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1、對(duì)居民能源需求的高效模擬技術(shù) 亮點(diǎn)： 1.實(shí)驗(yàn)方式是個(gè)人使用的異構(gòu)馬爾可夫鏈，校準(zhǔn)時(shí)間后再使用數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。 2.住宅需求模型允許重建一個(gè)單一的功耗或總體組家庭。 3.制定了一個(gè)嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證框架，以驗(yàn)證所提出的模型。 4.住宅需求模型可以作為評(píng)價(jià)不同技術(shù)效果的工具。 5.模擬出的住宅需求負(fù)荷顯示高度逼真的圖案。 摘要 本文提出了一種模擬一個(gè)家庭由多個(gè)的電力需求的模型。能源消費(fèi)分為四大類，即制冷，采暖， 通風(fēng)，和諸如空調(diào)，照明等由日常生活所導(dǎo)致的消耗。 前三個(gè)部件均采用工程物理為基礎(chǔ)的模型為藍(lán)本，而日常生活使用的是異構(gòu)的馬爾可夫鏈模型。美國(guó)統(tǒng)計(jì)局利用所收集的數(shù)據(jù)對(duì)一般美

2、國(guó)家庭的個(gè)案研究開發(fā)。數(shù)據(jù)被用來進(jìn)行一次抽樣檢驗(yàn)的建?；顒?dòng)，并在嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證預(yù)測(cè)電力需求。結(jié)果能夠捕捉年度和晝夜變化，負(fù)載波動(dòng)，以及家庭之間的差異配置，位置和大小。 1.引言 化石燃料的依賴和對(duì)溫室關(guān)注的關(guān)注增加了使用政策和技術(shù)的發(fā)展，以減少和轉(zhuǎn)移能源的使用。2009年，住宅約占美國(guó)一次能源消費(fèi)總量的22％，，這表明從居民住宅解決能源問題大有必要[1]。通過對(duì)需求和短缺之間的調(diào)查，我們就可以對(duì)種種資源進(jìn)行科學(xué)的投資。 比如可再生發(fā)電，能源存儲(chǔ)和電動(dòng)車。 可用兩種技術(shù)來模擬能源需求：自頂向下和自底向上的模型[ 2 ] 。自上而下模型使用總住宅能源的消耗，連同其它相關(guān)變量，加以屬性能耗住

3、房部門的特點(diǎn)。這個(gè)車型可以把計(jì)量經(jīng)濟(jì)作為參考，這需要在實(shí)際消費(fèi)過程中的小細(xì)節(jié)。這些模型將住宅作為能源儲(chǔ)備站或應(yīng)用影響消費(fèi)的因素，以確定趨勢(shì)[ 2-5 ] 。所需的輸入數(shù)據(jù)視情況來制定這些模，包括住宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，住戶和他們的行為，家電的特點(diǎn)，歷史能源消耗，氣候條件和宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。基于時(shí)間序列的方法隨機(jī)預(yù)測(cè)，也可用于預(yù)測(cè)家庭能源消費(fèi)[ 6-8 ]，如自回歸移動(dòng)平均線的方法。 從另一方面說，自下而上模型的貢獻(xiàn)在于向總能耗每個(gè)最終用途住宅領(lǐng)域[ 9-11 ] 。自下而上的方法能細(xì)化建模能量消耗，使之影響仿真技術(shù)改進(jìn)和政策決定。這些模型能計(jì)算出一個(gè)地區(qū)或國(guó)家的個(gè)人或群體的家庭能耗情況。這聚合結(jié)果一般是

4、通過評(píng)估為完成每個(gè)房子模型或基于其代表性群體的房子該部門的方法[ 2 ] 。此外，自底向上方法有能力確定住宅的能源消費(fèi)總量但不依賴于歷史數(shù)據(jù)。常見的輸入數(shù)據(jù)包括居住特征（如大小和布局，建材，家電的特點(diǎn)） ，天氣條件，家庭乘員的行為及相關(guān)使用采暖，通風(fēng)電器，照明使用和特點(diǎn)，和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)。這種高層次細(xì)節(jié)表示自下而上模型的強(qiáng)度受到模型中的不同技術(shù)選擇的影響，并允許實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化技術(shù)。在另一方面，用這樣的詳細(xì)資料，特別是關(guān)于家庭成員的行為，引入了巨大的模型的復(fù)雜性。輸入數(shù)據(jù)的要求通常大于自頂向下的模型。 一些文章提出了利用自底向上技術(shù)模擬住宅能源使用情況的說法。 1994年卡帕索 [

