建筑能耗管理與室內(nèi)空間感知研究進(jìn)展

張運(yùn)楚，韓懷寶，曹建榮，楊紅娟

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

建筑能耗管理與室內(nèi)空間感知研究進(jìn)展

張運(yùn)楚1，2，韓懷寶1，曹建榮1，2，楊紅娟1，2

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101）

我國(guó)建筑能耗總量逐年上升，在能源總消耗量中所占比例越來越大。由于存在既要滿足眾多使用者對(duì)舒適的需求，同時(shí)又要滿足能耗最小化這一矛盾，使得建筑能耗管理問題變得愈發(fā)復(fù)雜。文章分析了建筑本體空間形態(tài)、維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、設(shè)備能效和運(yùn)行控制策略，以及建筑使用者的行為狀態(tài)等影響建筑運(yùn)行能耗的主要因素；闡述了能耗反饋、減少用電設(shè)備待機(jī)能耗、合理安排用電設(shè)備工作時(shí)間、對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制等降低建筑運(yùn)行能耗的主動(dòng)節(jié)能技術(shù)；綜述了與建筑使用者相關(guān)的需求側(cè)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)，即通過室內(nèi)空間感知獲取能耗、環(huán)境和情境這三類室內(nèi)空間狀態(tài)信息，將能量蹤跡和用戶蹤跡信息融合，恰當(dāng)?shù)孛枋鎏囟ㄊ覂?nèi)環(huán)境下的用能特征，從需求側(cè)評(píng)估建筑能耗的合理性，進(jìn)而精確辨識(shí)能源浪費(fèi)的原因。文章展望了我國(guó)未來建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。

建筑能耗管理；建筑節(jié)能；節(jié)能反饋；室內(nèi)空間感知

Key words：building energy consumption management；building energy efficiency；energy consumption feedback；indoor spatial awareness

0 引言

人類社會(huì)發(fā)展中的每次技術(shù)進(jìn)步都催生一系列新的產(chǎn)品和服務(wù)，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致資源和能源消耗的劇增，以電力消耗為例，1980年我國(guó)年人均能源消費(fèi)總量為306 kW·h，到2013年則增加為3993 kW·h［1］。盡管技術(shù)的進(jìn)步提高了資源和能源的利用效率，但“回彈效應(yīng)”又抵消了這些節(jié)能努力。人均能耗不斷遞增的發(fā)展模式，已引起世界范圍的憂慮，各國(guó)政府提出了可持續(xù)發(fā)展和合理利用能源的政策，力求大幅降低能耗和污染排放總量，以“能量蹤跡”（energy footprint）或“碳蹤跡”（carbon footprint）為能耗指標(biāo)的全球節(jié)能意識(shí)日漸形成［2］。任何試圖限制使用新產(chǎn)品和新服務(wù)的“返古”節(jié)能模式都難以實(shí)施，因此，如何在保證用戶合理舒適度體驗(yàn)的前提下，提高能源使用效率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少不必要的能源浪費(fèi)，是實(shí)施有效節(jié)能的關(guān)鍵。全世界相當(dāng)一部分的能耗與住宅、商業(yè)、公共和工業(yè)等建筑室內(nèi)環(huán)境控制設(shè)備密切相關(guān)，其中用于取暖加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）的能耗占首要地位。

文章首先分析了建筑能耗管理存在的問題以及降低建筑運(yùn)行能耗的各種途徑，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來建筑能耗管理與室內(nèi)空間感知理論和技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后展望了我國(guó)未來建筑節(jié)能的重點(diǎn)研究領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向。

1 影響建筑運(yùn)行能耗的因素

我國(guó)正處于工業(yè)化、后工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，城市人口不斷增加，進(jìn)一步加快了資源和能耗需求的增長(zhǎng)速度。2001～2013年之間，我國(guó)住宅建筑因空調(diào)、家電、生活熱水等各終端用能項(xiàng)的需求增加，導(dǎo)致戶均能耗強(qiáng)度增長(zhǎng)近50%，公共建筑能耗總量共增長(zhǎng)1.5倍以上。隨著公共建筑存量規(guī)模的增長(zhǎng)及平均能耗強(qiáng)度的增加，公共建筑能耗已成為中國(guó)建筑能耗中比例最大的一部分。近年來，許多城市新建的大體量建筑綜合體，多采用大規(guī)模集中環(huán)境控制系統(tǒng)，因體量和結(jié)構(gòu)形式約束所導(dǎo)致的空調(diào)、通風(fēng)、照明和電梯等終端用能需求快速增長(zhǎng)。此外，公共建筑內(nèi)辦公設(shè)備（如電腦、打印機(jī)等）和大型服務(wù)器數(shù)量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，使得公共建筑能耗強(qiáng)度大大高出其它建筑［2］。因此，必須采取有效措施，延緩和遏制能耗需求的上升速度，降低建筑能耗需求總量。

