04課題四-基于運行數(shù)據(jù)的建筑能耗建模及優(yōu)化技術(shù)-20180703

“基于運行數(shù)據(jù)的建筑能耗建模及優(yōu)化技術(shù)”十三五國家重點研發(fā)計劃項目“基于全過程的大數(shù)據(jù)綠色建筑管理技術(shù)研究與示范”03010204研究背景研究目標(biāo)研究內(nèi)容考核指標(biāo)技術(shù)路線階段進展內(nèi)

容下一步計劃研究背景特征變量繁多弱變量多，難以線性回歸數(shù)據(jù)缺失多課題背景：建筑能耗建模技術(shù)發(fā)展瓶頸課題研究目標(biāo)基于建筑運行海量數(shù)據(jù)及多維度信息數(shù)據(jù)的挖掘和融合方法，研究復(fù)合型建筑能耗模型方法，建立規(guī)范統(tǒng)一的公共建筑能耗模型，并研究模型質(zhì)量評價方法及優(yōu)化機制。模型方式優(yōu)化機制基于運行數(shù)據(jù)后續(xù)應(yīng)用課題研究內(nèi)容及總體框架研究建筑運行海量數(shù)據(jù)及多維度信息數(shù)據(jù)的挖掘方法研究復(fù)合型建筑能耗建模方法研究建筑能耗模型質(zhì)量評價方法及優(yōu)化機制研發(fā)典型公共建筑能耗建模關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用模塊任務(wù)分解及承擔(dān)單位子任務(wù)研究任務(wù)負(fù)責(zé)單位1基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究中國建筑科學(xué)研究院2面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究同濟大學(xué)3復(fù)合型建筑能耗建模方法研究同濟大學(xué)4建筑能耗模型質(zhì)量評價與優(yōu)化機制研究北京建筑技術(shù)發(fā)展有限公司5公共建筑能耗模型底層應(yīng)用模塊開發(fā)上海建筑科學(xué)研究院年度進度計劃時間研究任務(wù)考核指標(biāo)發(fā)明專利論文標(biāo)準(zhǔn)專著軟件平臺技術(shù)報告2017.07-2017.12建筑能耗建?，F(xiàn)狀、需求分析整理1篇2018.01-2018.06建模參數(shù)模型研究1篇典型公共建筑能耗模型評價參數(shù)研究1篇2018.07-2018.12建模數(shù)據(jù)庫研究、建模需求框架研究1篇1份典型公共建筑能耗模型評價參數(shù)及方法研究1篇2019.01-2019.06模型優(yōu)化機制研究1項1份復(fù)合型建模方法1篇1份2019.07-2019.12數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用模塊開發(fā)2項2020.01-2020.06模型驗證1篇1部總計1項7篇1部2項3份課題進度與成果任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3任務(wù)4任務(wù)5既有模型方法調(diào)研相關(guān)信息數(shù)據(jù)采集模型適用性及需求框架建模影響因子識別關(guān)聯(lián)性分析建模參數(shù)集成參數(shù)化模型既有建模理論既有模型瓶頸分析典型公建能耗模型規(guī)劃范、適用條件復(fù)合模型方法建模評價參數(shù)模型評價方法模型優(yōu)化機制建模參數(shù)集及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫建設(shè)模型應(yīng)用軟件開發(fā)復(fù)合建模實證邊界條件需求構(gòu)架研究模型需求分析模型邊界條件典型公建能耗復(fù)合型建模方法及適用機制典型公建能耗評價方法及優(yōu)化機制典型公建能耗模型數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用模塊各類模型對比評價研究技術(shù)路線研究目標(biāo)研究內(nèi)容研究方法階段研究成果明確建筑能耗模型適用性、需求框架及約束邊界條件既有模型的適應(yīng)性能耗模型需求適用條件邊界約束成果：1

