[2024年資助成果] 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建筑節(jié)能潛力評(píng)估-張達(dá)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建筑節(jié)能潛力評(píng)估

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

張達(dá)，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院副教授

建筑是能源消費(fèi)的主要領(lǐng)域，也是碳排放的重要來(lái)源，所造成的碳排放量接近全球能源相關(guān)碳排放的三分之一。我國(guó)大量既有建筑仍存在能效低下、人工管理粗放等問(wèn)題，導(dǎo)致能源浪費(fèi)現(xiàn)象問(wèn)題嚴(yán)重。為推動(dòng)建筑領(lǐng)域的節(jié)能降碳，亟需采用綠色節(jié)能技術(shù)和能效提升措施。相較于更換用能設(shè)備、改造圍護(hù)結(jié)構(gòu)等措施，以智能管控技術(shù)為核心實(shí)施改造升級(jí)，不僅可以在保障人體舒適度的前提下降低能耗，還能夠增加用能靈活性，發(fā)揮數(shù)字技術(shù)和信息資源的價(jià)值。在這種模式中，節(jié)能潛力和效果的精準(zhǔn)評(píng)估既是智能化升級(jí)改造的必要基礎(chǔ)，也是推動(dòng)節(jié)能項(xiàng)目實(shí)施和推廣的重要環(huán)節(jié)。

在建筑節(jié)能的實(shí)踐中，節(jié)能量測(cè)量方法的選擇至關(guān)重要，直接影響到節(jié)能項(xiàng)目的決策過(guò)程和最終收益。目前普遍采用的節(jié)能量測(cè)量方法主要參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，包括回歸法和相似日法。雖然這些方法在實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛，但難以真實(shí)準(zhǔn)確地反映整體節(jié)能效果，同時(shí)存在人為操縱的可能性。近期出現(xiàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型具有研究成本低、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，雖然已有研究針對(duì)建筑整體開(kāi)始測(cè)算，但尚缺乏對(duì)中央空調(diào)這一關(guān)鍵耗能系統(tǒng)的關(guān)注和實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，實(shí)踐和推廣價(jià)值有待提高?；谏鲜龇治觯狙芯坑?jì)劃以商場(chǎng)、寫字樓、酒店、醫(yī)院等典型建筑為研究對(duì)象，利用已部署智能控制系統(tǒng)的中央空調(diào)高頻在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的節(jié)能潛力評(píng)估模型，為建筑行業(yè)的能效提升和低碳發(fā)展提供支撐。

研究方法與結(jié)果

本研究獲取了全國(guó)不同地區(qū)21個(gè)中央空調(diào)節(jié)能改造案例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的高精度能耗預(yù)測(cè)模型。在綜合考慮方法復(fù)雜度和可行性的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建筑節(jié)能潛力評(píng)估方法，同時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和以相似日比較法為代表的傳統(tǒng)測(cè)量方法，分析并量化導(dǎo)致節(jié)能率結(jié)果存在差異的原因。研究進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)方法提出具有可操作性的改進(jìn)策略，比如相似日如何合理選取，通過(guò)案例分析驗(yàn)證改進(jìn)效果，最后針對(duì)建筑部門在能源管理等方面的問(wèn)題，探討所提出方法的推廣潛力并提出建議。

1 研究框架

圖2 相似日法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的示意圖

本研究的結(jié)果主要包括以下三部分：

（1）研究對(duì)比分析了XGBoost、DNN等不同算法的能耗預(yù)測(cè)效果，結(jié)果表明過(guò)于簡(jiǎn)單或復(fù)雜的模型均難以準(zhǔn)確捕捉變量之間的相互關(guān)系，需要考慮輸入特征的類型和數(shù)據(jù)分布情況。在此基礎(chǔ)上，研究結(jié)合既有模式的運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息，模擬全時(shí)段的既有模式運(yùn)行策略，將其輸入能耗預(yù)測(cè)模型從而輸出得到基準(zhǔn)能耗，進(jìn)而計(jì)算節(jié)能量。從整體來(lái)看，每個(gè)案例不同時(shí)段的節(jié)能效果存在差異，當(dāng)能耗水平逐漸增加至滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即使是智能管控，系統(tǒng)的節(jié)能空間有限。

