數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的應(yīng)用*

王凌宇, 董飛翔

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710061)

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數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的應(yīng)用*

王凌宇, 董飛翔

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710061)

介紹了建筑能耗分析中常用的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法和簡(jiǎn)化計(jì)算法,提出將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于建筑能耗分析中。闡述了數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)組成、過(guò)程、功能,分析了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的不同應(yīng)用。提出數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以專(zhuān)注數(shù)據(jù)的角度處理問(wèn)題,應(yīng)用一般圍繞特定的主題進(jìn)行,在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

建筑能耗分析; 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù); 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法; 簡(jiǎn)化計(jì)算法

王凌宇(1992—),男,研究方向?yàn)榻ㄖ姎庵悄芑?/p>

0 引 言

我國(guó)現(xiàn)有的建筑(近400億m2)基本上都是高耗能建筑,單位面積能耗要比相同氣候條件的發(fā)達(dá)國(guó)家高出2～3倍。大型公共建筑占地5億m2左右,每年的耗電量為70～300 kWh/m2,是普通建筑的10～20倍。目前,我國(guó)每年新建建筑面積近20億m2,其中95%以上仍是高耗能建筑。預(yù)計(jì)到2020年,我國(guó)建筑總面積高達(dá)700億m2。為了保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,須對(duì)建筑能耗進(jìn)行監(jiān)控。

本文介紹了現(xiàn)有建筑的能耗分析方法,重點(diǎn)分析了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有建筑的能耗分析方法

目前國(guó)內(nèi)外建筑能耗模擬分析方法主要是計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法(動(dòng)態(tài)計(jì)算)和簡(jiǎn)化計(jì)算方法(靜態(tài)計(jì)算)。

1.1 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法

計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法是一種建立在動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算基礎(chǔ)上較精確的方法,如狀態(tài)空間方法、房間熱平衡法、房間權(quán)重系數(shù)法等,都是其中的基本方法。根據(jù)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)建筑熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬,計(jì)算出任意變化氣象條件下的逐時(shí)負(fù)荷,然后進(jìn)行全年疊加。要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬方式,首先建立建筑熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型,然后再進(jìn)行全年或某時(shí)段的模擬。能耗分析依據(jù)建筑空調(diào)能耗體系,可以分為空氣處理系統(tǒng)模型、負(fù)荷模型和裝置設(shè)備模型，分別模擬空氣處理系統(tǒng)的熱動(dòng)力特性、建筑結(jié)構(gòu)的熱工特性以及負(fù)荷對(duì)一次能源轉(zhuǎn)換裝置的能量需要的數(shù)學(xué)關(guān)系，如美國(guó)加州大學(xué)以NELAP程序?yàn)樨?fù)荷計(jì)算核心的DOE建筑能耗分析程序,日本HASP/ACLD 8501 和 HSAP/ACCS/8502 能量模擬程序。

該方法需要建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,但由于所有的模擬都是在事先設(shè)定的理想?yún)?shù)下進(jìn)行的,因此不能反映建筑實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的能耗狀況;且由于評(píng)價(jià)工具(軟件)對(duì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)要求比較高,建筑的實(shí)際使用者或業(yè)主、物業(yè)管理人員無(wú)法了解房屋能耗狀況,應(yīng)用受到很大局限。

1.2 簡(jiǎn)化計(jì)算方法

簡(jiǎn)化計(jì)算方法是以瞬時(shí)最大設(shè)計(jì)條件下的全熱損失為依據(jù),進(jìn)行建筑空調(diào)長(zhǎng)期運(yùn)行能耗估算,主要利用手冊(cè)進(jìn)行估算,主要方法包括度日法、負(fù)荷頻率法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法、溫頻法等。簡(jiǎn)化計(jì)算方法雖然易于實(shí)現(xiàn),但是精度較差。

本文介紹了一種新模式的能耗分析方法,即基于數(shù)據(jù)挖掘的建筑能耗分析方法。相較傳統(tǒng)的建筑能耗分析方法,該分析方法無(wú)需太多的專(zhuān)家知識(shí)和繁雜的公式計(jì)算,從專(zhuān)注數(shù)據(jù)的角度處理問(wèn)題,在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的應(yīng)用

2.1 辦公建筑的耗能分布情況

大型公共建筑的用能設(shè)備系統(tǒng)通常包括空調(diào)、采暖、電梯、照明、給排水等多個(gè)系統(tǒng)。公共建筑所使用的能源種類(lèi)根據(jù)建筑用能設(shè)備的不同而有所差別,一般使用電能,少量使用煤、天然氣等能源。在公共建筑的全年能耗中,動(dòng)力、設(shè)備、照明等系統(tǒng)的耗電量基本穩(wěn)定。一般公共建筑能耗分布情況如圖1所示?？梢?jiàn),中央空調(diào)系統(tǒng)能耗占很大比重,一般占建筑總能耗的 40%～60%。

