Insights on Smart Home concept and occupantsrsquo; interaction with building controls
Abstract
The increasing attention for energy efficiency in buildings stimulates the expansion of “Smart buildings”. In offices and homes, building automation systems are suited to individuals, foresighting their needs. Occupantsrsquo; compliance is a fundamental requirement for a successful adoption of building automation systems. An important warning regards that such “smart behaviour” of the building should match with the occupantsrsquo; satisfaction and their feeling of controlling the living environments. A balance between energy efficiency and occupantsrsquo; needs is required. This paper aims at providing insight on the concept of “Smart Home” considering the adaptive actions performed by occupants to restore their wellbeing.
Keywords: Smart buildings; occupants behaviour; comfort perception; persuasive technology; energy engagements
Introduction
In recent years, the main goal of energy efficiency policies has been to promote the use of more efficient appliances and components. Building automation controls play an important role for the efficient and sustainable operation of the building. The building sustainable performance depends on the building structure, the building technical systems and the building users. Smart Home and building control systems have an impact on each one of them. The role of a building automation is especially important in operations aiming for sustained indoor comfort with energy-efficient control of building systems: (i) by identifying and eliminating energy waste (ii) by using energy only in the amount, at the place and at the time it is needed (iii) by implementing the right control
function level for the right application at the right place. Effective control of the heating, ventilating and air conditioning systems in a building is essential to provide a productive, healthy and safe working and living environment for the occupants. Along with good building design and efficient HVAC plant, the building control systems plays a vital role in the prevention of energy waste and reducing the environmental impact of the building. In the residential sector building automation is often referred to “Smart Home System”. In the definition of Cook [1] the idea of a Smart Home “is that computer software playing the role of an intelligent agent perceives the state of the physical environment and residents using sensors and then takes actions to achieve specified goals, such as maximizing comfort of the residents, minimizing the consumption of resources, and maintaining the health and safety of the home and residents”. In the following the concept behind a Smart Home System is explained..
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- Smart Home System
