数据挖掘技术_在建筑能耗分析中的应用.pdf

建筑节能 数据挖掘技术在 建筑 能耗 分析 中的应用 牢 王凌宇， 董飞翔 长安大学 电子与控制工程 学院，陕西 西安7 1 0 0 6 1 丝 建 圜 N o ． 1 0 Vo 1 ． 7 S e r i a l No ． 8 2 2 0 1 6 摘 要 介绍了建筑能耗分析中常用的计算机模拟计算法和简化计算法， 提出将 数据挖掘技术应用于建筑能 耗分析 中。阐述 了数 据挖掘 的 系统 组成、 过程、 功能 ， 分析了数据挖掘技术在建筑能耗分析中的不同应用。提出数据挖掘技术以专注数 据的角度处理问题， 应用一般围绕特定的主题进行 ， 在建筑节能领域具有广阔的应 用前景 。 关键词 建筑能耗分析； 数据挖掘技术； 计算机模拟计算法； 简化计算法 中图分类号 I U 2 0 1 ． 5 文献标 志码 B文章编号 1 6 7 4 8 4 1 7 2 0 1 6 1 0 0 0 2 5 0 4 OO I 1 0 ． 1 6 6 1 8 ／ j ． c n k i ． 1 6 7 4 8 4 1 7 ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 0 8 0 引 言 我国现有 的建筑 近 4 0 0亿 m 基本上都是 高耗能建筑 ， 单位面积能耗要 比相 同气候条件的 发达国 家 高 出 2～3倍。大 型公 共 建 筑 占地 5亿 m 左右， 每年的耗电量为 7 0～3 0 0 k wh ／ m ， 是普通建筑的 1 0～2 O倍。 目前， 我 国每年新 建 建筑面积近2 0亿 m ， 其 中 9 5 ％ 以上仍是高耗能 建筑。预计 到 2 0 2 0年， 我 国建 筑 总 面积 高 达 7 0 0亿 m 。 为了保证 我 国经 济社 会 的可持续 发 展 ， 须对建筑能耗进行监控 。 本文介绍了现有建筑的能耗分析方法 ， 重点 分析 了数据挖掘技术在建筑能耗分析中的应用。 1 现有建筑的能耗分析方法 目前 国内外建筑能耗模拟分析方法主要是 计算机模拟计算法 动态计算 和简化计算方法 静态计算 。 董飞翔 1 9 9 3 一 。 男 ， 研究方向为建筑智能化。 基金项 目陕西省住房和城 乡建设厅科学技术计划项 目 2 0 1 4 1 t 2 4 王凌宇 1 9 9 2 一 ， 男 。 研 究方 向为建 筑 电气 智能化 。 1 ． 1 计算机模拟计算法 计算机模拟计算法是一种建立在动态负荷 计算基础上较精确 的方法 ， 如状态空 间方法、 房 问热平衡法 、 房间权 重系数法等 ， 都是其 中的基 本方法。根据精确 的数学模型来对建筑热过程 进行数学模拟 ， 计算 出任意变化气象条件下的逐 时负荷 ， 然后进行全年叠加。要实现计算机模拟 方式 ， 首先建立建筑热过程的动态模型 ， 然后再 进行全年或某时段 的模拟。能耗分 析依据建筑 空调能耗体系 ， 可 以分为空气处理 系统模型 、 负 荷模型和装置设备模型 ， 分别模拟空气处理系统 的热动力特性 、 建筑结构 的热工特性以及负荷对 一 次能源转换装置的能量需要 的数学关系 ， 如美 国加州 大学 以 N E L A P程序为 负荷计算 核心 的 D O E建筑能耗分析程序 ， E t 本 H A S P ／ A C L D 8 5 0 1 和 HS A P ／ A C c s ／ 8 5 O 2能量模拟程序。 该方法需要建立系统精确 的数学模 型， 但 由 于所有的模拟都是在事先设定的理想参数下进行 2 5 的 ， 因此不能反映建筑实际运行状态下的能耗状 况 ； 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 者或业主、 物业管理人员 无法了解房屋能耗状况， 应用受到很大局限． ． 1 ． 2简化计算方法 简化计算方法是以瞬时最大设计 条件下 的 全热损失为依据 ， 进行建筑空调长期运行能耗估 算 ， 主要利用手册进行估算 ， 主要方法包括度 日 法 、 负荷频率法 、 当量满负荷运 行时间法 、 温频法 等。简化计 算方法 虽然 易于实 现， 但 是精 度较 差 。 本文介绍 了一种新模式的能耗 分析方法 ， 即 基于数据挖掘的建筑能耗分析方法。相较传统的 建筑能耗分析方法 ， 该分析方法无需 太多的专家 知识和繁杂的公式计算， 从专注数据的角度处理 问题， 在建筑节能领域具有广阔的应用前景 。 2 数 据 挖 掘 技 术 在 建 筑 能 耗 分 析 中 的 应 用 2 ． 1 办公建筑的耗能分布情况 大型公共建筑 的用能设备 系统通 常包括李 调 、 采暖 、 电梯 、 照明 、 给排水等多 个系统 公共建 筑所使用的能源干 叶 1 类根据建筑用能设备的不同m 有所差别， 一般使用 电能 ， 少量使用煤 、 天然气 等 能源． ． 在公共建筑 的全年能耗 巾， 动力 、 没备 、 照 明等系统的耗电量基本稳定。一般公共建筑能耗 分布情况如图 1 所示。可见， 中央空调系统能耗占 很大比重 ， 一般占建筑总能耗的 4 0 ％～ 6 0 ％。 图 1 一般公 共建筑 能耗分 布情 况 2 ． 2 数 据挖 掘技 术 数据挖掘是指从大量数据 中发 现有 用知识 的过程 这些数据可 以存放 在数据库或 数据仓 库中， 也可以在其他各种信息库中。