区域建筑冷热负荷预测方法及其研究进展_欧科敏

☆ 欧科敏，男，１９８７年８月生，在读硕士研究生 △ 韩杰（通信作者）
４１００８２ 湖南省长沙市岳麓区湖南大学土木工程学院 （０）１３７５５０６３６３９ Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｎｊｉｅ０６０１＠１６３．ｃｏｍ 收 稿 日 期 ：２０１３－０９－１２ 修 回 日 期 ：２０１３－１２－１０
２０１４（１０）
人 工 智 能 （ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）预 测 方 法 包 括 人 工 神 经 网 络（ＡＮＮ）、支 持 向 量 机（ＳＶＭ）和 灰 色 理 论（ｇｒｅｙ ｔｈｅｏｒｙ）等 方 法 。１９９１ 年 ，Ｋｒｅｉｄｅｒ等 人将神经 网 络 方 法 引 入 到 建 筑 物 空 调 设 备 能 耗 预 测 中 。 ［２０］ 此 后 ，国 内 外 学 者 进 行 了 神 经 网 络 预 测 模 型 的 研 究 。２００８ 年 ，Ｋａｔｏ 等 人 结 合 数 据 的 特 点 ，提 出 用 周 期 性 神 经 网 络 预 测 某 区 域 的 动 态 热 负 荷 ，提 高 了 非 固 定 阶 段 热 负 荷 的 预 测 精 度［２１］。２０１０ 年 ，蒋 小 强 等 人 对 某 区 域 供 冷 系 统 的 冷 水 供 回 水 温 度 及 流 量 进 行 了 实 测 ，得 出 实 际 逐 时 冷 负 荷 并 进 行 分 析 ，建 立 了 改 进 的 人 工 神 经 网 络 负 荷 预 测 模 型 对 该 区 域 的 负 荷 进 行 预 测 ，结 果表明人 工 神 经 网 络 法 得 出 的 负 荷 预 测 值 与 实 际 值 较 吻 合［２２］。２００５ 年 ，Ｄｏｎｇ等 人 建 立 了 支 持 向 量 机 模 型 ，预 测 了 ４ 栋 商 业 建 筑 的 能 耗 ，该 模 型 利 用 能 源 账 单 的 数 据 作 为 输 入 值 ，预 测 误 差 小 于 ４％［２３］。２００６ 年 ，Ｎｉｅｌｓｅｎ 等 人 用 灰 箱 （ｇｒｅｙ－ ｂｏｘ）理 论 建 立 了 区 域 系 统 供 热 能 耗 随 气 候 条 件 和 日 期 变 化 的 模 型 ，阐 明 了 该 模 型 的 结 构 ，并 利 用 该 方 法 预 测 了 某 区 域 的 供 热 能 耗 ，结 果 表 明 灰 箱 理 论 可 用 于 预 测 区 域 的 供 热 能 耗［２４］。２００７ 年 ，Ｒｏｂｉｎｓｏｎ等 人 在 开 发 的 用 于 城 市 规 划 的 资 源 流 模 拟 软 件 ＳＵＮｔｏｏｌ中 ，采 用 灰 箱 模 型 预 测 了 区 域 内 逐 时 热 能 需 求 。 ［２５］ １．３ 数 值 模 拟 预 测 法 １．３．１ 传 统 数 值 模 拟 模 型
＊ 湖南省科技重大专项 资 助 项 目 （编 号：２０１１ＦＪ１００７），湖 南 省
自然科学基金资助项目（编 号：１１ＪＪ４０４２），中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 资 助 项 目 （编 号 ：５３１１０７０４４０１６５）
据 各 自 的 特 点 探 讨 区 域 能 源 系 统 规 划 、设 计 阶 段 的 负荷预测方法的适用性。 １ 区 域 建 筑 冷 热 负 荷 预 测 常 用 方 法 １．１ 单 位 面 积 指 标 法
自１９８４年 Ｆｏｒｓｔｅｒ等人 利 用 多 元 线 性 回 归 的 预测方法完成对某商业 大 厦 空 调 电力 需 求 的预 测［１１］至今，国 内 外 专 家 学 者 多 次 尝 试 应 用 该 方 法 对 建 筑 冷 热 负 荷 进 行 预 测 研 究。２００２ 年， Ｄｏｔｚａｕｅｒ等人利用统 计 回 归 方 法 得 出 区 域 热 负 荷 与室外温度和人类行为两个主要因素的简单模型， 利 用 该 模 型 预 测 了 斯 德 哥 尔 摩 某 区 域 的 热 负 荷 ，与 测 量 值 的 误 差 在 允 许 范 围 内 ，验 证 了 该 简 单 模 型 的 实用性［１２］。２００８年，Ｐｅｄｅｒｓｅｎ 等 人 基 于 测 量 的 区 域用电与用热历史数据来预测区域建筑的热电负 荷，其中热负荷采 用 分 段 线 性 回 归 分 析，得 出 依 赖 温度与不依赖温度的两部分回归方程来指导多能 源系统能 源 规 划［１３］。２０１１ 年，Ｋｅｖｉｎ 等 人 利 用 主 要因素法（ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）把 太 阳 辐 射照度、干 球 温 度、湿 球 温 度 综 合 成 一 个 Ｚ 因 素， 回 归 得 出 ３０ 年 内 ５ 个 不 同 气 候 区 办 公 建 筑 冷 热 负 荷与 Ｚ 的关 系，并 将 回 归 分 析 与 能 耗 模 拟 的 结 果 进行对比，表明其 相 关 性 良 好，最 后 预 测 了 由 于 气 候条件变化１００年 内 建 筑 冷 热 负 荷 的 大 致 变 化 趋 势 ［１４］。 １．２．２ 时 间 序 列 分 析 法
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｌｏａｄ，ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｓｙｓｔｅｍ， ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ
★ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｃｈｉｎａ
０ 引 言 我 国 正 处 于 快 速 城 镇 化 发 展 阶 段 ，以 小 区 形 式
基于历史数据的外推法以大量历史能耗数据 为基础，利用统计 分 析 及 相 关 数 据 处 理 等 技 术，得 出 负 荷 与 影 响 因 素 的 关 系 ，建 立 负 荷 预 测 模 型 。 此 类 方 法 主 要 有 回 归 分 析 法 、时 间 序 列 分 析 法 和 人 工 智能法。 １．２．１ 回 归 分 析 法
建设并建有区域供冷供热系统的建筑群越来越多。 与单体建筑相比，区 域 建 筑 的 供 冷 供 热 系 统 复 杂、 投 资 大 、能 耗 高 。 区 域 建 筑 冷 热 负 荷 预 测 是 建 筑 区 域用能规划和区域供冷供热系统设计阶段负荷计 算 的 基 础 和 关 键 。 目 前 ，国 内 外 关 于 单 体 建 筑 冷 热 负 荷 的 预 测 方 法 比 较 成 熟 ，主 要 有 基 于 历 史 数 据 的 外推法和 数 值 模 拟 预 测 法 。 ［１－７］ 区 域 建 筑 是 由 多 种 不 同 类 型 和 功 能 的 建 筑 组 成 的 建 筑 群 ，故 其 负 荷 预测方法与单体建筑有所不同。区域供冷供热系 统建设通常分为 规 划 与 方 案、初 步 设 计、施 工 图 设 计、施 工 建 设、运 行 管 理 等 环 节，在 不 同 阶 段，已 知 条件不同，冷热负荷预测的精度要求也不 同 。 ［８］ 本 文对已有区域建筑冷热负荷预测方法的研究成果 进行回顾，比较分 析 各 种 预 测 方 法 的 优 缺 点，并 根
关键词 区域建筑 冷热负荷 预测方法 区域能源系统 适用性
Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ
Ｂｙ Ｏｕ Ｋｅｍｉｎ★ ，Ｈａｎ Ｊｉｅ，Ｚｈｏｕ Ｊｉｎ ａｎｄ Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｑｉａｎｇ
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暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１４年第４４卷第湖南大学 欧科敏☆ 韩 杰△ 周 晋 张国强
摘要 区域建筑冷热负荷预测是建筑区域用能规划和区域供冷供热系统设计的基础和关 键。对已有区域建筑冷热负荷预测方法进行了回顾，比较 分析了各种预测方 法 的 优 缺 点，根 据 其各自特点探讨了区域用能规划阶段和区域能源系统设计阶段负荷预测方法的适用性。
测中使 用 相 对 较 少。１９９５ 年，Ｋｉｍｂａｒａ 等 人 提 出 ＡＲＩＭＡ 模型用于在线预测，该 模 型 不 依 赖 于 过 去 的 负 荷 数 据 ，能 够 用 于 预 测 负 荷 特 性 ［１６］。１９９８ 年 ， Ｈｏｆｆｍａｎ将带额外输出 的 自 回 归 求 和 移 动 平 均 模 型（ＡＲＩＭＡＸ 模型）用于预测和控制商业建筑峰值 电 负 荷 需 求［１７］。２０１０ 年，Ｎｅｗｓｈａｍ 等 人 在 ＡＲＩＭＡＸ 模型 基 础 上 考 虑 人 员 因 素 改 善 了 该 模 型，并预测了居住 建 筑 的 电 需 求 量，预 测 结 果 表 明 精度得 到 了 明 显 提 高［１８］。２００５ 年，Ｊｉｍｅｎｅｚ 等 人 利用多路输出带额外输入的自回归时间序列 （ｍｕｌｔｉ－ｏｕｔｐｕｔ ＡＲＸ）模 型 分 析 和 计 算 了 建 筑 外 墙 的传热系数和太阳能透 射 比 。 ［１９］ 电 力 负 荷 预 测 与 建 筑 的 冷 热 负 荷 预 测 具 有 相 似 性 ，所 以 时 间 序 列 分 析法也能用于建筑冷热负荷的预测。 １．２．３ 人 工 智 能 法
通常的计算方法主要是采用单位面积指标法 估 算 出 各 单 体 建 筑 的 负 荷 ，再 把 各 单 体 建 筑 的 负 荷 简 单 叠 加 ，然 后 乘 以 同 时 使 用 系 数 得 出 区 域 建 筑 负 荷 。 该 方 法 是 一 种 静 态 估 算 方 法 ，在 预 测 区 域 建 筑 负 荷 时 存 在 不 足 ，因 为 区 域 内 所 有 建 筑 同 时 出 现 多 个 影 响 因 素 的 概 率 很 小 ，采 用 单 位 面 积 指 标 法 必 定 会高估区域 总 负 荷 。 ［９］ 李 永 安 通 过 分 析 发 现 建 筑 构造、使 用 功 能、建 筑 朝 向、建 筑 高 度、窗 墙 面 积 比 等因素都会影响空调建筑出现设计冷负荷的时刻，
欧 科 敏 ，等 ：区 域 建 筑 冷 热 负 荷 预 测 方 法 及 其 研 究 进 展
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致使各个房间乃至各栋建筑出现空调设计冷负荷 的时刻不尽相同，探 讨 了 单 栋 建 筑、建 筑 群 空 调 设 计 冷 负 荷 的 统 计 方 法 ，指 出 建 筑 群 的 空 调 设 计 冷 负 荷应取各栋建筑逐时冷负荷叠加以后的最大 值 ［１０］。 １．２ 基 于 历 史 数 据 的 外 推 法
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｙ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．Ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌｏａｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｔ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔｈｏｄｓ．