李 沁，李百戰(zhàn)，丁 勇

（重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045）

建筑領域一直都是全世界能源消耗的主要領域。有學者指出，中國2010年建筑總能耗占到全國能源消耗總量的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，其用能特點受到了廣泛的關注［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］，是不可忽略的一項用能。

目前中國《公共建筑節(jié)能設計標準》中針對照明及插座能耗的預測方式為照明密度、電器設備密度結合逐時使用率來計算，但并沒有對辦公建筑進行分類考慮。而對辦公建筑的人員密度、照明密度和設備用電密度進行了大量的研究［6－12］，但對逐時使用率的研究較少。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間并沒有分開討論［14］。因辦公類型和辦公人員作息規(guī)律的差異會導致電耗曲線差異明顯［15－16］。因此可根據(jù)電耗逐時使用率的差異進行分類討論。

為了研究大型辦公建筑的照明與插座系統(tǒng)用能的逐時使用率，本文通過對重慶市公共建筑監(jiān)測平臺上的17棟大型辦公建筑在2012年全年各小時的電耗數(shù)據(jù)進行研究。通過統(tǒng)計計算得到各辦公建筑的照明及插座系統(tǒng)的典型逐時使用率，再根據(jù)典型逐時使用率的不同，運用系統(tǒng)聚類法將辦公建筑進行分類。

1 辦公建筑用能特性分析

從重慶市公共建筑監(jiān)測平臺上選取的17棟大型辦公建筑的基本情況及2012年電耗如表1。其中照明及插座設備是指建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設備用電的總稱。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)用電逐時使用率

在實際運行中，建筑大部分時間都處于部分負荷下運行。這主要是因為大型辦公建筑內(nèi)的用電設備并不同時運行，即使同時運行，也并不會都同時達到額定容量。對于不同能耗水平的建筑，不便于進行比較，因此采用逐時使用率對比建筑的實際運行水平。不同時刻用電設備的使用率與在室人員的概率正相關，人員在室率越大，用電設備使用的概率越大，即該時刻的用電使用率越大。

由于實際條件的限制，無法獲得重慶市公共建筑各用能系統(tǒng)的設計容量。因此通過提取各個樣本建筑的照明及插座系統(tǒng)在2012年的全年小時用能的最大值代替設計總容量。建筑照明及插座系統(tǒng)用能的逐時使用率計算如式（1）。

第i小時逐時使用率（Pt）＝

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

圖1 大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)典型日逐時使用率

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，在分類的過程中，人們不必事先給出一個分類的標準，聚類分析能夠從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，自動進行分類。

各樣本大型辦公建筑的典型日逐時使用率曲線的聚類分析步驟如下：

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

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算各因子之間的距離，類間平均距離法計算樣本建筑間距離，可形成距離矩陣D2。其中，n為類的個數(shù)。類間平均距離法計算

3）找出前一步求得的矩陣D2中的最小元素，設它是和間的距離，將和兩類合并成一類，于是產(chǎn)生新的聚類，，…，令n＝n－1。表示將計算所得距離最近的兩個建筑合并為一類，形成n－1＝16類。再計算新產(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)上述步驟的計算結果，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)出聚類的全過程，它把類間的最大距離算作相對距離25，其余距離均換算成與之相比的相對距離大小。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)電耗的逐時使用率聚類譜系圖

6）確定最佳聚類個數(shù)，得到最終聚類結果。對照明及插座系統(tǒng)的逐時使用率進行聚類時，主要是想通過聚類分析的方法，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)的方法主要來自方差分析的思路，兩類合并時距離系數(shù)變化率越大說明這兩類越不應該合并。從表2中看出當聚類個數(shù)從3類合并為2類時，距離系數(shù)變化最大且大于前面相鄰步驟變化，因此認為不應該從3類聚為2類，最佳聚類個數(shù)取3較為合理。在聚類譜系圖中畫1條豎線與3條橫線相交，這3條對應的就是聚為的ABC3類，如圖2。

表2 聚類過程中類別間距離系數(shù)

根據(jù)逐時使用率數(shù)據(jù)點，繪制A、B、C類建筑的典型逐時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，該時段使用率的均值作為平直線取值。而對于上班和下班時段，人員在室率變化很大，一般認為人員到達率服從泊松分布。但由于上班和下班時段較短，為簡化模型，用斜直線代替表示該時段的用電使用率，將夜間和日間的使用率均值作為斜線的首尾點。其中B類建筑在日間時段由于午休，辦公人員離開辦公室會關閉一部分用電設備，因此在13：00逐時使用率有所下降。

圖3 A類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時使用率曲線

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

在上班時段，辦公人員陸續(xù)進入建筑，照明設備和辦公電器設備大量開啟，人員在室率升高，逐時使用率急速上升。

圖4 B類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時使用率曲線

圖5 C類建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時使用率曲線

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

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

根據(jù)3類建筑在4個時段的照明及插座系統(tǒng)逐時使用率情況的分析，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，應分為A類。如在夜間基本不加班，而辦公人員在午休時會關閉部分用電設備，應分為B類，否則分為C類。

圖6 建筑分類判斷思路

為了應用便捷，根據(jù)3類大型辦公建筑照明及插座系統(tǒng)的典型逐時使用率曲線，得到一天24 h的典型逐時使用率（如表3）。對于大型辦公建筑進行節(jié)能改造后的節(jié)能量計算時，可直接查表得到逐時使用率，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)的典型逐時使用率時刻

根據(jù)表3的結果，可以判斷3類辦公建筑在下一步進行節(jié)能改造或者節(jié)能運行管理時的重點對象。對于節(jié)能管理而言，應加強夜間時段用電設備的管理，關閉部分不必要的用電設備；對于A和C兩類型建筑應在午休時關閉部分用電設備。對于節(jié)能改造而言，對于日間用電負荷率相近但用電水平差異大的建筑，應針對用能水平高的建筑進行節(jié)能改造，換用能效更高的用電設備。

4 結 論

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

1）基于層次聚類分析方法，建立了對照明及插座系統(tǒng)的用電逐時使用率進行快速分類的方法。根據(jù)聚類步驟之間距離系數(shù)變化率來判斷最佳聚類個數(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）通過對3類辦公建筑的典型逐時使用率進行研究，認為分類結果能有效反映照明及插座系統(tǒng)的用能特點。而應用該方法對更大樣本量建筑進行分類同樣適用，且方便快捷。

3）得到待評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)的典型逐時使用率表，可供預測辦公建筑的的照明及插座系統(tǒng)電耗時快速查詢，也可以用于辦公建筑照明及插座系統(tǒng)改造后的節(jié)能量計算。

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

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（編輯王秀玲）