除去無法調(diào)控的室外氣象條件之外，影響建筑運(yùn)行能耗的因素大致可分為（1）與使用人員相關(guān)的需求側(cè)，主要包括室內(nèi)人員密度及其變化，室內(nèi)人員對(duì)建筑空間的使用時(shí)間和行為，以及室內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求和自主調(diào)控意識(shí)等；（2）與建筑系統(tǒng)相關(guān)，通常把建筑本體以及為建筑提供室內(nèi)舒適環(huán)境的各系統(tǒng)（照明系統(tǒng)、空調(diào)供暖和通風(fēng)系統(tǒng)等）看作一個(gè)整體，稱為建筑系統(tǒng)，其影響建筑運(yùn)行能耗的主要因素包括建筑本體空間形態(tài)、維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、系統(tǒng)設(shè)備的能效，以及各系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)需求做出的各種運(yùn)行調(diào)控策略。

研究表明，與建筑使用者相關(guān)的需求側(cè)影響因素能引起約5～10倍的建筑能耗差異，而供應(yīng)側(cè)的影響因素，對(duì)于建筑節(jié)能雖然也有著至關(guān)重要的影響，但影響遠(yuǎn)不及需求側(cè)的影響大，一般不超過3倍［2］。因此，建筑節(jié)能除了提高供應(yīng)側(cè)的能效外，合理引導(dǎo)需求側(cè)用能，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵。

要實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能模式由供應(yīng)側(cè)到需求側(cè)的轉(zhuǎn)變，必須恰當(dāng)描述特定室內(nèi)環(huán)境下的用能特征，才能從需求側(cè)評(píng)估建筑能耗的合理性，進(jìn)而精確辨識(shí)能源浪費(fèi)的原因。這就需要解決以下三個(gè)問題：（1）能耗感知（energy consumption sensing）通稱能耗計(jì)量，獲取必要的空間粒度和時(shí)間粒度能耗數(shù)據(jù)，得到室內(nèi)空間能量蹤跡；（2）環(huán)境感知（environments sensing）獲取影響用戶舒適感的各種室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和室外氣象參數(shù)；（3）情境感知（context awareness）采集能源消耗時(shí)室內(nèi)特定空間的人員分布及行為狀態(tài)，獲取用戶蹤跡（occupants footprint）。這三個(gè)問題是室內(nèi)空間感知ISA（Indoor Spatial Awareness）的重要組成部分［3］。

由于存在既要滿足眾多使用者對(duì)舒適的需求，又要滿足能耗最小化這一相互矛盾的目標(biāo)，使得建筑能耗管理變得愈發(fā)復(fù)雜。通過獲取能耗、環(huán)境和情境這三類室內(nèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將能量蹤跡和用戶蹤跡信息融合，就可以為能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、節(jié)能管理、節(jié)能改造和行為節(jié)能等提供有效的技術(shù)支持［4］。

2 降低建筑運(yùn)行能耗的途徑

要降低建筑總體運(yùn)行能耗，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行：（1）在保證室內(nèi)環(huán)境舒適度的前提下，通過對(duì)建筑的朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)空間布局、誘導(dǎo)通風(fēng)、自然采光等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低建筑運(yùn)行能耗，稱為被動(dòng)式節(jié)能；（2）通過提高建筑內(nèi)機(jī)電設(shè)備的工藝能效，優(yōu)化機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、合理安排運(yùn)行時(shí)間等控制手段減少能源浪費(fèi)，進(jìn)一步降低建筑總體能耗，此類方法常稱為主動(dòng)式節(jié)能［5］。

文章主要涉及建筑主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，常用的主動(dòng)式節(jié)能方法主要有能耗反饋、減少用電設(shè)備的待機(jī)能耗、合理安排用電設(shè)備的工作時(shí)間、用電設(shè)備的優(yōu)化控制等。

2.1 能耗反饋

能耗反饋為用戶提供有關(guān)能耗數(shù)據(jù)的適當(dāng)反饋，以增強(qiáng)其節(jié)能意識(shí)、鼓勵(lì)其采用生態(tài)環(huán)境友好行為，實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能。反饋的對(duì)象可以是政府機(jī)關(guān)、建筑業(yè)主和家庭個(gè)人等，相應(yīng)的能耗反饋內(nèi)容和方式也存在較大差異。

能耗反饋所依賴的建筑能耗數(shù)據(jù)模型，有宏觀和微觀之分。宏觀能耗數(shù)據(jù)模型描述了社會(huì)各大產(chǎn)業(yè)能耗（主要是第三產(chǎn)業(yè)）和生活能耗中與建筑運(yùn)行相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)的總體構(gòu)成，通常不具體到某一建筑物，一般作為國(guó)家層面的能耗反饋，是制定國(guó)家宏觀能源政策的依據(jù)。微觀能耗數(shù)據(jù)模型描述了具體建筑實(shí)際的單項(xiàng)能耗、單位面積平均能耗和總能耗等，是分析影響建筑能耗因素、挖掘節(jié)能潛力和制定節(jié)能對(duì)策的主要依據(jù)［6］。

