張艷玲/山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

綠色大學(xué)綜合節(jié)能系統(tǒng)

張艷玲/山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

綠色大學(xué)是在日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題的背景下生態(tài)文明和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展理念之于校園的必然結(jié)果。高校作為國(guó)家軟實(shí)力建設(shè)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(huì)價(jià)值。積極探索和深化高校能源改革、構(gòu)建綠色大學(xué)是一項(xiàng)迫切的任務(wù)。本文以山東協(xié)和學(xué)院的面板數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)依據(jù)，設(shè)計(jì)出一套綠色大學(xué)的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出了將模型融入到指標(biāo)檢測(cè)中的新的模式，從而達(dá)到了對(duì)校區(qū)整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確持續(xù)的動(dòng)態(tài)評(píng)估及改善的目的。實(shí)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(yīng)用意義。

綠色大學(xué)；建筑模型；能源優(yōu)化

20世紀(jì)末，面對(duì)“全球日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題以及全球性“綠色運(yùn)動(dòng)”的廣泛展開，高等教育機(jī)構(gòu)、特別是大學(xué)在全球、區(qū)域和國(guó)家環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展中應(yīng)承擔(dān)什么職責(zé)? ”這樣的問(wèn)題，綠色大學(xué)的概念應(yīng)運(yùn)而生。綠色大學(xué)是指在學(xué)校辦學(xué)及校園設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理中遵循科學(xué)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(hù)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)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]?！熬G色大學(xué)”，顧名思義，綠色的大學(xué)，但這里的“綠色”指代“可持續(xù)”，即可持續(xù)發(fā)展的大學(xué)[2]。在能源環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，“綠色大學(xué)”被賦予了更豐富的內(nèi)涵，從總體的要求看，在綠色大學(xué)當(dāng)中，不僅要有足夠的環(huán)境教育教學(xué)資源，開設(shè)環(huán)境科學(xué)、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等課程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行熱愛(ài)自然、保護(hù)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(xué)更是一種大學(xué)模式或辦學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，包括辦學(xué)理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和思維方式等一系列的轉(zhuǎn)變，是一種系統(tǒng)的大學(xué)綠色教育[3][4]。

綠色大學(xué)與傳統(tǒng)大學(xué)不同，基本職能是培養(yǎng)具有環(huán)境（保護(hù)）和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)與具有可持續(xù)發(fā)展社會(huì)建設(shè)能力的人才，為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供智力支持[5]。綠色大學(xué)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)大學(xué)的辦學(xué)思想與理念，將環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展納入到辦學(xué)目標(biāo)中，同時(shí)也轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和模式[6]。

目前大力推進(jìn)的“綠色大學(xué)”建設(shè)，成為名副其實(shí)的綠色校園建設(shè)，我國(guó)許多高校正紛紛開展建設(shè)節(jié)約型校園的工作，積極創(chuàng)建“綠色大學(xué)”，為此，低碳節(jié)約成為其在校園建設(shè)、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(xué)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(yīng)，設(shè)計(jì)出一套相應(yīng)的綠色大學(xué)的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出將模型融入到指標(biāo)檢測(cè)中，從而對(duì)校區(qū)系統(tǒng)重要性進(jìn)行準(zhǔn)確持續(xù)的動(dòng)態(tài)評(píng)估改善。

1.高校能源現(xiàn)狀和模型構(gòu)建

1.1 高校能耗現(xiàn)狀

在當(dāng)前能源緊張，國(guó)際金融危機(jī)對(duì)實(shí)體經(jīng)濟(jì)帶來(lái)沖擊的大背景、大環(huán)境下，高校理應(yīng)成為推動(dòng)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的重要力量。高校校園擁有大量的建筑存量，是社會(huì)組成的一部分，也是社會(huì)能耗的大戶[8]。我國(guó)大學(xué)數(shù)量近2000余所，在校生人數(shù)達(dá)2300多萬(wàn)，占全國(guó)人口的4.4％，消費(fèi)著社會(huì)總能源的8％；根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部門的有關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(jì)的全國(guó)45所高校中人均年用水量是145.2噸，是全國(guó)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(biāo)準(zhǔn)煤，是全國(guó)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(xué)校園蘊(yùn)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(shí)也是節(jié)能技術(shù)研究開發(fā)的重要基地，在國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)中，責(zé)任很大，任務(wù)也很重。近年來(lái)，全國(guó)各高校在建設(shè)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(yàn)，取得了一定的成效，但與我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的指標(biāo)相比，有很大的差距，高校能源消費(fèi)方面存在的浪費(fèi)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(shè)施量大面廣，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，能源管理水平低，嚴(yán)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(xué)綜合節(jié)能系統(tǒng)模型