公共建筑能耗數(shù)據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研報告（初步）建筑能耗模型方法、瓶頸及適用性分析報告（完善中）建筑能耗模型預(yù)設(shè)條件的影響研究（進行中）調(diào)研分析模型對比數(shù)據(jù)檢驗需求分析調(diào)研 案例分析梳理基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）溫頻法多區(qū)域法(以E+、DOE-2、eQUEST、TRNSYS、DEST等為代表)可分析建筑熱特性及其機電系統(tǒng)性

建模較為復(fù)雜、需輸入十分詳細(xì)的參能

數(shù)回歸模型復(fù)雜程度一般、實施簡便對非線性系統(tǒng)需要人為確定一些模型參數(shù)，精度較差人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)①非線性處理能力強②較強的容錯力①需人為設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大量參數(shù)②結(jié)果的解釋性不強③存在過擬合和極值支持向量機①對缺失數(shù)據(jù)敏感②核函數(shù)的選擇影響大③計算復(fù)雜度取決于支持向量數(shù)目遺傳算法①可解決小樣本的非線性問題②泛化能力強③有自適應(yīng)結(jié)構(gòu)④全局最優(yōu)解，無極值①強大的優(yōu)化算法②可處理線性和非線性問題時間序列①模型簡單，只需要內(nèi)生變量而不需要借助其他外生變量①需知道系統(tǒng)表征函數(shù)②應(yīng)用受到參數(shù)選擇和函數(shù)類型的限①要求時序數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，或者是通過差分化后是穩(wěn)定的。②本質(zhì)上只能捕捉線性關(guān)系，而不能捕捉非線性關(guān)系。決策樹①易于理解②對預(yù)處理要求不高③有明確邏輯表達式④可處理數(shù)據(jù)和分類⑤計算快捷①信息增益易被多數(shù)值的屬性誤導(dǎo)②對噪聲數(shù)據(jù)敏感③過擬合④忽略屬性間關(guān)聯(lián)性灰色模型①對不確定因素復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)測效果①基于指數(shù)率的預(yù)測未考慮系統(tǒng)的隨隨機森林機性②中長期預(yù)測精度較差①噪音較大時會過擬合②對于取值劃分較多的屬性權(quán)重不可聚類（K-means、FCM等）較好②所需樣本數(shù)據(jù)較?、俨灰走^擬合②可處理高緯度數(shù)據(jù)①可基于距離、密度、目標(biāo)函數(shù)等來判斷②可考慮不同參數(shù)③可用于模式識別④目標(biāo)明確①無監(jiān)督算法②尚無統(tǒng)一評估指標(biāo)③由經(jīng)驗獲取類別數(shù)目關(guān)聯(lián)規(guī)則（Apriori算法等）①無監(jiān)督算法②尚無統(tǒng)一評估指標(biāo)③由經(jīng)驗獲取類別數(shù)目①無監(jiān)督算法②尚無統(tǒng)一評估指標(biāo)③由經(jīng)驗獲取類別數(shù)目樸素貝葉斯算法①需假設(shè)屬性之間獨立②需事先知道先驗概率③分類結(jié)果有錯誤率K最近鄰①數(shù)學(xué)解釋性強②對缺失數(shù)據(jù)不敏感③無迭代求解，適用于大數(shù)據(jù)集①簡單有效②適用于在分類時有交叉和重疊的樣本

③可分類，可回歸

①懶散學(xué)習(xí)，計算較慢②計算量大③人工選取的k值對結(jié)果影響大實施簡便、計算速度快模型精度相對其他較低基于統(tǒng)計的模型物理模型數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的應(yīng)用狀況調(diào)研建筑能耗預(yù)測模型優(yōu)點缺點應(yīng)用情況應(yīng)用情況度日法ANN47%小于1小時的能耗12%模型類別預(yù)測參數(shù)時間粒度逐時能耗逐日能耗SVM

