数据挖掘在公共建筑能耗分析中的应用研究

本文提出运用数据挖掘技术进行公共建筑的能耗分析，以提高节能决策的有效性，主要研究内容及方法如下： 
①能量利用效率的量化。针对能量利用效率存在简单判定的不足，提出能耗分布率的概念并给出其计算公式。 
②建立公共建筑能耗分析的聚类模型。公共建筑能耗分析的数据挖掘应用主题有能耗预测、基准评价、运行优化等，这里侧重于运行优化主题。阐释了公共建筑能耗分析的数据挖掘全过程，包括数据预处理、模式发现、结果解释和评估以及模型应用四个阶段，针对每个阶段存在的部分问题给出对应的解决方案。 
③数据挖掘工具 Weka 的二次开发。原始 Weka 系统在聚类方面只集成了少数几种传统的算法，本文将 Chameleon 算法嵌入 Weka 系统，扩充了系统功能并做了部分汉化工作，得到经二次开发的 Weka 改进版。通过在 Weka 平台上对 Chameleon算法实现和进行相关对比试验，结果表明 Chameleon 算法能够获得更好的聚类效果以及具有更好地发现任意形状和大小簇的能力。 

④利用某办公楼和某商场一个月的逐时能耗数据，在嵌入 Chameleon 算法的Weka 改进版上进行了实验，根据公共建筑能耗分析的数据挖掘过程建立起面向运行优化主题的聚类模型。根据该模型将某办公楼和某商场按照能耗的时间分布规律分别划分为三个时间段，以达到减少能耗的目标，并且可运用该模型进行相应类型建筑的节能诊断工作。

本课题的研究目的是利用数据挖掘技术强大的数据分析和知识发现能力，通过对历史能耗数据深层次的分析和利用，从寻找能耗的时间分布规律的角度进行节能诊断。在开源的数据挖掘工具 Weka 平台下嵌入适合能耗数据特征的算法，建立起个性化的公共建筑能耗数据挖掘系统。运用该系统建立起寻求时间分布规律的能耗数据聚类挖掘模型，通过这个模型可以获得能耗的时间分布规律，进而推导出表征系统运行效果的参数—能量利用效率，为实现公共建筑各用能设备系统的能耗评价及其节能措施提供重要的决策依据。 

本课题的研究通过对公共建筑的能耗数据进行深度分析，做出初步节能诊断，并且给出初步的节能改造方案和节能措施，从而为促进节能减排工作起到一定的指导和借鉴作用。 

建筑能耗分析中存在的问题
 

传统的建筑的能耗分析方法即计算机模拟计算法，需要建立系统的精确的数学模型，但由于所有的模拟计算都是在事先设定的理想参数下进行计算，因此不能切实反映建筑实际运行状态下的能耗状况；而且由于评价工具（软件）对专业领域知识要求比较高，建筑的实际使用者或者业主、物业管理人员无法通过此软件了解自己的房屋能耗状况，应用受到很大局限。而简单计算方法虽然易于实现，但是精度较差。 对于能耗的定量分析，采用何种指标也存在很大的困难。大致有 3种评价方法： 
①对各能耗系统的总性能进行规定，该方法不仅不具体规定建筑局部的热工性能，而且允许设计师在某个环节有一定的突破，但在整个综合能耗上满足规定，从而允许设计师能够有自由发挥的空间。如围护结构的综合指标：空调系统的综合评价指标：空调能量消费系数 CAC/AC、综合传热值 OTTV 以及周边全年负荷系数 PAL 等。该指标在设计师、设备工程师自由设计和建筑节能规范控制两方面满足了需求。 
②使用规定性指标的方法，该方法是对各能耗系统的最高能耗进行规定，进一步可以细分为两类。一类是对建筑的各组成元素进行了规定，如建筑围护结构(墙体、屋面、门窗)的传热系数、遮阳系数、窗墙比、体形系数，以及照明设备、采暖、空调最小能效指标等规定一个限值。 
③采用了综合性指标，该指标即综合影响建筑能耗各个方面的因素，包括空调系统，建筑围护结构和其他建筑设备等，通过统计建筑能耗的数据，以建筑实际的能耗数据(如天然气消耗、耗电量、耗煤量等)作为表达建筑能耗现状的指标。这类指标计算方法明确，客观，可以从各个侧面广泛地反映了建筑的综合能耗性能，由于其可以方便的转化为经济指标，而且直接与建筑运行的成本相关联，因此比较容易被接受和运用。但这种评价过于笼统，只给出的一个不足以反映建筑节能的潜力的绝对指标，并没有考虑到影响建筑能耗的各个相互关联的因素。

能效分析理论
 

能量传输效率是指用户获得的总能量与输出总能量之比。

数据挖掘应用于建筑能耗分析的主题

①能耗预测。公共建筑能耗跟建筑类型、建筑年龄、建筑面积、办公比例、商业比例、宾馆比例、玻璃传热系数、冷源装机容量等众多因素有关，可以使用分类或者回归分析的方法建立起能耗预测模型。同时，建筑能耗是一个时间上连续的变量，因此建筑能耗的影响因素都看成为具有时序的，为时间的函数，可以采用时间序列法研究建筑能耗自身变化过程及发展趋势。 
②基准评价。通过基准评价，建筑业主或管理者可以了解其建筑运行情况，对比自己建筑与其它类似建筑的能源消耗差异，如果发现目标建筑比其它同类建筑能耗高，可以采取措施降低能耗；在建筑设计阶段和建筑改造阶段以及在对建数据挖掘应用于建筑能耗分析的主题 筑目标进行单独能源或多重能源审计时，基准评价可以评价建筑设计以及拟采取的节能措施是否合理。可以运用关联规则进行公共建筑能耗的基准评价工作，对样本建筑（包括的属性值可以有：建筑面积、电脑数量、打印机数量等）生成关联规则，然后将这些规则应用于待评价的目标建筑，从而对目标建筑的能耗状况进行评价。 

③运行优化。公共建筑运行能耗的高低很大程度上取决于设备运行管理、维护水平的高低，公共建筑用能设备系统可以细分为暖通空调系统、照明系统、电梯系统、插座设备等用能子系统，可以运用关联规则挖掘各子系统之间的关系，也可采用聚类挖掘出不同的运行模式，从而为节能决策提供支持。

 

参考文献    数据挖掘在公共建筑能耗分析中的应用研究   刘文凤