基于数据挖掘的建筑能效评价体系解决方案

基于数据挖掘的建筑能效评价体系解决方案汇报内容研究目标研究进度研究成果经费使用下一步工作计划1.1研究背景建筑能耗评价的目的定性：判断能耗高低是否值得做节能改造做节能改造的预计收益是多少定量：能耗差异是多少差在什么地方，每个区域、系统的能耗差多少，平均值是多少，目标值是多少存在能耗差异的原因是什么改进措施是什么评价诊断优化1.1研究背景建筑能耗评价的原则公平性普遍适用兼顾先进与公平合理性符合业主需求符合建筑的特点科学性基于科学方法确定1.2研究及应用现状1020306070800406080二次平均值：25.00kgce

m-2a-120平均值：28.73kgce

m-2a-1最小值：5.26

kgcem-2a-1最大值：85.88kgcem-2a-1中位值：26.24

kgce

m-2a-160%分位值：28.04

kgce

m-2a-1能耗密度(kgce

m-2a-1)40

50建筑样本不同建筑能耗差异很大单指标和多指标其他因素：气候，人员数，提供服务内容，服务强度等相关因素1.3建筑能耗评价的内涵B酒店能耗：

90kWh/m2/年入住率100%A酒店能耗：

80kWh/m2/年入住率50%VSVS评分系统以全国同类能效数据划分为1—100分来进行衡量，对能效情况进行相对比较。建筑物数量低能效建筑用能密度(kWh/m2.year)1255075

100高能效建筑评测得分1.4需求和信息量的矛盾数据的维度n和能评价的信息量m定性结论：是否节能相对位置的高低VS需要更多的数据量

用户更多的需求目标：针对当前各建筑由于服务质量和服务用能强度不一致而难以统一评价的技术难题，研究建立适用于各气候区的建筑能效评价方法体系，开发配套的综合能效评价软件和在线公共平台，实现对不同气候区、不同功能和不同规模建筑能效水平的统一评

价，促进建筑运行能效的全面提升以及建筑运行能耗的切实降低，实现建筑节能目标的不断提升。。1.5研究目标1.6子任务设置汇报内容研究目标研究进度研究成果经费使用下一步工作计划（1）建筑能效评价方法1套。建筑能效评价技术导则1份。在线公共建筑能效评价平台1个。建筑能效评价相关的软件著作权2项。 高水平科技论文10篇，其中SCI/EI检索论文至少1篇。 完成示范应用建筑面积不低于150万平方米，并形成示范应用报告培养研究生至少1名。发表1篇，4篇正在审查中初步确定一栋精品示范工程，有2栋建筑正在签署示范意向书完成了中外建筑运行能效评价方法比对评估完成了数据挖掘技术在建筑运行能效评价中的适用性研究确定了能耗评价方法正在调研、收集数据导则立项中完成平台基本构架2研究进展概况汇报内容研究目标研究进度研究成果经费使用下一步工作计划3.1国内外建筑能耗评价方法对比分析评价建筑能耗的高低工程计算模拟计算统计分析评价方法：系统计算末端计算定义基准参数建立模型添加系统参数动态模拟及检验数据统计数据分析确定能耗基准3.1国内外建筑能耗评价方法对比分析建筑总能耗或单位面积能耗内部用户能耗HVAC系统能耗其他用户能耗需求侧负荷系统效率外部冷负荷内部冷负荷冷机水泵风机建筑级别系统级别设备级别信息足够结束信息足够结束是否否是3.2评价方法-工程计算模拟模型模拟模型历史气象参数运行使用数据实际建筑理想建筑理想建筑物理参数及运行使用数据3.2评价方法-模拟计算一般用于建筑设计、优化、节能改造方案的制定统计计算方法：参数修正；线性回归；非线性回归；高斯回归；随机前沿分析；逼近理想解法；数据包络分析。评价方法：能耗限额；能耗基准模型。机器学习方法：人工神经网络；聚类分析；支持向量机；决策树；混合遗传算法。3.2评价方法-统计分析在建筑实际运行能耗的评价方面应用最为广泛。3.3数据挖掘方法应用场景对比分析3.3数据挖掘方法应用场景对比分析序号用途数据挖掘模式应用算法建筑范围样本数据样本量案例1建筑能耗预测/分析/诊断回归支持向量机单栋建筑逐时数据大量数据1聚类Chameleon算法、k-means算法单栋建筑逐时数据大量数据5分类神经网络、决策树单栋建筑逐时数据大量数据4回归多元回归单栋建筑逐时数据大量数据22建筑能效评价-简单统计分析，标准化处理多栋建筑逐年一定量1-数据包络分析多栋建筑逐年一定量4回归线性/非线性回归多栋建筑逐年/逐月数据一定量16回归随机前沿分析多栋建筑逐年一定量1回归神经网络多栋建筑逐年一定量1分类神经网络单栋建筑逐时数据大量数据13建筑舒适性分析分类决策树单栋建筑逐时数据大量数据14运行诊断关联Association

