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能源与建筑
摘 要 事实表明，建筑物中的居住者行为会严重影响供暖、制冷通风需求、照明和设备的能源消耗以及对建筑物的控制。能源意识充足的行为可以使建筑物的设计能源性能提高三分之一。因此，用户的活动和行为被视为关键要素，长期以来被一直用于控制各种设备，例如人造光、加热、通风和空调。但是，如何考虑用户活动和行为？什么是最有价值的活动或行为？它们对节能潜力有何影响？为了回答这些问题，我们提供了以节能和用户活动识别为主题的国际著名智能建筑研究成果的新颖调查。我们设计了新的指标来比较现有研究。通过调查，我们确定了HVAC、轻载和即插即用三个主要子系统中最有价值的活动和行为及其对节能潜力的影响。讨论了最有前途和最适当的活动识别技术和方法，从而使我们能够基于用户活动总结能源智能建筑的原理和观点。
关键字 楼宇自动化；能源意识；活动识别
1 引言
在美国，建筑物的能源消耗量惊人地高达41％[1]。2004年，欧盟的建筑消耗占最终能源的37％，高于工业的28％和运输的32％。在英国，建筑中的能源使用比例39％略高于欧洲数字[2]。与其他行业相比，存在以更低的成本和更高的回报来减少建筑物能源使用巨大的问题且有吸引力的机会。这些减少对于支持实现国际能源署（IEA）的目标至关重要，该目标是将地球的碳足迹相对于2050年的基准减少77％，以达到政府间气候变化专门委员会要求的稳定的CO2水平（ IPCC）。世界可持续发展商业理事会（WBCSD）在2009年进行的研究表明，我们可以大幅减少建筑中使用的能源，节省的能源相当于整个运输部门目前使用的能源。
使用来自非化石能源（例如太阳能和风能）的更多电网电力也将有助于应对气候变化。但是削减能耗也是至关重要的，因为它有助于节省有限的资源，降低企业和消费者的成本，并且可以相对快速地完成。此外，非碳源的贡献很可能会受到制约，持续数十年。因此，要迈向低碳经济，在建筑物中“更智能”地使用能源将从根本上为节省能源和成本做出贡献。能源智能建筑，促进了建筑的智能控制，正在成为下一代商业建筑的趋势。
建筑节能和舒适管理（BECM）系统是使用计算机和分布式微处理器进行监视，数据存储和通信的单个建筑物或建筑物组构成的控制系统。 BECM系统的总体目标是满足居住者对舒适性的要求，同时减少建筑运营过程中的能耗。供暖、通风、空调（HVAC）控制、照明控制、热水控制和电力控制通常被视为BECM系统的必需功能。
事实表明，建筑物中的居住者和行为会对空间供暖、制冷和通风产生不一样的需求，同时也对照明和空间设备的能源消耗以及建筑物控制产生重大影响[4]。粗心的行为可以使建筑物的设计能源性能降低三分之一，而节能行为可以节省三分之一[5]，看到图1。
图1 无能量意识的行为使用的能量是可以达到的最低能量的两倍
一个特别有趣的例子是3M公司在明尼苏达州总部定期进行的一项实验：要求办公室工作人员关闭在高峰期不使用的所有办公设备、照明设备等。实验的结果是深刻的：建筑物的用电量在15分钟内从15 MW降至13 MW，并在2小时内进一步降至11 MW[6] 。这相当于节省了26％的电能。尽管这项实验的结果令人瞩目，但是节省的费用取决于员工的自觉行动，随着时间的推移，这种行动不太可能保持不变。因此在最近的研究集中，通过集成乘员的活动和行为作为BECM系统的关键要素来开发节能智能建筑物，使建筑物可以利用BECM系统自动关闭未使用的灯、计算机等。例如，过去的研究表明，使用实时占用信息来控制照明可以节省大量用于照明的电能[7]。
在BECM系统中如何考虑用户活动和行为？这个关键要素如何在能源智能建筑中发挥其所谓的重要作用？什么是最有价值的活动或行为及其对节能潜力的影响？为了回答这些问题，我们在这里研究基于用户活动作为系统关键要素的著名的国际建筑节能项目。
