智能家居技术与建筑能源灵活性

用户参与智能家居技术以实现区域供热系统中的建筑能源灵活性

1. 引言

传统上，建筑存量被视为能源电网中的被动终端用户。由于建筑存量在全球范围内占最终能源消耗和二氧化碳2排放量的三分之一，过去几十年中，人们投入了大量努力以大幅提高建筑的能源效率 [1]。尽管这是实现未来社会可持续性的重要目标，但建筑在能源电网中的角色正在发生范式转变。

在智能能源电网系统[2],背景下，建筑存量应被视为一个重要的主动参与单元，能够帮助减少
通过能源负荷转移、削峰和填谷来缓解瞬时能源生产与使用之间的不匹配。这些需求侧管理方法通常被称为“建筑能源灵活性”策略[3]。当受到惩罚信号（实时电价、当前能源生产的二氧化碳强度、电网本地状态、边际生产成本等）触发时，这种建筑能源灵活性可显著促进大规模接入间歇性可再生能源（RES）的可靠且可持续的能源供应网络的建立。此外，它还能解决电网瓶颈薄弱环节在关键时期出现的局部或全局拥塞问题。

近期关于该主题的研究探讨了通过智能控制热能和电能负荷，建筑为电网提供灵活性服务的潜力。本地生产的电力（例如通过光伏板）或从电网输入的电力，可存储在建筑的电池[4]中，或存储在其连接的电动车[5]中。此外，建筑存量在热水箱（供暖系统和/或生活热水箱）[6]以及室内环境热质量[7]方面具有巨大的热储能潜力。后者在采用室内温度设定点调节[8]时，可作为一种成本效益较高的热储能解决方案。因此，多余的可再生能源发电可在建筑环境中储存，从而实现空间供暖能源转移：对于保温性能较差的建筑，可实现数小时的显著能源转移；而对于具有良好有效热惯性的建筑，则可实现超过24小时的能源转移，同时不会影响热舒适性[9]。

这些需求侧管理与建筑能源灵活性策略基于先进控制系统，实现了智能电网、建筑系统和住户之间的特定通信。在实践中，建筑能源灵活性的激活由所谓的“智能家居技术”完成。这些技术还能确保住户的舒适度及其对建筑状态的了解。然而，目前尚不清楚这些智能家居技术是否会被家庭广泛接受、他们将如何与之互动，以及住户是否允许来自外部的控制信号（来自电网、能源供应商和分销商的惩罚信号）干扰其私人室内环境。家庭的视角是研究中的一个关键议题，因为它可能成为成功实施能源灵活性措施的重要障碍。本文所呈现的研究属于跨学科的 InterHUB项目的一部分。InterHUB项目旨在理解智能能源电网系统中建筑能源灵活性相关不同参与者和利益相关者的相互作用[10]。本文重点评估丹麦住户通过智能家居技术参与实现建筑能源灵活性的情况。在阐述方法论细节和各个研究案例之后，本文展示了此项 ongoing 研究的初步结果。作者希望本研究能为其他从事该领域研究的学者提供关于用户可接受性的更清晰认识。文章最后给出了主要结论及对未来工作的建议。

2. 方法论

整体方法论设计为定性研究。在丹麦哥本哈根市区的16户家庭中开展了半结构化访谈和家庭参观。通过采用开放性的形式，访谈旨在理解住户的言行，从而评估住户如何参与智能家居技术。

由于空间供暖在很大程度上被住户视为“隐形”的存在，因此特别关注了住户的日常活动和日常习惯。这为了解当智能家居技术融入家庭领域时空间供暖实践如何被重新配置提供了宝贵的见解。访谈前制定了半结构化访谈提纲。该访谈提纲包含与空间供暖、舒适度以及参与智能家居技术相关的主题。访谈提纲的设计使得受访者能够在访谈过程中自由展开思考。每次访谈持续1.5至2小时。在访谈期间，要求住户进行家庭参观，说明其对房屋中各个房间的使用情况。

