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Application and evaluation of a pattern-based building energy model calibration method using public building datasets

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Building Simulation 2022年第8期15卷 1385-1400页

作者： Kaiyu Sun Tianzhen Hong Janghyun Kim Barry Hooper Lawrence Berkeley National Laboratory BerkeleyCAUSA National Renewable Energy Laboratory GoldenCOUSA San Francisco Deportment of the Environment San FranciscoCAUSA

Building performance simulation has been adopted to support decision making in the building life cycle.An essential issue is to ensure a building energy simulation model can capture the reality and complexity of buildings and their systems in both the static characteristics and dynamic operations.Building energy model calibration is a technique that takes various types of measured performance data(e.g.,energy use)and tunes key model parameters to match the simulated results with the actual measurements.This study performed an application and evaluation of an automated pattern-based calibration method on commercial building models that were generated based on characteristics of real buildings.A public building dataset that includes high-level building attributes(e.g.,building type,vintage,total floor area,number of stories,zip code)of 111 buildings in San Francisco,California,USA,was used to generate building models in EnergyPlus.Monthly level energy use calibrations were then conducted by comparing building model results against the actual buildings’monthly electricity and natural gas consumption.The results showed 57 out of 111 buildings were successfully calibrated against actual buildings,while the remaining buildings showed opportunities for future calibration improvements.Enhancements to the pattern-based model calibration method are identified to expand its use for:(1)central heating,ventilation and air conditioning(HVAC)systems with chillers,(2)space heating and hot water heating with electricity sources,(3)mixed-use building types,and(4)partially occupied buildings.

关键词： model calibration building energy modeling EnergyPlus building performance simulation monthly energy use

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基于庞大算例变量提取的办公建筑能耗预测方法及应用

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北京工业大学学报 2023年第3期49卷 386-394页

作者：姬颖连会会陈永保谢静超刘加平北京工业大学城建学部北京100124 北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室北京100124 上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

模拟法应用专业软件,可准确计算动态能耗,但输入参数烦琐且建筑几何模型确定后往往无法更改;数据挖掘法计算速度快,适用条件多样,但是需要长时间历史数据进行训练,效果受样本数据限制.针对以上问题,提出一种基于庞大算例变量提取的办公... 详细信息

模拟法应用专业软件,可准确计算动态能耗,但输入参数烦琐且建筑几何模型确定后往往无法更改;数据挖掘法计算速度快,适用条件多样,但是需要长时间历史数据进行训练,效果受样本数据限制.针对以上问题,提出一种基于庞大算例变量提取的办公建筑能耗预测模型,利用EnergyPlus建立批量典型建筑模型,调整建筑参数生成百万条数据作为训练数据集;采用LightGBM算法,筛选影响负荷的特征因素,构建负荷预测模型;结合EnergyPlus中空调设备能耗计算模型,应用python编译实现能耗预测,并在北京某办公建筑中进行应用和验证.结果表明,筛选的24维特征变量,可保证模型预测准确度在90%以上,逐日能耗的预测平均相对误差为8.27%.应用标准年气象参数计算全年建筑能耗,逐月平均相对误差为10.37%,建筑实际能耗指标为35.20 kW·h/(m2·a),预测能耗指标为36.25 kW·h/(m2·a),相对误差为2.98%.

关键词：办公建筑能耗预测模拟数据库特征变量 EnergyPlus LightGBM

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基于公式拟合和基于机器学习的地源热泵能耗建模对比分析

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建筑科学 2022年第4期38卷 97-104,168页

作者：杨楚豪陈毅兴袁玥陈志华李念平彭琛湖南大学土木工程学院长沙410082 博锐尚格科技股份有限公司北京100096

本研究以北京某办公楼的地源热泵系统为例,分别采用EnergyPlus公式拟合模型、支持向量机算法和BP神经网络算法对其制冷工况和供热工况进行能耗建模。系统采集了两年的运行数据,包括热泵和水泵的电耗、地源侧和用户侧的进出水温度与流量... 详细信息