Several definitions of Smart Homes highlight that its concept is to connect sensors, appliances and devices through a communications network, in order to remotely monitor, access or control the residential environment [2,3,4,5,6,7,8]. Moreover, a crucial point of the Smart Home system is to provide services that respond to the needs of the users. Only in recent time, the term “Smart” or “Intelligent” is related to energy efficiency in buildings. Thus, it is often referred to provide a home energy management system (HEMS) managing energy consumption within homes [6]. In particular, these systems aim at maximizing electricity efficiency within homes and optimally controlling home equipment to reduce and optimize energy use, as well as create and store energy.
Actually the most important technology in the Smart Home system is the network itself (Figure 1) [8], that allows the real-time exchange of information from and to the buildings and users by connecting and coordinating all the technological devices installed in the system. Actually, it is the existence of this home devices connection that distinguishes the Smart Home System from a home merely equipped with standalone, highly advanced technological features.
While it may be self-evident that modern, highly serviced buildings require a advanced control system, it should be realised that simpler buildings relying on a heating boiler and natural ventilation can still benefit from a modern Home Energy Management System. The increasing emphasis on energy savings and reduction of greenhouse gas emissions serves to increase the importance of efficient controls. However, this approach is not the only way to reduce consumption. A better, more efficient use of traditional appliances and components can be equally effective. Therefore, along with promoting energy efficient equipment, energy efficiency policymakers are advancing another way to reduce consumption, thus improving system efficiency. In fact, increasing system efficiency is the only approach available to the many existing buildings that for cultural and historical reasons cannot be retrofitted to modern construction technologies. Improving system efficiency requires a central, centred control of all energy related components to insure that the whole system can work with highest efficiency. Moreover, the communication network is crucial in order to collect data from all the components of Smart Home and elaborate them to individuate appropriate strategies to increase energy savings. Efficiency is also affected by the capability of the system to communicate users their energy usage and change their habits, so the way communication is used to inform them (through ICT or other methods) is fundamental. Continuous monitoring of HVAC components is clearly considered to be helpful in reducing overall energy consumption in buildings. Significant electrical savings, ranging from 5% to 15% on average, can be achieved by understanding the details of energy usage at the level of individual devices within buildings [9,10] by providing users information regarding the connection between energy and
