一种基于用能行为的高校建筑能耗预测方法

1.本发明涉及建筑的节能减排领域，尤其是涉及一种基于用能行为的高校建筑能耗预测方法。


背景技术：

2.高校具有建筑体量大、人员密度大及日常运营能耗高等特点，并且随着我国高等教育事业的蓬勃发展，在校人数、建筑面积和用能设备急剧增加，高校能耗占据了社会总能耗的10％，并仍将呈现刚性增长的趋势。因此，对高校建筑的能耗负荷进行预测并分析减少能源的浪费与碳排放，是目前亟需考虑并解决的问题。
3.2021年以来，为了降低集中供暖能耗，北方省市开始陆续推行以供暖面积和流量计费的“两部制热价”。这种计费方式改变了传统的集中供热消费模式，用能时间及用能行为将对建筑能耗产生显著影响，这引起了人们对用能行为研究领域的关注。近年来，建筑能耗的研究重点逐渐从围护结构、建筑体型等建筑本身特性向用能行为方面深入。例如，harold wilhite等对比研究了日本和挪威两国之间的住宅耗能和住户行为,认为导致双方的住宅能耗区别偏大的关键原因是住户在照明、供暖及洗澡等方面的行为差异；陈淑琴等人对长沙市居民的能耗状况进行了实地测量和问卷，并运用统计方法对其基本组成及影响因素进行了统计分析，证实了居民的生活习惯和用能行为是影响能源利用的重要因素；李兆坚等对北京市一幢居民区 25户居民夏季空调能耗进行了调查并发现，住宅小区的围护结构与空调系统(分体式)基本一致，但各户间的空调能耗差别很大，产生这一差别的原因是居民的空调使用行为不同；谈雪等通过用电量与月平均图示温度法分析相关因素对能耗的影响程度，并定量人行为因素和计算季节因素对该校园建筑能耗的影响情况，为高校建设低碳校园提供科学依据；丁研研究认为，建筑能耗模型的计算结果与现实存在的差异主要是由于人们对建筑物能源使用行为的认识不足，而用能行为的差异则是由于个体对周围环境的感知和生活习惯的不同而产生的。
4.此外，较多学者分析了开窗习惯、空调设定温度、人员密度、照明行为等对建筑负荷的影响，并提出了系统性的用能行为优化策略。但目前这类建筑负荷预测中对用能行为的研究多数集中在对电力能耗领域的讨论，对建筑的集中采暖能耗影响分析仍较缺乏。而北方建筑供暖季时间长，建筑能耗以采暖能耗为主，高于电耗占比，因此，用能行为对供暖能耗的影响不容忽视。两部制热价的供暖计费方式将进一步广泛推广，亟需研究用能行为对建筑采暖能耗的影响，以实现精细化能源管理模式，科学引导用户节约能源，约束能源浪费行为，达到降低供暖成本和节能减排的双赢目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于用能行为的高校建筑能耗预测方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种基于用能行为的高校建筑能耗预测方法，包括以下步骤：
8.对目标高校进行调研，并进行用能场景分类；
9.进行在各个用能场景下的用能行为刻画；
10.分析不同用能行为与用能设备之间的作用机理，确立用能行为与能耗的关联关系；
11.通过软件搭建能耗模型，并在能耗模型中设置逐时用能行为，模拟基于用能行为的能耗情况；
12.仿真计算出基于用能行为的高校建筑能耗负荷预测结果，量化分析用能行为对高校建筑能耗的影响。
13.进一步地，所述调研内容包括目标高校的地理位置、高校内建筑情况、室内外环境、采暖季、电耗、采暖能耗、气耗以及人员用能行为习惯等信息。
14.进一步地，所述的用能场景以高校人员在不同建筑类型内的活动作为分类依据，建筑类型具体包括教学楼、餐厅、办公楼、科研楼、图书馆、住宿公寓及体育馆等。
15.进一步地，所述的用能行为包括人员作息、采暖行为、照明行为及办公行为。
16.进一步地，所述的人员作息包括工作日作息与周末作息；工作日作息为在校园作息规定的基础上，通过学生早间自习、午间自习、晚间自习的情况进行修正；周末作息则主要参考学生每月的自习情况。
17.进一步地，所述的采暖行为指人员对采暖设备的控制行为，即对供暖系统散热器控制阀门进行调控，以保持室内适宜温度。调控方式包括温控型、随人员在室内时间调控型、随建筑开放时间调控型以及粗放型；
