基于智能家居數(shù)據(jù)的住宅空調(diào)用能行為實(shí)測(cè)方法研究

夏大為

曾宇欽

趙 陽(yáng)

李 麗

徐鐘榮

住戶與住宅空調(diào)系統(tǒng)的互動(dòng)關(guān)系對(duì)建筑能耗影響巨大，高效的用能行為與可靠的節(jié)能措施對(duì)降低建筑物能耗同等重要[1]。Danny Parke[2]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)具有相同建筑面積（102m2）的10個(gè)住宅，在能源消耗上可達(dá)到3倍的差距。Eguaras-Martínez[3]發(fā)現(xiàn)在能耗模擬過(guò)程中納入或排除使用者用能行為因素，將導(dǎo)致30%的結(jié)論差距。由于我國(guó)住宅目前多采用分體式空調(diào)，居民習(xí)慣于部分時(shí)間、部分空間的間歇式空調(diào)運(yùn)行方式，人的用能行為對(duì)住宅空調(diào)能耗的影響尤為明顯。李兆堅(jiān)等[4]通過(guò)對(duì)北京等多地的空調(diào)使用行為調(diào)查，發(fā)現(xiàn)同一類型住宅，不同住戶的空調(diào)開啟時(shí)長(zhǎng)、能耗存在較大差異。簡(jiǎn)毅文[5]等通過(guò)溫濕度測(cè)試以及問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)5 類典型的住宅空調(diào)開啟行為。燕達(dá)等[6]通過(guò)聚類分析的方法將鄭州地區(qū)住宅居民不同功能房間內(nèi)的用能行為進(jìn)行分類，以提高能耗模擬的準(zhǔn)確性。用能行為研究是跨越社會(huì)和行為科學(xué)，建筑科學(xué)，傳感和控制技術(shù)，計(jì)算科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的多學(xué)科研究課題[1]。

表1 空調(diào)用能行為關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)

圖1 智能家居用能行為數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)運(yùn)行示意

圖2 智能家居用能行為數(shù)據(jù)傳輸、共享示意

圖3 空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)鏈?zhǔn)疽?/p>

行為實(shí)測(cè)的最大挑戰(zhàn)之一是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確回收和住戶隱私之間的矛盾。從研究人員角度來(lái)看，為確保對(duì)空調(diào)用能行為進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)研需要觀察的對(duì)象基數(shù)大、種類多[7]。然而由于住戶對(duì)個(gè)人隱私的關(guān)注，研究人員在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)測(cè)觀察中不能及時(shí)接觸相關(guān)設(shè)備，使得相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存在不確定因素。此外，在住戶家中設(shè)置大量的專業(yè)設(shè)備，也對(duì)住戶造成了一定的心理影響，在用能行為上會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)作變形。目前相關(guān)研究主要經(jīng)過(guò)調(diào)查問(wèn)卷或少量住戶實(shí)測(cè)來(lái)獲取時(shí)間分布，通過(guò)制定家庭成員時(shí)間作息表來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。本文將智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法與多種常規(guī)空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比研究，實(shí)測(cè)結(jié)果表明利用智能家居系統(tǒng)可以較好地協(xié)調(diào)上述矛盾，獲得大量、高質(zhì)、全面的用能行為數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以為建立不同氣候區(qū)大樣本數(shù)據(jù)庫(kù)提供有效途徑。

