大型辦公建筑照明及插座系統電耗逐時使用率聚類分析

摘要：

逐時使用率對于預測辦公建筑照明與插座系統電耗，以及核定節能改造的節能量有十分重要的意義。選取重慶17幢辦公建筑作為研究對象，根據建筑全年逐時照明與插座系統的實測電耗數據，計算各建筑全年每個工作日24 h的逐時使用率。利用聚類分析方法，根據日逐時使用率的不同，將辦公建筑快速分為3類。根據是否經常加班以及午休時是否關閉部分用電設備，可以快速判斷辦公建筑屬于哪一分類。最后對3類建筑分時段計算典型逐時使用率，便于實際應用中快速查詢。

關鍵詞：

辦公建筑；聚類分析；逐時使用率；能耗特征；照明能耗；能耗分析

中圖分類號：

TU113.65

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2014）05-0089-06

Cluster Analysis of Hourly Usage Ratio of Lighting and Equipments Energy Use in Office Buildings

Li Qin， Li Baizhan， Ding Yong

（Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering， Chongqing University，Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：

The hourly usage ratio is very important for lighting and equipment energy predicting of office buildings and energy saving calculation of energy efficient retrofit. 17 office buildings in Chongqing were selected to calculate daily usage ratio by using whole-year electrical consumption data of lighting and equipments energy system. According to the different hourly usage ratio， office buildings have been categorized into two main types by using cluster analysis method. Then， the typical hourly usage ratios of two types of office buildings were calculated.

Key words：

office building； cluster analysis； hourly usage ratio； energy consumption performance； lighting energy； energy profile

建筑領域一直都是全世界能源消耗的主要領域。有學者指出，中國2010年建筑總能耗占到全國能源消耗總量的20.9%，而公共建筑是建筑中的用能大戶，其能耗水平遠高于居住建筑^[1]。辦公建筑作為公共建筑的重要組成部分，其用能特點受到了廣泛的關注[2-3]。而有研究表明照明電耗占大型公共建筑總電耗的20%～40%[4-5]，是不可忽略的一項用能。

目前中國《公共建筑節能設計標準》中針對照明及插座能耗的預測方式為照明密度、電器設備密度結合逐時使用率來計算，但并沒有對辦公建筑進行分類考慮。而對辦公建筑的人員密度、照明密度和設備用電密度進行了大量的研究[6-12]，但對逐時使用率的研究較少。而研究表明大型辦公建筑與小型辦公建筑的照明及插座系統用能特性有差異^[13]，而目前辦公人員作息時間并沒有分開討論^[14]。因辦公類型和辦公人員作息規律的差異會導致電耗曲線差異明顯[15-16]。因此可根據電耗逐時使用率的差異進行分類討論。

為了研究大型辦公建筑的照明與插座系統用能的逐時使用率，本文通過對重慶市公共建筑監測平臺上的17棟大型辦公建筑在2012年全年各小時的電耗數據進行研究。通過統計計算得到各辦公建筑的照明及插座系統的典型逐時使用率，再根據典型逐時使用率的不同，運用系統聚類法將辦公建筑進行分類。

1 辦公建筑用能特性分析

從重慶市公共建筑監測平臺上選取的17棟大型辦公建筑的基本情況及2012年電耗如表1。其中照明及插座設備是指建筑物主要功能區域的照明、插座等室內設備用電的總稱。17建筑的單位面積年總電耗22.64～157.29 kWh/m2·a，電耗高的辦公建筑用電量是電耗低的近7倍。而單位面積照明及插座系統電耗6.65～137.39 kWh/m2·a。數據表明建筑之間能耗水平差異較大，而照明及插座系統用能占年總用能的25%～70%。

2 大型辦公建筑照明及插座系統用電逐時使用率

在實際運行中，建筑大部分時間都處于部分負荷下運行。這主要是因為大型辦公建筑內的用電設備并不同時運行，即使同時運行，也并不會都同時達到額定容量。對于不同能耗水平的建筑，不便于進行比較，因此采用逐時使用率對比建筑的實際運行水平。不同時刻用電設備的使用率與在室人員的概率正相關，人員在室率越大，用電設備使用的概率越大，即該時刻的用電使用率越大。

由于實際條件的限制，無法獲得重慶市公共建筑各用能系統的設計容量。因此通過提取各個樣本建筑的照明及插座系統在2012年的全年小時用能的最大值代替設計總容量。建筑照明及插座系統用能的逐時使用率計算如式（1）。

逐時使用率受到建筑使用功能、正常工作時間、使用者個人習慣等因素的影響。根據上式，分別計算17棟建筑在2012年每個工作日的照明及插座系統用電的逐時使用率。再對求得的每個辦公建筑的工作日逐時使用率求均值，將24 h的均值定義為單個建筑的照明及插座系統電耗的典型日逐時使用率。將17棟辦公建筑的典型日逐時使用率繪制箱型圖，如圖1。雖然17棟建筑總電耗差異較大，但從圖1中可以看出，它們典型日逐時使用率趨勢相近，辦公建筑的上班時間對辦公人員的在室率影響很大，因此用電使用率與時刻強相關。從箱型圖中箱體的長短來判斷數據的離散程度，可看出在8：00—10：00和17：00—22：00的時間段，建筑之間逐時使用率的差別較大，主要是由于這些時段辦公人員的在室率變化很大。因此，可將全天分為4個階段進行分析，即夜間時段（0：00—8：00和19：00—24：00）、上班時段（8：00—9：00）、日間時段（9：00—17：00）和下班時段（17：00—19：00）。夜間時段指夜間無人員活動的時段；上班時段指辦公人員陸續到達，用能逐步上升至日間階段的水平的時段；日間時段是正常辦公時段；下班時段指辦公人員陸續離開，用能逐步下降到夜間水平的時段。

