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浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (9): 1677-1689    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.003
土木与交通工程     
应用数据挖掘的高校教学建筑空调使用及其能耗分析
李鑫悦1(),陈淑琴1,*(),李鸿亮2,3,楼云霄2,李佳鹤4
1. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058
2. 浙江中易和节能技术有限公司,浙江 杭州 310052
3. 浙江大学 控制科学与工程学院,浙江 杭州 310027
4. 浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司,浙江 杭州 310053
Analysis of air-conditioning usage and energy consumption in campus teaching buildings with data mining
Xin-yue LI1(),Shu-qin CHEN1,*(),Hong-liang LI2,3,Yun-xiao LOU2,Jia-he LI4
1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2. Zhejiang Excenergy Energy-saving Technology Co. Ltd, Hangzhou 310052, China
3. College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
4. Zhejiang Bluetron Industry Internet Information Technology Co. Ltd, 310053, China
 全文: PDF(1289 KB)   HTML
摘要:

以浙江省某高校为研究对象,根据其节能监管平台在2016年11月—2019年2月的空调实时运行数据,利用聚类方法,全年共得到6种典型空调使用模式以及4种空调能耗模式. 利用基于监督学习的决策树、随机森林算法,对空调使用与能耗的关系进行解耦,明确不同空调使用情况导致的不同能耗水平,并使用交叉验证的方法比较多种机器学习算法的精度. 分析结果表明:空调使用时长均直接影响着日空调能耗,且在制冷工况下教室规模和空调使用强度也对能耗有着明显的影响. 研究结果可为高校教学建筑的节能管理及其能耗模拟提供支持.

关键词: 教学建筑数据挖掘空调使用行为空调能耗能耗影响解耦    
Abstract:

This study was based on the real-time operation data of the air-conditioning (AC) system which were collected by the energy consumption monitoring platform in a university located in Zhejiang province from November 2016 to February 2019. With the clustering analysis, six typical AC usage patterns and four energy consumption patterns were proposed for a whole year. Two supervised machine learning methods, namely the decision tree and random forest, were used to decouple the relation of AC usage and its energy consumption, and to figure out the different energy consumption levels under different AC usage conditions. The cross-validation method was used to compare the accuracy of various machine learning algorithms. Results show that the usage hour directly influences the energy consumption. The area scale of classrooms and AC use intensity have the significant effect on energy consumption in cooling scenario. The results of this study are beneficial to energy-saving management and the simulation of energy consumption for the teaching buildings in colleges and universities.

Key words: teaching buildings    data mining    air-conditioner usage    air-conditioning energy consumption    decoupling influences of energy consumption
收稿日期: 2019-09-11 出版日期: 2020-09-22
CLC:  TU 201.5  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0704400)
通讯作者: 陈淑琴     E-mail: lixinyue@zju.edu.cn;hn_csq@126.com
作者简介: 李鑫悦(1995—),男,硕士生,从事智能建筑研究. orcid.org/0000-0002-8973-8698. E-mail: lixinyue@zju.edu.cn
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李鑫悦
陈淑琴
李鸿亮
楼云霄
李佳鹤

引用本文:

李鑫悦,陈淑琴,李鸿亮,楼云霄,李佳鹤. 应用数据挖掘的高校教学建筑空调使用及其能耗分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1677-1689.

Xin-yue LI,Shu-qin CHEN,Hong-liang LI,Yun-xiao LOU,Jia-he LI. Analysis of air-conditioning usage and energy consumption in campus teaching buildings with data mining. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(9): 1677-1689.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.003        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I9/1677