Rule

Mining/Apriori单栋建筑逐时数据大量数据2序号方法参考建筑类型建筑物的位置1简单标准化处理Lee和Priyadarsini（2008）办公建筑新加坡2线性/非线性回归Monts和Blissett（1982）学校美国3线性/非线性回归sharp（1996）办公建筑美国4线性/非线性回归Birtles和Grigg（1997）办公建筑英国5线性/非线性回归sharp（1998）学校美国6线性/非线性回归Bloyd等人（1999年）酒店美国7线性/非线性回归MacDonald和Livengood（2000）住宅美国8线性/非线性回归Westphal和Lamberts（2001）商业巴西9线性/非线性回归Olofsson等人（2005年）住宅瑞典10线性/非线性回归Chung等人（2006年）超市香港11线性/非线性回归Bohdanowicz和Mart（2007）酒店欧洲12线性/非线性回归Chung和Hui（2009）办公建筑香港13线性/非线性回归Wu等人（2010年）酒店新加坡14随机前沿分析Buck和Young（2007）商业加拿大15数据包络法Lee等人（2008）政府办公台湾16数据包络法lee等人（2009）政府办公台湾3.3数据挖掘方法应用场景对比分析-小结健身房、SPA、游泳池等酒店酒店建筑均是24小时运行，因此运行时间可无需考虑采暖面积、

厨房面积、

冷库数量、

冷库面积、

洗衣房面积等其它服务备餐量、客房数、入住率、工作人员数量等气象参数功能服务量HDD、CDD等要建立各位建筑的能耗评价模型，首先必须针对其功能和能耗特点，分析影响其建筑能耗高低的主要因素。3.4能耗评价模型的建立-影响因素初步分析大部分办公楼功能复杂，多为以办公为主的综合体。HDD、CDD等办公楼气象参数员工数量、运行时间、出租率等服务量采暖面积、

空调面积、

办公区面积、商业区面积、餐饮区面积、数据机房面积、地下车库面积等功能3.4能耗评价模型的建立-影响因素初步分析建筑群每栋建筑所担负的功能都不相同。医院建筑功能分类复杂。大多数建筑没有单独设置能耗计量装置。教学科研、试剂等医院医院建筑均是24小时运行，因此运行时间可无需考虑空调面积、

采暖面积、

诊疗区面积、生活用房面积、行政管理区面积等其他功能门诊人次、

急诊人次、

住院床日数、手术人次、

床位数、职工数等气象参数功能服务量HDD、CDD等3.4能耗评价模型的建立-影响因素初步分析3.5基于数据挖掘技术的建筑能效评价方法的核心思路建筑能效服务内容服务强度硬件条件软件条件建筑规模

用能人数入住率运行时间SPA

气候条件围护结构风机冷水机组照明灯具水泵电梯设定温度启停控制运行方式系统形式控制策略自控平台标准化参数节节节能能能诊潜措断力施3.6实施路径3.7研究方法和技术路线数据基础应用场景评价类型能效评价总能耗总能效评价比对结果分项能效评价各分项能耗占比各分项能耗敏感性分析、判断及建议分项能耗分项能效评价各分项能耗敏感性分析、判断及建议统一转化能源形式剔除异常点初步确定自变量曲线估计能耗比分布检验计算能耗比模型性能的比对和筛选初步建立模型计算得到分数查询表再次对模型性能进行比对和筛选确定最优模型计算得到分数查询表否3.8基于总能耗的能效评价模型开发流程参数初始化处理能耗比对模型能效评价模型是拟合分布曲线02000000400000060000008000000100000001200000014000000160000000全年总电耗量，kWh500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000总建筑面积，m2剔除异常点后的拟合线剔除异常点前的拟合线并不是调研得到的所有样本数据都适合参加数据分析：由于数据获取过程中可能产生的种种问题，导致数据出现的未知偏差，甚至产生错误样本中异常点的存在，虽然不属于错误数据，但该异常点与其他大部分样本相比有较大偏离，参与数据拟合分析后，对结果产生不利影响，这样的数据也应该删除。y=

