李思燕 羅清海 高瑞霞 謝勇

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

有研究表明，從建筑全生命周期來(lái)看，運(yùn)行使用階段的建筑能耗占總建筑能耗的80%～90%，施工和拆除僅占10%～20%[1]。對(duì)于居住建筑而言，運(yùn)行階段的能耗主要為居民居住期間為滿(mǎn)足生活需求而使用建筑而產(chǎn)生的能耗，主要包括用水、用電、用燃?xì)獾?。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平的提高，衡陽(yáng)市近幾年的總家庭用水量逐年增加。根據(jù)《衡陽(yáng)統(tǒng)計(jì)年鑒2019》，2018 年自來(lái)水供水總量為17093.8 萬(wàn)m3，其中家庭總用水量為6659.2 萬(wàn)m3，占比達(dá)39%。在家庭用水方面，除了對(duì)水資源的消耗以外，加熱冷水的能耗也占相當(dāng)一部分比重，有調(diào)查統(tǒng)計(jì)熱水能耗占住宅總能耗的12%[2]。因此，本文對(duì)家庭用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，旨在一定程度上為家庭節(jié)水節(jié)能提供一定程度上的參考。并結(jié)合實(shí)地調(diào)研，對(duì)家庭用水節(jié)水提出幾點(diǎn)建議。

1 灰色預(yù)測(cè)模型原理

灰色系統(tǒng)理論是由我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授于1982年提出的一種解決具有較高灰性或不確定性貧信息問(wèn)題的新方法，到目前為止已經(jīng)發(fā)展成一套比較成熟的系統(tǒng)理論?；疑A(yù)測(cè)方法通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理和灰色模型的建立，挖掘、發(fā)現(xiàn)、掌握系統(tǒng)演化規(guī)律，對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)做出科學(xué)的定量預(yù)測(cè)[3]?；疑A(yù)測(cè)模型相比其他預(yù)測(cè)模型而言具有建模數(shù)據(jù)少、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：用水量預(yù)測(cè)[4]、電力需求預(yù)測(cè)[5]、煤炭消費(fèi)量預(yù)測(cè)[6]、沉降預(yù)測(cè)[7]等。在灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型中，GM(1,1)模型的使用十分廣泛。本文將建立新陳代謝GM(1,1)模型對(duì)衡陽(yáng)市未來(lái)3 年的總家庭用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.1 均值GM(1,1)模型

均值GM(1,1)模型的建模原理如下：

1）設(shè)有原始序列X(0)=(x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n))，對(duì)其進(jìn)行一次累加計(jì)算，則X(0)的1-AGO 序列為：X(1)=(x(1)(1)，x(1)(2)，…，x(1)(n))。通過(guò)一次累加，可以使沒(méi)有規(guī)律性的原始數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)規(guī)律性。

2）對(duì)序列X(1)施以緊鄰均值生成算子，緊鄰均值生成序列記為Z=(z(2)，z(3)，…，z(n))。其中z(k)=0.5x(k)+0.5x(k-1)，k=2，3，…，n。

1.2 新陳代謝GM(1,1)模型

將GM(1,1)模型的預(yù)測(cè)值x(0)(n+1)置入X(0)同時(shí)去掉老信息x(0)(1)，形成的新序列X(0)=(x(0)(2)，…，x(0)(n)，x(0)(n+1))。以此新序列建立的模型稱(chēng)為新陳代謝GM(1,1)模型。不斷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新陳代謝，就能依次得到新陳代謝GM(1,1)模型的預(yù)測(cè)值。隨著系統(tǒng)的不斷發(fā)展，老信息在系統(tǒng)中的作用逐漸減弱，及時(shí)去掉老信息能使建模序列更符合當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行特征。相比傳統(tǒng)的GM(1,1)模型，能使預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確。同時(shí)引入了緩沖算子，優(yōu)化原始數(shù)據(jù)，提高模型精度。

1.3 模型檢驗(yàn)

灰色系統(tǒng)模型的檢驗(yàn)通常采用：殘差檢驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)以及后驗(yàn)差檢驗(yàn)。一般情況下，殘差檢驗(yàn)是最常用的檢驗(yàn)指標(biāo)。下文對(duì)于模型精度的檢驗(yàn)也將采用殘差檢驗(yàn)。常用的精度等級(jí)表見(jiàn)表1。