我们首先介绍本次调查评估的BECM系统的标准（本节2）， 本节还包含用于评估和比较研究的功能的基本描述。功能包括能源智能建筑的类型、节能潜力、所考虑的活动、方法和技术。使用这些功能的研究的实际比较将在本节的部分3、部分4、部分5和部分6中介绍，用户活动作为能源智能建筑的重要组成部分的未来观点也在本节中讨论，而部分7则提供了结论。
2 标准与方法
智能建筑、智能家居、楼宇自动化系统（BMS）领域涉及商业、工业、机构和家庭建筑中的多种技术，包括能源管理系统和建筑控制系统。建筑物管理系统的功能是控制、监视和优化建筑物服务，例如照明、供暖、安全、闭路电视（CCTV）、警报系统，访问控制、视听和娱乐系统、通风、过滤和气候控制等等，甚至包括时间和出勤控制和报告（尤其是人员流动和可用性）。这通常会导致系统开发人员以多种方式描述其系统，例如“电子医疗”或“家庭护理”子系统的一部分。因此，在本文献综述中，需要引入一组选择标准来确定涵盖基于用户活动的BECM系统的研究。
2.1 术语
根据Wigginton和Har-ris进行的研究[8]，与建筑物相关的情报有30多个单独的定义，而[9]讨论“智能建筑”一词的最著名的学术和技术定义。美国的智能建筑研究所（IBI）和总部位于英国的欧洲智能建筑集团（EIBG）提出了两种最常用的定义。IBI将智能建筑定义为“通过优化其四个基本要素（包括结构、系统、服务和管理以及它们之间的相互关系）来提供生产性和成本效益的环境的建筑”[8]。EIBG将智能建筑定义为“一个创造最大效率的环境的建筑”建筑物的占用者，同时以最少的硬件和设施成本实现对资源的有效管理[8]。IBI的定义更多地关注所有者的利益及其所需的室内环境，而EIBG则专注于用户的利益并为居住者创造所需的室内环境。然而，这两种定义也要求注意管理者的利益以及创建所需室内环境对环境和经济的影响。因此，智能建筑可以由10个“质量环境模块（QEM）”（M1M10）组成[10]。“QEM”（M1-M10）包括：
M1：环境友好–健康和节能；
M2：空间利用和灵活性；
M3：成本效益–注重效率的运营和维护；
M4：人类舒适度；
M5：工作效率；
M6：安全措施–火灾，地震，灾难和结构破坏等。
M7：文化；
M8：高科技形象；
M9：施工过程和结构；
M10：健康与卫生。
通过上述10个关键模块，可以得出智能建筑是根据适当选择的“优质环境模块”来设计和建造的。QEM的每个适当选择都会形成一种类型的“智能建筑”，例如“智能房屋”或“绿色建筑”。
Domotics，意味着房屋的自动化[11], 通常也用于表示具有机械和电子自动化设施的房屋。最近，出现了“智能房屋”一词，意指用于任何生活空间的智能建筑，旨在协助人们进行日常活动[12]。
智能建筑的另一种类型是所谓的绿色建筑。绿色建筑是在建筑物的整个生命周期中创建结构并对环境负责和资源高效的过程的实践，从选址到设计、建造、运营、维护、翻新和拆除[13]，要求设计团队、建筑师、工程师和客户在所有项目阶段都紧密合作。绿色建筑实践扩展并补充了经典建筑设计在经济性、实用性、耐用性和舒适性方面的关注。尽管有不断开发新技术来补充当前创建绿色建筑的做法，但绿色建筑的共同目标是通过有效利用能源、水和其他能源来减少建筑环境对人类健康和自然环境的总体影响。通过保护居住者的健康和提高员工的生产率，或通过减少浪费、污染和环境恶化来实现资源节约。
绿色建筑通常包括减少能耗的措施，包括提取、加工、运输和安装建筑材料所需的内在能量以及为设备提供供暖和动力等服务的运行能量。在这种情况下，节能建筑（也称为低能耗房或零能耗建筑），与传统或普通现代房屋相比，无论从任何来源获得设计、技术和建筑产品的能耗都更少。
2.2 研究纳入标准
在本文中，“节能智能建筑”一词指的是配备有以下技术的建筑物：该技术可以监控其居住者和设施，这些设施旨在自动化和优化控制设备，特别是照明、HVAC系统和家用电器，以节约能源为目标。该术语不包括用于帮助人们克服依赖性和健康问题的技术。
许多节能建筑的设计目的是：