（2）研究對(duì)比了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的預(yù)測(cè)節(jié)能率和實(shí)踐獲取的相似日節(jié)能率，兩種方法的節(jié)能率展現(xiàn)出較為明顯的不一致性，且存在相似日法高估改造效果的可能性，即較多案例的相似日節(jié)能率大于預(yù)測(cè)節(jié)能率。通過(guò)將兩種節(jié)能率的差異值分解成相似性、代表性和預(yù)測(cè)誤差三種原因產(chǎn)生的偏差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相似性是導(dǎo)致偏差的主要來(lái)源，這說(shuō)明了相關(guān)人員可能在選擇相似日時(shí)存在偏倚，例如夸大節(jié)能效果以增加收益。

（3）考慮到建筑節(jié)能改造在實(shí)際應(yīng)用中的需求，研究進(jìn)一步提出了相似日法的改進(jìn)建議，包括針對(duì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和日類型的約束條件，旨在提高相似日之間的相似性，同時(shí)選擇出更能代表整體能耗水平的天數(shù)。研究結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)策略有利于提高所選取時(shí)段的相似性和代表性，更為準(zhǔn)確客觀地評(píng)估節(jié)能效果。然而，針對(duì)單個(gè)案例而言，兩種測(cè)算結(jié)果的差異值仍可能較大，尤其是選取的天數(shù)較少時(shí)。

圖3 部分案例的基準(zhǔn)能耗預(yù)測(cè)結(jié)果

4 相似日節(jié)能率與預(yù)測(cè)節(jié)能率的對(duì)比

圖5. 改進(jìn)后相似日節(jié)能率與預(yù)測(cè)節(jié)能率的對(duì)比

研究結(jié)論

既有建筑的節(jié)能改造是建筑部門綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵，如何科學(xué)、合理地實(shí)施既有建筑綠色升級(jí)，以及確定改造的優(yōu)先級(jí)，成為提高改造效率和最大化節(jié)能收益的關(guān)鍵。因此，準(zhǔn)確可靠的節(jié)能潛力評(píng)估尤為重要，這會(huì)直接關(guān)系到改造項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

相較于傳統(tǒng)方法，本研究提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)能潛力評(píng)估能夠更加客觀準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)節(jié)能改造前后的能耗差異，識(shí)別出節(jié)能效果好的項(xiàng)目以及影響節(jié)能率的因素，未來(lái)可以將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用于后續(xù)實(shí)踐中，同時(shí)與項(xiàng)目實(shí)施和政策制定等環(huán)節(jié)相結(jié)合，促進(jìn)節(jié)能服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。此外，考慮到實(shí)踐中相似日法等方法因其簡(jiǎn)單易行仍有實(shí)踐價(jià)值，針對(duì)其存在的難以保障環(huán)境因素完全一致、易受人為操作干擾等局限性，需要對(duì)相似日法的選取策略進(jìn)行改進(jìn)，制定相應(yīng)的操作指南輔助節(jié)能量測(cè)算。最后，能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署及其運(yùn)行管理可以為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支撐，需要提高節(jié)能管理信息化水平，并規(guī)范數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，保障數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介

張達(dá)，清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所副教授、清華大學(xué)碳中和研究院氣候治理與碳金融中心兼職研究員、清華三峽氣候與低碳中心副主任。已主持包括海外高層次人才青年項(xiàng)目、國(guó)家面上項(xiàng)目、中德合作交流項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金專項(xiàng)項(xiàng)目。

聯(lián)系方式：zhangda@mail.tsinghua.edu.cn

“房地產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展”研究資助計(jì)劃

本項(xiàng)計(jì)劃由清華大學(xué)恒隆房地產(chǎn)研究中心于2023年初啟動(dòng)，該計(jì)劃面向清華大學(xué)全體教師和研究人員征集，鼓勵(lì)和支持我校圍繞房地產(chǎn)行業(yè)的多元場(chǎng)景，開(kāi)展創(chuàng)新性、跨學(xué)科交叉研究等。2024年度研究計(jì)劃共資助了10項(xiàng)研究，相關(guān)成果發(fā)布會(huì)已于2025年1月10日在清華大學(xué)舉行。2025年研究資助計(jì)劃申報(bào)指南業(yè)已發(fā)布，感謝您的關(guān)注，期待您的申請(qǐng)與轉(zhuǎn)發(fā)。

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