基于灰關(guān)聯(lián)分析的使用者行為對建筑能耗影響研究
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賈媛，閆增峰
(1．西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安710055；
2．西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，西安710055)
[摘要]本文利用灰關(guān)聯(lián)分析法研究辦公建筑客觀能耗影響因素對建筑能耗影響程度，確定了各建筑諸能耗影響因素與建筑能耗之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；對關(guān)聯(lián)系數(shù)進行聚類分析，得到基于建筑能耗客觀影響因素相似性的聚類結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，確定了行為模式對建筑能耗的影響；并在各聚類中確定了該組樣本建筑的能耗基準參考值，討論了建筑的節(jié)能潛力。
[關(guān)鍵詞]能耗影響因素；灰關(guān)聯(lián)分析；聚類分析；使用者行為；能耗基準
O 引言
對同一棟建筑而言，由使用者行為不同所造成的能耗差異十分明顯。因此，研究使用者行為與建筑能耗之間關(guān)系，對當下建筑節(jié)能工作具有重要的指導(dǎo)意義。目前，使用者行為對建筑能耗影響的研究工作多從微觀角度著眼，對行為隨機性與建筑運行能耗之間的關(guān)聯(lián)結(jié)果進行考察。有研究者著重考察了辦公人員使用相關(guān)設(shè)備的規(guī)律，Kawamoto等人通過對辦公設(shè)備的日常使用情況和夜間關(guān)閉率進行調(diào)研后指出，通過優(yōu)化辦公設(shè)備能源管理，可使目標建筑年電耗降低約3.5太瓦時。
有學(xué)者關(guān)注于人員活動的動因研究，涉及到如物理環(huán)境、情境、心理、生理和社會學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，F(xiàn)abi等學(xué)者發(fā)表了關(guān)于研究影響開窗行為因素的綜述，這些因素與使用者行為直接相關(guān)，從而對建筑的運行能耗產(chǎn)生了間接影響。有研究者通過建立并完善人員行為模型，結(jié)合軟件模擬手段，實現(xiàn)了對建筑系統(tǒng)能耗的計算與預(yù)測。Reinhart叫等通過對單人辦公室和雙人人辦公室內(nèi)使用者控制照明燈具和控制遮陽設(shè)施的行為進行研究，對比預(yù)測了在手動和自動兩種控制模式下的照明系統(tǒng)能耗；Bourgeois建立了SHOCC(sub-hourlyoccupancy-based control model)行為模型，在此基礎(chǔ)上，利用模擬軟件ESP-r對樣本辦公建筑能耗狀況進行了預(yù)測分析，結(jié)果表明，使用者主動使用日光照明總是比采用人工照明所消耗電能低40 010以上。
本文從宏觀的角度，利用灰關(guān)聯(lián)分析與聚類分析法，按照客觀因素對能耗影響程度的相似性對樣本建筑進行分類，繼而在每個分類中辨識出主觀因素所造成的能耗差異，并對高能耗建筑的節(jié)能潛力進行了討論。
1 研究方法與理論依據(jù)
本文以西安地區(qū)辦公建筑為研究對象，首先對影響能耗的各客觀因素指標與建筑能耗強度進行灰關(guān)聯(lián)分析，然后依據(jù)各因素對建筑運行能耗影響程度的差異，對樣本建筑進行相似聚類，使得每一組中的樣本建筑，其影響建筑運行能耗的客觀因素基本相似，故可推斷同組建筑中能耗的較大差異由使用者行為造成，進而確定高能耗建筑，以利于對其行為方式進一步研究與改進。
1.1 灰關(guān)聯(lián)分析
所謂灰關(guān)聯(lián)分析，就是系統(tǒng)的因素分析。應(yīng)用于系統(tǒng)因素之間不確知的關(guān)系，即“灰”關(guān)系�；谊P(guān)聯(lián)分析根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，相似程度大小的量度稱為關(guān)聯(lián)度。本研究中采用鄧氏灰關(guān)聯(lián)模型，對樣本建筑能耗與建筑能耗客觀影響因素進行分析，灰關(guān)聯(lián)分析中各序列原始數(shù)據(jù)采用極值化法進行歸一化處理�；谊P(guān)聯(lián)分析步驟如下：