2.1.1 辦公建筑及公共建筑的能耗統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)

美國(guó)的宏觀和微觀建筑能耗數(shù)據(jù)均非常翔實(shí)和完備，其統(tǒng)計(jì)和發(fā)布，均由美國(guó)能源信息管理局EIA（Energy Information Administration）負(fù)責(zé)。EIA建筑能耗調(diào)查有商業(yè)建筑能耗調(diào)查CBECS（Commercial Buildings Energy Consumption Survey）和住宅能耗調(diào)查RECS（Residential Energy Consumption Survey），其調(diào)查方式包括建筑業(yè)主填寫問卷和從能源供應(yīng)商處獲取信息。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果到獲得各終端能耗數(shù)據(jù)，是通過一系列模型和數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行估算的［7］。

2004年江億建議為揭示大型公建中用能不合理問題，明確節(jié)能潛力所在，并構(gòu)建未來用能配額管理的基礎(chǔ)，在開展大型公共建筑節(jié)能的工作中，應(yīng)著力推進(jìn)能耗分項(xiàng)計(jì)量［8］。鑒于國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能問題日益突出，住建部于2007年啟動(dòng)了建立全國(guó)聯(lián)網(wǎng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)計(jì)劃，實(shí)時(shí)在線采集重點(diǎn)城市中重點(diǎn)建筑的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，為高能耗建筑的節(jié)能改造準(zhǔn)備條件。隨后，國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的能耗數(shù)據(jù)模型、分項(xiàng)能耗的定義與分拆、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葐栴}開展研究和工程實(shí)踐。其中，分項(xiàng)能耗是指根據(jù)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑消耗的各類能源的主要用途劃分進(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，如空調(diào)用電、動(dòng)力用電、照明用電等，是確定建筑用能定額和制定建筑用能超定額加價(jià)制度的數(shù)據(jù)依據(jù)［9］。

魏慶芃針對(duì)大型公建能耗分項(xiàng)計(jì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)中存在的突出問題，提出一種標(biāo)準(zhǔn)化的大型公建能耗數(shù)據(jù)模型、分項(xiàng)能耗的定義、分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理方法，以及一系列的用能評(píng)價(jià)指標(biāo)［9］。那威研究了大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)城市級(jí)平臺(tái)的目標(biāo)定位、模式、對(duì)象和框架，通過城市級(jí)平臺(tái)測(cè)試的工程案例，分析了大型公共建筑的典型用能問題，并給出了有效解決途徑［10］。郭春雨研究了建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)等問題，并將其應(yīng)用于北京市建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［11］。王凡對(duì)能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用電分項(xiàng)計(jì)量功能與集中抄表功能的集成、能耗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、裝表不完全支路的能耗拆分方法、能耗數(shù)據(jù)的管理方式等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究［12］。楊石通過對(duì)4套能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)所涉及的289座建筑能耗計(jì)量情況的考察，對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)中存在的問題進(jìn)行總結(jié)與分析，為建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的進(jìn)一步完善及得到較真實(shí)有效的建筑能耗數(shù)據(jù)提供參考［13］。張永堅(jiān)等研發(fā)了山東省公共建筑能耗監(jiān)管平臺(tái)，覆蓋山東省所有設(shè)區(qū)城市，并逐步實(shí)現(xiàn)部、省、市能耗信息聯(lián)網(wǎng)［14-15］。經(jīng)過近十年的理論、政策研究和工程實(shí)踐，研究人員建立并完善了大型公共建筑能耗分項(xiàng)計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型及統(tǒng)計(jì)分析方法、數(shù)據(jù)采集與能耗拆分、數(shù)據(jù)傳輸與聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，制定了系列規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，有力推動(dòng)了建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)。

在政府的主導(dǎo)下，我國(guó)規(guī)劃建設(shè)了世界最大的公共建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但存在分項(xiàng)計(jì)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不可靠，系統(tǒng)維護(hù)不利，數(shù)據(jù)得不到有效利用等問題［16］。而且，目前建立的公共建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能耗數(shù)據(jù)空間粒度較大，環(huán)境和情境數(shù)據(jù)多為靜態(tài)平均值（辦公人員人數(shù)、場(chǎng)日均客流量、運(yùn)營(yíng)時(shí)間、賓館入住率、賓館床位數(shù)量、學(xué)校學(xué)生人數(shù)等），多以同類建筑指定時(shí)間內(nèi)平均能耗指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，完成相應(yīng)的能源審計(jì)、節(jié)能管理和節(jié)能分析。

2.1.2 住宅建筑的能耗反饋

我國(guó)正處于住宅建設(shè)的高峰期，建設(shè)速度快、規(guī)模大、品質(zhì)高，家用電器配置日漸增多，許多高能耗家電漸成居家標(biāo)配，如空調(diào)、電熱水器、廚衛(wèi)電器等，電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車擁有率也迅速提高，導(dǎo)致住宅能耗快速增加。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的住宅能耗占全社會(huì)用電量的比重更大，如美國(guó)居民生活用電量占社會(huì)總用電量則高達(dá)36.6%［17］。住宅建筑能耗受個(gè)人生活方式和行為習(xí)慣的影響較大，因此通過能耗反饋實(shí)施行為節(jié)能具有巨大潛力。