5、 9 ]提出一個(gè)用于評(píng)估需求側(cè)管理對(duì)居民用戶的影響模型。蒙特卡羅方法是用來捕獲住宅需求與心理和家庭乘員之間行為的關(guān)系。理查森 [ 10 ]引入馬爾可夫鏈技術(shù)來生成合成活躍占用模式，在英國(guó)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查人們的時(shí)間利用。隨機(jī)模型地圖乘員活動(dòng)器具使用，創(chuàng)建高度分辨合成的需求數(shù)據(jù)。同一作者還包括照明模型中，占自然光[ 12 ]，拓寬[ 11,13]按照類似的方法，涉及居民用電需求以占用型材。該模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證對(duì)相對(duì)較小的時(shí)間使用和電力消耗的數(shù)據(jù)集收集在瑞典。作者表明，現(xiàn)實(shí)需求圖案可以從這些活動(dòng)序列來生成。在這項(xiàng)工作高度分辨自下而上的方法被開發(fā)模擬美國(guó)住宅能源需求。 這種自下而上的方法被開發(fā)模擬美國(guó)住宅能

6、源需求。該模型能模擬一個(gè)普通家庭在美國(guó)和家庭成員的行為通過使用模擬收集的時(shí)間，該方法使用了2003-2009年進(jìn)行的馬爾科夫過程校準(zhǔn)。該模型不同于現(xiàn)有的自底向上的方法體現(xiàn)在四個(gè)方面。其一是暖通空調(diào)的使用和需求進(jìn)行建模與多更詳細(xì)的使用基于物理的工程方法。該第二是一個(gè)大型時(shí)間調(diào)查數(shù)據(jù)集是用來校準(zhǔn)行為模式存在的方法依賴于更小數(shù)據(jù)集。第三，一些模型的參數(shù)，這是很難估計(jì)，實(shí)際使用住宅計(jì)量校準(zhǔn)電數(shù)據(jù)。最后，嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)測(cè)試是用來驗(yàn)證該模型通過比較產(chǎn)生的預(yù)計(jì)需求概況該模型對(duì)計(jì)量居民用電需求數(shù)據(jù)。在這樣的模型化住宅需求的隨機(jī)特征配置文件進(jìn)行驗(yàn)證。 這個(gè)模型可以用來作為一種工具，來模擬當(dāng)下的住宅，并最終評(píng)估在能

7、源利用方面的政策和不同技術(shù)的采用和部署方案，成本問題和廢氣排放問題。該模型能也可以使用作為輸入到具體的能源系統(tǒng)仿真，比如確定的日負(fù)荷模式的影響和可再生能源的不確定性和可變性上提前一天和實(shí)時(shí)單位預(yù)期值，調(diào)度和功率流。高度解析模式也需要應(yīng)用與此類分析之中。這個(gè)框架可以讓消費(fèi)者在不同的負(fù)載調(diào)度比較成本，使能源消費(fèi)者利益積極參與能源市場(chǎng)。它也可以利用價(jià)格信號(hào)幫助公用事業(yè)評(píng)估作從而了降低生產(chǎn)成本，使需求用電負(fù)荷更靈活，方便了可再生能源的整合來源。此外，該模型可以用作一個(gè)輸入到長(zhǎng)期的產(chǎn)能規(guī)劃和擴(kuò)展研究。根據(jù)具體的最終應(yīng)用，可以使用該模型生成一個(gè)針對(duì)個(gè)人家庭中的負(fù)荷曲線，或負(fù)載多個(gè)建筑物的輪廓，并且可能會(huì)被