本研究以北京某办公楼的地源热泵系统为例,分别采用EnergyPlus公式拟合模型、支持向量机算法和BP神经网络算法对其制冷工况和供热工况进行能耗建模。系统采集了两年的运行数据,包括热泵和水泵的电耗、地源侧和用户侧的进出水温度与流量。结果表明,EnergyPlus公式拟合模型、支持向量机算法和BP神经网络算法在制冷工况下的标准平均误差(NMBE)分别为-2.22%、-1.12%和0.43%,变异均方根误差(CVRMSE)分别为10.70%、9.45%和5.01%;供热工况下NMBE分别为-1.20%、-0.97%和0.03%,CVRMSE分别为11.06%、14.26%和7.91%。3个模型的精度都满足要求,但是EnergyPlus公式拟合模型仅适用于满足热平衡公式的35.3%的情况。基于机器学习的模型对整个运行期间预测都较准确,其中BP神经网络模型效果最好。

关键词：建筑能耗模拟地源热泵 EnergyPlus 数据驱动机器学习

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Heating energy performance and part load ratio characteristics of boiler staging in an office building

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Frontiers in Energy 2019年第2期13卷 339-353页

作者： Da Young LEE Byeong Mo SEO Yeo Beom YOON Sung Hyup HONG Jong Min CHOI Kwang Ho LEE Graduate School Hanbat National UniversityDaejeon 305-719South Korea College of Design North Carolina State University RaleighNC 27695-7701USA Department of Mechanical Engineering Hanbat National UniversityDaejeon 305-719South Korea Department of Architectural Engineering Hanbat National UniversityDaejeon 305-719South Korea

Commercial buildings account for significant portions of the total building energy in South Korea and thus a variety of research on the boiler operation related to heating energy in office buildings has been carried out thus far. However, most of the researches have been conducted on the boiler itself, i.e., the part load ratio characteristics and the corresponding gas energy consumption patterns are not analyzed in the existing studies. In this study, the part load ratio and the operating characteristics of gas boiler have been analyzed within an office building equipped with the conventional variable air volume system. In addition, the gas consumption among different boiler staging schemes has been comparatively analyzed. As a result, significant portions of total operating hours, heating load and energy consumption has been found to be in a part load ratio range of 0 through 40% and thus energy consumption is significantly affected by boiler efficiency at low part load conditions. This suggests that boiler operation at the part load is an important factor in commercial buildings. In addition, utilizing sequential boiler staging scheme can save a gas usage of about 7%. For annual heating energy saving, applying the sequential control boiler with a 3:7 proportion staging is considered to be the optimal control algorithm for maximum efficiency of boilers.

关键词： EnergyPlus boiler part load ratio gas con-sumption office building boiler staging

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日光温室相变蓄热墙体最佳组合厚度的模拟研究

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太阳能学报 2019年第2期40卷 496-504页

作者：时盼盼吕建孙于萍李宪莉王博王雷波天津城建大学能源与安全工程学院天津300384 天津津能滨海新能源有限公司天津300384

为合理确定日光温室复合相变墙体蓄热层与保温层的最佳厚度,该文从日光温室墙体动态传热特性角度出发,通过EnergyPlus热保温性能的增大随蓄热层与保温层厚度的增加是有限的,对于天津地区,推荐使用的日光温室三重结构墙体的最佳组合厚度... 详细信息

为合理确定日光温室复合相变墙体蓄热层与保温层的最佳厚度,该文从日光温室墙体动态传热特性角度出发,通过EnergyPlus热保温性能的增大随蓄热层与保温层厚度的增加是有限的,对于天津地区,推荐使用的日光温室三重结构墙体的最佳组合厚度为40 mm(expanded polystyrene board,EPS),其中40 mm PCM的复合相变墙体与同热阻的土墙、砖墙相比最高温度分别降低1.65、2.59℃,最低温度分别提高2.04、2.90℃,可明显减小温室全天温度波幅,有效改善温室热环境的整体水平;土地占用面积比同热阻的土墙、砖墙分别减少81%、60%,可提高土地利用率。

关键词：日光温室墙体蓄热层保温层 EnergyPlus

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双层相变材料砌块的全年应用效果研究

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太阳能学报 2019年第6期40卷 1519-1526页