3 大型辦公建筑聚類分析

選用層次聚類分析法從大量樣本建筑的用電數據中快速篩選并提取照明及插座系統用電使用率特征曲線。聚類分析是一種探索性的分析，在分類的過程中，人們不必事先給出一個分類的標準，聚類分析能夠從樣本數據出發，自動進行分類。

各樣本大型辦公建筑的典型日逐時使用率曲線的聚類分析步驟如下：

1）將日24 h的逐時使用率作為因子，建立因子矩陣陣D2中的最小元素，設它是G（k）i和G（k）j間的距離，將G（k）i和G（k）j兩類合并成一類，于是產生新的聚類G（k+1）1，G（k+1）2，…，令n=n-1。表示將計算所得距離最近的兩個建筑合并為一類，形成n-1=16類。再計算新產生的類別與其他類的距離，形成新的距離矩陣。

4）重復第3步驟，直到所有建筑合并為一類為止。

5）根據上述步驟的計算結果，得到聚類譜系圖。辦公建筑的照明及插座系統電耗的聚類譜系圖如圖2。聚類譜系圖以直觀的方式表現出聚類的全過程，它把類間的最大距離算作相對距離25，其余距離均換算成與之相比的相對距離大小。圖2中線條的連接表示了類別的合并，而直線段的長短可表示類別之間的距離。

6）確定最佳聚類個數，得到最終聚類結果。對照明及插座系統的逐時使用率進行聚類時，主要是想通過聚類分析的方法，快速提取各建筑用電使用率分布特征，因此需判斷最佳分類數。判定最佳分類數的方法主要來自方差分析的思路，兩類合并時距離系數變化率越大說明這兩類越不應該合并。從表2中看出當聚類個數從3類合并為2類時，距離系數變化最大且大于前面相鄰步驟變化，因此認為不應該從3類聚為2類，最佳聚類個數取3較為合理。在聚類譜系圖中畫1條豎線與3條橫線相交，這3條對應的就是聚為的ABC3類，如圖2。

根據逐時使用率數據點，繪制A、B、C類建筑的典型逐時使用率的分段曲線圖，如圖3～5。在夜間階段和日間階段，由于人員在室率變化不大，因此照明及插座系統的使用率變化較穩定，用平直線表示，該時段使用率的均值作為平直線取值。而對于上班和下班時段，人員在室率變化很大，一般認為人員到達率服從泊松分布。但由于上班和下班時段較短，為簡化模型，用斜直線代替表示該時段的用電使用率，將夜間和日間的使用率均值作為斜線的首尾點。其中B類建筑在日間時段由于午休，辦公人員離開辦公室會關閉一部分用電設備，因此在13：00逐時使用率有所下降。

在夜間時段，辦公建筑基本沒有人員活動，其應急照明以及特殊用電設備還保留運行，故此階段的逐時使用率不為零。該時段人員在室率變化不大，因此逐時使用率較為平穩。

在上班時段，辦公人員陸續進入建筑，照明設備和辦公電器設備大量開啟，人員在室率升高，逐時使用率急速上升。

在日間時段，辦公人員到達辦公室后非特殊情況不會離開，人員在室率基本不變，照明及插座系統的使用率波動不大。故對該時段的逐時使用率取均值來描述。B類建筑在午間因午休而使用率有所下降，逐時使用率在中午存在一個較小的波谷。

下班時段辦公人員陸續離開，照明設備和辦公電器設備大量關閉，人員在室率降低，逐時使用率急速下降。而A類建筑下班時段后移，使用率逐時下降較緩，說明該類辦公建筑在夜間常有加班。

根據3類建筑在4個時段的照明及插座系統逐時使用率情況的分析，可以繪制建筑分類判斷思路，如圖6。如果使用大型辦公建筑的公司經常在夜間有加班情況，應分為A類。如在夜間基本不加班，而辦公人員在午休時會關閉部分用電設備，應分為B類，否則分為C類。

根據表3的結果，可以判斷3類辦公建筑在下一步進行節能改造或者節能運行管理時的重點對象。對于節能管理而言，應加強夜間時段用電設備的管理，關閉部分不必要的用電設備；對于A和C兩類型建筑應在午休時關閉部分用電設備。對于節能改造而言，對于日間用電負荷率相近但用電水平差異大的建筑，應針對用能水平高的建筑進行節能改造，換用能效更高的用電設備。

4 結 論

通過重慶市17棟大型辦公建筑的照明及插座系統全年逐時用電數據的分析，計算各建筑全年每個工作日24 h的逐時使用率，利用層次聚類分析方法，根據日逐時使用率的不同，將建筑快速分為3類。得到以下結論：

1）基于層次聚類分析方法，建立了對照明及插座系統的用電逐時使用率進行快速分類的方法。根據聚類步驟之間距離系數變化率來判斷最佳聚類個數，最佳聚類數為幾，就表明樣本建筑中有幾類典型特征曲線。

2）通過對3類辦公建筑的典型逐時使用率進行研究，認為分類結果能有效反映照明及插座系統的用能特點。而應用該方法對更大樣本量建筑進行分類同樣適用，且方便快捷。

3）得到待評辦公建筑快速分類判斷思路，得到各類辦公建筑的照明及插座系統的典型逐時使用率表，可供預測辦公建筑的的照明及插座系統電耗時快速查詢，也可以用于辦公建筑照明及插座系統改造后的節能量計算。

4）辦公建筑照明及插座系統的用電逐時使用率與人員在室率的相關性很強。在后續研究中，應針對人員在室率進行深入研究。人員在室率與建筑運行時間有關，因此可使用相同方法分析其他類型的公共建筑。參考文獻：

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