8、合并到模擬負(fù)載更廣泛的系統(tǒng)。 2. 模型結(jié)構(gòu) 該模型的目的是生成住宅電能使用情況。住宅需求概況在本質(zhì)上是可變的，取決于多個(gè)物理因素，如氣候，溫度和住宅特征和家庭成員的行為。因此，建模需求取決于物理性能，居住位置和個(gè)體特征。因?yàn)槟Ｐ褪菫榱松梢粋€(gè)典型的住宅需求狀況。 一所住宅的總電力需求，計(jì)算如下： 其中W是總電力需求，表示為W; Wcold指用于制冷裝置的能量，如冰箱和冷凍機(jī); W HVAC是所使用的HVAC系統(tǒng)的耗電量; Wact是家庭成員活動(dòng)所直接消耗的能源，烹飪或使用洗碗機(jī)等; Wlijht是照明能耗，Wfix是一個(gè)可認(rèn)為是常數(shù)的術(shù)語，即無所不在的電力消耗，比如家電“待機(jī)功耗

9、”。 這些術(shù)語包括功率損耗，由于系統(tǒng)的低效率，以及散熱和電損耗。該功耗類別提出不同的依賴關(guān)系，這決定了建模方法的基本結(jié)構(gòu)的使用.Wcold只依賴于制冷設(shè)備的大小與型號(hào)。W-hvac依賴于HVAC系統(tǒng)的物理特性和住戶的安裝要求，，該家庭必須承受的天氣條件。 W-act取決于家庭成員活動(dòng)因素，即所用設(shè)備的功率與能源密集型活動(dòng)的開展。 W-light依賴于建筑的自然采光。這白天和黑夜使用不同的照明電源轉(zhuǎn)換參數(shù)被捕獲。 照明電源轉(zhuǎn)換參數(shù)和W-fix是很難進(jìn)行評(píng)估，并使用線性回歸模型進(jìn)行計(jì)算違背了美國(guó)電力提供實(shí)際計(jì)量數(shù)據(jù)（AEP）。對(duì)于制冷裝置，HVAC系統(tǒng)，以及詳細(xì)的模型照明需求的組件都可以在文獻(xiàn)

10、中找到[14 - 16]。 該模型是靈活的設(shè)計(jì)，使能耗在用戶所希望的任何時(shí)間分辨率來進(jìn)行建模。第3節(jié)介紹的案例研究采用的是10分鐘的時(shí)間步長(zhǎng)模型的電力需求。此外，暖通空調(diào)機(jī)型采用了1-S時(shí)間分辨率捕捉到的熱動(dòng)力學(xué)演化空氣在建筑物內(nèi)。針對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)告用電量每小時(shí)時(shí)間步驟。因此，模擬10分鐘消耗配置文件和1-S暖通空調(diào)消費(fèi)被聚集到到達(dá)每小時(shí)值，它可以與被測(cè)數(shù)據(jù)相比較的。 2.1 制冷裝置的能量消耗 最近的評(píng)估把冰箱的平均額定功率定為約725 W。此外，在2010年，一個(gè)典型的美國(guó)住宅冷家電消費(fèi)是估計(jì)占住宅用電量的14.9％，并且能源部下屬能源情報(bào)局提出每年每個(gè)家庭電力消費(fèi)11,4

11、96千瓦時(shí)，這些數(shù)值意味著每家用制冷裝置的能量消耗是1,713千瓦時(shí)。假設(shè)冰箱是一個(gè)開關(guān)設(shè)備，始終工作在其標(biāo)稱狀態(tài)下時(shí)，平均運(yùn)行時(shí)間可以通過估計(jì)由額定功率除以每年的能源消耗為： 制冷裝置的消費(fèi)是使用伯努利分布進(jìn)行模擬，具有固定的成功概率，因此預(yù)期該設(shè)備的時(shí)間是每年2363小時(shí)。假設(shè)使用于年內(nèi)均勻分布，這意味著一典型的制冷裝置的工作時(shí)間27％。由于模型是用10分鐘的時(shí)間步長(zhǎng)而轉(zhuǎn)化為一個(gè)寒冷的設(shè)備上每3小時(shí)運(yùn)行10分鐘隔。這將產(chǎn)生約4.83千瓦時(shí)每日能量消耗。 圖1顯示出了一個(gè)得到的光焦度一天中分布的一個(gè)例子 。 2.2 HAVC的能量消耗 空間調(diào)節(jié)的最終用途包括供暖，通風(fēng)和空調(diào)最顯