1)分析對象序列的確定
令Yo為歸一化后的參考序列：y。=()，。(1)，Y。(2)，…，y。(n))，；
本研究中，建筑能耗為參考序列。
令yi為歸一化后的比較序列：y。=(，，i(1)，y。(2)，…，)，。(n))；
本研究中，諸能耗影響因素指標為比較序列，序號“i”代表第i項影響因素。
2)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)f的確定
鄧氏灰關(guān)聯(lián)模型是基于對比分析比較序列曲線與參考序列曲線間對應(yīng)點位置接近程度而確定兩序列關(guān)聯(lián)性的分析模型，依據(jù)鄧氏模型有：
式中：ξi(K)是比較序列和參考序列在第k個點的相對差值，這種形式的相對差值，就稱為Yi對y。的在第k個點的關(guān)聯(lián)系數(shù)。d為分辨系數(shù)，取值在0—1之間，本研究中取0.5。
3)關(guān)聯(lián)度r的確定
2 數(shù)據(jù)采集與模型建立
2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
本研究中原始數(shù)據(jù)來源于西安市建筑能源審計組2008年對西安市內(nèi)36棟辦公建筑開展的建筑能耗調(diào)研結(jié)果，調(diào)研方法及內(nèi)容如表1所示：
根據(jù)西安地區(qū)辦公建筑能耗的特點，本研究中著重考察了九項對辦公建筑能耗產(chǎn)生影響的客觀因素指標，分別為：空調(diào)類型、玻璃類型、窗墻比、朝向類型、建造年代、電腦數(shù)量、樓層、體型系數(shù)及遮陽情況。
本文采用極值化法，對建筑能耗值與各數(shù)值型影響因素指標數(shù)據(jù)序列進行歸一化處理，對各數(shù)值型原始數(shù)據(jù)序列進行歸一化處理，將數(shù)值范圍歸一化致[0，1]的區(qū)間內(nèi)，使歸一化序列與原始數(shù)據(jù)序列最大程度的保持變化規(guī)律與趨勢的一致性，確�；谊P(guān)聯(lián)分析研究結(jié)果的科學(xué)性與準確性。
2.2模型建立
2.2.1 影響因素排序模型
本研究中，灰關(guān)聯(lián)分析參考序列為建筑能耗序列，比較序列為各影響因素序列，根據(jù)鄧氏灰關(guān)聯(lián)模型式(1)計算，可得出各樣本建筑客觀因素與該建筑能耗的關(guān)聯(lián)系數(shù)xi，，對應(yīng)關(guān)系如表2所示：每個關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了第j項影響因素對第i棟建筑能耗影響程度的大小，關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，影響程度也越大。這種影響程度是基于整體樣本空間的，脫離了整體樣本，關(guān)聯(lián)系數(shù)也就失去了意義。對各項因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別作平均值，即可得關(guān)聯(lián)度，它反映了第j項影響因素對樣本空間建筑的整體影響程度。按照關(guān)聯(lián)度從小到大的順序，九項建筑能耗影響因素的關(guān)聯(lián)度依次為：體型系數(shù)0. 25，樓層0.33，遮陽類型0. 39，朝向類型0.56，空調(diào)類型0.58，玻璃類型0. 59，建造年代0.62，窗墻比和電腦數(shù)量0.75。可見，建筑體形系數(shù)，樓層數(shù)及遮陽類型3項能耗影響指標，其關(guān)聯(lián)度明顯小于其他6項因素。據(jù)此，可依據(jù)朝向類型，空調(diào)類型，玻璃類型，建造年代，窗墻比和電腦數(shù)量6項指標，評價建筑客觀因素對建筑能耗影響的情況，建立各項影響因素對能耗影響顯著性的排序模型，即窗墻比和電腦數(shù)量>建造年代>玻璃類型>空調(diào)類型>朝向類型。
2.2.2 建筑分組模型