51.866x0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000050000100000

150000

2000003.8基于总能耗的能效评价模型——样本的确定样本筛选原则：建筑定义的筛选原则：根据建筑的定义，对样本进行筛选，例如酒店建筑至少有一间客房等。建筑正常运营的筛选原则：建筑内运营参数的合理范围，例如人员密度、房间密度和建筑能耗密度的合理范围。数据分析的筛选原则：对关键性变量的要求，例如必须有建筑能耗数据、建筑总面积数据等。3.8基于总能耗的能效评价模型——样本的确定因变量：在选择因变量时，应根据具体分析结果，确定使用总能耗，单位面积能耗还是其他的能耗形式。自变量：建筑能耗的物理意义；各自变量对因变量的贡献及相关性分析；曲线估计确定自变量可能的具体形式；自变量间的交互作用；保留对因变量贡献较大的自变量，建立模型。3.8基于总能耗的能效评价模型——变量的确定建模方法：逐步回归逐个引入变量，每引入一个解释变量进行F检验，并对已经选入的解释变量逐个进行t检验，若已引入的解释变量因新引入的变量变得不再显著时，则将其删除。反复进行直到既没有显著的解释变量选入回归方程，也没用不显著的解释变量从回归方程中剔除为止。逐步回归建模可以通过逐一引入影响因素，剔除相对不重要的因素，使得最后保留在模型中的解释变量既是重要的，又没有严重多重共线性。3.8基于总能耗的能效评价模型——模型的建立选取最显著因素建立一元回归模型检验其他因素的显著性因素可用将该因素引入模型是重新拟合模型并检验所有参数否剔除不显著因素中最不显著的一个选定模型没有显著性因素引入是否能耗评价模型的筛选：常用的筛选准则有：自由度调整复决定系数达到最大Ra2赤池信息量AIC达到最小Cp统计量达到最小。能耗评价模型的检验：物理意义检验F检验、t检验、拟合优度R2检验序列自相关性检验：多重共线性检验：VIF<10残差图判断3.8基于总能耗的能效评价模型——模型的建立3.8基于总能耗的能效评价模型——评价工具的建立定义能耗比=实际能耗/标准化能耗根据该公式：某样本计算得能耗比低意味着该建筑的实际能耗量低于标准化能耗值，即可认为该建筑的能效水平较高。检验样本空间的能耗比值累积分布。

2拟合优度检验：2nbins2

i

i

Eii

1(O

E

)

Kolmogorov-Smirnov检验：KS

max(Fn

(x)

G(x))Q-Q图检验：3.8评价方法——评价工具的建立

-1,

x,

,

＞0x

x(

) exp(

)

(

)f

(x)

开发评分表：1e2

2

2

(

x

)2f

(x)

x,

,

0正态分布：根据检验结果，拟合相应分布函数：Gamma分布：分值累积概率能耗比值区间分值累积概率能耗比值区间≥＜≥＜1000%0.0000000.2380305050%0.9728110.984880991%0.2380300.2897404951%0.9848800.997056982%0.2897400.3265994852%0.9970561.009348973%0.3265990.3565144753%1.0093481.021765964%0.3565140.3822824654%1.0217651.034315夏季冬季冬季3.9技术路线-基于总能耗的分项能耗利用账单期的天数和面积对能源数据进行标准化适合天气数据的模型——天气标准化建筑物能源利用逆向建模响应变量：建筑物能耗电力(kWh)化石燃料（千卡）预测变量：环境条件干球温度温度日数住房率/时间安排3.9技术路线-基于总能耗的分项能耗3.9技术路线-基于总能耗的分项能耗3P

模型

y

1

2

x

3

y

1

2

x

3

Energy

UseOutside

Air

Temperature3-Parameter

Cooling

Modelβ2β1β3Energy

UseOutside

Air

Temperature3-Parameter

Heating

Modelβ2β1β3石化燃料设施数据电力设施数据电力基荷化石基荷采暖平衡点温度制冷平衡点温度制冷敏感性采暖敏感性照明、插座负载等室内热水、二次采暖、备用损失等.Energy

UseOutside

Air

Temperature3-Parameter

Cooling

Modelβ2β1β3

1

2

3y

x

1

Baseloadcp

UA

V

c

2pQiUA

V

c

3

Tsp

基荷（

base-load

）为独立的天气载荷，并作为内部载荷（例如照明、插座载荷）和其他常规载荷（例如风扇、室内空调等）的函数。斜率是建筑物的天气敏感性响应，它是围护结构特性(UA)、通风/渗透(Vρcp)，以及冷却设备能效(η)的函数。可为3-P采暖模型建立类似表达式平衡点温度是空间温度设置点(Tsp)、围护结构特性(UA)、通风/渗透(Vρcp)、和照明、人群和阳光

(Qi)等内部载荷的函数。Baseload与天气变化不显著的空调能耗Baseload与服务变化不显著的空调能耗Baseload其他3.9技术路线-基于总能耗的分项能耗I分项能效指标=𝑄分项能耗X服务量1

+X服务量2

+⋯+X天气1

+X天气2

+⋯Baseload与天气变化显著的能耗Baseload与天气变化不显著的空调能耗Baseload与服务变化不显著的能耗Baseload其他3.9技术路线-基于监测系统的分项能耗酒店商业办公某公共机构下辖办公3.10工作进展工作进展确定基本思路数据准备总能耗数据能耗监测系统数据运营参数数据全国建筑能效评价用气象参数数据的获取启动工具的开发内调研（精准）示范项目自有数据其他渠道（扩大范围）数据来源评价指标越多，需要的原始数据越多、越细、越复杂。全国建筑能效评价用气象参数数据的获取启动工具的开发开发中：自动查询、匹配气象参数基于Python3.10软件开发工作进展网页版便于在电脑操作和管理；微信版便于推广和宣传；两个版本共用一套用户数据库；微信版功能稍作简化。3.11微信版建筑能效评价工具UI的开发；完成调适工具包程序完成机电系统调适平台构架完成了中外建筑运行能效评价方