12、著代表了住宅能源在美國(guó)消耗。一個(gè)主要目是暖通空調(diào)系統(tǒng)是通過適當(dāng)保持室內(nèi)空氣質(zhì)量通風(fēng)與過濾，并提供熱舒適性[14]。以上住宅建筑在美國(guó)占70％，從而達(dá)到用中央強(qiáng)制空氣分配采暖和空調(diào)系統(tǒng)的目的[17]。這項(xiàng)工作中提出的模型采用基于整體的方法熱阻理論來模擬一個(gè)典型的行為基于空氣的HVAC系統(tǒng)[18]?？刂屏糠治龅幕A(chǔ)上，對(duì)于包括僅僅存在于空氣中的體積中進(jìn)行熱力學(xué)和傳熱的基本原則房子，如圖2。 空氣的熱動(dòng)力學(xué)演化由下式給出： 其中的變量定義：ma作為空氣質(zhì)量的內(nèi)部控制量（kg）; CP為空氣比熱（kJ /kg K）;ta作為空氣溫度控制體積（C）;mhavc作為暖通空調(diào)暖通空調(diào)空氣流動(dòng)速率

13、（kg /s）; RTOT作為等效熱阻（K / W）; THVAC作為HVAC供給空氣的溫度（C）,T1為環(huán)境溫度（C）。 RTOT是這樣計(jì)算的： 其中ho和hi 分別是外界和對(duì)流系數(shù)。 Awall和AWIND是墻壁和窗戶表面在與環(huán)境相接觸。這些表面正常的熱傳遞的方向。 Rwind和Rwall是熱窗戶和墻壁的電阻。值這些參數(shù)示于表2。 在第一項(xiàng)公式的右邊。 （1）表示的能量由HVAC系統(tǒng)提供的，即由攜帶能量離開HVAC系統(tǒng)，并在進(jìn)入家庭的空氣溫度THVAC。第二項(xiàng)表示傳熱戶之間，在溫度Ta，和環(huán)境，在溫度T1。 式（1）可以解析求解，以獲得動(dòng)態(tài)演化的空氣的家庭內(nèi)的溫度為：

14、 其中，T0代表的是初態(tài)條件 暖通空調(diào)模式需要有關(guān)的幾個(gè)假設(shè)該系統(tǒng)的物理特性，包括大小導(dǎo)管，風(fēng)扇和熱機(jī)。管道尺寸的確定通過最小化凈現(xiàn)值安裝和運(yùn)行成本[18]。導(dǎo)管和風(fēng)扇的尺寸，使得最大空氣流速相匹配的最惡劣的冬季和夏季條件的位置建設(shè)被建模（選擇這些條件的值與下面描述的其它的HVAC設(shè)計(jì)參數(shù)列于表2）。一旦空氣流速被選擇為最常見的住宅系統(tǒng)的可用參數(shù)，最合適的爐也將會(huì)被確定。 對(duì)于兩個(gè)空氣流率和額定功率的選擇所導(dǎo)致的爐引到空氣進(jìn)入溫度的固定值，取決于所選的特定系統(tǒng)上，從40到66℃可能的空氣流率和爐子大小的組合，以及從返回的空氣溫度暖通空調(diào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)中報(bào)告表1.4由于冷卻機(jī)器是一種比爐更具可

15、擴(kuò)展性和更多種類的模型，并且是可在市場(chǎng)上購(gòu)買的，假定空氣在夏季的溫度是恒定的，等于134℃[18]。 每天是否成為模擬對(duì)象取決于那一天是冷還是熱。這是為了復(fù)制所作出的決定而對(duì)兩個(gè)HVAC系統(tǒng)進(jìn)行切換。一個(gè)簡(jiǎn)單的但現(xiàn)實(shí)的控制策略是基于繼電器的實(shí)施允許14 ℃周圍所要求的溫度，這是一個(gè)公差設(shè)置為21.1℃（70°F）。 暖通空調(diào)的能耗被分成兩部分：功率由風(fēng)扇所消耗流通空氣，Wfan，并且電源由暖通設(shè)備吸收。前者可以計(jì)算如： 其中的總壓降，ΔPtot，被定義為等于Pstatic +ρ，Pstatic是靜壓降，ρ是空氣密度，v是空氣速度。在這項(xiàng)工作中v為假定等于4m/s[18]，中點(diǎn)建議值，