作者：张维维程建杰张源何嘉鹏南京工业大学城市建设学院南京210009 江苏大学能源与动力工程学院镇江212013

为解决单一相变材料无法在全年发生相变产生节能效益的问题,提出在空心混凝土砌块中填充2种相变温度不同的相变材料构成双层相变材料混凝土砌块。以夏热冬冷地区南京某朝南房间为研究对象,通过EnergyPlus能耗软件的模拟分析功能对2种相... 详细信息

为解决单一相变材料无法在全年发生相变产生节能效益的问题,提出在空心混凝土砌块中填充2种相变温度不同的相变材料构成双层相变材料混凝土砌块。以夏热冬冷地区南京某朝南房间为研究对象,通过EnergyPlus能耗软件的模拟分析功能对2种相变材料的相变温度及在砌块中的位置进行优化。研究得到,在南向外墙中应用这种双层相变砌块,相比于单层相变砌块和空心砌块可显著减小空调期制冷耗电量和采暖期制热耗电量,且能明显减小过渡季节的室内日平均温度波幅,提高热舒适度。

关键词：双层相变材料空心混凝土砌块 EnergyPlus 节能热舒适

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南宁地区粗放型绿色屋顶热性能和能耗研究

南宁地区粗放型绿色屋顶热性能和能耗研究

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作者：张可欣广西大学

学位级别：硕士

绿色屋顶被视为城市可持续发展的解决方案,对于改善室内热环境、降低夏季建筑制冷能耗具有重要作用。现有的研究表明,在屋顶合理种植绿化植物、优化绿色屋顶结构可以降低屋顶温度从而减少建筑能耗,从而达到缓解城市热岛的效果。但是绿... 详细信息

绿色屋顶被视为城市可持续发展的解决方案,对于改善室内热环境、降低夏季建筑制冷能耗具有重要作用。现有的研究表明,在屋顶合理种植绿化植物、优化绿色屋顶结构可以降低屋顶温度从而减少建筑能耗,从而达到缓解城市热岛的效果。但是绿色屋顶对屋顶热性能的影响具有一定的地域性,目前仍缺乏综合考虑南宁气候特点与差异化结构设计的绿色屋顶热性能与能耗研究。基于上述目的,本文采用试验研究与数值模拟的方法对南宁地区粗放型绿色屋顶热性能和能耗进行研究,主要研究工作与结论如下:(1)本文根据绿色屋顶种植土壤的生长要求提出了一种生物炭改性土,并对改性土和田园土两种基质进行有机质、持水性、渗透性、导热性、比热容等基本特性根据相关规范进行了试验。研究表明经过生物炭改性后的基质有机质含量大幅度增加,其有机质含量、水解性氮、有效磷、速效钾含量分别提高到素土的5.46倍、1.51倍、8.94倍、4.79倍。改良基质的养分和保肥能力都得到有效改善,可以为植被的生长提供必要的营养。(2)开展了室外绿色屋顶的模型试验,对不同结构的绿色屋顶(不同土层厚度、叶面积指数、基质密度、基质类型)和传统屋顶进行热性能研究。结果表明:绿色屋顶对缓解夏季城市热岛效应有显著效果,土层厚度是影响屋顶热性能最重要的因素。通过对比三种植被的降温效果和全年生长情况,总结得到三种植被降温能力和适应南宁气候的顺序为:麦冬>筋骨草>佛甲草。蓄水层提高了绿色屋顶的保水能力,较高的含水率可以降低基质中的热梯度。生物炭改性土可以为植被提供更多养分,并有效改善绿色屋顶的水热性能。在气象因素对绿色屋顶热性能的影响研究中发现,空气温度与绿色屋顶各结构层温度之间的相关性最大,各层相关系数在0.871～0.925之间。(3)使用能耗软件EnergyPlus模拟在南宁气候下不同参数粗放型绿色屋顶的全年能耗。模拟结果发现:当土壤厚度为200mm、基质密度为2000kg/m、LAI=5时,建筑制冷能耗和全年能耗指标最小,分为25.93KWh/m和33.10KWh/m,对比传统屋顶分别可以减少60.1%、49.1%的制冷能耗和总能耗;当土壤厚度为200mm、基质密度为2000kg/m、LAI=1时,建筑供热能耗指标最小,为6.03KWh/m,对比传统屋顶可以减少56.6%的制热能耗。可见在南宁地区使用适宜的绿色屋顶结构可以大幅降低屋面温度与节省建筑能耗。