建筑能耗是由客觀因素和主觀因素綜合影響的結(jié)果。為了辨識主觀因素對能耗的影響，首先對樣本建筑進行聚類分析，使得同一分組中的建筑，客觀影響因素對建筑能耗的影響程度非常相似。然后在各建筑客觀條件一致的前提下，進一步分析主觀因素對能耗的影響。聚類分析宜采用基于鄧氏模型得到的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，因為灰關(guān)聯(lián)系數(shù)客觀、全面的反應(yīng)了各樣本客觀因素對建筑能耗影響程度的差異，可以作為影響因素影響能耗程度的量化指標。
根據(jù)聚類分析理論，對n個樣本進行聚類，聚類中心個數(shù)K應(yīng)滿足關(guān)系式，K≤√3本研究中樣本數(shù)為36棟，故中心個數(shù)應(yīng)不多于6個；通過作者對前期調(diào)研數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，36棟樣本建筑的能耗水平，呈明顯的三級階梯狀分布，因此，有必要確定適應(yīng)各級能耗水平的建筑能耗基準，故本研究中設(shè)定聚類中心個數(shù)為3。依據(jù)歐式距離原則聚類，3組建筑中樣本數(shù)量分別為第1組12棟、第2組4棟及第3組20棟。各組聚類中心如表3所示：綜合對比發(fā)現(xiàn)第2組建筑各影響因素對建筑能耗的影響程度最為顯著，其次是第1組，最后是第3組。相應(yīng)的各組能耗平均值是：第2組21 kW - h/( m2 -a)<第1組45 kW - h/( m2 -a)<第3組63 kW-h/(m2.a)。
3 分析與討論
對各分組內(nèi)部諸建筑能耗數(shù)據(jù)進行研究，利用相關(guān)統(tǒng)計方法，進一步考察使用者行為對能耗的影響情況。
3.1 組間分項能耗比較
結(jié)合調(diào)研結(jié)果，將建筑能耗分解為4個主要的分項能耗，分別為：空調(diào)能耗、辦公設(shè)備能耗（包括電腦、打印機、復(fù)印機、電飲水機、插座）、照明能耗（包括室內(nèi)和室外照明）以及其他能耗（包括電梯、給水泵等）。分項能耗具體拆分過程如下：(1)利用統(tǒng)計調(diào)研所得建筑設(shè)備系統(tǒng)功率和運行時間數(shù)據(jù)，計算空調(diào)、辦公、照明及其他4個分項全年能耗理論值，記作Wl、W2、W3及W4。(2)對空調(diào)能耗而言，由于空調(diào)能耗僅存在于制冷季，故可將制冷季各月能耗分為基礎(chǔ)能耗與空調(diào)能耗兩部分，月基礎(chǔ)能耗W（基礎(chǔ)）為除空調(diào)能耗外，其余3項能耗的月平均值，即W（基礎(chǔ)）=(W2+W3+W4)/12；用制冷季各月實際能耗分別減去月基礎(chǔ)能耗，即可得分項空調(diào)實際能耗，再與理論值Wl作對比修正。(3)除空調(diào)能耗外，其余3項能耗值可依據(jù)分項能耗理論值比例，對建筑能耗實際值進分項拆分。
每組建筑的各分項能耗占總能耗的平均比例如圖1所示。
結(jié)合調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果可知，聚類2中建筑建造年代較為久遠，未安裝電梯等耗能設(shè)備，故其分項中“其他”一項能耗為0。由圖1可見，各聚類中，“空調(diào)”、“辦公”、“照明”3項能耗皆遠高于“其他”項，且均呈逐漸下降的趨勢，各聚類中此3種分項能耗之間比例關(guān)系基本相同，約為8:7:4。此現(xiàn)象表明，聚類間各類樣本建筑中，使用者行為整體特征基本相近，聚類間能耗水平差異由各組建筑客觀因素差異導(dǎo)致。
3.2使用者行為因素的辨識
由前述分析可知，一個聚類中集合了一類客觀因素對能耗的影響程度非常相似的樣本建筑，其客觀因素差異引起的能耗差異較小，因此，分組內(nèi)部各建筑能耗間的較大差異主要是由主觀因素即使用者行為造成的。對各分組中各建筑分項能耗歸一化值做箱線圖，箱線圖變化范圍表征組內(nèi)建筑的分項能耗差異程度，如圖2所示，圖中縱坐標為歸一化分項能耗值，即各建筑分項能耗與該組建筑分項能耗平均值之比。各組中，當某一棟樣本建筑，其某一分項能耗值高于其所處分組中建筑對應(yīng)分項能耗平均值1.5倍以上，則可認為其該項能耗與分組內(nèi)部其他各建筑存在主觀因素方面的較大差異�；诖嗽瓌t，可初步確定出在使用者行為方面可能具備節(jié)能潛力的樣本建筑。