16、以避免噪聲的范圍。ηFAN和ηmotor是風(fēng)扇和馬達(dá)，分別與該產(chǎn)品的效率ηFANηmotor被假定為等于0.15[19]。 無論該系統(tǒng)是在冷卻或加熱模式，暖通設(shè)備的能源消耗都是不同。在加熱操作中，為保持所需的溫度條件，即需要產(chǎn)生的功率恒定：需要必要的熱量，可以使用兩種方法來獲得爐加熱或全電動(dòng)HVAC系統(tǒng)。在前者情況下，需要主電源，Epramary，可以計(jì)算為： 其中ηfurnace假設(shè)為0.85。 這種能量是通過燃料的燃燒（如自然直接獲得天然氣，燃料油或煤油）。在這種情況下Epramare增加建筑物的電力負(fù)荷，這是表示僅通過消耗空氣流通，即Wfan的電源。同樣，熱量可以使用全電系統(tǒng)來

17、獲得。在這第二種情況下，熱量被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電負(fù)載指標(biāo)，COP系數(shù)。因而初級(jí)能源需要Epramary，等于用電量Wheat 其計(jì)算如下： 圖3示出在空氣中的溫度控制的演變量和環(huán)境溫度對(duì)2010年5月9日的印第安納州/密歇根州區(qū)。這是以模擬為目的，實(shí)際使用上歷史環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)字還報(bào)告由消耗所產(chǎn)生的總時(shí)間的電能暖通空調(diào)系統(tǒng)。這表現(xiàn)為，加上一個(gè)HVAC系統(tǒng)爐中，用于全電動(dòng)的HVAC系統(tǒng)。表2總結(jié)HVAC系統(tǒng)參數(shù)使用。對(duì)于耦合HVAC系統(tǒng)用爐，總的模擬電量為這一天是0.53千瓦時(shí)，18.2千瓦時(shí)的熱量是通過燃燒加燃料在爐中。對(duì)于全電動(dòng)系統(tǒng)，總模擬用電量的一天是5.2千瓦時(shí)。 在夏季運(yùn)行HV

18、AC系統(tǒng)必須既涼爽又減少空氣濕度。這是成正比的總焓變，Δhtotal，可以使用顯熱比，SHR進(jìn)行計(jì)算。這種長(zhǎng)期措施的顯熱負(fù)荷（例如，用于冷卻的能量）之間的比與總的熱負(fù)荷，并且被定義為： 其中Δhsensible是顯熱的焓變。典型SHR值，其范圍從0.6至0.9，在美國(guó)在不同地方的不同 美國(guó)采暖，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）的標(biāo)準(zhǔn)年使用[20]。該在夏季制冷功率由下式給出： 在冷卻天總耗電量可通過總結(jié)Wfan和散熱Wcool。在能源消費(fèi)評(píng)價(jià)在美國(guó)住宅空間空氣調(diào)節(jié)領(lǐng)域一定程度上解聚是可取的，因?yàn)橛休^大的氣候差異和相關(guān)的加熱和冷卻要求。這種方法基于環(huán)境溫度和SHR參數(shù)的變化。

19、這項(xiàng)工作中，需要控制體積的空氣質(zhì)量，在一棟面積為223平方米（2400平方英尺），高度為2.44米（8英尺）的建筑中進(jìn)行。一個(gè)系統(tǒng)具有空氣流量容量為0.46千克/秒（800立方英尺），同時(shí)與一個(gè)標(biāo)稱13.2千瓦（45 KBTU/小時(shí)）電源的爐是必需的空氣溫度表2總結(jié)了HVAC參數(shù)使用。這種方法由Muratori et al 提出，并展現(xiàn)了很多細(xì)節(jié)。 [21]。 2.3 建筑電耗量與居民活動(dòng)的關(guān)系 模擬個(gè)體的行為是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)殡S機(jī)執(zhí)行的活動(dòng)的性質(zhì)。這與每個(gè)人的家庭，生活習(xí)慣，在能源使用中的差異與不同的活動(dòng)有關(guān)，每天和每周的變化行為和負(fù)載巧合都應(yīng)該被捕獲。該模型采用的是異構(gòu)馬爾可夫