关键词：粗放型绿色屋顶热岛效应建筑节能能耗 EnergyPlus

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面向建筑节能设计的改进多目标进化优化方法

面向建筑节能设计的改进多目标进化优化方法

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作者：梁晓珂中国矿业大学

学位级别：硕士

建筑行业的能源消耗是全球能源消耗的主要组成部分,实施建筑节能设计可在很大程度上改善环境和公众健康状况,降低能源消耗。建筑节能设计考虑的优化目标通常不止一个,而且这些目标之间常相互冲突。多目标进化优化方法可以处理该类问题,... 详细信息

建筑行业的能源消耗是全球能源消耗的主要组成部分,实施建筑节能设计可在很大程度上改善环境和公众健康状况,降低能源消耗。建筑节能设计考虑的优化目标通常不止一个,而且这些目标之间常相互冲突。多目标进化优化方法可以处理该类问题,但是,现有方法依然存在收敛速度慢、易于局部收敛等不足。更为重要的是,由于需要借助计算代价昂贵的第三方软件来评估个体的适应值,已有的多目标进化优化方法依然存在运行时间长,不能快速为决策者提供解决方案的缺陷。鉴于此,本文在现有工作的基础上,研究面向建筑节能设计的改进多目标进化优化方法。主要内容如下:（1）针对现有成果普遍存在的收敛速度慢,易于局部收敛等不足,提出一种基于分解多目标进化优化的建筑节能设计方法。该方法借助MOEA/D算法的思想,先采用分解策略将问题拆分成多个子优化问题,再利用相邻子问题的信息来更新个体位置,在提高Pareto最优解分布性的同时,能避免种群陷入局部最优;同时,给出一种基于模糊决策技术的折衷解选择策略,帮助决策者从诸多Pareto最优解中选择一个最合适的解决方案。（2）针对传统的建筑节能智能优化算法中计算代价高昂的问题,提出一种多代理模型辅助的MOEA/D算法（记为MS-MOEA/D）。首先,融合MOEA/D算法的分解操作,建立一种基于目标分解的多代理模型构建与管理机制,自主确定需要更新的基础代理模型,有效降低模型更新代价;接着,给出一种基于相邻代理聚合的个体评价机制,提高其预测精度;最后,提出一种融合预测结果的参考点更新方式,用于提高所得Pareto前沿的延展性。（3）为进一步提升代理辅助进化优化算法的效果并降低运行成本,提出一种代理辅助的骨干多目标粒子群优化算法（记为Sa-MOPSO）。为提升填充样本的质量,给出一种新的基于?支配的代理模型管理策略;为减少算法对控制参数的依赖性,引入一种基于代理模型的骨干粒子位置更新。通过将代理模型引入到多目标粒子群优化算法,在提高Pareto最优解质量的同时,提升算法运行速度。将以上的改进算法和建筑能耗仿真软件EnergyPlus结合起来,构建一个基于多目标进化优化的建筑节能设计模拟平台。将这些算法用于处理中国北方多房间居民建筑和单房间办公建筑节能设计问题中,并与已有的代表性方法进行对比,结果表明,其在显著降低计算代价的基础上,它们能够得到高竞争力的Pareto最优解集。该论文有图14幅,表26个,参考文献108篇。

关键词：进化优化建筑节能设计多目标优化代理模型 EnergyPlus

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寒冷地区电致变色窗节能效果研究

寒冷地区电致变色窗节能效果研究

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作者：史开轩河北工程大学

学位级别：硕士

电致变色窗是一种新型智能窗,可通过外接电压调节透光率改变颜色,进而选择性地吸收或反射外部热辐射,减少内部热扩散。以此特性电致变色窗可以降低建筑夏季的制冷能耗,提高自然采光和视觉舒适度。为确定电致变色窗在寒冷地区的节能效果... 详细信息