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对智能家居概念及住户与楼宇控制系统互动的见解
摘 要
对建筑物能源效率的日益重视，刺激了“智能建筑”的扩张。在办公室和家里，智能建筑系统适合个人，要预先考虑他们的需要。要成功采用智能建筑系统，必须符合住户的基本要求。一个重要的警告是，建筑物的这种”智能行为”应与住户的满意程度和他们控制居住环境的感觉相匹配。需要在能源效率和居住者的需要之间取得平衡。本文旨在通过考虑居住者为恢复其健康而采取的适应性行为，来探讨“智能家居”的概念。
关键词：智能建筑; 居住者行为; 舒适感知; 有说服力的技术; 能源约定
- 介绍
近年来，能源效率政策的主要目标是促进使用更有效率的电器和部件。智能建筑控制对建筑物的高效率和可持续运作起着重要作用。建筑物的可持续性取决于建筑物的结构、建筑技术系统和建筑物的使用者。智能家居和建筑控制系统对它们都有影响。在以节能方式控制建筑系统以致持续的室内舒适为目标的运作中，智能建筑的角色尤为重要: 识别和消除能源浪费只在需要的时间、地点和数量使用能源在适当的地点实施适当的控制功能水平，以致于可以适当的应用。
有效控制楼宇内的暖气、通风及空气调节系统，对为住户提供一个生产力高、健康及安全的工作和生活环境至为重要。除了良好的建筑设计和高效的暖通空调设备，建筑物控制系统在防止能源浪费和减少建筑物的环境影响方面发挥着重要作用。在住宅方面，智能建筑经常被称为「智能家居系统」。在“烹饪”的定义中，“智能家居”的概念是“计算机软件扮演智能代理人的角色，使用传感器感知物理环境和居民的状态，然后采取行动实现特定的目标，例如最大限度地提高居民的舒适度，最大限度地减少资源的消耗，以及维护家庭和居民的健康和安全”。以下是智能家居系统概念的解释。
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- 智能家居系统
智能家居的几个定义强调其概念是通过通信网络连接传感器、电器和设备，以便远程监控、访问或控制住宅环境。此外，智能家居系统的一个关键点是提供满足用户需求的服务。只是在最近，“智能”或“智能”一词与建筑物的能源效率有关。因此，它经常被称为提供一个家庭能源管理系统(hems)管理家庭内的能源消耗。特别是，这些系统旨在最大限度地提高家庭用电效率，优化控制家庭设备，以减少和优化能源使用，以及创造和储存能源。
实际上，智能家居系统中最重要的技术是网络本身(图1) ，通过连接和协调系统中安装的所有技术设备，可以实时交换来自建筑物和用户的信息。实际上，正是这种家庭设备连接的存在，将智能家居系统与仅仅配备独立的、高度先进的技术特性的家庭区分开来。
虽然现代化的高度服务式建筑物需要先进的控制系统是不言而喻的，但应该认识到，依靠供暖锅炉和自然通风的简单建筑物仍然可以受益于现代化的家庭能源管理系统。日益强调节约能源和减少温室气体排放，有助于提高有效控制的重要性。然而，这种方法并不是减少消费的唯一途径。更好、更有效地利用传统设备和组件也同样有效。因此，在推广节能设备的同时，节能政策制定者正在推进另一种降低消费的方式，从而提高系统效率。事实上，提高系统效率是许多现有建筑因文化和历史原因不能改造成现代建筑技术的唯一途径。提高系统效率需要对所有能源相关部件进行集中控制，以确保整个系统能够以最高效率工作。此外，通信网络对于从智能家居的所有组件收集数据并加以阐述以便制定适当的策略来提高能源节约至关重要。系统向用户通报其能源使用情况和改变其习惯的能力也会影响效率，因此，利用通信(通过信息和通信技术或其他方法)向用户通报信息的方式至关重要。连续监察暖通空调组件显然有助于减少建筑物的整体能源消耗。若能了解建筑物内个别装置的能源使用详情 ，并向用户提供有关能源与装置所执行动作之间的联系的资料，便可大幅节省电力，平均节省5% 至15% 不等。
图1：智能家居网络的例子
图2：智能家居服务
智能家居所提供的主要服务如下图2所示: 检测健康状况: i)长者护理 ii)医疗(只供病人使用) iii)儿童护理(安全)储存及从智能家居(消费品)监察(保安)装置检索多媒体资料(能源效益)
智能家居系统在许多方面都有好处，包括限制对环境的影响，节约能源成本，以及改善建筑物的安全和安保。这些系统不仅规范建筑功能，它们还转换数据，帮助用户确定如何进一步降低成本，提高建筑物的效率和舒适度。
智能家居系统不仅应该告知用户他们所处的环境，还应该在适当的情况下提供一定程度的控制。智能控制使建筑物的居住者能够调节他们的能源使用。
只有在用户有需要时，才可提供加热、冷却、空调和照明等形式的能源。用户应该规定何时以及必须消耗多少能源。
在完成建筑或翻新工程后，有关行为会作出调整，以达到预期的建筑物最终功能，例如在天气寒冷时开启暖气或恒温器、开启窗户作通风用途、在天气过热时开启空调、开启电灯等。住户的行为会导致计算的最终能源需求(即建筑物外壳及装置)与实际测量的最终能源需求存在较大差距。 一个解决方案可能是自学习自动化系统根据用户的首选设置调整控制算法。在考虑”智能家居”时，应考虑向楼宇使用者提供的信息和反馈; 在这个意义上，过去几年，人们对住宅和办公大楼的实时反馈越来越感兴趣。文献中反复出现的一个发现及其在智能建筑中越来越多的应用是实时反馈，告知居住者他们的环境状况和能源使用情况。研究人员表明，快速反馈可以改善居住者的舒适状况，但是正确的系统功能对于感知舒适度和系统满意度至关重要。可操作窗户的直观和直接的性质，以改善舒适的结果在一个相当广泛的可接受的条件比空调建筑物。Leaman 和 bordass (2001)]发现，快速反应的建筑操作员也是重要的感知舒适。反馈给使用者以确认系统是否正常运作，对热力系统尤为重要，因为热力系统通常在控制输入和室内环境变化之间经历一段时间。向用户传达信息的方式对于使用户了解和改变与能源有关的行为至关重要。特别是，有两个问题需要考虑。首先，用来获取和传输信息的工具。第二，信息是如何表达才能让用户及时理解。
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- 有说服力的技术
收集任何技术系统的信息，通过综合仪表收集消耗数据，包括报警和向运行管理层报告奇怪情况，都是智能家居系统的“商品”。
智能家居系统使用计量和传感器提供信息，同时提供建筑物资产和活动的信息，这样的基准，强大的诊断工作，可以从这些数据中推导出来，并为个别建筑配置和活动提供支持。
该系统可持续自动评估主要表现指标，以证明建筑系统的控制达到最可持续的能源效益水平，同时保持与建筑物使用者的满意度、健康和生产力密切相关的室内舒适度。
监测其状况和性能的技术日益先进，有助于故障预测和基于性能或状况的维修，从而降低了操作和维修成本，延长了设备寿命。 Kpis 可以用来检测建筑中能源消耗技术设备控制的任何缺陷。