20、鏈模擬人員的行為，并預(yù)測(cè)相關(guān)的能源消耗。Pandit and Wu等人[22]使用類似的方法來模擬住宅電力需求，Widén and W?ckelgad[11]在瑞典開發(fā)一個(gè)類似的模型來預(yù)測(cè)住宅需求。作為第一步，產(chǎn)生每個(gè)家庭成員的合成活動(dòng)模式，然后該轉(zhuǎn)換成Wact與每個(gè)活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換因子。 所有可能的活動(dòng)分為九大類，就其中不同的執(zhí)行活動(dòng)所需的能量而言。這些活動(dòng)包括： 1.睡覺。 2.無電源活動(dòng)（例如閱讀）。 3.清潔（如吸塵）。 4.洗衣房。 5.烹飪。 6.全自動(dòng)洗碗。 7.休閑娛樂（如使用電視機(jī)，音響，電腦，或視頻游戲的系統(tǒng)）。 8.走，工作。 9.

21、走，不能正常工作。 馬爾可夫鏈模型假定每個(gè)家庭成員在這九個(gè)狀態(tài)中的每個(gè)離散的時(shí)間步長(zhǎng)中的一個(gè)。隨著時(shí)間的從t進(jìn)行到t +1時(shí)的狀態(tài)過渡。這些轉(zhuǎn)變通過轉(zhuǎn)移概率， Pi,jd,h，從而使該概率從狀態(tài)i到在h小時(shí)狀態(tài)j上鍵入-d天。白天行為模式是通過允許過渡轉(zhuǎn)載概率來改變從而超過24小時(shí)，這由下式表示該指數(shù)小時(shí)。同樣，行為和工作之間的差異非工作日，因此允許概率來捕獲工作（D = 1）和非工作天（d = 0）之間變化。這方法要求選擇初始狀態(tài)，這是所有人都在睡覺的凌晨4時(shí)模擬的第一天。然后在每個(gè)時(shí)間步驟一均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)x，生成和比較的累積分布狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以確定哪些轉(zhuǎn)變發(fā)生。這是在圖4所示 。因?yàn)閤是

22、在該示例中的第五間隔在圖中所示，這意味著乘員將過渡第五狀態(tài)。 該活動(dòng)相關(guān)的功耗模型的數(shù)據(jù)需要輸入家庭成員的數(shù)目，和功率轉(zhuǎn)換因子。轉(zhuǎn)移概率從ATUS數(shù)據(jù)獲得，這都是很典型的代表性數(shù)據(jù)，如工作的男性和女性的工作（與不同的相關(guān)的轉(zhuǎn)移概率）為藍(lán)本。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)相關(guān)細(xì)節(jié)將在第3節(jié)中討論。 2.4 照明設(shè)備能耗 照明負(fù)載代表了居民用電相當(dāng)大的比例需求，也有助于季節(jié)和晝夜負(fù)荷變化的研究[23]。此組件的正確建模需要的數(shù)據(jù)有，太陽輻照度，居住方位和照明技術(shù)數(shù)據(jù)。這項(xiàng)工作假設(shè)白天和晚上都用來照亮屋子時(shí)，在至少有一個(gè)成員存在，并且沒有在睡覺。 日落和日出時(shí)間是根據(jù)日期計(jì)算，并使用的方法是由美

