建筑節(jié)能診斷技術(shù)研究文獻綜述

李紅擴 李 剛 邵明磊

1.同圓設(shè)計集團有限公司

2.華東建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

社會的進步與經(jīng)濟的繁榮，與能源的發(fā)展變革是密不可分的。經(jīng)濟的發(fā)展往往要以消耗煤炭等能源為代價。若以目前的開采速度繼續(xù)消耗能源而不加以控制，地球上的煤炭資源將在200年內(nèi)消耗殆盡，其它礦物燃料也將出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況[1]。自從上世紀90年代以來，國內(nèi)經(jīng)濟平穩(wěn)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)加快助力了建筑行業(yè)飛速發(fā)展[3]，但同時也帶來了巨大的能源消耗，據(jù)統(tǒng)計，2010年到2016年，中國的建筑能耗總量大幅增長了255．62%。2016-2018年，中國建筑總能耗達到了9．06億tce，占全年社會能源消費總量的15%。培養(yǎng)綠色發(fā)展的意識，鼓勵全社會參與，促進生產(chǎn)和消費模式轉(zhuǎn)變，推動生態(tài)文明建設(shè)是一個國家的長遠大計，關(guān)系社會的進步和民族未來[2]。

我國的建筑能耗是巨大的且不斷增長的，主要是我國節(jié)能科技相對落后，能源利用效率普遍低下引起的，所以提高節(jié)能科技水平和能源利用效率是我國當前急需解決的問題。近幾年隨著我國節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，單項建筑節(jié)能技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，接下來最主要的任務(wù)是將理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用中[3]。

本文針對目前我國能源利用率較低、建筑能耗較高的現(xiàn)狀，查閱相關(guān)文獻以及研究成果，了解建筑節(jié)能改造技術(shù)最新的研究狀況，發(fā)現(xiàn)在建筑節(jié)能上一些新進展以及存在的問題，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更先進的技術(shù)指導(dǎo)，為建筑物達到綠色建筑標準提供參考。

1 建筑能耗及節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)途徑

1.1 建筑能耗

建筑能耗是指在建筑運行過程中產(chǎn)生的能源消耗，主要包括住宅、學(xué)校、商場、交通樞紐以及文體娛樂設(shè)施等，能源消耗的途徑主要有采暖、照明、烹飪以及空調(diào)等，這些途徑體現(xiàn)了為建筑物服務(wù)的功能。在這些功能中，采暖以及空調(diào)制冷占據(jù)了60%以上的消耗，照明產(chǎn)生的能耗約占20%，動力系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗約為10%。

1.2 建筑節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)途徑

減少建筑對于能源的需求量主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）提升能源利用率

提升能源的綜合利用率是降低建筑能耗的關(guān)鍵，這就不僅要求在建筑設(shè)計過程中采用更有效的采暖與制冷設(shè)備，更要通過減少室內(nèi)的冷熱負荷來實現(xiàn)減少能耗的目的。在使用能源管理以及監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)督的過程中還要關(guān)注空氣品質(zhì)以及能耗，以此來保證用戶生活品質(zhì)的同時降低能源需求。

2）提升終端用戶的能耗效率

提升終端用戶的能耗效率的措施較多，可以通過宣傳和推廣節(jié)能的電器設(shè)備與家電來幫助用戶養(yǎng)成良好的節(jié)電意識，從而降低能耗總量。另外，在開發(fā)過程中還可以通過選擇一些特殊的供暖供冷方式來降低能耗，包括熱泵系統(tǒng)、區(qū)域供熱供冷以及蓄能系統(tǒng)等，提升能耗的整體效率。

3）選擇合理的圍護結(jié)構(gòu)

選擇合理的圍護結(jié)構(gòu)與材質(zhì)是目前建筑節(jié)能設(shè)計中的關(guān)鍵，其主要是通過選擇熱舒適環(huán)境強的材料。綜合建筑現(xiàn)狀研究不難發(fā)現(xiàn)，盡管圍護結(jié)構(gòu)在整個建筑工程的成本控制中僅占到5%左右，但是其對于建筑的節(jié)能水平的影響卻高達60%。由此可見，選擇合理的密封材料、隔熱材料以及門窗與遮陽設(shè)施都具有重要的價值[4]。

