王凌宇, 董飛翔

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710061)

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數(shù)據(jù)挖掘技術在建筑能耗分析中的應用*

王凌宇, 董飛翔

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710061)

介紹了建筑能耗分析中常用的計算機模擬計算法和簡化計算法,提出將數(shù)據(jù)挖掘技術應用于建筑能耗分析中。闡述了數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)組成、過程、功能,分析了數(shù)據(jù)挖掘技術在建筑能耗分析中的不同應用。提出數(shù)據(jù)挖掘技術以專注數(shù)據(jù)的角度處理問題,應用一般圍繞特定的主題進行,在建筑節(jié)能領域具有廣闊的應用前景。

建筑能耗分析; 數(shù)據(jù)挖掘技術; 計算機模擬計算法; 簡化計算法

王凌宇(1992—),男,研究方向為建筑電氣智能化。

0 引 言

我國現(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)達國家高出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。預計到2020年,我國建筑總面積高達700億m2。為了保證我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,須對建筑能耗進行監(jiān)控。

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

1 現(xiàn)有建筑的能耗分析方法

目前國內外建筑能耗模擬分析方法主要是計算機模擬計算法(動態(tài)計算)和簡化計算方法(靜態(tài)計算)。

1.1 計算機模擬計算法

計算機模擬計算法是一種建立在動態(tài)負荷計算基礎上較精確的方法,如狀態(tài)空間方法、房間熱平衡法、房間權重系數(shù)法等,都是其中的基本方法。根據(jù)精確的數(shù)學模型來對建筑熱過程進行數(shù)學模擬,計算出任意變化氣象條件下的逐時負荷,然后進行全年疊加。要實現(xiàn)計算機模擬方式,首先建立建筑熱過程的動態(tài)模型,然后再進行全年或某時段的模擬。能耗分析依據(jù)建筑空調能耗體系,可以分為空氣處理系統(tǒng)模型、負荷模型和裝置設備模型，分別模擬空氣處理系統(tǒng)的熱動力特性、建筑結構的熱工特性以及負荷對一次能源轉換裝置的能量需要的數(shù)學關系，如美國加州大學以NELAP程序為負荷計算核心的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)學模型,但由于所有的模擬都是在事先設定的理想?yún)?shù)下進行的,因此不能反映建筑實際運行狀態(tài)下的能耗狀況;且由于評價工具(軟件)對專業(yè)領域知識要求比較高,建筑的實際使用者或業(yè)主、物業(yè)管理人員無法了解房屋能耗狀況,應用受到很大局限。

1.2 簡化計算方法

簡化計算方法是以瞬時最大設計條件下的全熱損失為依據(jù),進行建筑空調長期運行能耗估算,主要利用手冊進行估算,主要方法包括度日法、負荷頻率法、當量滿負荷運行時間法、溫頻法等。簡化計算方法雖然易于實現(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,該分析方法無需太多的專家知識和繁雜的公式計算,從專注數(shù)據(jù)的角度處理問題,在建筑節(jié)能領域具有廣闊的應用前景[1-3]。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術在建筑能耗分析中的應用

2.1 辦公建筑的耗能分布情況

大型公共建筑的用能設備系統(tǒng)通常包括空調、采暖、電梯、照明、給排水等多個系統(tǒng)。公共建筑所使用的能源種類根據(jù)建筑用能設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,動力、設備、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?中央空調系統(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

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用知識的過程。這些數(shù)據(jù)可以存放在數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中,也可以在其他各種信息庫中。數(shù)據(jù)挖掘要將挖掘出的知識用一種直觀易理解的方式展示。因此,挖掘知識的過程復雜,需要人機交互,反復調整,逐步實現(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、數(shù)據(jù)倉庫或其他信息庫,如圖2所示。通常需要對數(shù)據(jù)對象使用數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)集成操作進行初步的處理。

圖2 數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)組成

(1) 數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫服務器。根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)挖掘請求,服務器負責提取相關的數(shù)據(jù)。

(2) 知識庫。用于存放數(shù)據(jù)挖掘所需要的專業(yè)知識,用于指導搜索、評估結果模式的興趣度,幫助挖掘結果的評估。

(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,用于關聯(lián)、分類、特征化、聚類分析以及演變和偏差分析等任務。

(4) 模式評估模塊。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)挖掘模塊有機結合,取決于所使用的具體挖掘算法。

(5) 圖形用戶界面。在用戶和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)之間通信,允許用戶與系統(tǒng)交互,指定數(shù)據(jù)挖掘查詢,提供揭示信息,幫助搜索聚焦。此外,允許用戶瀏覽數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫模式或數(shù)據(jù)結構,評估挖掘的模式,以不同的形式對模式可視化。

2.2.2 數(shù)據(jù)挖掘的過程

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關的無用數(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)轉換。為易于進行挖掘工作,將數(shù)據(jù)轉換為某種特定形式。

(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或規(guī)律。

(5) 模式評估。設定評估標準,評估挖掘出的模式或知識。

(6) 知識表示。以直觀易懂的方式,向用戶展示挖掘結果。

2.2.3 數(shù)據(jù)挖掘的功能

數(shù)據(jù)挖掘主要通過不同的數(shù)據(jù)分析方法,對未來趨勢及行為進行預測,然后做出基于知識、前瞻的決策,其主要目標是從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)隱含的、有意義的知識。數(shù)據(jù)挖掘方法主要包括關聯(lián)規(guī)則、分類與預測、聚類分析、孤立點分析、趨勢分析等分析方法[4]。

基于數(shù)據(jù)挖掘技術的公共建筑能耗分析模型包括能耗監(jiān)測模型、能耗預測模型和能耗評價模型,分別用于建筑物日常能耗異常檢測、預知未來一段時間的能耗值和評估建筑物耗能程度。

3 數(shù)據(jù)挖掘應用于建筑能耗分析

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

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

(2) 基準評價。通過基準評價,建筑業(yè)主或管理者可以了解建筑運行情況,對比建筑與其他類似建筑的能源消耗差異,如果發(fā)現(xiàn)目標建筑比其他同類建筑能耗高,可以采取措施,降低能耗;在建筑設計階段、建筑改造階段以及在對建筑目標進行單獨能源或多重能源審計時,基準評價可以評價建筑設計以及擬采取的節(jié)能措施是否合理。一般運用關聯(lián)規(guī)則進行公共建筑能耗的基準評價,對樣本建筑生成關聯(lián)規(guī)則,然后將這些規(guī)則應用于待評價的目標建筑,從而對目標建筑的能耗狀況進行評價。

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

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術在公共建筑能耗分析領域的深入研究與發(fā)展,還可以根據(jù)需要繼續(xù)增加新的主題。不過,通常的情況是很難從模型得出直接的結論,更多得到的是對目標問題多側面的描述,同時還可能存在無關或冗余的模式。這需要結合業(yè)務問題和公共建筑能耗分析的需求,總結規(guī)律性,提供合理的決策支持信息。

4 結 語

介紹了數(shù)據(jù)挖掘技術在建筑能耗分析中的應用,包括能耗預測、基準評價、運行優(yōu)化等應用主題,可使建筑能耗分析變得更加便捷、精確,在對建筑能耗評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用研究[D].北京:重慶大學,2010.

[2] 王娜,沈國民.智能建筑概論[M].北京:中國建筑工業(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)挖掘技術在上海市商用建筑信息數(shù)據(jù)庫總的應用[J].暖通空調,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)建設廳科學技術計劃項目(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,研究方向為建筑智能化。