1 住宅空調(diào)用能行為研究的難點(diǎn)與常用方法

住戶空調(diào)用能行為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理需要通過(guò)各種方式獲取并記錄空調(diào)用能行為的動(dòng)作時(shí)間（開關(guān)機(jī)時(shí)間）、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、溫度設(shè)定、后續(xù)調(diào)節(jié)方式以及用能動(dòng)作發(fā)生時(shí)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，如室內(nèi)外溫濕度、門窗開關(guān)狀態(tài)等。通過(guò)大量、高質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析歸納出建筑氣候分區(qū)內(nèi)的住宅空調(diào)用能行為特征[8]。目前，空調(diào)用能行為調(diào)查主要采用調(diào)查問(wèn)卷[9-14]、戶外電表實(shí)測(cè)[15-17]、空調(diào)功率實(shí)測(cè)[18-20]、溫濕度記錄[21-23]等方法。問(wèn)卷調(diào)查法：結(jié)合氣候區(qū)用能行為差異，合理設(shè)置相關(guān)空調(diào)使用問(wèn)題，對(duì)住宅空調(diào)行為進(jìn)行調(diào)查。問(wèn)卷調(diào)查可以采用紙質(zhì)文件入戶調(diào)研填寫，也可以借助網(wǎng)頁(yè)、A PP設(shè)置電子問(wèn)卷進(jìn)行大樣本調(diào)查和數(shù)據(jù)回收分析。戶外電表監(jiān)測(cè)：通過(guò)讀取住宅戶外電表非空調(diào)使用期、空調(diào)使用期的每月住宅用電總量，通過(guò)兩者比較獲取空調(diào)用電量。空調(diào)電量監(jiān)測(cè)：在空調(diào)的電源插座上安裝電量計(jì)量插座，根據(jù)設(shè)備顯示的空調(diào)用電功率變化可以識(shí)別空調(diào)開關(guān)機(jī)狀態(tài)，并同時(shí)記錄空調(diào)用電量。溫濕度記錄：利用溫濕度自計(jì)儀記錄室內(nèi)溫度和濕度的變化，通過(guò)數(shù)據(jù)變化來(lái)確定空調(diào)器開關(guān)機(jī)時(shí)間、以及動(dòng)作發(fā)生時(shí)的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。筆者結(jié)合以上多種實(shí)測(cè)方式提出一系列用能行為關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，包含以下5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)次級(jí)指標(biāo)（表1）。

表2 智能家居設(shè)備選擇與核心組件

圖4 空調(diào)一周運(yùn)行功率記錄

圖5 空調(diào)一周開關(guān)機(jī)時(shí)間記錄

2 智能家居作為用能行為數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方式的技術(shù)支撐

隨著傳感以及信息通訊技術(shù)的快速發(fā)展，如 Zigbee、WiFi等 ，智能家居系統(tǒng)為數(shù)據(jù)分析和能耗模擬提供了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。智能家居系統(tǒng)將傳感、控制與通訊技術(shù)進(jìn)行整合，傳感器負(fù)責(zé)感知物理環(huán)境以及用戶的行為，并向智能網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)情況。常見(jiàn)的智能家居傳感器有動(dòng)作傳感器、功率傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光線傳感器等。控制器通過(guò)接收智能網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的指令，并根據(jù)這些指令完成相應(yīng)的功能，來(lái)滿足用戶的需求[24]。相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式，依托于傳感、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)創(chuàng)新的智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法具有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)特征。

2.1 采集與控制的結(jié)合

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式借助于傳感器+采集端來(lái)完成數(shù)據(jù)收集，通過(guò)讀取溫濕度或用電功率變化來(lái)判斷住戶的空調(diào)用能動(dòng)作。智能家居系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上增加了控制端，住戶可以通過(guò)手機(jī)、平板或遙控器發(fā)出動(dòng)作指令，并被系統(tǒng)準(zhǔn)確地記錄時(shí)間與設(shè)定溫度等要素。智能家居系統(tǒng)所能采集的數(shù)據(jù)量既涵蓋硬件傳感器實(shí)測(cè)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫濕度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，同時(shí)還有用戶和空調(diào)實(shí)時(shí)交互的用能動(dòng)作數(shù)據(jù)，如空調(diào)開啟時(shí)間點(diǎn)、時(shí)長(zhǎng)、

頻率、設(shè)定溫度等。采集與控制的結(jié)合是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式的巨大突破，用能行為動(dòng)作的數(shù)據(jù)描述更加準(zhǔn)確清晰（圖1）。