圖1 一般公共建筑能耗分布情況

2.2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用知識(shí)的過(guò)程。這些數(shù)據(jù)可以存放在數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中,也可以在其他各種信息庫(kù)中。數(shù)據(jù)挖掘要將挖掘出的知識(shí)用一種直觀易理解的方式展示。因此,挖掘知識(shí)的過(guò)程復(fù)雜,需要人機(jī)交互,反復(fù)調(diào)整,逐步實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)組成

典型的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)或其他信息庫(kù),如圖2所示。通常需要對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象使用數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)集成操作進(jìn)行初步的處理。

圖2 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)組成

(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器。根據(jù)用戶(hù)的數(shù)據(jù)挖掘請(qǐng)求,服務(wù)器負(fù)責(zé)提取相關(guān)的數(shù)據(jù)。

(2) 知識(shí)庫(kù)。用于存放數(shù)據(jù)挖掘所需要的專(zhuān)業(yè)知識(shí),用于指導(dǎo)搜索、評(píng)估結(jié)果模式的興趣度,幫助挖掘結(jié)果的評(píng)估。

(3) 數(shù)據(jù)挖掘引擎。數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的基本部分,由一組數(shù)據(jù)挖掘模塊組成,用于關(guān)聯(lián)、分類(lèi)、特征化、聚類(lèi)分析以及演變和偏差分析等任務(wù)。

(4) 模式評(píng)估模塊。通常使用興趣度度量,協(xié)助數(shù)據(jù)挖掘模塊挖掘更有意義的數(shù)據(jù)。該模塊能否與數(shù)據(jù)挖掘模塊有機(jī)結(jié)合,取決于所使用的具體挖掘算法。

(5) 圖形用戶(hù)界面。在用戶(hù)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)之間通信,允許用戶(hù)與系統(tǒng)交互,指定數(shù)據(jù)挖掘查詢(xún),提供揭示信息,幫助搜索聚焦。此外,允許用戶(hù)瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模式或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),評(píng)估挖掘的模式,以不同的形式對(duì)模式可視化。

2.2.2 數(shù)據(jù)挖掘的過(guò)程

數(shù)據(jù)挖掘的主要步驟如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)挖掘的主要步驟

(1) 數(shù)據(jù)清洗。清除數(shù)據(jù)中的噪聲以及與主題無(wú)關(guān)的無(wú)用數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)集成。去除各數(shù)據(jù)源的差異性,將數(shù)據(jù)組合在一起。

(3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為易于進(jìn)行挖掘工作,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為某種特定形式。

(4) 數(shù)據(jù)挖掘?；静襟E也是核心步驟,主要是使用各種智能方法挖掘出有用的知識(shí)或規(guī)律。

(5) 模式評(píng)估。設(shè)定評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估挖掘出的模式或知識(shí)。

(6) 知識(shí)表示。以直觀易懂的方式,向用戶(hù)展示挖掘結(jié)果。

2.2.3 數(shù)據(jù)挖掘的功能

數(shù)據(jù)挖掘主要通過(guò)不同的數(shù)據(jù)分析方法,對(duì)未來(lái)趨勢(shì)及行為進(jìn)行預(yù)測(cè),然后做出基于知識(shí)、前瞻的決策,其主要目標(biāo)是從數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)隱含的、有意義的知識(shí)。數(shù)據(jù)挖掘方法主要包括關(guān)聯(lián)規(guī)則、分類(lèi)與預(yù)測(cè)、聚類(lèi)分析、孤立點(diǎn)分析、趨勢(shì)分析等分析方法[4]。

基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的公共建筑能耗分析模型包括能耗監(jiān)測(cè)模型、能耗預(yù)測(cè)模型和能耗評(píng)價(jià)模型,分別用于建筑物日常能耗異常檢測(cè)、預(yù)知未來(lái)一段時(shí)間的能耗值和評(píng)估建筑物耗能程度。

3 數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用于建筑能耗分析

從數(shù)據(jù)挖掘角度看,公共建筑能耗領(lǐng)域不同于商業(yè)數(shù)據(jù)分析的顯著特點(diǎn)是,公共建筑所受到的不確定因素干擾遠(yuǎn)小于商業(yè)建筑,能耗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的規(guī)律性更強(qiáng)。數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用一般圍繞特定的數(shù)據(jù)主題進(jìn)行,公共建筑能耗數(shù)據(jù)挖掘可以應(yīng)用的主題有以下幾個(gè)方面。

