基于特征参数的能耗数据解析方法和系统

技术领域

本发明涉及节能减排技术领域，具体而言，涉及一种基于特征参数的能耗数据解析方法和系统。

背景技术

建筑运行能耗及其对应的碳排放是需要降碳的主要行业。针对建筑节能降耗需要首先从分项能耗数据诊断开始，从而分别针对制冷系统、制热系统和照明及设备系统制定节能减排方案。目前主要的技术方案有加装分项计量电表和非侵入式负荷分解两种。

大型公共建筑往往有较为繁多的用户主体，例如学校有多个教室、写字楼有不同租户，这些用户的暖通空调系统末端能耗往往和照明及设备能耗计入同一电表，仅用于结算电费，而不利于节能诊断。针对存量建筑加装分项计量电表和能源管理系统存在成本高、协调业主多、施工难度大等问题。

非侵入式负荷分解需要对各用电设备的低频功率数据进行预处理、分割训练、建模评估，从而实现将用电总功率分解为各用电设备的功率值。在针对用电设备种类多种多样、设备标准化程度低的公共建筑时，存在训练量大、预处理复杂、计算精准度低等问题。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种基于特征参数的能耗数据解析方法和系统，其能够实现分系统节能潜力评估，从而出具精细化的节能改进技术建议。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种基于特征参数的能耗数据解析方法，方法包括：

根据建筑的能耗数据以及每个能耗数据对应时间段的平均气温，建立参数化能耗模型：

式中，y为能耗强度，x为平均气温，b0为基础负荷，h1为制热启动点，c1为制冷启动点，h0为制热敏感度，c0为制冷敏感度；

基于参数化能耗模型，得出b0、h1、c1、h0、c0以及各分项系统能耗值；

将目标项目的5项特征参数代入同类型样本库的标准正态分布函数N(μ，σ

判断求解得到的特征参数b0、h1、c1、h0和c0是否满足设立的节能目标；

在b0、h1、c1、h0和c0不满足节能目标的情况下，选择未满足设定目标的特征参数，读取决策树中对应的节能改进技术建议，并针对未满足节能目标的特征参数，由对应的节能目标替换未满足节能目标的特征参数，形成新设立的特征参数；

在b0、h1、c1、h0和c0满足节能目标的情况下，将满足节能目标的特征参数值保持不变，形成新设立的特征参数；

将新设立的特征参数代入目标项目对应平均气温的参数化能耗模型，得到优化模型；

计算目标项目的参数化模型和优化模型的能耗差值，得到目标项目的节能潜力。

在可选的实施方式中，各分项系统能耗值的求解公式如下：

全年累积能耗：

制冷系统部分能耗：

制热系统部分能耗：

照明插座系统部分能耗：

其中，j为时间积分。

在可选的实施方式中，各分项系统能耗值的求解公式如下：

全年累积能耗：

制冷系统部分能耗：

制热系统部分能耗：

照明插座系统部分能耗：

其中，j为时间积分。

在可选的实施方式中，同类型样本库的标准正态分布函数N(μ，σ

在样本库中选择目标项目的同类型项目，提取所有同类型项目中5项特征参数的平均值μ和方差σ

以同类型项目的5项特征参数的平均值μ和方差σ

在可选的实施方式中，设立的节能目标分为三个档位：能耗表现较差值、平均值和良好值，三个档位的取值分别为：μ-σ

在可选的实施方式中，决策树的建立方法包括：

总结既有可采取的所有建筑节能管理措施；

对建筑节能管理措施进行分类，建立依据特征参数强弱指向建筑节能管理措施的决策树。

第二方面，本发明提供一种基于特征参数的能耗数据解析系统，系统包括：

参数化建模单元，用于根据建筑的能耗数据以及每个能耗数据对应时间段的平均气温，建立参数化能耗模型：

式中，y为能耗强度，x为平均气温，b0为基础负荷，h1为制热启动点，c1为制冷启动点，h0为制热敏感度，c0为制冷敏感度；

参数化建模单元还用于基于参数化能耗模型，得出b0、h1、c1、h0、c0以及各分项系统能耗值；

特征参数评价单元，用于将目标项目的5项特征参数代入同类型样本库的标准正态分布函数N(μ，σ

节能建议生成单元，用于判断求解得到的特征参数b0、h1、c1、h0和c0是否满足设立的节能目标；在b0、h1、c1、h0和c0不满足节能目标的情况下，选择未满足设定目标的特征参数，读取决策树中对应的节能改进技术建议；

节能潜力评估单元，用于针对未满足节能目标的特征参数，由对应的节能目标替换未满足节能目标的特征参数，形成新设立的特征参数；在b0、h1、c1、h0和c0满足节能目标的情况下，将满足节能目标的特征参数值保持不变，形成新设立的特征参数；将新设立的特征参数代入目标项目对应平均气温的参数化能耗模型，得到优化模型；计算目标项目的参数化模型和优化模型的能耗差值，得到目标项目的节能潜力。