表1 精度檢驗(yàn)等級(jí)參照表

2 衡陽(yáng)市總家庭用水量模擬

家庭用水跟人們生活息息相關(guān)，且戶(hù)與戶(hù)之間有時(shí)相差懸殊，有較大的節(jié)水潛力。如果能夠?qū)彝ビ盟窟M(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，了解家庭用水量的發(fā)展趨勢(shì)，相信能夠一定程度上為家庭用水節(jié)水提供一定參考意義。目前，對(duì)于用水量的預(yù)測(cè)方法[8-11]中：指標(biāo)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸分析法、灰色預(yù)測(cè)法等都是常用的預(yù)測(cè)方法。

影響家庭用水量的干擾因素有常住人口、收入情況、教育水平、節(jié)水理念、水價(jià)等，符合灰色系統(tǒng)理論“部分信息已知、部分信息未知”的不確定性系統(tǒng)概念。在各種影響因素中，以常住人口為例，其可能因?yàn)楣ぷ鳌W(xué)習(xí)等原因發(fā)生變化變成不確定的量。因此家庭用水量可以看成一個(gè)“部分信息明確、部分信息不明確”的灰色系統(tǒng)。有研究表明[12]：對(duì)于GM(1,1)模型而言，樣本越小，模型效果越好。一般情況下，采用4 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GM(1,1)建模較好。因此本次模擬收集了衡陽(yáng)市2014-2018 總家庭用水量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源：衡陽(yáng)統(tǒng)計(jì)年鑒2015-2019），見(jiàn)圖1。由圖可知，數(shù)據(jù)平滑度較好，呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)規(guī)律，因此可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

圖1 2014-2018 年衡陽(yáng)市總家庭用水量

2.1 均值GM(1,1)模擬

以2014-2017 年的用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行GM (1,1)建模，以2019 年的數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)照組。對(duì)原始序列進(jìn)行直接GM(1,1)建模。根據(jù)上文建模步驟進(jìn)行建模，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字，計(jì)算結(jié)果具體如表2所示。

表2 均值GM(1,1)模擬結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果得，均值GM (1,1) 的平均相對(duì)誤差Δ=0.316%<1%，對(duì)照精度檢驗(yàn)等級(jí)參照表可知精度等級(jí)為一級(jí)，精度等級(jí)高，可以用來(lái)預(yù)測(cè)。使用該模型預(yù)測(cè)2019 年總家庭用水量，得到數(shù)據(jù)為7041.984 萬(wàn)m3。將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與2019 年實(shí)際用水?dāng)?shù)據(jù)6926 萬(wàn)m3對(duì)比可得預(yù)測(cè)誤差為1.67%，偏差較小。因此均值GM(1,1)可以作為新陳代謝GM(1,1)的基礎(chǔ)模型，用來(lái)對(duì)衡陽(yáng)市未來(lái)家庭用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 新陳代謝GM(1,1)模擬分析

在以2015-2018 總家庭用水量數(shù)據(jù)建立的GM(1,1)模型上，加入2019 用水量數(shù)據(jù)同時(shí)剔除2015 年的用水量數(shù)據(jù)，對(duì)得到新序列進(jìn)行建模。此時(shí)建立的模型為新信息GM(1,1)，模擬結(jié)果如表3 所示。計(jì)算得平均相對(duì)誤差Δ=0.316%<1%屬于一級(jí)精確度，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

表3 新信息GM(1,1)模擬結(jié)果

以該模型作為基礎(chǔ)模型對(duì)2020-2022 年衡陽(yáng)市總家庭用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在數(shù)據(jù)序列中加入2020 年的預(yù)測(cè)值同時(shí)去掉2016 年作用數(shù)據(jù)，得到2021 年的預(yù)測(cè)值。如此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新陳代謝，來(lái)得到后一年的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表4 所示。但必須要明確的是，灰色預(yù)測(cè)模型是基于對(duì)數(shù)據(jù)本身規(guī)律的挖掘，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)離最新數(shù)據(jù)越遠(yuǎn)其預(yù)測(cè)效果越差，即預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)越少其預(yù)測(cè)結(jié)果越可靠。最優(yōu)做法為以2016-2019 年的數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)2020 年的用水量，當(dāng)2020 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布后，再以2017-2020 年的數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)2021 年的用水量，依次不斷更新數(shù)據(jù)庫(kù)，摒棄老信息，能夠得到比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。

表4 2020-2022 總家庭用水量預(yù)測(cè)值

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，從2020 年到2022 年的總家庭用水量呈現(xiàn)出逐年增高的趨勢(shì)，至2022 年總家庭用水量將達(dá)到8057.299 萬(wàn)m3。這也意味著如果不采取任何節(jié)水措施，衡陽(yáng)市家庭用水量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)增長(zhǎng)。