这种方法有助于深入了解诸如调节空间供暖或通风等平凡的日常活动，而这些细节若以其他方式进行访谈可能无法清晰呈现。此外，还要求住户“展示并讲述”他们如何操作自己的智能家居技术。这通常会引发关于他们对技术整体使用体验的对话。该方法论与针对家庭领域能源消耗所开展的研究基本一致[12,13,14,15,16]。此类方法突出了日常生活实践的复杂性凸显了对用户参与技术设备使用及能源消耗的研究必须采取以用户为中心的方法。该方法基于一种认识论假设，即为了生成关于用户参与的知识，研究必须考察住户自身对其日常实践的认知。尽管已有研究探讨了用户对智能家居技术的参与及其潜在益处（包括节能的可能性 [17]），但其中仅有少数研究认为日常生活实践是最小的分析单元，因此任何研究都必须揭示这一层面 [18]。因此，更倾向于采用定性方法，因为它们能够捕捉到日常生活实践的复杂性和不可预测性。根据本特·弗林夫伯格 [19], 的观点，案例研究也被视为一种富有成效的方法，既能为后续研究提供洞见和假设，也能检验这些假设并推动理论构建。由于本文仅呈现初步结果，因此重点放在用户参与智能家居技术以实现空间供暖灵活性的趋势上。因此，本文为今后对用户参与此类技术的进一步分析提供了起点。

3. 研究案例

当前分析包含四个不同的研究案例[20]。每个研究案例代表一个住宅区（规模各异），这些住宅区均采用相同的智能家居技术以实现能源灵活性。在每个研究案例中进行了四次访谈，所有成年家庭成员（18+）均参与其中。部分访谈仅涉及一人，而其他访谈则有多人参与，从而记录了家庭成员之间对日常生活的协商过程。此外，一些访谈过程中有幼儿在场，但他们并未接受直接访谈。然而，他们的存在揭示了儿童的参与方式和日常行为，以及家庭中的成年人如何对此作出反应（例如，保持较高的地板供暖温度以便孩子能在地板上玩耍）。所选家庭旨在广泛代表不同类型的家庭，在家庭规模、住户年龄、教育背景和性别方面具有多样性。如表 1所示，访谈对象的性别比例为50/50，年龄分布范围较广（21至58岁），家庭规模也各不相同（1至5名住户）。然而，在受访者的职业背景方面，数据存在一定偏差：绝大多数受访者担任高级职位，只有约三分之一的访谈中包含了学生。在所有研究案例中，室内空间供暖和生活热水供应均由区域供热网络提供。这些研究案例均为公寓或联排别墅，且均为近期建造，具有良好的建筑围护结构热工性能。每个研究案例的简要描述见下文各节。

3.1. 马内公园，特雷克罗内，罗斯基勒

马内公园建于2004年，位于特雷克罗内，毗邻高等教育机构，距哥本哈根30公里。该住宅区共有31套公寓：24套一居室公寓（35平方米）和7套两居室公寓（39平方米）。公寓楼为两层结构，每层均设有公寓。租金范围为每月500至800欧元。该住宅区由局部社会住房组织管理，为学生宿舍。因此，所有公寓仅由学生居住，大多数年龄在二十多岁出头。公寓分配基于等待名单，这意味着住户来自社会不同阶层。大多数住户居住时间较短（半年至5年）。大部分公寓仅由一人居住，而七套两居室公寓则供小型家庭或合住者共同居住。公寓内，厨房/入口处和卧室安装有散热器，浴室配备地暖。空间供暖通过两种不同类型的设备进行控制。每个散热器上均装有数字温控器（Danfoss Living Connect©），住户可直接在每个温控器上调节设定值。这些温控器连接至位于厨房的丹佛斯CC Link©中央家用显示屏（IHD），住户可通过该设备控制所有温控器，并为整个公寓的空间供暖设置规则或时间表。房屋内的不同传感器可用于控制规则，例如开窗时会自动关闭空间供暖，直至窗户重新关闭。住户还可通过智能手机上的应用程序访问温控器和IHD，实现对空间供暖的远程管理。除丹佛斯技术外，还采用了模型预测控制（MPC）名为LeanHeat©的系统正在使用中。通过测量室内（ occupancy和用户画像）和室外条件（温度和湿度），该系统优化进入公寓的热流。