这个过程提供了一个战略方法，以纳入和提供所有人机交互或运作的考虑因素，并使建筑物能够以最具成本效益和可持续的方式提供所需的服务，同时又不影响质量。这是智能建筑最近提出的一项通过技术诱导人类行为改变的提案。 其核心思想旨在通过技术-用户交互、程序设计和数据分析来改变用户的思维模式、态度和行为。劝导计算学科既属于计算机技术(互联网、计算机游戏等)的范畴，也属于心理说服(动机、态度和行为的改变)的范畴。劝导式计算有一个相当广泛的应用范围，包括在道德领域的影响，体育习惯的培养，以及个人健康。
目前的用电量反馈模型只能在数据记录和统计图表中反映监测信息。为了提高信息反馈的传递力度，从而更好地对节能行为产生影响，多项研究开发了一种说服性反馈模型，强调并增强反馈信息的可视化、用户交互的强度以及用户的潜意识说服力。这些研究预计，如果能够采取足够有效的劝说措施，可以说服用户采取减少电力消耗的行为。因此，说服的过程是从使用者的特点和倾向中衍生出来的。
根据 fogg [17,22] ，它被广泛定义为一种通过说服和社会影响来改变用户态度或行为的技术。反馈的定义是关于一个过程或行动的结果的信息，这些信息可以用来修改或控制另一个过程或系统，特别是通过注意期望的结果和实际结果之间的差异。 有关能源守恒的反馈，以及不同范畴的一般行为，例如心理学、人机互动及工程技术等，已有多项研究。因此，反馈在提高各种居住环境，尤其是学生宿舍的能源意识、节能和节能动机方面起着重要作用。因此，这就是这个概念，专门的实时反馈接口和能源代表被用于这个概念的实施和可持续性，以形成一个有说服力的系统。
反馈可以被描述为“将注意力引向特定目标的机制”。最常见的反馈形式是让参与者了解自己的能源使用情况，经常将自己与过去进行比较。由于大部分市民对能源使用或其影响的认识不足，定期提醒他们使用能源，可能会令能源使用更为重要，并有助触发节约能源的活动。 此外，了解自己的用电情况可以增加采取行动节约用电的意识。如果个人认为自己的影响微不足道，他们可能就不会以亲社会的方式行事。因此，让个人更了解自己的能源使用情况，可能有助节约能源。
- 居住者与建筑物控制的相互作用
正如已经部分解释的那样，使用者在节约能源方面的贡献至关重要。特别是，用户对室内舒适度的满意度可以节省能源。当室内 或建筑物内没有人时，可自动开关电灯，或在日光充足时调暗人造灯光，以进行所需的视觉工作，从而达到节省能源的目的。一个重要的警告是，大厦的这种「智能行为」应配合住户对其居住环境的满意程度及控制感。事实上，如果智能建筑系统的行动只是基于节约能源的需要，所产生的室内环境条件不会被居住者视为「舒适」。因此，需要在能源效率与居住者的需求和舒适感知之间取得平衡。此外，人类在家里的行为是高度无组织的。需要多种感官模式来感知这种行为。需要先进的模式识别技术来识别多个居民的行为。
实际上，能源和舒适的智能建筑系统的主要目标是通过达到高舒适指数来满足舒适性要求(对于湿热、视觉、空气质量，还有塞式负载的使用)。
许多方面已经被文学认为对居住者的舒适感知有影响。包括上述环境因素(例如气候)、社会因素(例如开放式办公室或单一办公室)或生理因素(例如性别、年龄)。影响居住者满意度的另一个重要因素是居住空间的控制感。社会学家和心理学家强调，控制感是身体和心理上舒适和幸福的强有力的预测器。例如，在办公室环境中，共用办公室会导致可靠性的损失，办公室使用者就会认为，一天结束时关灯之类的行为是由同事完成的。相比之下，拥有自动化系统的智能建筑会产生类似的后果，因为用户并不认为他们在维持 或改善舒适条件方面没有发挥重要作用。
此外，技术验收模式和使用者的满意度基准常常考虑到控制感。 Veitch认为这种“感知控制”是一种基本的心理手段，对照明质量的满意度，尤其是对工作环境的满意度有重大影响。她报告说，有可能调暗灯光的人对周围环境、照明质量以及自评生产力的满意度较高。此外，他们描述了更多的动机和提高注意力的成就。同样地，纽沙姆报道了一项实验室实验研究。这项调查证实，由调光控制器提供的照明系统，是改善情绪、环境满意度及自我评估生产力的一个原因。
许多研究者主要调查办公楼，因为个人控制的正面影响和整体工作环境的满意度之间有很强的关系。这种控制感被定义为“拥有控制权的个人可以采取行动来改变或逆转不喜欢的情况”。技术接受度和用户对智能家居好处的感知是实施智能家居的基础。事实上，消费者应该能够理解智能家居的特点，以便克服一些典型的社会障碍，并改变他们的支付意愿的态度。
- 智能家居驱向和社会障碍
支付意愿是由 i)预期节省 ii)认为消费反馈有用 iii)环保意识 iv)改变用户行为的意向 v)信任数据保护(隐私问题)。家庭自动化的主要障碍如下:
bull;失去控制
bull;可靠性
bull;视智能家居技术为独家或无关
bull;高昂的安装成本
在设计和推行智能家居时，应考虑最终用户的需要，因为他们决定所提供服务的价值。 约有一半现时未有接受电力供应商提供任何特定产品或服务的用户，会对家居能源管理的安装或维修服务感兴趣，但虽然用户可能对智能家居感兴趣，但目前的市场价格会令他们望而却步。
此外，除了智能恒温器之外，消费者对实时监控家庭电器能源消耗也表现出强烈的偏好。几个试点项目显示，如果消费者能够实时监测他们的能源消耗，预计可以节省大量能源。
智能电表、智能设备以及智能家居的生态意义，大多数情况下只被视为一个更大的组合中的一个积极的副作用; 目前尚不清楚这是否会成为购买决定的真正驱动因素。
用户对智能家居的主要担忧与侵犯家庭隐私和过多的侵入性技术有关。另一方面，能源效益问题是选择智能家居系统的主要原因，因为能源成本高昂，人们更容易购买系统，从而减少能源消耗。在这个框架下，智能家居发展面临的主要市场挑战是
bull;翻新现有住宅。人们更喜欢把自己的房子改造成一个智能环境，而不是买一个新房子。
bull;互用性。通信协议的通用标准。
bull;可靠性。人们信任技术服务。特别是，智能家居管理平台是至关重要的，因为只有当标准设置系统可以可靠地集成。
bull;隐私与安全。在网络系统中，人们担心自己的家庭安全和隐私。
bull;成本。人们认为这些系统是”高级社会技术”。此外，用户还担心需求响应设备的高成本。
bull;可用性。复杂的系统往往与困难的用户界面有关。因此，可用性对于所使用的技术是一个至关重要的方面。
bull;政府角色。根据 ehrenhard m. et al 政府的作用不应被低估。事实上，它有助规管市场、执行标准、保障私隐及改变资助计划，以影响智能家居市场的发展。
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智能电网中的智能家居 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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