18.其中，所述温控型是指根据室内温度变化对供暖系统散热器控制阀门进行调节；当室内温度低于温度需求值时，调高温度；当室内温度高于温度需求值或当前时刻处于学校规定的工作日晚间楼宇关闭时刻时，调低温度；
19.所述随人员在室内时间调控型是指人员进入室内时加大供暖系统散热器控制阀门开度，调高温度，人员离开室内时减小供暖系统散热器控制阀门开度，降低温度；
20.所述随建筑开放时间调控型是指从建筑开放起持续加大供暖系统散热器控制阀门开度，直至建筑关闭时调小散热器控制阀门开度，不考虑室内温度的影响，也不受人员中途离开的影响；
21.所述粗放型是指不对供暖系统散热器控制阀门进行调控，使其一直处于初始设置状态。
22.进一步地，由所述的采暖行为产生的供热能耗公式为：
23.qh＝h
×qhac
×
10-3
24.其中，qh为由采暖行为产生的供热能耗；h为采暖设备的状态；qh表示采暖热指标；ac表示建筑物面积。
25.进一步地，所述的照明行为指人员对照明灯具采取的操作，包括自然照度型、在室时间型照明及开放时间型照明；
26.其中，所述自然照度型是指根据室内照度变化进行照明灯具调节，当室内的自然照度小于照度需求值时，打开照明灯具；当室内的自然照度大于照度需求值时，关闭照明灯具；
27.所述在室时间型照明是指人员进入室内时便开启照明灯具，人员离开室内时关闭照明灯具，无需考虑周围环境的照度；
28.所述开放时间型照明是指从建筑开放起开启照明灯具，直至建筑关闭时将照明灯具关闭，照明设备的状态不受人员中途离开室内的影响。
29.进一步地，由所述的照明行为产生的散热量公式为：
30.hz＝z
×
wz×hz
31.其中，hz为由照明行为产生的散热量；z为照明设备的状态；wz为照明灯具的功率；hz为照明单位功率散热系数。
32.进一步地，所述的办公行为指人员对建筑内办公设备的控制行为，包括在室时间型与开放时间型；
33.其中，所述在室时间型是指人员进入室内时开启办公设备，人员离开室内时关闭办公设备；
34.所述开放时间型是指人员第一次进入室内时开启办公设备，直至建筑关闭时将办公设备关闭。
35.进一步地，由所述的办公行为产生的散热量公式为：
36.hs＝s
×ws
×hs
37.其中，hs为由设备行为产生的散热量；s为办公设备的状态；ws表示办公设备功率；hs表示办公设备单位功率散热系数。
38.进一步地，所述能耗模型搭建为依据高校建筑平面图、围护结构及热工性能参数，利用dest软件中的dest-c模块对建筑进行建模。
39.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
40.(1)预测精度高：本发明同时考虑建筑的基本情况、能耗数据、室内外环境监测以及人员用能行为习惯等，并建立基于用能场景分类的用能行为规律分析表，对建筑类型、人员作息规律、人员行为活动、人员密度、设备状态进行了详细的分类与整理，从多个角度多个层面具体地刻画人员用能行为，从而大大提高了对目标高校建筑能耗预测的精度。
41.(2)实用性好：通过本发明所述方法对高校建筑能耗进行预测，可以为建筑节能提供方向，科学引导用户节约能源，约束能源浪费行为，从而达到降低供暖成本、节能减排的效果，具有良好的实用性。
42.(3)计算指标全面：本发明在计算中不仅考虑建筑供热能耗及供热成本，同时顾及了标煤节省量、co2减排量及so2减排量等重要指标，在节能的基础上充分考虑了减排效果，促进建筑领域进一步向低碳转型。
43.(4)灵活性高：对于不同高校及其不同建筑类型，本发明均适用，通过对用能行为的刻画，建立数学模型分析不同用能行为与设备之间的作用机理，可以准确地得到人员用能行为与建筑能耗之间的关联关系。
附图说明
44.图1为本发明的实施流程图；
45.图2为本发明逻辑示意图；
46.图3为对人员作息在软件中进行建模的示意图；
47.图4为人员热扰设置界面；
48.图5为采暖设备参数设置界面；
49.图6为采暖设备系统设置界面；
50.图7为采暖设备温湿度设置界面；
51.图8为照明设备热扰设置界面；
52.图9为照明设备状态设置界面；
53.图10为办公设备热扰设置界面；