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是山東協(xié)和學(xué)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(diǎn)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(duì)大學(xué)能源進(jìn)行優(yōu)化利用，對(duì)達(dá)到能源動(dòng)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(xué)校園能源系統(tǒng)是一個(gè)具有中、長(zhǎng)期能源的需求系統(tǒng)，大學(xué)校園能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解決好能源調(diào)度問(wèn)題需要從整體出發(fā)，建立問(wèn)題模型，統(tǒng)籌規(guī)劃，優(yōu)化調(diào)度。校園綜合節(jié)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)校園節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)籌技術(shù)、管理技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的核心。根據(jù)校園日常生活活動(dòng)的規(guī)律性，針對(duì)校園系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能源浪費(fèi)問(wèn)題，進(jìn)行過(guò)程能量?jī)?yōu)化和能源重調(diào)度。

1.2.1 系統(tǒng)建模分析。

校園綜合節(jié)能系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，具有非線性、強(qiáng)耦合、大延時(shí)的特點(diǎn)。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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將得到的優(yōu)化參數(shù)作為控制系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)，指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到目標(biāo)最優(yōu)。

整個(gè)建模過(guò)程中，我們采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)校園綜合節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以充分利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理非線性問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，避免數(shù)值分析計(jì)算量過(guò)大，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，建立精確完善需要充分了解機(jī)理等缺點(diǎn)。我們使用了前向網(wǎng)絡(luò)中算法最成熟使用最頻繁的BP網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 BP網(wǎng)絡(luò)建模。

校園綜合節(jié)能系統(tǒng)建立了一個(gè)加動(dòng)量項(xiàng)的9輸入5輸出的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置隱含層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為45，此處節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的設(shè)置是通過(guò)試湊法得出，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中x1～x9為模型的九個(gè)輸入量為水、電、燃?xì)狻⑿畔⑾到y(tǒng)、校園網(wǎng)絡(luò)、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(luò)結(jié)構(gòu)建模

連接權(quán)值W，V的初始值用歸一化的隨機(jī)數(shù)設(shè)定，根據(jù)規(guī)則我們對(duì)校園水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗進(jìn)行訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在訓(xùn)練周期達(dá)到90次以后，網(wǎng)絡(luò)基本穩(wěn)定。

2.模型評(píng)估和優(yōu)化

2.1 遺傳算法簡(jiǎn)介

遺傳算法(GA)是模擬生物自然進(jìn)化的過(guò)程的一種人工智能算法。模擬了生物通過(guò)遺傳、變異和選擇，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)一步步進(jìn)化和發(fā)展過(guò)程。這一思想來(lái)源于達(dá)爾文的進(jìn)化論和近代的基因理論。遺傳算法的本質(zhì)是一種基于概率搜索的計(jì)算機(jī)尋優(yōu)，利用編碼技術(shù)和一定的算法來(lái)模擬優(yōu)化過(guò)程。遺傳算法以選擇、復(fù)制、交叉、變異這些基因操作為模型，把相應(yīng)的算子加到染色體上，依據(jù)適應(yīng)性的大小保留優(yōu)良品質(zhì)，同時(shí)組合成新的染色體。隨著操作的不斷進(jìn)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(gè)種群不斷進(jìn)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(duì)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(yùn)作的情況下，調(diào)整校園用能系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)，使校園耗能最少。F為為優(yōu)化目標(biāo)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(quán)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?jī)蓚€(gè)量互相影響表示三個(gè)以上變量相互影響是參數(shù)控制項(xiàng)。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(gè)值相互關(guān)聯(lián)，相互影響取值大小。根據(jù)所建模型的9個(gè)輸入(校園耗能系統(tǒng)的大小）是已知的，而其他參數(shù)可進(jìn)行調(diào)整，將模型的輸出的5個(gè)變量作為優(yōu)化參量。定義優(yōu)化目標(biāo)為

其中

我們規(guī)定原來(lái)系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)A、B、C、D、E都取值為1，群體大小為80，終止進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)耗能取最小值時(shí)，得到權(quán)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(fèi)，因此，需要我們綜合節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，校園綜合節(jié)能的潛力很大。

3.實(shí)踐數(shù)據(jù)

針對(duì)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(shí)際水、電、氣、單位面積能耗和生均能耗等與校園水、電、燃?xì)?、信息系統(tǒng)、校園網(wǎng)絡(luò)、一卡通系統(tǒng)、能源管理、車輛管理和餐具清洗有關(guān)，根據(jù)建模優(yōu)化及仿真的分析與總結(jié)得出校園用水系統(tǒng)、用電系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、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(xiàng)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(diào)整表

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山東協(xié)和學(xué)院的面板數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析，設(shè)計(jì)出一套相應(yīng)的綠色大學(xué)的綜合節(jié)能系統(tǒng)模型，并提出將模型融入到指標(biāo)檢測(cè)中，對(duì)校區(qū)整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確持續(xù)的動(dòng)態(tài)評(píng)估改善。

創(chuàng)建節(jié)約型校園，興建綠色大學(xué)，有利于營(yíng)造節(jié)儉、環(huán)保的育人環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)約美德、環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，以盡可能小的資源消耗獲取更好的辦學(xué)效益，使高校在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，促進(jìn)整個(gè)社會(huì)和諧的、可持續(xù)的發(fā)展。

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