3 居民家庭用水調(diào)查與節(jié)水建議

3.1 居民家庭月用水量調(diào)查

就月用水量對(duì)衡陽(yáng)市某一小區(qū)7 號(hào)樓進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如圖2，由圖可知同一棟樓的月用水量存在較大差異。2019 年12 月，7 號(hào)樓用戶(hù)最高月用水量為35 m3而最低用戶(hù)月用水量?jī)H為2 m3，該棟樓平均戶(hù)用水量為12.8 m3。由此可見(jiàn)，對(duì)于家庭用水而言，其存在巨大的節(jié)能潛力。

圖2 某小區(qū)7 號(hào)樓用戶(hù)月用水量/m3

通過(guò)對(duì)一些住戶(hù)的訪(fǎng)談了解到，大部分人在生活中沒(méi)有節(jié)水習(xí)慣，用水模式以方便自己為主，不太考慮自身行為是否節(jié)水節(jié)能。比如洗水果時(shí)會(huì)直接打開(kāi)水龍頭沖洗而不是用盆子接水洗。當(dāng)問(wèn)及是否對(duì)用水節(jié)能采取措施時(shí)，部分人表示會(huì)購(gòu)買(mǎi)節(jié)水型用水器具，極少人會(huì)對(duì)家庭用水二次利用。不過(guò)大部分人表示自己愿意接受節(jié)能教育。

3.2 居民家庭節(jié)水建議

Lutzenhiser&Bender[13]研究發(fā)現(xiàn)能源使用的39%取決于人的行為，因此在節(jié)水節(jié)能這條道路上切不可忽略“人”的作用。然而，國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn)集中在“技術(shù)節(jié)能”，現(xiàn)狀令人堪憂(yōu)。以下從三個(gè)方面給出一些居民家庭用水的小建議。

從政府層面出發(fā)，政府作為人民的領(lǐng)導(dǎo)者具有一定的權(quán)威性，能夠起到很好的模范帶頭作用。從居民的切身利益著手，讓居民實(shí)實(shí)在在能感受到家庭節(jié)能所能帶來(lái)的好處。由政府提出家庭節(jié)能的倡議，同時(shí)完善經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，如通過(guò)成立專(zhuān)項(xiàng)基金獎(jiǎng)勵(lì)節(jié)水效果顯著的家庭。另一方面，繼續(xù)實(shí)行階梯水價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)提高基礎(chǔ)水價(jià)、拉開(kāi)階梯水價(jià)差距。

從開(kāi)發(fā)商層面，除了要加快節(jié)水產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)還應(yīng)該加大推廣力度。在推廣產(chǎn)品時(shí)不應(yīng)只向人們強(qiáng)調(diào)節(jié)能性能的好壞還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品的正確使用方面。有研究表明家庭能源中有很大一部分能源的消耗是因?yàn)椴徽_的使用設(shè)備。宣講產(chǎn)品時(shí)不能泛泛而談，最好結(jié)合實(shí)際案例，用真實(shí)數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)。讓消費(fèi)者通過(guò)案例感受到節(jié)水節(jié)能產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，看到自己投下的資金能在一段時(shí)間以后得到回報(bào)。

從居民自身層面出發(fā)，要積極主動(dòng)培養(yǎng)節(jié)水節(jié)能意識(shí)，改正不當(dāng)?shù)挠盟?xí)慣。居民的節(jié)能意識(shí)是激發(fā)節(jié)能行為的內(nèi)驅(qū)力。如果說(shuō)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施的影響是短暫的，那么基于居民自身內(nèi)驅(qū)力的節(jié)能行為則是穩(wěn)定持續(xù)的。具備節(jié)能意識(shí)以后，隨手關(guān)水龍頭、用臉盤(pán)接水用、廢水二次利用等將成為居民家庭“新常態(tài)”。

3 結(jié)論

1）通過(guò)2014-2017 年衡陽(yáng)市家庭用水量數(shù)據(jù)對(duì)GM(1,1)模型進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，結(jié)果表明均值GM(1,1)模擬精度高，預(yù)測(cè)結(jié)果偏差極小。在此基礎(chǔ)上，使用新陳代謝GM(1,1)模型對(duì)衡陽(yáng)市未來(lái)3 年的用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2020、2021、2022 年的家庭用水量分別為7319.234、7655.177、8057.299 萬(wàn)m3。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，未來(lái)幾年衡陽(yáng)市家庭用水量將持續(xù)上升。

2）通過(guò)對(duì)衡陽(yáng)市某小區(qū)7 號(hào)樓的月家庭用水量調(diào)查分析，得出了居民家庭用水存在巨大的節(jié)水節(jié)能潛力。

3）分別從政府層面、開(kāi)發(fā)商層面和居民自身層面出發(fā)提出了幾點(diǎn)有利于節(jié)水節(jié)能的建議。