表3 空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)比較研究

圖6 一周室內(nèi)溫濕度變化記錄

圖7 24小時(shí)相對(duì)濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖8 24小時(shí)室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.2 數(shù)據(jù)與設(shè)備的分離

基于智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與設(shè)備的物質(zhì)分離。數(shù)據(jù)不再存儲(chǔ)在設(shè)備本身，而是歸于服務(wù)器云端，數(shù)據(jù)的讀取不依賴于設(shè)備本身。智能家居設(shè)備允許住戶將能耗設(shè)備使用信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享，依托APP提供給研究者觀察記錄。一方面可以給研究者提供長(zhǎng)期、固定、便捷、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)源；另一方面也降低了住戶對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的隱私顧慮（圖2）。在理想情況下，科研工作者可以在任意時(shí)間，任意地點(diǎn)與能耗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2.3 多維度數(shù)據(jù)的融合

與傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方式的單一數(shù)據(jù)獲取不同，智能家居本身就是多樣能耗系統(tǒng)的設(shè)備整合，獲取的數(shù)據(jù)自然也是多維度的。以空調(diào)用能行為為例，與空調(diào)用能動(dòng)作研究密切相關(guān)的開關(guān)窗戶、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)信息都可以借助智能家居子系統(tǒng)同步獲取，并形成完整的用能行為數(shù)據(jù)鏈。這種整合的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以更有效地幫助研究者分析空調(diào)用能行為觸發(fā)因素、動(dòng)作本身、伴隨動(dòng)作之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則（圖3）。

3 基于智能家居數(shù)據(jù)的空調(diào)用能行為實(shí)測(cè)方法與可靠性分析

圖9 窗戶一周開關(guān)記錄

本文重點(diǎn)闡述住宅空調(diào)用能行為實(shí)測(cè)方法的研究，故不對(duì)戶型、人群的用能行為差異展開討論，集中選取一間臥室一周的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)實(shí)測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)明。本次實(shí)測(cè)主要使用某品牌空調(diào)智能插座、溫濕度傳感器和門窗傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，住戶通過(guò)APP授權(quán)筆者APP賬號(hào)控制設(shè)備使用，并實(shí)時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)為驗(yàn)證智能家居數(shù)據(jù)的可靠性，將利用現(xiàn)有的常規(guī)實(shí)測(cè)方式對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)研究（表2）：①采用兩個(gè)攝像頭分別對(duì)空調(diào)、門窗開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，獲取準(zhǔn)確的空調(diào)開關(guān)機(jī)時(shí)間點(diǎn)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、設(shè)定溫度以及門窗開閉狀態(tài)；②利用UNI-T品牌UT230E電力檢測(cè)儀器記錄每日空調(diào)用電量；③HOBO?Pro V2 Looger（U23-00X）溫濕度自記儀實(shí)時(shí)記錄室內(nèi)溫濕度。

3.1 空調(diào)用能行為動(dòng)作實(shí)測(cè)

用能行為數(shù)據(jù)獲?。篈PP顯示當(dāng)住戶通過(guò)遙控器或者手機(jī)APP對(duì)空調(diào)發(fā)出開機(jī)指令后，對(duì)應(yīng)設(shè)備即時(shí)開啟運(yùn)行，即時(shí)功率從待機(jī)狀態(tài)的2W左右上升到750W以上。同理，住戶發(fā)出關(guān)機(jī)指令后，空調(diào)功率隨機(jī)下降至2W。通過(guò)APP界面可以清晰讀取兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖4），以此獲得開關(guān)機(jī)時(shí)間點(diǎn)以及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。運(yùn)行能耗、設(shè)定溫度則可以在APP界面讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示2018年9月17日—9月23日（圖5）這一周內(nèi)，該臥室空調(diào)用能行為呈現(xiàn)一定規(guī)律：①開關(guān)機(jī)用能動(dòng)作各10次，工作日，住戶多在晚上21點(diǎn)開啟空調(diào)，早上7點(diǎn)關(guān)閉空調(diào)；周末開啟空調(diào)時(shí)間較早，19：30左右開啟空調(diào)，且表現(xiàn)出當(dāng)日內(nèi)多次開啟空調(diào)；②空調(diào)運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)為70.15小時(shí)，開機(jī)運(yùn)行時(shí)間為實(shí)測(cè)總時(shí)長(zhǎng)41.75%；③該住戶空調(diào)設(shè)定溫度為25℃（圖5）。數(shù)據(jù)可靠性分析：通過(guò)與攝像頭記錄的相關(guān)動(dòng)作發(fā)生時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，智能插座在空調(diào)動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)、時(shí)長(zhǎng)、溫度設(shè)定上的數(shù)據(jù)可靠。