使用新能源也是提升建筑節(jié)能效果的重要途徑。目前在建筑設(shè)計與施工過程中，應(yīng)用的新能源主要包括太陽能以及地熱能，還有一些工程使用太陽能吸收制冷技術(shù)，也取得了不錯的應(yīng)用效果。因地制宜地合理使用新能源不但可以綜合利用資源，同時也對降低居住成本提升經(jīng)濟性具有一定的幫助。

2 建筑節(jié)能研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2011年，Solvang W D[5]等人通過對查干哈達市辦公樓外墻、門窗、屋頂和供暖系統(tǒng)的改造，使得其用煤由50 kg/m2下降到23．8 kg/m2，每年節(jié)約原煤約26 t。改造后，辦公樓各區(qū)域的溫度分別上升了13～15℃。本項目充分利用現(xiàn)有建筑節(jié)能技術(shù)和當?shù)厣a(chǎn)的建筑節(jié)能材料。闡述了挪威的建筑節(jié)能理念，取得了三項成果：一是既保證嚴格的工作態(tài)度，又保證了熟練的操作；二是強調(diào)了示范效果；三是重視能力發(fā)展。

2012年，LI Gang[6]等人研究了極寒地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能改造的能耗模擬與分析，利用外墻隔熱，改變外窗，使用屋頂隔熱等措施提高極寒地區(qū)農(nóng)村住宅的室內(nèi)熱舒適度。模擬顯示，當外墻覆蓋40 mm保溫層時，節(jié)能率為原始方案的24．89%。但是，當保溫層厚度超過80 mm時，節(jié)能率增量趨勢更為明顯。使用屋頂保溫同樣可以降低能耗。與原能耗相比，節(jié)能率為21．3%。

2013年，Lee N E[7]等人在研究中，首先在建筑物內(nèi)安裝電表，以測量和管理現(xiàn)有建筑物的能耗。研究人員通過對現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)進行分析，確定了最終改進措施。他們應(yīng)用百葉窗和日光控制，節(jié)能高達7．8%，并將電費降低了約7 600萬韓元。

2018年，Alves T[8]等人建立了一個綜合性的框架來識別和分析現(xiàn)有建筑庫存的節(jié)能潛力。該方法包括確定參考建筑的過程、動態(tài)原型模型模擬、能耗基線估計、能源改造措施選擇和成本最優(yōu)路徑分析、節(jié)能方案的制訂和建筑存量節(jié)能潛力的估計六個基本步驟。他們通過使用該方法，發(fā)現(xiàn)在高層辦公樓中，成本節(jié)能效益高達24%。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

考慮到投資初期的資金問題，國內(nèi)現(xiàn)有的建筑絕大多數(shù)能耗都是偏高的，國內(nèi)的學(xué)者主要側(cè)重對樓宇的實際情況和遇到的問題提出具體改造技術(shù)，部分城市政府對于節(jié)能改造項目還會提供一定的政策補貼。

肖莉、古春曉[9]研究了既有建筑節(jié)能改造，總結(jié)了全國目前既有建筑節(jié)能改造現(xiàn)狀并作了評價。2012年底，我國北方的15個省份和新疆的建設(shè)兵團對于既有居住建筑節(jié)能改造項目非常重視，改造面積已達2．2億m2。北京、天津、吉林、山東、內(nèi)蒙古五個省份對既有居住建筑節(jié)能改造的面積已達8 969萬m2。夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能改造項目也都已經(jīng)啟動，預(yù)計其既有建筑節(jié)能改造面積可達1 200萬m2。

盧雙全[10]研究了建筑節(jié)能改造的外部性分析和現(xiàn)有的對于此項目的激勵政策，并闡述了既有建筑的節(jié)能改造是我們國家能源長期發(fā)展的保障，同時對環(huán)境保護也起到了很大作用，為我國建設(shè)節(jié)約型社會做出了偉大貢獻。本文主要是對建筑節(jié)能的外部性原理和具體方法措施進行了研究，提出了相關(guān)的經(jīng)濟激勵政策，也為建筑節(jié)能領(lǐng)域工作的開展提出了些許建議。