智能家居系統(tǒng)在追求舒適、安全、便捷的同時(shí)，也將高效節(jié)能作為關(guān)鍵功能要素。智能家居系統(tǒng)的節(jié)能方式一般采用（1）在滿足住戶使用偏好的前提下直接優(yōu)化控制家用電器的工作模式；（2）對(duì)能耗進(jìn)行計(jì)量分時(shí)段統(tǒng)計(jì)，為用戶提供能耗反饋，提醒用戶日常生活中存在的不合理用能習(xí)慣，并給出節(jié)能建議，引導(dǎo)用戶養(yǎng)成行為節(jié)能習(xí)慣［18］。鑒于住宅能耗增速過快且節(jié)能潛力巨大，從智能家居中逐步衍生出了家庭能源管理系統(tǒng)HEMS（Home Energy Management System）。家庭能源管理系統(tǒng)也作為智能電網(wǎng)在居民側(cè)的延伸，為提高居民側(cè)用電效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了新方法。

Abrahamse在實(shí)施節(jié)能策略的過程中使用了對(duì)比反饋，通過與其他家庭或社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比獲知用戶的節(jié)能情況，并引入行為心理學(xué)，將不同家庭用能數(shù)據(jù)進(jìn)行交互對(duì)比發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力［19］。韓躍峻把能耗反饋信息分為基礎(chǔ)信息，細(xì)分信息（單個(gè)房間、單個(gè)設(shè)備或某個(gè)時(shí)間段用電信息）、對(duì)比信息（自對(duì)比、社會(huì)性對(duì)比）、附加信息（節(jié)能整體性評(píng)價(jià)、指導(dǎo)性節(jié)能措施）四大類，信息反饋媒介包括智能手機(jī)、網(wǎng)頁或室內(nèi)顯示設(shè)備等，提出建立需求響應(yīng)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能［20］。

為提高電網(wǎng)運(yùn)行安全和可靠性，美國(guó)率先提出了智能電網(wǎng)的概念，將智能電網(wǎng)定義為一個(gè)完全自動(dòng)化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個(gè)用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶整個(gè)輸配電過程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信息和電能的雙向流動(dòng)。作為智能電網(wǎng)終端服務(wù)的一種嘗試，Google公司在2009年推出了基于網(wǎng)絡(luò)電表“PowerMeter”的用電監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)用戶家中用電設(shè)備能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到任意時(shí)間段內(nèi)各種電器的耗電量，用戶可以利用家中電腦上網(wǎng)查詢這些結(jié)果，并制定相應(yīng)的節(jié)電措施。不過，兩年之后因面臨沒有太多用戶使用的窘境，Google官方終結(jié)了此項(xiàng)服務(wù)［21］。

同樣以協(xié)助家庭節(jié)能為概念的美國(guó)Opower公司，通過對(duì)電力公司的能源數(shù)據(jù)，以及其他各類第三方數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘，結(jié)合行為科學(xué)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算，為用戶提供一系列適合其生活方式的節(jié)能建議，平均能為每個(gè)家庭節(jié)省1.5%～2.5%左右的電能消耗。Opower已成功發(fā)展了來自8個(gè)國(guó)家的93家公用事業(yè)企業(yè)客戶，其中包括美國(guó)排名前50公用事業(yè)企業(yè)中的27家，管理的公用事業(yè)數(shù)據(jù)已覆蓋全美37%的家庭，能夠獲取約1.15億家庭的能源消費(fèi)數(shù)據(jù)［22］。

由于智能電網(wǎng)建立了從發(fā)電廠到終端用戶之間信息的雙向流動(dòng)，使其具備了更強(qiáng)的交互功能，這些社會(huì)元層將有極大的可能影響用戶的電力消費(fèi)選擇。電力數(shù)據(jù)正在變得和電力本身一樣具有價(jià)值，像Opower這樣的公司，正在向我們展示智能電表如何允許電力公司在基礎(chǔ)電力供應(yīng)的基礎(chǔ)上，捆綁信息和服務(wù)來創(chuàng)造價(jià)值，幫助消費(fèi)者省錢。

為了降低成本，無論是辦公建筑、公共建筑和住宅建筑的能耗反饋系統(tǒng)通常只提供空間或設(shè)備粒度較粗的能耗信息，沒有采集建筑室內(nèi)環(huán)境和情境信息，對(duì)造成高能耗浪費(fèi)的特定設(shè)備和用戶行為辨別能力不足。盡管用戶的節(jié)能意識(shí)是提高能效的基本方法，但其有效性非常有限。在實(shí)際建筑中實(shí)驗(yàn)研究表明，單獨(dú)提供反饋不足以保證長(zhǎng)期顯著的節(jié)能效果。