DTMLR、ARIMA、OSL等25%4%24%逐月能耗57%15%4%年度能耗12%預(yù)測參數(shù)樣本量小于1個月

1個月-1年大于一年9%56%31%整體能耗供冷能耗供熱能耗照明能耗47%31%20%2%物理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的適用性（a）時間顆粒度（b）能耗預(yù)測范圍（c）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類（d）預(yù)測模型辦公商場050100150200250單位面積能耗（kWh/m2·a）基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）辦公商場550500450400350300250200150100500單位面積能耗（kWh/m2·a）辦公商場旅館校園050100150200250300350單位面積能耗（kWh/m2·a）辦公商場旅館校園0100200300400500單位面積能耗（kWh/m2·a）辦公校園050100單位面積能耗（kWh/m2·a）公共建筑能耗數(shù)據(jù)調(diào)研匯總嚴(yán)寒地區(qū)（不含采暖）寒冷地區(qū)（不含采暖）旅館

校園夏熱寒冷地區(qū)旅館 校園夏熱冬暖地區(qū)溫和地區(qū)編號 建筑類型 所在地規(guī)模m2空調(diào)系統(tǒng)形式暖通空調(diào)能耗

暖通空調(diào)能耗比例

照明插座能耗

照明插座能耗比例kWh/(m2?a)

%

kWh/(m2?a)

%總能耗kWh/(m2?a)1辦公江蘇/71.6856.00%40.9632.00%128.002辦公天津3467地源熱泵38.8558.15%19.8029.64%66.813辦公上海43000/21.7715.71%98.8971.36%138.574辦公上海38330/13.7416.35%26.8131.91%84.035賓館酒店廣東48948/47.0032.00%56.3038.33%146.886賓館酒店江蘇/83.5748.00%29.6017.00%174.107賓館酒店上海42000/24.0924.05%51.7551.66%100.188商場江蘇/95.8344.00%76.2335.00%217.809商場上海67000/92.1319.87%285.6261.59%463.7310商場廣東50500/97.8034.46%164.6058.00%283.7911辦公天津20000地源熱泵20.3131.80%36.0356.41%63.8712學(xué)校天津10000地源熱泵8.2446.84%8.6349.06%17.5913辦公廣東23500水冷螺桿機11.4837.66%10.2433.60%30.48辦公平均值28.3135.35%38.3944.47%82.23賓館平均值51.5534.68%45.8835.66%140.39商場平均值95.2532.78%175.4851.53%321.77基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）公共建筑分項能耗數(shù)據(jù)調(diào)研匯總（本課題選出案例）建筑類別供暖空調(diào)區(qū)溫度/℃照明功率密度/

W/m2人均占有面積/m2/人電器設(shè)備功率密度/W/m2標(biāo)準(zhǔn)實際標(biāo)準(zhǔn)實際標(biāo)準(zhǔn)實際標(biāo)準(zhǔn)實際辦公26/2027.29.02.71078.3154.2賓館酒店25/2224.07.04-15251-2人/間15-商場25/18-10.0-8-13-學(xué)校(教學(xué)樓)26/20-9.0-6-5-不同類型公共建筑物理模型主要預(yù)設(shè)條件與實際情況的對比注：基準(zhǔn)模型一般依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）建筑能耗物理模型的瓶頸問題分析基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）建筑能耗物理模型的瓶頸問題研究基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）基于虛擬典型辦公建筑能耗模型的研究內(nèi)擾輸入?yún)?shù)：公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置外擾輸入?yún)?shù)：實際氣象數(shù)據(jù)室內(nèi)熱擾參數(shù)輸入值人員密度5㎡/人照明功率8W/㎡設(shè)備功率12W/㎡室內(nèi)設(shè)定溫度夏季24℃/冬季22℃新風(fēng)指標(biāo)30m3/(h.人)Case建筑類型所在地點機電系統(tǒng)特點建筑規(guī)模綠建等級備注1某公司辦公大樓珠海集中螺桿機組2300