劉玉明[11]研究了德國、波蘭既有居住建筑節(jié)能改造的情況，并對其經(jīng)驗進行借鑒。他通過對德國和波蘭的既有居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的改造、熱計量收費政策改革和供熱計量控制系統(tǒng)改造進行對比分析，提出我國的既有居住建筑節(jié)能改造只有在政府的大力支持和引導(dǎo)下，同步協(xié)調(diào)發(fā)展既有居住建筑圍護結(jié)構(gòu)的改造、熱計量收費政策改革和供熱計量控制系統(tǒng)。

王清勤[12]研究了既有公共建筑節(jié)能改造的評價指標體系，他指出中國既有公共建筑的節(jié)能水平還有待提高。在分析探究國內(nèi)外對于既有建筑節(jié)能改造評價的有關(guān)研究和實際運用基礎(chǔ)上，結(jié)合我國既有公共建筑節(jié)能改造正在建設(shè)項目的實際情況，給出了既有公共建筑節(jié)能改造項目的評價理念，還對在這其中遵循的原則、方法和依據(jù)作了解釋。以既有公共建筑節(jié)能改造綜合評價指標體系的架構(gòu)與其量化方法作為側(cè)重點，為我國既有公共建筑節(jié)能改造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

周輝[13]研究了北方供暖地區(qū)的既有居住建筑節(jié)能改造的技術(shù)，簡單闡述了北方供暖地區(qū)進行既有居住建筑節(jié)能改造的重要性和意義。文章還比較了最近幾年來國內(nèi)外既有建筑的實際改造案例，深入分析我國北方既有居住建筑節(jié)能改造所運用的技術(shù)和碰到的問題。詳細地描述了節(jié)能改造各環(huán)節(jié)應(yīng)該遵循的基本要求，提出了節(jié)能改造的評估和診斷的具體方法，分析了節(jié)能改造中應(yīng)該運用的技術(shù)方案。

3 結(jié)合計算機技術(shù)進行建筑節(jié)能研究現(xiàn)狀

近幾年隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了應(yīng)用計算機深度計算結(jié)合暖通工程知識進行建筑能耗分析與節(jié)能診斷技術(shù)的研究。

建立用能數(shù)據(jù)預(yù)測模型可借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸、支持向量回歸和其他應(yīng)用學(xué)習算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是目前使用最廣泛的算法，常被用于預(yù)測各種類型的建筑能耗。ANN能夠隱式檢測輸入和輸出之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，這種特性使其可以應(yīng)用于冷暖負荷以及電力消耗實時監(jiān)控。然而，ANN未能在建筑物理參數(shù)與能耗之間建立互連關(guān)系，這又同時限制了模型在建筑構(gòu)件或系統(tǒng)發(fā)生變化時的擬合能力。多元線性回歸（MLR）則是一種可以模擬因變量和幾個自變量之間關(guān)系的算法。但它無法處理非線性問題的特性導(dǎo)致其可否應(yīng)用于短期預(yù)測仍有待研究。支持向量回歸（SVR）的概念源于高維特征空間中線性回歸函數(shù)的計算，其中輸入數(shù)據(jù)通過非線性函數(shù)進行映射到高維空間中，使得在低維空間中分布雜亂無章的數(shù)據(jù)點在高維空間中變得線性可分，在線性可分的優(yōu)化過程中，保證了訓(xùn)練誤差最小化。另外，與MLR和ANN相比，在預(yù)測精度和計算速度之間提供了更好的平衡。但該方法的局限性在于核函數(shù)的確定，沒有統(tǒng)一的標準來確定哪個內(nèi)核將產(chǎn)生最準確的SVR，因此研究人員必須根據(jù)數(shù)據(jù)的特征以及他們自己的經(jīng)驗來選取內(nèi)核函數(shù)。其他方法包括分類樹方法、遺傳算法等，這些方法大多難以獨立使用，需要結(jié)合上述其它算法融合使用，好處是可以規(guī)避單一算法存在的固有缺陷。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