54.图11为办公设备状态设置界面；
55.图12为通过软件建模的建筑平面图；
56.图13为建筑本体全局设定界面图；
57.图14为工作日教室人员作息模式示意图；
58.图15为教室人员作息模式设置界面。
具体实施方式
59.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
60.如图1所示，本发明主要包括以下步骤：
61.(1)对目标高校进行调研，获取所需的各项数据。调研内容包括目标高校的地理位置、高校内建筑情况、室内外环境、采暖季、电耗、采暖能耗、气耗以及人员用能行为习惯等信息。
62.(2)建立基于用能场景的用能行为规律分析，实现高校用能场景分类和用能行为规律梳理。本实施例中的用能场景以高校人员在不同建筑类型内的活动作为分类依据，其中建筑类型具体包括教学楼、餐厅、办公楼、科研楼、图书馆、住宿公寓及体育馆等。
63.(3)进行在各个用能场景下的用能行为刻画，分析不同用能行为与用能设备之间的作用机理，确立用能行为与能耗的关联关系。各个场景下的用能行为刻画包括人员作息刻画、采暖行为刻画、照明行为刻画及办公行为刻画。人员在建筑内的作息、建筑内的在室人数以及人员活动对采暖设备状态的调节是建筑供暖能耗的主要影响因素；此外，人员在室内使用照明、办公等电气设备的用电行为参数可以直观跟踪和校准用热行为刻画的准确性，同时所用电气设备也将产生散热改变室内环境，增加热耗。
64.(4)依据建筑平面图、围护结构及热工性能参数，利用软件进行建模，模拟基于用能行为进行分时分区调控供暖的能耗情况，并在dest软件的dest-c模块中设置逐时人员作息、采暖行为、照明行为以及办公设备行为，仿真计算出考虑用能行为的建筑负荷预测结果，得到用能行为对建筑能耗的量化影响情况，以及基于用能行为的分时分区调控供暖模式下的节能减排效益。
65.如图2所示为本发明的逻辑图，本实施例以某高校为例，结合上述步骤与附图 2做出详细说明。
66.步骤一，选取某高校作为研究对象，通过调查问卷、直接测量和间接测试等方式，对该高校的建筑基本情况、能耗数据、室内外环境监测以及人员用能行为习惯进行历时多
月的数据采集和记录。经过对采集数据的分析及归纳整理，以高校典型人员在不同建筑类型内的活动作为用能场景分类依据，形成高校典型用能场景分类和用能行为规律，梳理并建立表格，如表1所示。
67.表1基于典型用能场景分类的用能行为规律分析
[0068][0069][0070]
步骤二，通过对用能行为的刻画，分析不同用能行为与用能设备之间的作用机理，得到用能行为与能耗的关联关系。通过人员作息刻画、采暖行为刻画以及照明、办公行为刻画产生的散热影响进行分析。
[0071]
1.将人员作息刻画分为工作日作息刻画与周末作息刻画两部分，工作日作息为在校园作息规定的基础上，通过学生早间自习、午间自习、晚间自习的情况进行修正；周末作息则主要参考学生每月的自习情况。
[0072]
2.采暖行为指人员对采暖设备的控制行为，即对供暖系统散热器控制阀门进行调控，以保持室内适宜温度。调控方式包括温控型、随人员在室内时间调控型、随建筑开放时间调控型以及粗放型；
[0073]
其中，温控型是指根据室内温度变化对供暖系统散热器控制阀门进行调节；当室
内温度低于温度需求值时，调高温度；当室内温度高于温度需求值或当前时刻处于学校规定的工作日晚间楼宇关闭时刻时，调低温度；
[0074]
随人员在室内时间调控型是指人员进入室内时加大供暖系统散热器控制阀门开度，调高温度，人员离开室内时减小供暖系统散热器控制阀门开度，降低温度；
[0075]
随建筑开放时间调控型是指从建筑开放起持续加大供暖系统散热器控制阀门开度，直至建筑关闭时调小散热器控制阀门开度，不考虑室内温度的影响，也不受人员中途离开的影响；
[0076]
粗放型是指不对供暖系统散热器控制阀门进行调控，使其一直处于初始设置状态。
[0077]
由采暖行为产生的供热能耗公式为：
[0078]
qh＝h
×qhac
×
10-3
[0079]
其中，qh为由采暖行为产生的供热能耗；qh表示采暖热指标；ac表示建筑物面积；h为采暖设备的状态，在具体应用时，h的取值可以为0或1。