m2三星資料完備，數(shù)據(jù)詳實，現(xiàn)場調(diào)研2

**某大學(xué)科研樓上海熱源熱泵+VRV5500

m2無資料完備，現(xiàn)場調(diào)研，暫缺數(shù)據(jù)3某大學(xué)建筑群江蘇常州集中地源熱泵160000

m2三星無圖紙資料數(shù)據(jù)僅供數(shù)據(jù)驅(qū)動用4

*某酒店天津吸收式機組+螺桿機組56000

m2三星有圖紙,數(shù)據(jù)缺現(xiàn)場調(diào)研5

*某辦公樓天津地源熱泵3500

m2三星有圖紙,數(shù)據(jù)缺現(xiàn)場調(diào)研6某辦公樓天津熱泵5700

m2三星有圖紙,數(shù)據(jù)缺現(xiàn)場調(diào)研基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）建筑能耗模型研究案例匯總基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）能耗模型的輸入?yún)?shù)影響研究（基于實際典型辦公建筑（Case-1珠海））輸入?yún)?shù)場景一：前期階段場景場景二：驗收階段場景場景三：實際運行場景實測數(shù)據(jù)人員密度參照設(shè)計手冊參照設(shè)計手冊，

按照實際功能分區(qū)調(diào)整假定平均每臺電腦功率恒定，根據(jù)插座功率核算人數(shù)對比各場景能耗規(guī)律照明參數(shù)參照設(shè)計手冊參照實際竣工圖按實裝參數(shù)調(diào)整參照實際竣工圖，考慮人員數(shù)量的影響設(shè)備參數(shù)參照設(shè)計手冊參照實際竣工圖，將設(shè)備拆分為電腦、動力、其他參照實際竣工圖，并根據(jù)實際情況分別設(shè)置電腦、動力、其他設(shè)備的運行規(guī)律空調(diào)參數(shù)參照設(shè)計手冊空調(diào)設(shè)備自動選型參照實際竣工圖，

空調(diào)設(shè)備按照廠家樣本錄入性能曲線參照實際竣工圖，空調(diào)設(shè)備按照廠家樣本錄入性能曲線，考慮人員數(shù)量的影響氣象參數(shù)使用典型氣象年數(shù)據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)實測氣象年數(shù)據(jù)基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）氣象要素真實氣象年典型氣象年

CSWD

偏差率干球溫度（℃）28.6828.042.3%相對濕度（%）80.9478.603.0%風(fēng)速（m/s）4.803.4539.3%水平總輻射(W)

436.82

447.95

-2.6%

典型氣象參數(shù)Vs

實測氣象數(shù)據(jù)比較分析空調(diào)季基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）設(shè)置參數(shù)比較分析FCU預(yù)設(shè)條件FCU實際運行基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）對比分析空調(diào)負(fù)荷（需求）

VS

空調(diào)供冷量采用實際參數(shù)設(shè)置+實際氣象參數(shù)模擬基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）對比分析修正模擬空調(diào)能耗VS

實測空調(diào)能耗采用實際參數(shù)設(shè)置+實際氣象參數(shù)模擬FCU預(yù)設(shè)條件基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）照明能耗總能耗預(yù)設(shè)竣工實地調(diào)研實測數(shù)據(jù)基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）模擬總能耗VS

實測總能耗不同設(shè)施參數(shù)下的結(jié)果對比分析竣工參數(shù)初期設(shè)置調(diào)研參數(shù)實測數(shù)據(jù)休日平日基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）模擬總能耗VS

實測總能耗不同設(shè)施參數(shù)下的結(jié)果對比分析竣工參數(shù)初期設(shè)置調(diào)研參數(shù)實測數(shù)據(jù)基于運行優(yōu)化導(dǎo)向的建筑能耗模型需求及適應(yīng)性研究階段研

究進展

（

1

）模擬空調(diào)能耗

VS

實測空調(diào)能耗 對比分析采用實際參數(shù)設(shè)置+實際氣象參數(shù)模擬面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）建模數(shù)據(jù)挖掘&建模參數(shù)關(guān)聯(lián)物理模型因子分析物理模型主要影響因子選出數(shù)據(jù)驅(qū)動模型輸入?yún)?shù)分析與優(yōu)化階段研究成果研究內(nèi)容

