[2024年資助成果] 基于數據驅動的建筑節(jié)能潛力評估-張達

基于數據驅動的建筑節(jié)能潛力評估

項目負責人

張達，清華大學核能與新能源技術研究院副教授

建筑是能源消費的主要領域，也是碳排放的重要來源，所造成的碳排放量接近全球能源相關碳排放的三分之一。我國大量既有建筑仍存在能效低下、人工管理粗放等問題，導致能源浪費現象問題嚴重。為推動建筑領域的節(jié)能降碳，亟需采用綠色節(jié)能技術和能效提升措施。相較于更換用能設備、改造圍護結構等措施，以智能管控技術為核心實施改造升級，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)揮數字技術和信息資源的價值。在這種模式中，節(jié)能潛力和效果的精準評估既是智能化升級改造的必要基礎，也是推動節(jié)能項目實施和推廣的重要環(huán)節(jié)。

在建筑節(jié)能的實踐中，節(jié)能量測量方法的選擇至關重要，直接影響到節(jié)能項目的決策過程和最終收益。目前普遍采用的節(jié)能量測量方法主要參考現有標準，包括回歸法和相似日法。雖然這些方法在實踐中應用較為廣泛，但難以真實準確地反映整體節(jié)能效果，同時存在人為操縱的可能性。近期出現的數據驅動的模型具有研究成本低、準確度高等優(yōu)點，雖然已有研究針對建筑整體開始測算，但尚缺乏對中央空調這一關鍵耗能系統(tǒng)的關注和實際數據的驗證，實踐和推廣價值有待提高?；谏鲜龇治觯狙芯坑媱澮陨虉?、寫字樓、酒店、醫(yī)院等典型建筑為研究對象，利用已部署智能控制系統(tǒng)的中央空調高頻在線監(jiān)測數據，結合機器學習算法建立通用性強、準確度高的節(jié)能潛力評估模型，為建筑行業(yè)的能效提升和低碳發(fā)展提供支撐。

研究方法與結果

本研究獲取了全國不同地區(qū)21個中央空調節(jié)能改造案例的監(jiān)測數據，構建基于監(jiān)督學習的高精度能耗預測模型。在綜合考慮方法復雜度和可行性的基礎上，本研究提出了一種數據驅動的建筑節(jié)能潛力評估方法，同時對比數據驅動方法和以相似日比較法為代表的傳統(tǒng)測量方法，分析并量化導致節(jié)能率結果存在差異的原因。研究進一步對傳統(tǒng)方法提出具有可操作性的改進策略，比如相似日如何合理選取，通過案例分析驗證改進效果，最后針對建筑部門在能源管理等方面的問題，探討所提出方法的推廣潛力并提出建議。

1 研究框架

圖2 相似日法和數據驅動方法的示意圖

本研究的結果主要包括以下三部分：

（1）研究對比分析了XGBoost、DNN等不同算法的能耗預測效果，結果表明過于簡單或復雜的模型均難以準確捕捉變量之間的相互關系，需要考慮輸入特征的類型和數據分布情況。在此基礎上，研究結合既有模式的運行數據等信息，模擬全時段的既有模式運行策略，將其輸入能耗預測模型從而輸出得到基準能耗，進而計算節(jié)能量。從整體來看，每個案例不同時段的節(jié)能效果存在差異，當能耗水平逐漸增加至滿負荷運行狀態(tài)時，即使是智能管控，系統(tǒng)的節(jié)能空間有限。

（2）研究對比了基于數據驅動方法的預測節(jié)能率和實踐獲取的相似日節(jié)能率，兩種方法的節(jié)能率展現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)能率大于預測節(jié)能率。通過將兩種節(jié)能率的差異值分解成相似性、代表性和預測誤差三種原因產生的偏差，結果發(fā)現相似性是導致偏差的主要來源，這說明了相關人員可能在選擇相似日時存在偏倚，例如夸大節(jié)能效果以增加收益。

（3）考慮到建筑節(jié)能改造在實際應用中的需求，研究進一步提出了相似日法的改進建議，包括針對運行時長和日類型的約束條件，旨在提高相似日之間的相似性，同時選擇出更能代表整體能耗水平的天數。研究結果驗證了改進策略有利于提高所選取時段的相似性和代表性，更為準確客觀地評估節(jié)能效果。然而，針對單個案例而言，兩種測算結果的差異值仍可能較大，尤其是選取的天數較少時。

圖3 部分案例的基準能耗預測結果

4 相似日節(jié)能率與預測節(jié)能率的對比

圖5. 改進后相似日節(jié)能率與預測節(jié)能率的對比

研究結論

既有建筑的節(jié)能改造是建筑部門綠色低碳發(fā)展的關鍵，如何科學、合理地實施既有建筑綠色升級，以及確定改造的優(yōu)先級，成為提高改造效率和最大化節(jié)能收益的關鍵。因此，準確可靠的節(jié)能潛力評估尤為重要，這會直接關系到改造項目產生的經濟效益和環(huán)境效益。

相較于傳統(tǒng)方法，本研究提出的基于數據驅動的節(jié)能潛力評估能夠更加客觀準確地預測節(jié)能改造前后的能耗差異，識別出節(jié)能效果好的項目以及影響節(jié)能率的因素，未來可以將經驗知識應用于后續(xù)實踐中，同時與項目實施和政策制定等環(huán)節(jié)相結合，促進節(jié)能服務行業(yè)的發(fā)展。此外，考慮到實踐中相似日法等方法因其簡單易行仍有實踐價值，針對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，需要對相似日法的選取策略進行改進，制定相應的操作指南輔助節(jié)能量測算。最后，能耗監(jiān)測系統(tǒng)的部署及其運行管理可以為節(jié)能改造提供數據支撐，需要提高節(jié)能管理信息化水平，并規(guī)范數據質量管理，保障數據的完整性和可靠性。

項目負責人簡介

張達，清華大學能源環(huán)境經濟研究所副教授、清華大學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目、國家面上項目、中德合作交流項目及國家自然科學基金專項項目。

聯系方式：zhangda@mail.tsinghua.edu.cn

“房地產可持續(xù)發(fā)展”研究資助計劃

本項計劃由清華大學恒隆房地產研究中心于2023年初啟動，該計劃面向清華大學全體教師和研究人員征集，鼓勵和支持我校圍繞房地產行業(yè)的多元場景，開展創(chuàng)新性、跨學科交叉研究等。2024年度研究計劃共資助了10項研究，相關成果發(fā)布會已于2025年1月10日在清華大學舉行。2025年研究資助計劃申報指南業(yè)已發(fā)布，感謝您的關注，期待您的申請與轉發(fā)。

點擊查看：2025年研究資助計劃申報指南

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