电致变色窗是一种新型智能窗,可通过外接电压调节透光率改变颜色,进而选择性地吸收或反射外部热辐射,减少内部热扩散。以此特性电致变色窗可以降低建筑夏季的制冷能耗,提高自然采光和视觉舒适度。为确定电致变色窗在寒冷地区的节能效果,本文联合使用Energy Plus和Simulink软件,构建了一种全新的基于遗传算法的电致变色窗控制阈值优化模型。并对本文使用的建筑模型从总负荷、总耗电量和不同朝向的耗电量进行综合对比分析,总结了不同方向、不同控制方法对应的最佳控制阈值对建筑能耗的影响规律。本文主要结论如下:(1)通过电致变色窗控制阈值优化模型优化后,在不同朝向上不同控制方式有不同的最优设定值,其中:基于室内温度控制?基于室外温度控制和基于入射强度控制在建筑东向上最优的设定值分别为25.66℃,20.34℃和275.92 W/m,其中基于入射强度275.92 W/m控制有最好的节能效果,全年节能0.11 MW.h,约2.2%;在建筑南向上最优的设定值分别为25.98℃,23.77℃和171.10 W/m,其中基于室外温度最优控制值25.98℃有最好的节能效果,全年节能0.19 MW.h,约2.6%;在建筑西向上最优的设定值分别为31.99℃,25.72℃和135.7 W/m,其中基于入射强度最优控制值135.7 W/m有最好的节能效果,全年节能0.23 MW.h,约4.4%;在建筑北向上最优的设定值分别为31.83℃,37.45℃和171.10 W/m,但是全年建筑能耗与静置窗建筑无异。(2)电致变色窗在寒冷地区能达到建筑节能的效果。在建筑的东?南和西向上节能效果明显。在北向上由于太阳入射强度过低,电致变色窗无法产生节能效果。(3)电致变色窗在夏季由于有较高的太阳入射强度,节能效果明显;在冬季,电致变色窗在寒冷地区无法产生节能效果。本文构建的电致变色窗控制阈值优化模型,为电致变色窗控制阈值设计优化提供了实现工具。电致变色窗在寒冷地区节能效果的相关结论对其的现实应用提供了一定帮助。本文的电致变色窗的相关研究对智能窗控制的发展有重要意义。

关键词：电致变色窗控制方式优化建筑能耗 EnergyPlus 建筑节能

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典型建筑能耗模型搭建——以长沙商场建筑为例

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年第6期53卷 947-954页

作者：潘晓陈毅兴邓章陈志华杨楚豪湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室湖南长沙410082 东南大学建筑设计研究院有限公司江苏南京210008

城市建筑群能耗模拟通过建立自下而上的建筑能耗模型,可有效地评估不同节能技术在指定城市的节能效果.由于数据有限,城市建筑群能耗模拟一般基于各类型建筑的典型能耗模型.以长沙地区商场建筑为例,主要研究典型能耗模型搭建的方法.首先... 详细信息

城市建筑群能耗模拟通过建立自下而上的建筑能耗模型,可有效地评估不同节能技术在指定城市的节能效果.由于数据有限,城市建筑群能耗模拟一般基于各类型建筑的典型能耗模型.以长沙地区商场建筑为例,主要研究典型能耗模型搭建的方法.首先,对长沙地区商场建筑进行现场调研,包括建筑几何特征、内部功能分区、室内平均温度等.其次,通过调研设计规范与标准,确定商场建筑的围护结构、室内热扰、空调系统、生活热水系统的形式和能效参数.接着,通过对部分商场的分项计量实测数据进行聚类来获取长沙地区商场建筑的运行作息,包括灯光、设备、空调系统的作息.最后,使用SketchUp和OpenStudio软件搭建了典型商场建筑EnergyPlus能耗模型.模拟结果中年均用电量为192.7 kW·h/(m^(2)·a),燃气用量为0.21 GJ/(m^(2)·a),与调研的长沙商场平均用能较为接近.搭建的商场建筑典型能耗模型,将用于评估长沙市所有商场建筑的能耗特点及其未来碳中和路径.

关键词：商场建筑特征参数调研典型建筑能耗模型聚类分析 EnergyPlus

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