名称和 位置	建筑	人员	技术	访谈详细信息
马内公园 特雷克罗内 罗斯基勒	31套公寓 1 and 2 卧室 建于2004年	社会住房 for 学生。主要是单身 居住的租户，租金是 500至800欧元 per 月。少数公寓 夫妻。	区域供暖。 房间内有散热器，地板 供暖在浴室。 由丹佛斯 CC Link© 和 Leanheat© 技术。	4 次访谈： 1男性和 3 女性住户。1-2 年龄：21-25 所有学生
Frikvarteret， 北港， 哥本哈根	29露台 房屋 100 - 200 m2 建于2016年	产权——价格起始于 80万欧元。大多数 家庭 from上层- 中产阶级。 也包括夫妻。	区域供暖。 地板供暖 in all 房间。通过数字 壁挂式恒温器，以及 燃料转换由 公用事业公司控制。	4 次访谈： 4 名男性和 3 女性住户。2-5人 年龄：35-58岁 高级职位
松德莫勒胡森 北港 哥本哈根	72套公寓 和11个露台 房屋 45 - 210 m2 低能耗 建建筑于2017年	产权——价格从 27万欧元至超过1 百万欧元。 差异化家庭 组成，但主要是 中上阶层 and 上层阶级。	区域供暖。 地板供暖 in all 房间。由数字 壁挂式温控器和 外部 控制 （集中式）期间 a 有限时间段。	4 次访谈： 3 名男性和 3 女性住户。2-4 年龄：21-58岁 高级职位 和2名学生。
海港边缘 北港 哥本哈根	86套公寓 55 - 146 m2 低能耗 建筑 建于2016年	产权——价格从 30万至140万 欧差异元化。家庭 构成，但主要是 家庭 from上层- 中上阶层。	区域供暖。 每个房间的地板供暖 通过丹佛斯 CC link©系统进行控制， 可实现调度。 公寓中的传感器。整个家庭。所有住宅的所有房间均安装了地暖系统。空间供暖通过数字壁挂式恒温器进行控制。同时显示湿度水平和CO2浓度信息。每个房间均设有壁挂式温控器。通过监测门窗的开启状态，可自动关闭供暖。在10套公寓中进行了实现灵活供暖需求的实验。这些住宅的空间供暖曾在短时间内由丹麦技术大学的研究人员从外部进行控制[21]。	4 次访谈： 3 名男性和 2 名女性。 住户：1-4 年龄：35-56 高级职位

3.2. Frikvarteret, Nordhavn, 哥本哈根

Frikvarteret 是一个新建（2016年）的住宅区，位于最近重新开发的北港区域。北港靠近哥本哈根市中心。自2010年代初以来，北港区域经历了大规模转型，从一个旧港口区转变为一个具有吸引力的住宅和商业区。Frikvarteret 是北港最早的住宅小区之一，由29栋独栋联排别墅组成，面积范围为100至200平方米2。这些联排别墅为2至3层，按照丹麦标准而言空间较为宽敞。住户主要是中产阶级到上层阶级家庭，通常带有幼儿。所有房屋的所有房间均安装了地暖系统。每个住户还配备了一个带有电加热装置的热水箱，可通过选择区域供热网络或电力作为热源来实现 “燃料转换”。燃料转换的时间由区域供热公司控制。住户可通过数字壁挂式恒温器对空间供暖进行控制和监控，并可通过基于网络的平台逐日查看其与空间供暖相关的能源消耗情况。