2.2 減少待機(jī)能耗

待機(jī)能耗（Standby Consumption）是指用電設(shè)備在軟關(guān)機(jī)或不行使其主要功能時(shí)的能耗。相對(duì)正常運(yùn)行狀態(tài)，待機(jī)能耗所占比例很小，因此，經(jīng)常被忽視而使設(shè)備長(zhǎng)期待機(jī)。由于用電設(shè)備擁有量大，累積造成的待機(jī)能耗已占全國(guó)民用電力消耗的3%～13%，造成了極大的能源浪費(fèi)［23］。

李雨婷根據(jù)計(jì)算公式和調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算得到2010年全國(guó)城鎮(zhèn)住宅空調(diào)待機(jī)能耗高達(dá)22.5億度。盡管單臺(tái)空調(diào)機(jī)的待機(jī)功率很小，但由于我國(guó)人口眾多、住宅空調(diào)擁有量巨大，住宅空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間很短、而待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，因此住宅空調(diào)待機(jī)能耗累積效應(yīng)是巨大的［24］。

屈利娟基于高校能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)高校校園典型功能建筑學(xué)生宿舍和行政辦公室的待機(jī)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示學(xué)生宿舍和行政辦公建筑的待機(jī)能耗因師生的用能習(xí)慣不同分別達(dá)到12.7%和33.88%不等。待機(jī)能耗居高不下的原因是用能主體對(duì)待機(jī)能耗的認(rèn)知不足，導(dǎo)致個(gè)體行為促進(jìn)待機(jī)能耗消減的動(dòng)力不足，高校校園建筑的待機(jī)能耗節(jié)約空間較大［25］。減少待機(jī)能耗的有效途徑有：

（1）優(yōu)化設(shè)備電路結(jié)構(gòu)和制造工藝，采用高能效元器件，降低待機(jī)能耗。

（2）使用具有管理功能的智能插座，自動(dòng)檢測(cè)用電設(shè)備是否進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)并切斷供電電路。也可采用定時(shí)裝置，在工作時(shí)間供應(yīng)電力而休息時(shí)間切斷電力供應(yīng)。為了在節(jié)能和用戶滿意之間折中，這類智能插座可以讓用戶決定何時(shí)關(guān)掉進(jìn)入待機(jī)模式的設(shè)備電源。更復(fù)雜的方法是利用室內(nèi)空間感知信息，考慮用戶是否在現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)景信息，或?qū)W習(xí)用戶的行為習(xí)慣，更智慧地管理電器設(shè)備的運(yùn)行模式。當(dāng)然，智能電源插座及相應(yīng)的感知系統(tǒng)應(yīng)具有很低的能耗［26］。

（3）提升大眾的節(jié)能意識(shí)，讓每個(gè)使用者對(duì)待機(jī)能耗的浪費(fèi)性有充分的認(rèn)識(shí)，使人們養(yǎng)成節(jié)能低碳的生活與工作方式，提倡行為節(jié)能，盡量減少不必要的待機(jī)。采用硬關(guān)機(jī)，并將設(shè)備電源插頭從插座上拔出來，或采用帶機(jī)械開關(guān)的插座，切斷設(shè)備的供電電路，同時(shí)也可以延長(zhǎng)電器設(shè)備的使用壽命。

2.3 合理安排用電設(shè)備工作時(shí)間

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施從傳統(tǒng)的化石燃料提供能源向電力提供能源轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了巨大的能源需求。電網(wǎng)在滿足用戶需求時(shí)，既要考慮成本效益，同時(shí)還要盡可能減少廢棄物排放。但是不穩(wěn)定的電力需求，尤其是城市電力需求，讓實(shí)現(xiàn)上述要求變得十分困難。

儲(chǔ)存電網(wǎng)多余電力所需的成本很高，實(shí)現(xiàn)時(shí)問題也很多。因此，為應(yīng)對(duì)不規(guī)律的電力需求，電力公司往往通過建立兩套不同發(fā)電廠來應(yīng)對(duì)不規(guī)律的電力需求。承擔(dān)基本負(fù)荷的電廠提供全年保持不變的最低電力需求，這些高效的電廠可以連續(xù)以基本滿負(fù)荷的狀態(tài)運(yùn)行。同時(shí)建立了在需要時(shí)快速并網(wǎng)的調(diào)峰電廠，雖然大部分調(diào)峰電廠能源利用率較高，但是它們建設(shè)和運(yùn)行的單位能源成本更高。如果峰值能夠平穩(wěn)下來，就能減少對(duì)調(diào)峰電廠的需求，電力公司就能更專注于對(duì)基本負(fù)荷電廠進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步提高其能效和環(huán)保水平。