[0080]
3.照明行为指人员对照明灯具采取的操作，包括自然照度型、在室时间型照明及开放时间型照明；
[0081]
其中，自然照度型是指根据室内照度变化进行照明灯具调节，当室内的自然照度小于照度需求值时，打开照明灯具；当室内的自然照度大于照度需求值时，关闭照明灯具；
[0082]
在室时间型照明是指人员进入室内时便开启照明灯具，人员离开室内时关闭照明灯具，无需考虑周围环境的照度；
[0083]
开放时间型照明是指从建筑开放起开启照明灯具，直至建筑关闭时将照明灯具关闭，照明设备的状态不受人员中途离开室内的影响。
[0084]
进一步地，由照明行为产生的散热量公式为：
[0085]hz
＝z
×
wz×hz
[0086]
其中，hz为由照明行为产生的散热量；wz为照明灯具的功率；hz为照明单位功率散热系数；z为照明设备的状态，在具体应用时，z的取值可以为0或1。
[0087]
4.办公行为指人员对建筑内办公设备的控制行为，包括在室时间型与开放时间型；
[0088]
其中，在室时间型是指人员进入室内时开启办公设备，人员离开室内时关闭办公设备；
[0089]
开放时间型是指人员第一次进入室内时开启办公设备，直至建筑关闭时将办公设备关闭。
[0090]
进一步地，由办公行为产生的散热量公式为：
[0091]hs
＝s
×ws
×hs
[0092]
其中，hs为由设备行为产生的散热量；ws表示办公设备功率；hs表示办公设备单位功率散热系数；s为办公设备的状态，在具体应用时，s的取值可以为0或 1。
[0093]
步骤三，依据建筑平面图、围护结构及热工性能参数，利用dest软件中的 dest-c模块对目标高校的建筑进行建模，通过用能行为的刻画分析结果，在模型中设置逐时人员作息、采暖行为、照明行为及办公设备行为，如图3至图11所示，依次为对人员作息在软件中进行建模、进行人员热扰设置、进行采暖设备参数设置、进行采暖设备系统设置、进行采暖
设备温湿度设置、进行照明设备热扰设置、进行照明设备状态设置、进行办公设备热扰设置、进行办公设备状态设置，从而仿真模拟基于用能行为的分时分区供暖方式产生的能耗。
[0094]
本实施例中，考虑建筑内人员数量及在室时间对建筑能耗的影响，选取节能理念下的用能行为进行相应参数导入及设置。采暖行为选取随人员在室时间调控型；照明行为选取自然照度型；办公行为选取在室时间型，进行用能行为参数的设置。
[0095]
本实施例选取的建筑为目标高校的某栋教学楼，其正向朝南，共三层，层高 5.4m，总建筑面积13902.05m2，窗墙比为0.4，主体部分为阶梯教室。通过软件建模的建筑平面图如图12所示。
[0096]
图13为上述建筑本体的全局设定示意图。
[0097]
步骤四，基于人员作息刻画方式及表1，建立工作日教学楼作息模式表，如表 2所示。
[0098]
表2工作日教学楼作息模式
[0099][0100]
基于教学楼作息模式表，以小时为单位绘制人员作息模式，如图14所示。
[0101]
基于单日的人员作息模式，在dest软件中设置全年的人员作息情况，同时考虑工作日、周末及假期人员比例设置。如图15所示，为软件中人员作息模式的设置界面。
[0102]
基于采暖行为、照明行为及办公行为的刻画，在软件中依次进行对采暖行为、照明行为及办公行为在全年的参数设置。
[0103]
步骤五，经过仿真计算，得到基于用能行为的分时分区调控供暖模式下的能耗数据、碳排放相关数据及节能减排效益，同时得到量化的用能行为对建筑能耗产生的影响。
[0104]
本实施例中计算结果显示，目标高校在基于节能理念的用能行为下，可减少约 23.28％的供热能耗和19％的供热成本，同时可节省标煤935.98吨，减少co2排放量2333.40吨，降低so2排放量70.72吨。根据两部制热价计算可得，基于用能行为的分时分区调控供暖模式可节约供暖成本183.49万元。与不考虑用能行为的传统预测方法相比，本发明具有显著的节能减耗效果。
[0105]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。