在可选的实施方式中，系统还包括：

样本库单元，用于在样本库中选择目标项目的同类型项目，提取所有同类型项目中5项特征参数的平均值μ和方差σ

其中，特征参数评价单元还用于以同类型项目的5项特征参数的平均值μ和方差σ

在可选的实施方式中，系统还包括：

决策树单元，用于总结既有可采取的所有建筑节能管理措施；对建筑节能管理措施进行分类，建立依据特征参数强弱指向建筑节能管理措施的决策树。

本发明实施例提供的基于特征参数的能耗数据解析方法和系统的有益效果包括：

1.通过识别建筑的能耗数据的特征，确立了一套适用于以节能减排为目标的能耗数据分解方法与模型，只需要基于能耗数据和平均气温，通过能耗与气温的相关性分析，用数学手段计算出分项能耗数据，大大降低了分项计量的成本；

2.在兼顾可行性的基础上，提出了一套便于数字化实现定量分析建筑节能潜力的方法，通过数学模型的建立实现能耗数据的分解，实现分系统节能潜力评估，从而出具精细化的节能改进技术建议。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于特征参数的能耗数据解析方法的流程图；

图2为参数化模型的曲线示意图；

图3为一种决策树的示例；

图4为本发明实施例提供的基于特征参数的能耗数据解析系统的组成框图。

图标：1-参数化建模单元；2-样本库单元；3-特征参数评价单元；4-节能建议生成单元；5-决策树单元；6-节能潜力评估单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种基于特征参数的能耗数据解析方法（以下简称：方法），方法包括：

S1：根据建筑的能耗数据以及每个能耗数据对应时间段的平均气温，建立参数化能耗模型：

具体的，收集建筑逐月或逐日的能耗数据以及每个能耗数据对应时间段的平均气温，通过能耗数据除以用能区域面积和天数得到能耗强度。以能耗强度为y轴，以平均气温为x轴建立参数化能耗模型，参数化能耗模型的曲线如图2所示。

参数化能耗模型中5项特征参数代表意义如下：

b0为基础负荷，即能耗强度不随气温变化的平稳水平，单位为kWh/m²-day；

h1为制热启动点，即能耗强度随气温升高而提高的拐点，单位为℃；

c1为制冷启动点，即能耗强度随气温降低而提高的拐点，单位为℃；

h0为制热敏感度，即能耗强度随1℃气温降低而提高的幅度，单位为（kWh/m²-day）/℃；

c0为制冷敏感度，即能耗强度随1℃气温升高而提高的幅度，单位为（kWh/m²-day）/℃。

S2：基于参数化能耗模型，得出b0、h1、c1、h0、c0以及各分项系统能耗值。

其中，可以采用最小二乘法求解参数化能耗模型，具体的，按残差和最小的方式将数据散点拟合实线公式，并代入参数化能耗模型，即可得出b0、h1、c1、h0和c0。其中，最小二乘法求解方法中拟合残差和

式中，

特征参数表征了能耗数据拆分后的制冷系统、制热系统及照明插座系统的分项能耗值。本步骤通过输入能耗强度和平均气温，即y值（单位kWh/m²-day）和x值（℃），可以求解各分项系统能耗值如下：

全年累积能耗：

制冷系统部分能耗：

制热系统部分能耗：

照明插座系统部分能耗：

其中，j为时间积分，即所求能耗值对应的天数。

这样，就可以分别评价各系统的节能表现，比如制冷比较好，制热比较差，而不是单纯评价总能耗。而且在只需要能耗数据（月度总能耗数据）和平均气温（当月平均气温）的输入情况下，通过能耗与气温的相关性分析，用数学手段将总能耗数据拆分为制冷系统、制热系统及照明插座系统的分项能耗数据，大大降低了分项计量的成本。

S3：在样本库中选择目标项目的同类型项目，提取所有同类型项目中5项特征参数的平均值μ和方差σ

S4：以同类型项目的5项特征参数的平均值μ和方差σ

S5：将目标项目的5项特征参数代入同类型样本库的标准正态分布函数N(μ，σ

其中，各项特征参数的概率密度代表了目标项目的各特征参数优于同类型项目中对应特征参数的百分比，这个百分比也就是目标项目的特征参数的表现水平，从而可以直观、准确地掌握目标项目中各分项系统的能耗水平，为后续改进能耗提供依据。