N/人 Rroom/% Smax Smin NAC Ruse
20 17.1 40 25 1 0.112
40 21.3 50 30 1 0.093
60 18.7 64 70 2 0.125
90 36.1 85 100 3 0.115
>90 2.9 460 115 4~16 0.132
表 1  浙江某高校的校教室统计表
图 1  不同规模教室的空调使用时长分布
图 2  2016-2019年各月室外平均温度及各月制冷、制热占比均值
季节 月份 空调工况 校历安排
夏初、夏末 6、9 制冷 教学
盛夏 7、8 制冷 暑假
过渡季 4、5、10、11 制冷、制热 教学
冬初、冬末 12、3 制热 教学
严冬 1、2 制热 寒假
表 2  全年空调使用时间段划分
时间 日程
8:05 — 12:10 上午课程
12:10 — 13:10 午饭及休息
13:10 — 16:40 下午课程
16:40 — 18:00 晚饭及休息
18:00 — 20:25 晚上课程
表 3  浙江某高校的作息时间表
图 3  空调使用与能耗分析研究框架
类1 ··· i ··· m
类1 n1,1 n1,i n1,m
? ? ? ?
i ni,1 nii nim
? ? ? ?
m nm,1 nmi nmm
表 4  用于能耗解耦效果评价的混淆矩阵示意
图 4  各典型空调使用模式的逐时空调使用率
聚类 典型模式 P Tuse/h
P1 间断使用 0.298 2.10
P2 全时段使用 0.159 12.06
P3 白天使用 0.247 7.96
P4 下午使用 0.138 3.68
P5 上午使用 0.092 4.87
P6 后半天使用 0.066 7.56
表 5  空调典型使用模式特征
季节 空调工况 下午使用 全时段使用 白天使用 上午使用 后半天使用 间断使用
盛夏 制冷 ? 0.17 0.39 ? ? 0.44
夏初、夏末 制冷 0.30 0.10 0.14 0.15 0.10 0.21
过渡季 制冷 0.21 0.14 0.17 0.15 0.10 0.24
过渡季 制热 ? 0.29 0.17 ? 0.14 0.40
严冬 制热 ? 0.32 0.28 ? ? 0.40
冬初、冬末 制热 0.16 0.11 0.25 0.16 0.11 0.22
表 6  典型空调使用模式在各季节的占比
图 5  不同容量教室的空调能耗分布
图 6  不同容量教室的用能强度分布
空调工况 能耗模式 P Tuse/h E/(kW·h) S/(kW·h) IAU
制冷 低能耗 0.317 2.30 4.03 0.67 0.59
中等能耗 0.264 4.90 16.65 1.92 0.66
长时间、中等能耗 0.229 10.25 26.58 1.37 0.66
长时间、高能耗 0.189 9.16 66.30 4.22 0.76
制热 低能耗 0.293 2.48 6.77 1.09 0.51
中等能耗 0.249 4.30 26.50 3.17 0.61
长时间、中等能耗 0.203 9.25 28.46 1.71 0.48
长时间、高能耗 0.255 9.08 74.19 4.54 0.70
表 7  制冷、制热工况下典型能耗模式的特征值
图 7  各月室外平均温度与空调设定温度分布
图 8  制冷工况下各使用模式的能耗模式分布
图 9  制热工况各使用模式下能耗模式分布
图 10  制冷工况下的能耗解耦决策树模型
图 11  制热工况下能耗解耦决策树模型
HE_LT ME_LT ME LE
HE_LT 202 93 0 0
ME_LT 222 566 0 0
ME 122 2 581 110
LE 9 0 204 806
表 8  制冷工况下决策树模型的混淆矩阵
HE_LT ME_LT ME LE
HE_LT 318 97 12 1
ME_LT 139 253 29 3
ME 51 26 375 230
LE 0 0 52 376
表 9  制热工况下决策树模型的混淆矩阵
HE_LT ME_LT ME LE
HE_LT 262 72 41 1
ME_LT 224 589 0 0
ME 67 0 577 129
LE 2 0 167 786
表 10  制冷工况下随机森林模型的混淆矩阵
HE_LT ME_LT ME LE
HE_LT 343 99 26 4
ME_LT 105 273 14 3
ME 59 13 358 134
LE 1 0 88 442
表 11  制热工况下随机森林模型的混淆矩阵
工况 能耗模式 Rpre Rre
制热 LE 0.832 0.758
ME 0.635 0.737
ME_LT 0.691 0.709
HE_LT 0.727 0.675
制冷 LE 0.823 0.858
ME 0.746 0.735
ME_LT 0.724 0.891
HE_LT 0.697 0.672
表 12  随机森林模型的制冷、制热工况统计指标?
工况 Tuse Puse IAU Scls Ss
制冷 2040.53 1028.93 382.22 302.25 172.12
制热 1144.21 576.24 286.33 132.28 152.33
表 13  制冷、制热工况下各变量的基尼系数
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