23、國(guó)地質(zhì)雜志Survey提出的，——估計(jì)晝夜和夜間照明電源轉(zhuǎn)換系數(shù)，線性回歸模型，在3.2節(jié)中會(huì)進(jìn)一步討論 4. 模型校驗(yàn) 在此部分提出兩個(gè)步驟的確認(rèn)方法。首先，模型的輸出與數(shù)據(jù)集校準(zhǔn)（印第安納州/密歇根州）相比較，以驗(yàn)證該模擬結(jié)果具有相同的統(tǒng)計(jì)特性。第二，該模型被用來模擬一個(gè)不同的電力需求區(qū)（得克薩斯州），并把其輸出與該地區(qū)的需求量進(jìn)行對(duì)比。由于沒有用得克薩斯集模型校準(zhǔn)，這超出樣品的模型驗(yàn)證。圖7圖顯示每小時(shí)住宅為藍(lán)本為對(duì)印第安納的AEP計(jì)量，這是一用于模型校正的數(shù)據(jù)集。圖中示出了建模之間的線性關(guān)系和計(jì)量數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)為印第安納/密歇根州區(qū)域與值為0.5107的R2貼合實(shí)際的數(shù)據(jù)。

24、所進(jìn)行的非參數(shù)Mann-Whitney U測(cè)驗(yàn)是為了進(jìn)行評(píng)估兩個(gè)樣本的分布是否相等[25]。測(cè)試確認(rèn)兩個(gè)樣本中的一個(gè)的值比另一個(gè)有較大的趨向，即檢查處于隨機(jī)變量中的人群是否有 對(duì)稱性。 該測(cè)試是無法拒絕擁有99％的置信區(qū)間的原假設(shè)（p值是0.0965），這表明該模型與計(jì)量數(shù)據(jù)具有相同的基本分布。此外，的兩個(gè)樣品的裝置的差別是非常小的 （計(jì)量模型和數(shù)據(jù)集分別是1118W和1122W）。兩個(gè)數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差的區(qū)別較大（計(jì)量數(shù)據(jù)是403W而不是用于建模的數(shù)據(jù)425W）。因此， Levene/Brown執(zhí)行的測(cè)試以確定是否在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有差異是顯著不同的[26]。再次，測(cè)試沒有在在99％置信區(qū)間內(nèi)

25、檢測(cè)不同的差異（p值是0.024）。 該模型是通過進(jìn)一步比較驗(yàn)證了德克薩斯州的模擬和計(jì)量需求數(shù)據(jù)。圖8顯示了每個(gè)家庭的電力消耗和相應(yīng)的AEP數(shù)據(jù)。 當(dāng)用典型的平均供給數(shù)據(jù)，該圖表明該模型是能夠復(fù)制的實(shí)際計(jì)量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。模擬對(duì)于德州地區(qū)數(shù)據(jù)與擬合的R2中的實(shí)際數(shù)據(jù)為0.5952。該圖顯示，該模型捕捉了晝夜負(fù)載模式以及季節(jié)變化的需求。印第安納/密歇根的住宅負(fù)載冬季很少超過1.5千瓦，得克薩斯州相對(duì)來說要高一點(diǎn)。這反映在得克薩斯州大多采用全電加熱系統(tǒng)，其中較大的用電消耗是來自于暖通空調(diào)抓。夏季負(fù)荷在得克薩斯州也往往表現(xiàn)出更大的峰值和較大的跨度，顯示出了較好的溫暖效果和較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。使用Ma

26、nn -Whitney U檢驗(yàn)在99 ％的置信區(qū)間（ p值是0.1376 ）是無法拒絕零假設(shè)的。在第二種情況下的計(jì)量和模擬數(shù)據(jù)集在呈現(xiàn)方式有較大的差異，分別是1519W和1503 W。此外，在差相比于兩個(gè)數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)偏偏大的情況下（ 計(jì)量是609W而不是用于建模的數(shù)據(jù)的625W） 。Levene/Brown–Forsythe測(cè)試顯示出標(biāo)準(zhǔn)偏差的差異，但不同的是其值低于3％，可能是由于在這兩個(gè)地區(qū)的住宅電源特性的差異而造成的。模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變動(dòng)性差異與文獻(xiàn)中報(bào)道的一致。具體來說， Widén and W?ckelga[ 11 ]報(bào)道中統(tǒng)計(jì)了14個(gè)最終使用專用電源需求戶的相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。他們