“移峰填谷”試圖采用價(jià)格刺激來分散供電高峰期的電力需求。當(dāng)啟用高成本的調(diào)峰電廠時(shí)，電力公司簡(jiǎn)單地將這些更高的發(fā)電成本轉(zhuǎn)移給消費(fèi)者，動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制可以大幅減少對(duì)電力的需求，并提高整體發(fā)電效率，既緩解了高峰時(shí)期的電力供需缺口，又促進(jìn)了電力資源的優(yōu)化配置，是一項(xiàng)雙贏策略［27］。

智能電網(wǎng)結(jié)合智能電器，就可以依據(jù)“峰谷電價(jià)”來優(yōu)化用能，規(guī)劃設(shè)備的工作時(shí)間。一旦限制峰時(shí)用電或存在分時(shí)動(dòng)態(tài)電價(jià)，就可以采用特別的策略來決定高耗能任務(wù)的最優(yōu)時(shí)間安排，比如電熱水器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)，以及即將大規(guī)模使用的電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力車等用電設(shè)備［28］。

2.4 用電設(shè)備的優(yōu)化控制

廣泛使用的空調(diào)系統(tǒng)和人工照明是建筑能源浪費(fèi)的主要原因，因此要對(duì)建筑物能耗進(jìn)行有效管理，就必須對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制。所采用的策略應(yīng)以不對(duì)用戶舒適造成可察覺的負(fù)面影響為前提，否則，用戶就會(huì)抵觸這種控制從而失去節(jié)能機(jī)會(huì)。

基于用戶存在和行為偏好的舒適性節(jié)能控制被廣泛研究［29］。通過檢測(cè)和預(yù)測(cè)用戶的作息規(guī)律合理安排空調(diào)系統(tǒng)的啟停運(yùn)行時(shí)間，對(duì)那些存在較大時(shí)延才能把環(huán)境調(diào)到期望狀態(tài)的設(shè)備尤其重要。

3 室內(nèi)空間感知

室內(nèi)空間感知主要研究室內(nèi)空間的形式模型，包括室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)、占用空間的物體類型、行為以及他們之間的關(guān)系等，以及能夠?qū)?dòng)態(tài)環(huán)境和移動(dòng)對(duì)象的活動(dòng)進(jìn)行感知和反應(yīng)的信息系統(tǒng)，包括室內(nèi)空間環(huán)境中的定位導(dǎo)航，用于安全、保障及其它信息化目的的人員跟蹤、資源及能源規(guī)劃和管理、實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng)和保安及救援行動(dòng)等。

要實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能模式由供應(yīng)側(cè)到需求側(cè)的轉(zhuǎn)變，就必須恰當(dāng)描述特定室內(nèi)環(huán)境下的用能特征，才能從需求側(cè)評(píng)估建筑能耗的合理性，進(jìn)而精確辨識(shí)能源浪費(fèi)的原因。這就需要解決以下三個(gè)問題：（1）能耗感知 通常稱為能耗計(jì)量，目的是獲取必要的空間粒度和時(shí)間粒度能耗數(shù)據(jù)，得到室內(nèi)空間能量蹤跡，掌握各類設(shè)施的能耗規(guī)律；（2）環(huán)境感知獲取溫度、濕度、噪聲、空氣質(zhì)量、照度等影響用戶舒適感的各種室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，以及室外氣象參數(shù)；（3）情境感知 獲取能源消耗時(shí)室內(nèi)特定空間的人員分布、行為狀態(tài)和偏好等用戶蹤跡。

3.1 能耗感知

準(zhǔn)確獲取建筑能耗信息對(duì)于實(shí)施節(jié)能策略是至關(guān)重要的。能耗在一定程度上間接反映了用戶習(xí)慣和情境信息（占用率、用戶活動(dòng)狀態(tài)等）。能耗計(jì)量方法可根據(jù)傳感器的種類劃分，也可根據(jù)采集數(shù)據(jù)的空間粒度劃分。根據(jù)傳感器可分為直接、間接、混合計(jì)量。直接能耗計(jì)量使用各類電能傳感器直接測(cè)量設(shè)備能耗；間接能耗計(jì)量通過測(cè)量用電設(shè)備運(yùn)行過程中伴生的一些物理量（如溫度，環(huán)境噪聲，振動(dòng)，電磁場(chǎng)等），結(jié)合設(shè)備的能耗模型來推測(cè)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)；混合式能耗計(jì)量則同時(shí)采用上述兩種方法。也可以根據(jù)用電空間或設(shè)備粒度水平，把能耗感知?jiǎng)澐譃榧?xì)粒度、中粒度和粗粒度?！傲６取保╣ranularity）常用于指信息單元的相對(duì)大小或粗糙程度，此處用于描述能耗計(jì)量時(shí)對(duì)用電設(shè)備負(fù)荷的分組情況，可以細(xì)致到單臺(tái)設(shè)備，也可以是一組設(shè)備，或一個(gè)樓層等。