(1) 能耗預(yù)測(cè)。公共建筑能耗與建筑類(lèi)型、建筑面積、辦公比例、商業(yè)比例、賓館比例、玻璃傳熱系數(shù)、冷源裝機(jī)容量等因素有關(guān),可以使用分類(lèi)或回歸分析的方法建立能耗預(yù)測(cè)模型。同時(shí),建筑能耗是時(shí)間上連續(xù)的變量,因此建筑能耗的影響因素具有時(shí)序性,為時(shí)間的函數(shù),故可以采用時(shí)間序列法研究建筑能耗自身變化過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)。

(2) 基準(zhǔn)評(píng)價(jià)。通過(guò)基準(zhǔn)評(píng)價(jià),建筑業(yè)主或管理者可以了解建筑運(yùn)行情況,對(duì)比建筑與其他類(lèi)似建筑的能源消耗差異,如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)建筑比其他同類(lèi)建筑能耗高,可以采取措施,降低能耗;在建筑設(shè)計(jì)階段、建筑改造階段以及在對(duì)建筑目標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)能源或多重能源審計(jì)時(shí),基準(zhǔn)評(píng)價(jià)可以評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)以及擬采取的節(jié)能措施是否合理。一般運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行公共建筑能耗的基準(zhǔn)評(píng)價(jià),對(duì)樣本建筑生成關(guān)聯(lián)規(guī)則,然后將這些規(guī)則應(yīng)用于待評(píng)價(jià)的目標(biāo)建筑,從而對(duì)目標(biāo)建筑的能耗狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3) 運(yùn)行優(yōu)化。公共建筑運(yùn)行能耗的高低很大程度上取決于設(shè)備運(yùn)行管理、維護(hù)水平。公共建筑用能設(shè)備系統(tǒng)可以細(xì)分為暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、插座設(shè)備等用能子系統(tǒng),可以運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘各子系統(tǒng)之間的關(guān)系,也可采用聚類(lèi)挖掘出不同的運(yùn)行模式,從而為節(jié)能決策提供支持[5]。

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在公共建筑能耗分析領(lǐng)域的深入研究與發(fā)展,還可以根據(jù)需要繼續(xù)增加新的主題。不過(guò),通常的情況是很難從模型得出直接的結(jié)論,更多得到的是對(duì)目標(biāo)問(wèn)題多側(cè)面的描述,同時(shí)還可能存在無(wú)關(guān)或冗余的模式。這需要結(jié)合業(yè)務(wù)問(wèn)題和公共建筑能耗分析的需求,總結(jié)規(guī)律性,提供合理的決策支持信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在建筑能耗分析中的應(yīng)用,包括能耗預(yù)測(cè)、基準(zhǔn)評(píng)價(jià)、運(yùn)行優(yōu)化等應(yīng)用主題,可使建筑能耗分析變得更加便捷、精確,在對(duì)建筑能耗評(píng)估與控制中起到重要作用。

[1] 劉文鳳.數(shù)據(jù)挖掘在公共建筑能耗分析中的應(yīng)用研究[D].北京:重慶大學(xué),2010.

[2] 王娜,沈國(guó)民.智能建筑概論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010

[3] JUNG K T,YOON S M,MOON HYEUN-JUN,et al.A study on building energy consumption pattern analysis using data mining[J].Journal of the KIEAE,2012,2(12):77-82.

[4] YU Z,HAGHIGHTAT F,FUNG C M,et al.A decision tree method for building energy demand modeling[J].Energy and Buildings,2010,42:1637-1646.

[5] 鄭曉衛(wèi).數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在上海市商用建筑信息數(shù)據(jù)庫(kù)總的應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2008,38(4):35-38.

Application of Data Mining Technology in Building Energy Consumption Analysis

WANG Lingyu,DONG Feixiang

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

This paper introduced the computer simulation calculation method and simplified calculation method which have been used in building energy consumption analysis,and put forward a new concept,which uses the data mining technology to analyze the building energy consumption.The system composition,process and function of data mining were elaborated.The different application areas of data mining technology in building energy consumption analysis were analyzed.The data mining technology deals with the problems from data perspective,and its applications generally revolve around specific themes,which has an extensive prospect in the building energy-saving field.

building energy consumption analysis; data mining technology; computer simulation calculation method; simplified calculation method

陜西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014-R24)

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0025-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.008

2016-10-08

董飛翔(1993—),男,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>