S6：设定目标项目的节能目标的三个档位：能耗表现较差值、平均值和良好值，三个档位的取值分别为：μ-σ

S7：判断S2求解得到的特征参数b0、h1、c1、h0和c0是否满足S6设立的节能目标。

其中，对于不同的项目可以选择节能目标的不同档位。

在b0、h1、c1、h0和c0不满足节能目标的情况下，执行S10。

S10：选择未满足节能目标的特征参数，读取决策树中对应的节能改进技术建议。

请参阅图3，图3给出了一种决策树的示例，例如，特征参数中制热敏感度h0未满足设定目标，读取决策树中对应的节能改进技术建议为：使用高效热泵以及提高制热系统效率；特征参数中高电气的基础负荷b0未满足设定目标，读取决策树中对应的节能改进技术建议为：减少设备运行时间、减少照明负荷以及减少插座负荷。

S11：针对未满足节能目标的特征参数，由对应的节能目标替换未满足节能目标的特征参数，形成新设立的特征参数。

在S10之前，方法还包括：

S8：总结既有可采取的所有建筑节能管理措施。

S9：对建筑节能管理措施进行分类，建立依据特征参数强弱指向建筑节能管理措施的决策树。

在S7的判断结果中，在b0、h1、c1、h0和c0满足节能目标的情况下，执行S12。

S12：将满足节能目标的特征参数值保持不变，形成新设立的特征参数。

在S11、S12执行完成后，方法还包括：

S13：将新设立的特征参数代入目标项目对应平均气温的参数化能耗模型，得到优化模型。

S14：计算目标项目的参数化模型与优化模型的能耗差值，得到目标项目的节能潜力。

例如优化模型计算出的能耗为0.8，参数化模型计算出的能耗为1，优化模型与参数化模型的能耗差值即为1-0.8=0.2，目标项目的节能潜力即为0.2/1=20%，也就是说，本实施例中执行S11中读取的节能改进技术建议，会使目标项目的节能提高20%。

请参阅图4，本实施例还提供一种基于特征参数的能耗数据解析系统（以下简称：系统），系统用于实现上述基于特征参数的能耗数据解析方法，系统包括参数化建模单元1（英文名：Parametric Modeling Unit,简称：PMU）、样本库单元2（英文名：Sample DatabaseUnit,简称：SDU）、特征参数评价单元3（英文名：Parameter Evaluation Unit,简称：PEU）、决策树单元5（英文名：Decision Tree Unit,简称：DTU）、节能建议生成单元4（英文名：Energy-saving Suggestion Unit，简称：ESU）以及节能潜力评估单元6（英文名：Energy-saving Potential Assessment Unit,简称：PAU）。

其中，参数化建模单元1、特征参数评价单元3、节能建议生成单元4和节能潜力评估单元6依次连接，样本库单元2连接到特征参数评价单元3和节能潜力评估单元6，决策树单元5连接到节能建议生成单元4。

参数化建模单元1用于根据建筑的能耗数据以及每个能耗数据对应时间段的平均气温，建立参数化能耗模型，基于参数化能耗模型，得出b0、h1、c1、h0和c0，用于后续能耗数据拆解和分析，即参数化建模单元1用于执行S1和S2。

样本库单元2是一个大数据基础库，收录大量用能项目的能耗数据，从样本库中提取目标项目的同类型项目，并针对同类型项目的5类特征参数求取平均值μ和方差σ

特征参数评价单元3用于将参数化建模单元1计算所得5类特征参数与样本库单元2提取的同类型项目的5类特征参数的平均值和方差对比，依照样本库单元2建立标准正态分布函数N(μ，σ

决策树单元5收录了既有建筑所有可采取的建筑节能管理措施，是一颗由特征参数表现强弱而指向各建筑节能管理措施的决策树，即决策树单元5用于执行S8、S9。

节能建议生成单元4用于对比特征参数评价单元3建立的目标项目和同类型项目，当目标项目的某项特征参数不满足依据特征参数评价单元3设立的节能目标时，将根据决策树单元5的指向性给出优化运行建议的建筑节能管理措施，即节能建议生成单元4用于执行S6、S7、S10。

节能潜力评估单元6用于将不满足节能建议生成单元4中目标项目的特征参数由目标值取代，建立目标项目的优化模型，对比优化模型和参数化建模单元1设立的参数化能耗模型的能耗，得到目标项目的节能及节费潜力，即节能潜力评估单元6用于执行S11~S14。

本实施例提供的基于特征参数的能耗数据解析方法及系统的有益效果包括：

1.通过识别建筑的能耗数据的特征，确立了一套适用于以节能减排为目标的能耗数据分解方法与模型，只需要基于能耗数据和平均气温，通过能耗与气温的相关性分析，用数学手段将能耗数据拆分为制冷系统、制热系统及照明插座系统的分项能耗数据，大大降低了分项计量的成本；

2.在兼顾可行性的基础上，提出了一套便于数字化实现定量分析建筑节能潜力的方法，通过数学模型的建立实现能耗数据的分解，实现分别针对制冷系统、制热系统及照明插座系统的评价结论，实现分系统节能潜力评估，从而出具精细化的节能改进技术建议。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。