為獲取用電設(shè)備功率消耗，常用的測(cè)量方法有侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)ILM（Intrusive Load Monitoring）和非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)NILM（Non-intrusive Load Monitoring）。侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法需要為每個(gè)用電設(shè)備安裝電能傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是單項(xiàng)用能計(jì)量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)粒度細(xì)，缺點(diǎn)是投入較大，安裝工作需要改造設(shè)備供電線路，對(duì)用戶正常生產(chǎn)和生活造成一定影響，也降低了原有供電系統(tǒng)的可靠性。

NILM無需進(jìn)入負(fù)荷內(nèi)部，僅通過對(duì)電力負(fù)荷入口處的電壓、電流及功率信息進(jìn)行測(cè)量、分析，便可估計(jì)得到負(fù)荷內(nèi)部不同用電設(shè)備的功耗［30-31］。非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)方法以分解算法代替ILM系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，易于推廣，有望發(fā)展成為智能電網(wǎng)中高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)MI（Advanced Measurement Infrastructure）的技術(shù)基礎(chǔ)［32］。

3.2 環(huán)境感知

室內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，與建筑能耗有強(qiáng)的耦合關(guān)系，實(shí)時(shí)可靠獲取這些參數(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能和能源管理的基礎(chǔ)性要求，對(duì)情境感知和舒適度控制也是必不可少的條件。環(huán)境狀態(tài)參數(shù)包括采光、空氣流動(dòng)、室內(nèi)空氣品質(zhì)、噪聲、墻體溫度等，為此，可構(gòu)建基于無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的大范圍多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)傳感設(shè)施［33］。

3.3 情境感知

情境（context）是可以用來描述一個(gè)實(shí)體態(tài)勢(shì)的任何信息。實(shí)體是一個(gè)被認(rèn)為與用戶和應(yīng)用之間相互作用有關(guān)的人、地點(diǎn)或?qū)ο?，包括用戶和?yīng)用本身。情境感知（context awareness）的目的是試圖利用人機(jī)交互或傳感器提供給計(jì)算設(shè)備關(guān)于人和設(shè)備環(huán)境等情境信息，并讓計(jì)算設(shè)備給出相應(yīng)的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)需求側(cè)供能管理［34-35］。

除了室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)外，與建筑節(jié)能最相關(guān)的情境信息就是室內(nèi)人員分布狀況、行為狀態(tài)及其偏好，這些情境信息與建筑能耗之間具有強(qiáng)耦合，對(duì)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)有效節(jié)能非常關(guān)鍵［36］。

3.3.1 用戶存在與行為檢測(cè)

用于檢測(cè)用戶存在和移動(dòng)狀態(tài)的感知裝置，常用的有運(yùn)動(dòng)傳感器、門磁開關(guān)、地板傳感器、功率傳感器、RFID傳感器、聲音傳感器、室內(nèi)定位系統(tǒng)、攝像機(jī)等。傳感器的選擇除了要考慮成本、期望性能外，對(duì)用戶的侵?jǐn)_性和隱私保護(hù)，尤其當(dāng)使用視頻傳感器和音頻傳感器時(shí)，要予以充分的考慮［37］。

超聲、PIR被動(dòng)紅外、門磁以及聲音等廉價(jià)傳感設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于建筑室內(nèi)照明控制，取得了良好的節(jié)能效益。但這些廉價(jià)傳感器產(chǎn)生的多是含噪孤立數(shù)據(jù)，為了更準(zhǔn)確辨識(shí)特定空間中的人員分布及其行為，多傳感器融合及人工智能方法成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等。

3.3.2 用戶偏好的獲取

獲取用戶偏好的方法主要由兩種：顯式反饋和隱式反饋。顯式反饋通過人機(jī)接口，如觸摸屏，讓用戶輸入他對(duì)各種環(huán)境狀態(tài)的喜好。隱式反饋則通過收集用戶日常使用環(huán)境設(shè)備（空調(diào)、燈光等）的操作行為來推測(cè)用戶的喜好［38］。

建筑能耗管理實(shí)際上是節(jié)能與用戶舒適需求之間的博弈。通過建立所有時(shí)間片隙內(nèi)用戶行為與其偏好環(huán)境狀態(tài)之間的映射，控制系統(tǒng)就可以據(jù)此推斷用戶可以接受的最低舒適環(huán)境狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能目的。

3.3.3 用戶行為預(yù)測(cè)

利用當(dāng)前的狀態(tài)預(yù)測(cè)未來的狀態(tài)，推測(cè)用戶當(dāng)前最有可能要完成的意圖，預(yù)測(cè)出用戶的下一步行為，如：房間內(nèi)未來幾個(gè)小時(shí)期望的占用規(guī)律、期望熱水使用情況、某個(gè)區(qū)域內(nèi)未來一段時(shí)間內(nèi)有人進(jìn)入的可能性。根據(jù)行為預(yù)測(cè)的結(jié)果形成智能控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