数据挖掘要 将挖掘出的知识用一种直观易理解的方式展示 ． 2 6． 建筑节能 因此， 挖掘知识 的过程复杂 ， 需要 人机交互 ， 反复 调整， 逐步实现 2 ． 2 ． 1 数 据挖 掘 系统 组戍 典 型的数据 挖掘 系统包 含数据 库 、 数据 仓 库或其他信息库， 如图2所示。通常需要对数据对 象使用数据清洗和数据集 成操作进行初 步的处 殚 图 2数 据 挖 掘 系统 组 成 1 数据库或数据仓库服 务器 、根据用户 的数据挖掘请求 ， 服务器负责提取相关的数据 2 知识 库。用于存放数据挖掘所需要 的 专业知 }只， 用于指导搜索 、 评估结果模式的兴趣 度 ， 帮助挖掘结果的评估 3 数据挖 掘引擎。数据挖掘 系统 的基本 部分 ， 由一组 数据 挖掘模 块组 成， 用于 关联 、 分 类 、 特征化 、 聚类 分 析 以及 演 变 和偏 差 分析 等 任务。 4模式评估模块 。通常使用兴趣度度量 ， 协助数据挖掘模块挖掘更有 意义的数据 。该模 块能否与数据挖掘模块有机结合 ， 取决于所使用 的具体挖掘算法 5 图形用 户界面。在用户和数据挖掘 系 统之间通信， 允许用户与系统交互， 指定数据挖掘 查询， 提供揭示信息， 帮助搜索 聚焦．．此外， 允许 用户浏览数据库和数据仓库模式或数据结构 ， 评 估挖掘的模式 ， 以不同的形式对模式可视化 2 ． 2 ． 2数 据 挖 掘 的 过 程 数据挖掘的主要步骤如图 3所示。 数 据 厍 图 3数据挖掘的主要步骤 1 数 洗 消除 数据 的噪 ， } 以 技卜 j i 题 尤父 的尢 川数 2 数 成 上除符数据源的 性 ， 将 数“ - l 介 - 越 3 数 牟 0 换 为易 r进行挖掘 l 作 ， 将数 转换 桀种特定肜式 4数 挖捌 琏本步骤 也是核心步骤 ， 主 址他川 各 f 1 I J 计能 力 ‘ 法挖 i 仃月 J 的知 } 只或 觇 5馍J - 没定 准 ， 估挖掘 出 的十 I l 』 或 l J l 6 I } J l 爪 以白 观 埸悔 的力 ‘ 』 ， 阳用， 眨爪挖掘 结 ． ． * ㈨0 J 0洗 数 挖虬 I I 1 通过 小的数据分忻 0 去， 埘 术水趟鳃 ／ 支{ 进 预洲 ， 然 做 出J l j 知 以、 的决策． J ㈠i 『 1 标址从数据库 【 I I 发现隐 含 的 、 介也义的 l 数掂挖州疗法主 包括 火联 规则 、 分 预测 、 柴 类分忻、 孤 、 点 分忻 、 趋势 ／ ， J ’ f J- 等分析 ‘ J l r 数 挖捌技术的公 缱筑能耗分忻模犁 也{ 能牦 洲 J 、 能牦 预测馍型和能牦 价模 分圳川 I 1 - 辽筑物 t j 能牦 常检测 、 坝 I 未来 段 、 1 t J 的能牦 干 估建筑物耗能 度 数据挖掘应用于建筑 能耗分析 从数 挖捌『 『 】 行， 公 建筑能耗领域不同 j 商、 I 数 分析的 并特 t 、 址， 公 建筑所受到 的，f 确定因索 l 扰远小于 商、 I 建筑 ， 能牦数据 表 脱⋯n 0 数 挖捌心 用～ 般同绕特 定的数 卜 题进 ， 公共 筑能牦数 挖掘 【 I J 。 以 建煎皇 圜 、 lf _ l 、o l 7I 、 I l l _ H l l 】 I I ’ 鹿川的 题有以下 儿个 面 1 能牦预测公』 建筑能牦 j 缱筑 炎J 建筑 干 j l 、 办公 比例 、 尚、 I 比例 、 比例 、 玻璃 传热系数 、 冷源装机弈 等冈粜仃火， r 『 以他川 1 分类或f f f J IJ lf 分析的力 法建 能托颅测摸 川 I I 、 f ， 建筑能耗足时川 L 连续 的 ； l ， 此建筑能 牦的影响 I 土 4 豢 I ”序 ， 为叫IH J 的 数， 敝 川 以录刖f l ,_ 1 1J 列法研究建筑能牦 『 I l 变化过 及发展趋 势 ． 2 准评价通过基准 价 ， 建筑、 或 管理 叮 以 J 解建筑运行情 况． 埘比建筑 -j J 他 类似建筑的能源消牦差异 ， 如果发现 } I 建筑 比 其他川类迎筑能耗f ’ ， J f 以采取} 拖， 降低能牦； 住建筑没汁阶段 、 地筑收造阶段以埂 埘建筑 f I 标进仃 弛能源或 多玎 t 能源审 汁} f 1 f ， 准 价 t J ‘ 以评价 筑 设计以及拟采取 的 能措 施址 } 理一股运 川关联 J lj 进 行公J 建筑 能牦I t“J 准评价 ， 埘佯本建筑 成 天联规则， 然后将这 _ 匕 舰则应川丁待评价的 I I 标建筑 ， 从I 埘 H 建筑 的能耗状况进行评价 3 运行优化公 建筑运 行能 { 毛的I 、 低 很大 1 1 ， 父i 1 卜 取决 于波备运行管川 、 维护水平 公 建筑川能没备系统 J 以细 分 乃暖通 系统 、 照明系统 、 电梯系统 、 捅 没备等川能子 系统 ， I l J 以运』 { J 父联规 J IJ 挖 符 了系统之 n J J 的关系． 也『 l J ‘ 采用聚 挖掘 不 川的运行模J 一 ， 从 为节能决 策提供支持 随符数据挖掘技术住公共建筑能牦分析领域 的深入研究 j 发展 ， 还 r 以根扔 继续增J J I l 新 的主题／ f 过 ， 通常． f I， J 情 足很 难从模 得⋯ 接的 仑， 多得到f l “J 址刈’ H标 题 多侧m ， J 描 述， 『 i ； I f W i’ 还 呵能仃 尤 火或 l 余的恢 ． 