Vangelis Marinakis[14]等人提出一種建筑自動化和控制工具，用于遠程和實時監(jiān)控建筑領(lǐng)域的能耗。而且，該工具還集成了控制方案，可最大限度地降低能耗，并在最高程度上合理化能源使用。

Kaytez等人[15]使用回歸分析，ANN和SVM預(yù)測三種模型對土耳其的電力能耗進行預(yù)測。他們使用1970年至2009年的記錄數(shù)據(jù)，將總發(fā)電量、裝機容量、總用戶數(shù)和人口用作輸入，總耗電量作為輸出，對結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)LS-SVM的測試結(jié)果的MAPE為1．004%，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為1．19%，統(tǒng)計回歸分析模型為3．34%。

Ogcu等人[16]使用ANN和SVM預(yù)測土耳其的電力消耗。他們利用兩年的月度電能消耗數(shù)據(jù)來開發(fā)模型，ANN和SVM用于測試數(shù)據(jù)集的MAPE分別為3．9%和3．3%。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

Peng Xu等人[17]用傅立葉級數(shù)回歸模型預(yù)測建筑物空調(diào)系統(tǒng)與非空調(diào)系統(tǒng)的能耗，并在上海檔案館進行實測，將實測值與預(yù)測值用變異系數(shù)CV和MRE進行評價，發(fā)現(xiàn)最大CV和MRE分別僅為8．651%和8．508%，預(yù)測結(jié)果比較精確。

Wang．H等人介紹了一種對建筑物能源性能進行診斷的方法[18]，將建筑物空調(diào)系統(tǒng)分為冷卻/采暖/過渡季節(jié)，引入三層錯誤輸出（I/II/III高/低）反映能耗嚴重性，運用基準測試模型對上海檔案館進行診斷。診斷形式采用每周/每日診斷相結(jié)合，找出輸出等級為三級的部件，分析原因，加以改進。

香港理工大學(xué)團隊利用通過監(jiān)督學(xué)習與非監(jiān)督學(xué)習算法交叉使用的方法，與建筑實際的使用規(guī)律、建筑的系統(tǒng)與設(shè)備特性結(jié)合，對建筑能耗的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行挖掘，并識別出建筑能耗的異常值，實現(xiàn)建筑性能診斷與優(yōu)化［19-21］。

江航等人[22]采用SA-DBSCAN算法根據(jù)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性自適應(yīng)識別建筑能耗模式，利用C4．5算法構(gòu)建能耗模式判定樹，依據(jù)判定樹得到實時能耗數(shù)據(jù)的相應(yīng)類別后使用LOF算法進行離群分析檢測異常,結(jié)果表明該方法能有效檢測異常能耗數(shù)據(jù)并逐步擬合高校建筑能耗環(huán)境的變化來減少誤判。

4 結(jié)語

建筑節(jié)能工作的開展不僅是當前國家發(fā)展與建設(shè)階段的客觀需要，更是在氣候變化和保護環(huán)境雙重約束下的必然選擇。本文立足于建筑節(jié)能的相關(guān)文獻調(diào)研現(xiàn)狀，先從建筑節(jié)能政策制定方面分析建筑節(jié)能大環(huán)境，接下來充分汲取國內(nèi)外建筑節(jié)能改造的先進經(jīng)驗，最后從近幾年蓬勃興起的計算機技術(shù)尋找與建筑節(jié)能技術(shù)的結(jié)合點，將計算機模擬與實踐經(jīng)驗充分融合，對建筑節(jié)能相關(guān)技術(shù)作了深入分析與全面總結(jié)。從建筑節(jié)能定性化向建筑節(jié)能定量化發(fā)展的趨勢進行闡述，對推動建筑節(jié)能的發(fā)展具有一定的參考作用。同時，本文也希望能夠為我國綜合能源利用效率的普遍提升提供新的思路，為行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)設(shè)條件。