3.3 行為模式對能耗的影響
3.3.1 各行為模式占比
以統(tǒng)計所得的各耗能設(shè)備使用過程中典型行為方式為依據(jù)，設(shè)定不同耗能分項的行為模式，起具體定義如表4所示：對辦公建筑使用者行為模式進行問卷調(diào)研，調(diào)查綜合考慮了被調(diào)查者所處樓層、房間朝向、年齡、工作性質(zhì)等因素，實現(xiàn)了對建筑使用者行為全面客觀地掌握。通過對問卷調(diào)查得到的各分項耗能設(shè)備運行方式進行統(tǒng)計，量化計算被調(diào)查者行為方式特征值及其分布特點，綜合分析，確定以樣本典型特征值水平及其組合方式為區(qū)分標準的反映使用者用能行為平均水平的運行模式。
樣本建筑中各分項使用模式對應(yīng)的建筑數(shù)量占比，如圖3所示。
3.3.2 各分組行為模式對能耗的影響
基于建筑分組模型，在同一分組內(nèi)，即排除客觀影響因素的條件下，取不同行為模式對應(yīng)建筑分項能耗的平均值代表各行為模式的能耗水平，如表5所示。
由表5可知，各分組中，各分項行為模式的改變，均使其對應(yīng)的分項能耗水平發(fā)生明顯變化，以電腦能耗為例，分組1至分組3中，因行為模式的不同（模式1與模式2的差異），電腦能耗分別上升了35%、23%及57%�？梢姡纳剖褂谜咝袨槟Ｊ�，對降低建筑能耗具有較大的潛能。
通過進一步對表5中數(shù)據(jù)進行分析可知，對于特定分項而言，不同分組間因行為模式差異而產(chǎn)生的能耗水平變化亦不盡相同，如空調(diào)能耗，分組1中，模式4對應(yīng)能耗值較模式1增加了約36%，而分組3中增加幅度可達166%；對電腦能耗而言，分組1中模式2對應(yīng)能耗較模式1增加35%，而在分組2、3中能耗增加幅度分別為115%與56%。建筑分項能耗水平是行為模式與建筑客觀因素共同作用的結(jié)果，不同分組間，行為模式對建筑分項能耗的影
響程度不盡相同。此影響程度差異表明，通過對建筑能耗客觀影響因素聚類，得到的建筑分組是合理的，以其作為考察行為模式對建筑能耗影響的研究前提，是科學(xué)可行的。
3.4參考建筑的確定
由于本研究將樣本辦公建筑分為3個聚類，每個聚類具有不同的能耗水平，故針對3個能耗水平確定相應(yīng)的能耗基準則更為合理。在聚類分析中，樣本數(shù)據(jù)為各建筑客觀能耗影響因素對建筑能耗的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，因此，各聚類中心反映了該組建筑客觀能耗影響因素對建筑能耗的平均影響水平，據(jù)此，可將與聚類中心性質(zhì)最接近的樣本建筑能耗作為該分組中建筑能耗的基準值。通過比較各分組中樣本建筑與聚類中心之間歐氏距離的大小，確定以與中心距離最近的樣本建筑作為運行能耗的參考建筑，三個分組中參考建筑能耗值分別為45，21及63 kW.h／( m2 -a)。各分組中建筑能耗值分布情況及基準水平線如圖4所示：各組中能耗超出其所在分組的參考建筑能耗值的樣本建筑分別為4、1、12棟。經(jīng)考察，這些建筑均可通過改變行為模式降低其能耗。
4 結(jié)論
本文利用灰關(guān)聯(lián)分析法，對西安市36棟辦公建筑諸客觀能耗影響因素與建筑能耗值之間的關(guān)聯(lián)性進行了研究，確定了各因素與建筑能耗之間的影響因素排序模型；在此基礎(chǔ)上，利用聚類分析方法，將36棟樣本建筑按照具有近似客觀能耗影響因素的原則分為3個聚類組，得出3組建筑的使用者行為特征是整體相似的；通過對各聚類中建筑分項能耗的研究，以分項能耗值平均值的1.5倍為基準，初步辨識出使用者行為因素；通過對調(diào)研問卷統(tǒng)計分析，定義出行為模式，考查其對各分項能耗的影響：行為模式的改變，均使其對應(yīng)的分項能耗水平發(fā)生明顯變化，不同分組間因行為模式差異而產(chǎn)生的各分項能耗水平變化程度亦不盡相同；最后以聚類中心為參考，確定3個分組內(nèi)參考建筑能耗值分別為45kW - h/( m2 .a)、21 kW - h/( m2 -a)及63 kW.h／(m2.a)，以此為基準實施節(jié)能措施和改善使用者行為模式，以達到節(jié)能的目的。