这 结合、 J l， 务问题和公』 建筑能牦分析的需求 ， 、 结 规律性 ， 挺供合理的决策支持信息 4 结 语 介绍 J 数据挖捌技 术住建筑 能牦分 析 f t 的 用 ， 包括能牦预洲 、 坫准评价 、 运行优化等幢川 主题 ， l l J‘ 使建筑能耗分析变得更 i t J 他捷 、 精确 ， 对建筑能托i l- g i 控 J I I 起到 作』 f J ． 2 7． N o ． 1 0 Vo 1 ． 7 S e r i a l NO ． 8 2 2 0 1 6 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 刘文凤． 数据挖掘在公共建筑能耗分析 中的应用研 究[ D] ． 北京 重庆大学， 2 0 1 0 ． 王娜， 沈国民． 智能建筑概论[ M] ． 北京 中国建筑 工业出版社， 2 0 1 0 J UNG K T， YOON S M ， MOON HYE UN J UN， e t [ 4 ] [ 5 ] 建筑节能 a I ． A s t u d y o n b u i l d i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n p a t t e r n a n a l y s i s u s i n g d a t a mi n i ng [ J] ．J o u r n a l o f t h e KⅢA E， 2 0 1 2 ， 2 1 2 7 _ 7 - ． YU Z， HAGHI GHTAT F， F UNG C M ， e t a 1 ．A d e c i s i o n t r e e me t h o d f o r b u i l d i n g e n e r g y d e ma n d mo d e l i n g[ J] ．E n e r gy a n d B u i l d i n g s ， 2 0 1 0 ， 4 2 1 6 37 ． 1 6 46． 郑晓卫． 数据挖掘技术在上海市商用建筑信 息数 据 库总的应用[ J ] ． 暖通空调， 2 0 0 8 ， 3 8 4 3 5 - 3 8 ． 收稿日期 2 0 1 61 0 0 8 Ap pl i c a t i o n o f Da t a M i n i n g Te c hn o l o g y i n Bu i l di n g En e r g y Co n s umpt i o n An a l y s i s WANG L i n g y u， S c h o o l o f E l e c t r o n i c C o n t r o l E n g i n e e ri n g ， DONG Fe i x i a n g C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e c o mp u t e r s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n me t h o d a n d s i mp l i fi e d c a l c u l a t i o n me t h o d wh i c h h a v e b e e n u s e d i n b u i l d i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n a n a l y s i s ， a n d p u t f o r wa r d a n e w c o n c e p t ， w h i c h u s e s t h e d a t a mi n i n g t e c h n o l o g y t o a n a l y z e t h e b u i l d i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n ． T h e s y s t e m c o mp o s i t i o n ， p r o c e s s a n d f u n c t i o n o f d a t a mi n i n g we r e e l a b o r a t e d． T h e d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n a r e a s o f d a t a mi n i n g t e c h n o l o g y i n b u i l d i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n a n a l y s i s w e r e a n a l y z e d ． T h e d a t a mi n i n g t e c h n o l o gy d e a l s wi t h t h e p r o b l e ms f r o m d a t a p e r s p e c t i v e ， a n d i t s a p p l i c a t i o n s g e n e r a l l y r e v o l v e a r o u nd s p e c i fic t he me s， whi c h ha s a n e x t e n s i v e p r o s pe c t i n t he b u i l di n g e ne r g y s a v i n g fie l d． Ke y wo r d s b u i l d i n g e n e r g y c o ns ump t i o n a n a l y s i s ； d a t a mi n i n g t e c h n o l o gy ； c o mp u t e r s i mu l a t i o n c al c ul at i o n me t ho d；s i mpl i fie d c a l c ul a t i on me t ho d 上接 第2 0页 De s i g n o f So f t wa r e Pl a t f o r m f o r Si m u l a t i o n a nd Bu i l d i n g Ene r g y Co n s umpt i o n Opt i m i z a t i o n Z H A O A n j u n WE l T i n g j i a n Y U J u n q i S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T hi s pa pe r i n t r o du c e d t he de s i g n o f s o f t ware pl a t f o r m f o r b ui l di n g e n e r g y c o ns ump t i o n s i mu l a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n， a n d g a v e t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r e a n d l o g i c a l a r c h i t e c t u r e o f s o f t wa r e p l a t f o rm ． T h e s p e c i fi c f u n c t i o n s a n d a p pl i c a t i o n s c e ne s o f t h e s o f t wa r e p l a t f o r m we r e a n a l y z e d．The s o f t wa r e p l a t f o r m for b ui l di ng e n e r gy c o ns u mp t i o n s i mu l a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n g i v e s t h e c o mp a r a t i v e a n d a n a l y t i c r e p o fl s a t d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o n p a r a me t e r s f o r n e w bu i l d i n g a n d e x i s t e d bu i l d i n g， a n d o f f e r s b u i l di ng e n e r g y c o ns u mp t i o n s i mu l a t i o n a naly s i s a n d o p t i mi z a t i o n s e r v i c e s f o r u s e r s ． Ai mi n g a t t h e i mp l e me n t a t i o n o f t h e g r e e n b u i l d i n g s t a n d a r d s ， t h e s o f t w a r e p l a t f o r m s i mu l a t e s t h e d e ma n d i t e ms i n g r e e n b u i l d i n g s t a n d a r d s ， wh i c h s u p p o s t h e i mp l e me n t a t i o n o f t h e g r e e n b u i l d i n g s t a n d a r d s ． Ke y wo r d s b uil d i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n s i m u l a t i o n； c l o u d c o m p u t i n g ； e n e r g y c o n s u mp t i o n o p t i mi z a ti o n； s o f t wa r e de s i g n 2 8