3.2 室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

圖10 空調(diào)開關(guān)機(jī)與窗戶開關(guān)動(dòng)作時(shí)間比較

室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)獲取：將該品牌溫濕度傳感器安裝在房間內(nèi)1.5m高度處，避免陽(yáng)光直射以及空氣對(duì)流影響，與窗戶和空調(diào)出風(fēng)口保持足夠的距離或角度，實(shí)時(shí)記錄該房間溫濕度數(shù)據(jù)。通過(guò)APP軟件可以獲取溫濕度變化曲線圖，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取。圖6記錄了該房間9月17日—9月23日的溫濕度變化。曲線1為相對(duì)濕度變化，最大相對(duì)濕度在80.8%，最小相對(duì)濕度在47.2%。曲線2表示溫度變化，最高室內(nèi)溫度29.4℃，最低溫度在23.7℃（圖6）。

數(shù)據(jù)可靠性分析（圖7～8）：同時(shí)在該空調(diào)房間內(nèi)放置HOBO?Pro V2 Looger（U23-00X）型溫濕度自計(jì)儀，以5分鐘為間隔詳細(xì)記錄樣本房間溫濕度數(shù)據(jù)，作為基準(zhǔn)溫濕度。以一小時(shí)為間隔，抽樣24組數(shù)據(jù)與智能家居溫濕度傳感器所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性比對(duì)分析。智能家居溫濕度傳感器所讀取的環(huán)境參數(shù)與基準(zhǔn)值的變化趨勢(shì)基本一致，80%的溫度、相對(duì)濕度的絕對(duì)誤差分別在±0.5℃，±5%范圍內(nèi)。因此，由可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用智能家居溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)基本可靠。

3.3 門窗狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

門窗狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取：通風(fēng)可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，提升體感熱舒適度。同時(shí)空調(diào)能耗也與窗戶的開閉狀態(tài)存在重大關(guān)聯(lián)性。采用該品牌門窗傳感器記錄門窗開閉動(dòng)作發(fā)生時(shí)間點(diǎn)與狀態(tài)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，研究者可以通過(guò)APP隨時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)（圖9）。通過(guò)將該住戶開關(guān)窗動(dòng)作與空調(diào)用能動(dòng)作進(jìn)行時(shí)間比較發(fā)現(xiàn)：該用戶習(xí)慣將空調(diào)運(yùn)行一段時(shí)間后再關(guān)閉窗戶，實(shí)測(cè)期間內(nèi)窗戶關(guān)閉時(shí)間差為160分鐘，每次平均時(shí)差16分鐘（圖10）。數(shù)據(jù)可靠性分析：通過(guò)與攝像頭記錄開關(guān)窗動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，門窗傳感器能準(zhǔn)確記錄門窗實(shí)時(shí)狀態(tài)。