最簡(jiǎn)單的方法就是利用歷史傳感數(shù)據(jù)建立一個(gè)框架作為靜態(tài)預(yù)測(cè)模型，用來推斷環(huán)境控制系統(tǒng)的最佳方案，但靜態(tài)預(yù)測(cè)模型不能隨時(shí)間作適應(yīng)性變化。Vazquez提出一種通過聚類技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)計(jì)學(xué)占用屬性的方法，從大量的數(shù)據(jù)中提取用戶行為模式［39］。

4 展望

迫于能源枯竭、生態(tài)惡化和快速城鎮(zhèn)化的多重壓力，建筑節(jié)能將成為節(jié)能減排的重要領(lǐng)域。盡管研究人員已做了大量努力，由于我國(guó)建筑總量規(guī)模龐大，被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化欠佳、節(jié)能建材使用不足，節(jié)能意識(shí)淡薄，在建筑節(jié)能與舒適需求的研究中，還有大量問題有待解決。

建筑信息模型BIM（Building InformationModeling）實(shí)現(xiàn)了建筑全生命期各參與方在同一多維建筑信息模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)共享，因此，有必要研究基于建筑信息模型的建筑全生命期能耗管理系統(tǒng)，支持對(duì)建筑能耗的分析、檢查和模擬，為建筑全生命期的節(jié)能方案優(yōu)化、科學(xué)決策和精細(xì)化管理提供依據(jù)。研究基于大數(shù)據(jù)的建筑能耗評(píng)價(jià)分析方法，對(duì)已獲取的大量特定室內(nèi)環(huán)境下的建筑能耗特征數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從這些低密度價(jià)值的建筑運(yùn)維數(shù)據(jù)中萃取節(jié)能線索和策略。研究建筑中人員位移與動(dòng)作的定量模擬模型、建筑采光、空氣流動(dòng)、室內(nèi)空氣品質(zhì)與建筑能耗的逐時(shí)耦合計(jì)算方法等。

隨著嵌入到建筑室內(nèi)外空間中各類傳感器數(shù)量和種類的不斷增加，借助于泛在計(jì)算、環(huán)境智能、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最新成果，建立基于室內(nèi)空間感知的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型精準(zhǔn)建筑能耗管理系統(tǒng)，將是我國(guó)未來建筑節(jié)能的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

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（校慶約稿）

張運(yùn)楚教授現(xiàn)任山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院院長(zhǎng)。碩士生導(dǎo)師，山東建筑大學(xué)控制科學(xué)與工程模式識(shí)別與智能信息處理學(xué)科方向帶頭人。

張運(yùn)楚教授博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東大學(xué)博士后?，F(xiàn)兼任：山東省自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事、山東省智能建筑技術(shù)專家委員會(huì)專家、中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)山東智能專委會(huì)委員、山東省物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)常務(wù)理事、山東省公共安全視頻監(jiān)控技術(shù)專家。

多年來從事圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、建筑智能化、城市感知與智能信息處理等方面的研究。在監(jiān)控視頻內(nèi)容分析、居家養(yǎng)老環(huán)境輔助生活技術(shù)等方面取得了一批成果。長(zhǎng)期從事本科教學(xué)和管理工作，先后負(fù)責(zé)籌建了智能建筑實(shí)驗(yàn)室、電子信息工程和通信工程兩個(gè)本科專業(yè)；作為模式識(shí)別與智能信息處理學(xué)科方向負(fù)責(zé)人，參與組織申報(bào)成功山東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東建筑大學(xué)控制科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)。

近年來主持和承擔(dān)多項(xiàng)省部級(jí)以上科研課題；在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文30余篇，EI收錄9篇。

Research progress of building energy consum ption management and indoor spatial awareness

Zhang Yunchu1，2，Han Huaibao1，Cao Jianrong1，2，et al．

（1.School of Information and Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology，Jinan 250101，China）

Building energy consumption in China has increased year by year and the proportion in the total energy consumption is growing.Because there exists a conflicting goal，which is to meet the comfort needs of a large number of users while minimizing energy consumption，the problem of building energy consumption management has become increasingly complex.This paper analyzes the main factors affecting the building energy consumption，such as space form of the building，thermal performance of themaintenance structure，energy efficiency of equipment and its control strategy，and building user’s behavior.It then expounds general active energy-saving technology，such as energy consumption feedback，reducing electricity equipment standby power consumption，reasonable arrangement of electric equipment’sworking time，and optimizing control of the electrical equipment. The paper reviews the key technologies of demand side energy-saving related to building users，namely，by acquiring three types’data of indoor space state，that is，energy consumption，environment and context，to obtain and fuse the energy footprintand occupant’s footprint，then builds a proper characterization of energy consumption in an environment to evaluate the rationality of building energy consumption from the demand side，and identify accurately themain causes ofwastes，and finally，proposes the prospect of building energy-saving technology in China.

TP274.2

A

1673-7644（2016）06-0614-08

2016-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（61303087）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013GGX10131）

張運(yùn)楚（1968-），男，教授，博士，主要從事建筑信息化、機(jī)器視覺等方面的研究.E-mail：yczhang@sdjzu.edu.cn