研究方法研究

目標(biāo)參數(shù)模型特征參數(shù)提取與分析數(shù)據(jù)驅(qū)動模型輸入?yún)?shù)分析E+模擬數(shù)據(jù)挖掘機器學(xué)習(xí)統(tǒng)計分析面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）序號12345678910111213建筑朝向窗墻比外墻傳熱系數(shù)外窗傳熱系數(shù)外窗遮陽系數(shù)夏季室內(nèi)設(shè)定溫度冬季室內(nèi)設(shè)定溫度人員密度照明功率密度設(shè)備功率密度風(fēng)機效率制冷機COP水泵效率Fj1.059.09.323.848.33704.16.0399.26680.76261.376.4612.0276.0F0.05(2,2)=19，F(xiàn)0.01（2,2）=99顯著性****************基于正交試驗法對物理模型輸入?yún)?shù)的分析建筑能耗關(guān)聯(lián)因子=13項敏感性分析因子水平=3檔辦公建筑能耗正交試驗結(jié)果顯著性分析面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）0100200600700800-2000200400600800100012001400300

400

500timeTotal

energy(kWh)Predicted

Real0100600700

800-2000200400600800100012001400200

300

400

500timeTotal

energy(kWh)Predicted

Real（a）ANN（b）SVM0100200600700800-2000200400600800100012001400300

400

500timeTotal

energy(kWh)Predicted

Real0100200600700

8000200400600800100012001400300

400

500timeTotal

energy(kWh)Predicted

Real（c）MLR（d）RF序號數(shù)據(jù)驅(qū)動模型MSER21ANN15070.99602SVM3609310.97363MLR3120800.98614RF1200.9812不同數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測、真值結(jié)果對比不同同數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測性能評價面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑能耗主成因表征要素分析融合物理模型機理和實際運行數(shù)據(jù)的參數(shù)化模型研究面向建模需求的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究階段研

究進展

（

2

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）基于運行參數(shù)的復(fù)合型公共建筑能耗模型基于能耗特征的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法、聚類復(fù)合方法復(fù)合模型方法和機制架構(gòu)研究階段研究成果研究內(nèi)容研究方法建筑分類分項

能耗特征對應(yīng)的據(jù)驅(qū)動模型研究研究目標(biāo)復(fù)合模型機制研究物理模型的參數(shù)化研究參數(shù)模型數(shù)據(jù)挖掘機器學(xué)習(xí)統(tǒng)計分析建筑類型傳統(tǒng)物理分類數(shù)據(jù)驅(qū)動分類原因：外因和內(nèi)擾的主導(dǎo)不同015010050300250200159131721252933374145495357616569737781858993971…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…1…系列1系列2系列3系列4空調(diào)動力插座照明復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）不同類型公共建筑過渡季節(jié)電力數(shù)據(jù)序列特征與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型商場建筑電力數(shù)據(jù) 賓館建筑電力數(shù)據(jù)模糊聚類后模型結(jié)果：復(fù)合SVR模型對非平穩(wěn)序列的建模也能達到較高的精度復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）針對復(fù)雜用途建筑群數(shù)據(jù)的復(fù)合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的研究復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）針對復(fù)雜用途建筑群數(shù)據(jù)的復(fù)合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的研究復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）針對復(fù)雜用途建筑群數(shù)據(jù)的復(fù)合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的研究（空調(diào)負(fù)荷聚類分析）時序列聚類（校歷區(qū)分）星期聚類：無明顯區(qū)分氣溫聚類：25度區(qū)分明顯聚類結(jié)果（歸一化）散點分布圖1類2類3類4類+3,4類：假期1,2類：學(xué)期時刻聚類1類：夜間2類：教學(xué)3類：下班4類：上班復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）針對復(fù)雜用途建筑群數(shù)據(jù)的復(fù)合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的研究（空調(diào)負(fù)荷聚類分析）聚類處理或的模型精度提升復(fù)合型建筑能耗建模方法研究階段研

究進展

（

3

）4003503002502001501005001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

244003503002502001501005001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

244003503002502001501005001

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819202122232425264003503002502001501005001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

2