通過(guò)方法實(shí)測(cè)對(duì)比研究，筆者認(rèn)為利用智能家居系統(tǒng)獲取空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)測(cè)數(shù)量大，住戶可以通過(guò)APP分享智能插座控制權(quán)限給研究人員，從而讓其可以異地獲得數(shù)據(jù)信息，研究人員原則上可以實(shí)測(cè)任何氣候區(qū)內(nèi)的空調(diào)用能情況。②實(shí)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，因?yàn)椴恍枰祥T回收數(shù)據(jù)，同時(shí)空調(diào)智能插座由住戶住宅電源供電，研究人員可以持續(xù)長(zhǎng)期觀察數(shù)據(jù)情況。避免因?yàn)樵O(shè)備電池電量不足，頻繁上門回收數(shù)據(jù)，引起實(shí)測(cè)住戶反感。③實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)：每一個(gè)智能插座對(duì)應(yīng)設(shè)備APP菜單子界面，獨(dú)立記錄相關(guān)用能情況，可以與其他同時(shí)期用能空調(diào)或家庭其它能耗設(shè)備進(jìn)行有效分離。④實(shí)測(cè)成本低：通過(guò)分享數(shù)據(jù)的方式從住戶處獲取空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)，降低科研設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用。⑤可實(shí)時(shí)觀察：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信息獲取具有一定滯后性，需要完成實(shí)測(cè)后統(tǒng)一回收數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析。利用智能家居系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)信息，并與其他觀察對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)橫向比較，更容易發(fā)現(xiàn)使用規(guī)律（表3）。

同時(shí)與傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法相比，智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法仍然存在一定不足：依賴于家庭WIFI網(wǎng)絡(luò)，容易受到斷網(wǎng)影響，無(wú)法記錄該時(shí)段數(shù)據(jù)信息；目前數(shù)據(jù)多是以分析圖示的形式通過(guò)APP展示，研究者需要利用APP進(jìn)行人工數(shù)據(jù)讀取，記錄加工后才能進(jìn)一步利用；部分廠商產(chǎn)品與科研設(shè)備相比測(cè)量精度有待提高，需要進(jìn)行對(duì)比實(shí)測(cè)。如空調(diào)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)該品牌智能插座在用電量數(shù)據(jù)精確度有待提升，但數(shù)據(jù)存在一定的等比關(guān)系。

結(jié)語(yǔ)

住宅空調(diào)用能行為調(diào)查是住宅建筑節(jié)能的研究基礎(chǔ)，可靠、科學(xué)、便利的用能實(shí)測(cè)方法將有效提高建筑能耗預(yù)測(cè)與模擬的準(zhǔn)確性。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)智能家居系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)行方式以及數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比研究，得到以下結(jié)論：

①智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)特征：采集與控制的結(jié)合、數(shù)據(jù)與設(shè)備的分離以及多維度數(shù)據(jù)的融合，可以在不干擾住戶的前提下，為研究人員提供不同氣候區(qū)住宅空調(diào)用能行為數(shù)據(jù)樣本。

②智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法可以提供一系列用能行為關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，包含5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)次級(jí)指標(biāo)。

③通過(guò)與常規(guī)實(shí)測(cè)方法的對(duì)比研究，證明智能家居數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)方法可以提供長(zhǎng)周期、多維度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)與用能動(dòng)作的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠性，同時(shí)在實(shí)測(cè)數(shù)量、實(shí)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、成本控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等方面都有較好的提升。

同時(shí)需要關(guān)注的是，隨著智能家居的發(fā)展，在用能行為的研究過(guò)程中一方面可以通過(guò)對(duì)智能家居系統(tǒng)的利用，及時(shí)、有效、便捷地獲取大量住戶用能行為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提升建筑能耗預(yù)測(cè)和模擬的準(zhǔn)確度；另一方面，在未來(lái)，空調(diào)、冰箱、熱水器等更多家居能耗設(shè)備的使用必然涵蓋在智能家居的發(fā)展之中，智能家居不僅僅是方便住戶使用，方便用能數(shù)據(jù)收集，更是一種高效用能行為的習(xí)慣養(yǎng)成，它與可靠的節(jié)能措施同等重要，住宅節(jié)能研究與智能家居的發(fā)展將更加緊密。

資料來(lái)源：

文中圖表為作者自繪。