（1）减少能源需求，包括使用更节能的设计，材料和设备；
（2）从可再生和其他浪费的资源中生产能源；
（3）使用智能电网在一些建筑物中产生盈余并将其馈入电网。然而，这些研究显示了基于活动的计算领域中创新的有限证据，因此，本次调查未对其进行讨论。
2.3 系统的纳入标准
参与调查的系统的纳入标准是：
（1）系统特点：可穿戴，便携式或可植入设备；移动或固定设备，例如传感器，执行器或嵌入智能建筑物或日常物品（例如家具等）的结构织物中的其他信息和通信技术（ICT）组件。
（2）在上下文感知或决策支持属性的意义上具有“活动识别”或“用户行为”的组件的系统。
（3）在无需人工干预或互动的情况下执行节省能源并满足用户舒适度的动作的系统。
2.4 搜索方式
我们的搜索仅限于以英语撰写并在1996年至2012年之间出版的期刊章节和会议记录中的文章，还包括一些描述原型、项目、系统和设备的网站。通过IEEE Xplore、ACM数字图书馆或使用Google搜索引擎进行搜索。
2.5 比较功能
这篇综述基于几种观点对研究进行了审查。首先，我们研究文献以确定他们的BECM系统从用户活动中最受益的构建类型。接下来，研究了基于用户活动的能源智能建筑的节能潜力，然后总结了BECM系统最重要的用户活动和行为。最后但最重要的一点是，分析了用于活动识别或模式预测的方法和技术，以显示用于节能智能建筑中的节能和用户舒适度的最合适的方法和技术。
3 能源智能建筑
从国际角度来看，我们选择的项目被认为是最重要的，可以很好地代表整个领域。在本次调查中，我们特别关注用户活动的现状，并将成这个结果为BECM系统的基本要素。
3.1 住宅部门
许多系统关注住宅部门，该部门最多消耗40％的能源。奥地利维也纳科技大学的ThinkHome项目[19]旨在确保能源效率和舒适度优化，主要目标是需要相对大量能量的功能，例如HVAC、以及家庭环境中的照明和遮光。来实现使用射频识别来跟踪用户（RFID）标签以及确定居民相对于存储为静态数据的建筑结构的位置。
BeyWatch[23] 该项目由西班牙电信公司Telefonica牵头，旨在通过开发和评估以用户为中心的创新解决方案来提高家庭的能源意识和使用灵活性，从而降低家庭能源消耗。
eDIANA（节能建筑的嵌入式系统）[24] 是由ARTEMIS联合承办组织和每个合作伙伴的国家机构共同创立的研究项目。该项目的目标是开发一种技术（eDIANA平台），以提高能源效率并优化家庭能源消耗，提供实时测量、集成和控制。在eDIANA中，用户表达了自己的喜好并推动平台朝着能耗优化的方向发展。
iSpace [25] 是一间学生自修房，是通过改建联合王国国王艾塞克斯大学校园内的房间而建造的。iDorm是在学生卧室中安装的小工具、传感器和效应器。iDorm是一间两卧室公寓，安装了受iDorm严重影响的传感器和执行器[26]。iSpace家具配有智能小工具，可以检测和了解乘员的行为。智能小工具彼此通信，从而允许一组代理协调他们的动作。该代理可以智能地记住特定环境条件下的用户习惯，然后根据这些习惯对环境进行更改。
E3SoHo项目的总体目标[27]通过向租户提供有关消费的反馈并提供个性化的建议以提高他们的能源效率，从而大大减少欧洲社会住房的能源消耗。项目[28]是来自五个不同欧洲国家的11个合作伙伴组织的联盟。该项目的主要目标是提供一种通用方法来管理通电或处于待机状态的家用电器的能耗。AIM项目旨在开发一种技术，以分析和优化家用电器的能耗模式，并提供涉及三个应用领域的具体示例：白色家电、音频、视频设备和通信设备。在用户活动方面，该项目开发了基于事件的模式检测算法，用于基于传感器的建模和用户行为预测[29]行为模式（马尔可夫模型）与建筑能源和舒适管理。
在法国，格勒诺布尔的概念优化和生产科学G-SCOP实验室提出
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