27、的模型給出了平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)量的數(shù)據(jù)不盡相同，分別是1.8 ％和3.2％ 。 Bartusch等人 [27]在瑞典提出了進(jìn)一步年用電量在單方差時(shí)對(duì)家庭住宅以及家用功能的影響。 5. 結(jié)論 這項(xiàng)工作提出了一個(gè)模型來模擬居民用電消費(fèi)。該模型能夠模擬由多個(gè)個(gè)體組成一個(gè)家庭的電力需要，主要包括冷家用電器，暖通空調(diào)，照明，以及活動(dòng)相關(guān)的功耗。為個(gè)人使用的活動(dòng)模式是異構(gòu)建模馬爾可夫鏈。通過對(duì)樣本的驗(yàn)證，證明了這種方法是十分有效的。運(yùn)用功率轉(zhuǎn)換因子可以重建一個(gè)單一的或集群的總組住戶的功耗特征和組成。嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)學(xué)框架是用來驗(yàn)證模擬的電力需求而不是AEP提供的計(jì)量數(shù)據(jù)。在捕捉年度和日變化后，結(jié)果證明什么

28、才是合理的需求模式，，也包括負(fù)載波動(dòng)和家庭之間的配置差異，位置和大小。該模型生成的電力需求概況具有相同的統(tǒng)計(jì)特性。 不同技術(shù)的效果可通過改變被分析相應(yīng)的模型參數(shù)來體現(xiàn)。例如，一種更有效的HVAC系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)COP和潛在的儲(chǔ)蓄的照明能源而調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)整獲照明轉(zhuǎn)換參數(shù)而獲得數(shù)據(jù)。這種性質(zhì)的模型是非常有用的，因?yàn)樗梢灾笇?dǎo)有關(guān)住宅方面的決策。通過量化消耗和預(yù)測(cè)影響，改造新的材料和技術(shù)的儲(chǔ)蓄方式，便可以影響到支持能源供應(yīng)，改造和技術(shù)激勵(lì)的機(jī)制，建筑規(guī)范，甚至拆除和重新建設(shè)等方方面面。此建模技術(shù)也可再配合長(zhǎng)期投資模型，以確定如何節(jié)能節(jié)能被消費(fèi)者采納。 第二段 其余的電源轉(zhuǎn)換參數(shù)，即

29、白天和夜間的電量和固有的時(shí)間變量需要根據(jù)家庭位置，大小，以及建筑對(duì)能源的使用需求調(diào)整。在需要用最小二乘線性回歸模型來估計(jì)這些參數(shù)。這是通過估計(jì)這些系數(shù)進(jìn)行模型擬合AEP所提供的消費(fèi)數(shù)據(jù)來計(jì)量每小時(shí)平均每個(gè)客戶電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。 AEP的數(shù)據(jù)報(bào)告的電力負(fù)荷來自于兩個(gè)服務(wù)地區(qū)，印第安納州/ 密歇根州和得克薩斯州。這些地區(qū)的不同之處在于在印第安納/密歇根有非電加熱，而德州是由電力占主導(dǎo)地位。上述第一數(shù)據(jù)集是用來估計(jì)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而對(duì)比則會(huì)在下一節(jié)進(jìn)行討論。和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，由AEP提供。 　　 最后一段 為了運(yùn)行包括400戶的回歸模型模擬。需要了解總結(jié)在表2中的建筑參數(shù)。家戶的分項(xiàng)數(shù)據(jù)如下： 　　1. 37.5％：其中一個(gè)工作的男性和一個(gè)工作女性。 　　2. 37.5％：其中一個(gè)工作的男性和一個(gè)非工作的女性。 　　3. 12.5％：其中一個(gè)單一的工作男性。 　　4. 12.5％：其中單工作的女性。 　　其余的影響因素和固定因素有： 　　1.日間照明功率：270 W。 　　2.夜間照明功率：370 W。 　　3.固定電量消耗，Wfix：230W。 這些系數(shù)是基于所涉及的家電家電，HVAC系統(tǒng)和馬爾可夫?yàn)榛A(chǔ)的活動(dòng)模型和表4給出的能源換算系數(shù)。