王軍, 舒莉.高職院校節(jié)約型校園建設中存在的問題及解決路徑分析[J].高校后勤研究, 2011 (3): 71-73.

[2]王民.綠色大學的定義與研究視角[J].環(huán)境保護, 2010 (12): 47-49.

[3]韓偉,劉利才.大學綠色教育探討[J].大慶師范學院學報,2009,01:146-150.

[4]高林飛.高等院校綠色教育研究[D].西安工業(yè)大學,2014.

[5]孫萍,劉釗.大學綠色教育的現(xiàn)狀與對策[J].中國高教研究,2000,11: 65-66.

[6]王海坡.綠色教育: 21 世紀大學教育發(fā)展的方向[J].石油大學學報: 社會科學版,2004,20(3): 98-101.

[7]王民.北京師范大學創(chuàng)建“綠色大學” 的建設理念與基本內容研究[J].海峽兩岸環(huán)境教育研討會論文集,2002.

[8]譚洪衛(wèi).高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設[J].建設科技,2010 (2): 15-19.

[9]譚洪衛(wèi),徐鈺琳,胡承益,等.全球氣候變化應對與我國高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管[J].建筑熱能通風空調,2010 (1): 36-40.

[10]玄光男, 程潤偉.遺傳算法與工程優(yōu)化[M].清華大學出版社有限公司,2004.