3.3. 松德莫勒胡森，北港，哥本哈根

松德莫勒胡森建于2017年，包括72套公寓和11栋联排别墅。
公寓的面积范围为45至210平方米2。该建筑群被视为低能耗建筑，其供暖（室内空间和热水）和通风的能源消耗低于每年20千瓦时/平方米2 。松德莫勒胡森公寓的价格范围从27万至超过100万欧元。总体而言，松德莫勒胡森面向中上阶层。住户构成差异显著，包括家庭、夫妻以及单身人士。

3.4. 哥本哈根北港港湾角

港湾角建于2016年，也位于北港。该住宅区由86套公寓组成，面积从55到146平方米不等。这些公寓被视为低能耗建筑，具有最低空间供暖需求和良好的室内舒适度。与北港大多数住宅一样，港湾角住宅的价格在30万至140万欧元之间。这使得港湾角成为北港最昂贵的区域之一。因此，其住户主要来自中上层和上层阶级。港湾角不同的公寓面积导致了差异化的家庭构成，家庭、夫妇和独居者均居住在这些公寓中。所有公寓的每个房间均安装了地板供暖。此外，公寓内各处还安装了温度传感器，以评估在建筑中实现热存储的可能性。空间供暖由分布式系统丹佛斯CC Link©进行控制。在公寓内部，每个房间都配备了数字壁挂式恒温器，允许住户调节室内温度设定值。此外，用户还可以通过IHD集中监控、控制和调度空间供暖。传感器可检测门窗是否打开，并自动关闭空间供暖。还可以通过智能手机应用程序远程控制和监控空间供暖。

4. 结果与讨论

如前所述，本文仅呈现了在四个不同案例中进行的定性研究期间观察到的初步结果和趋势。总体而言，访谈表明年轻受访者对技术的满意度高于年长受访者。无论教育背景或对技术及能源系统的熟悉程度如何，年长受访者普遍更关注技术的功能性和准确性。在家庭构成方面，大家庭对技术的参与更加多样化（例如不同房间有不同的设定值，或更频繁地调整设定值），这通常是家庭成员之间持续协商的结果。尽管如此，明显存在男性为主要使用者的趋势，他们负责设备的安装和持续运行（包括应对技术故障）。

总体而言，已观察到用户参与智能家居技术以实现灵活的采暖需求的三个主要趋势：
• 具身性知识的重要性
• 舒适度的概念不断演变
• 智能家居技术作为脚本化的物质安排

4.1. 具身性知识的重要性

在16次定性访谈和家庭参观中，一个突出的趋势是所谓具身性知识的重要性。显然，那些对智能手机和其他网络连接技术使用非常熟悉的受访者，在控制智能家居技术方面更加得心应手，因此他们更积极、持续地参与系统操作。这一点在年轻住户中尤为明显，他们以自信的态度面对这些技术，并迅速利用系统的高级功能。这一用户群体也表达了对系统最高的满意度和兴趣。

正如一位住户所说：“是的，但也是因为这样更简单。（......）在普通散热器上，‘5’到底是什么意思？是指50°C，还是5°C，‘5’代表什么，数字5意味着什么？我完全不知道这表示什么。所以我根本不知道我是该调到3才能达到想要的温度，还是该调到5，所以我从来弄清楚了这个数字对应的具体温度。使用丹佛斯时，我知道如果将其设置为20°C，就正好是20°C。所以现在控制起来容易多了” (住户A3)。

相反，那些对“智能”技术经验较少的住户表现出较低的兴趣，有时甚至对系统感到不满。这些住户通常不太确定系统是否正常运行，并进行了不同的实验来测试系统。这些实验通常包括使用他们信任且熟悉的物质布局和工具，例如温度计：“是的，我买了它（一个温度计），因为我必须确认它显示的结果是否一致。我觉得我买它的原因在于浴室的温度控制存在问题，实际上不起作用，所以我把它带到那里去查看实际温度究竟是多少”（住户E3）。

其他住户则因智能家居技术而感到无力，导致他们很少或根本不参与使用这些系统。因此，这些人转而采用其他方式来达到期望的舒适度，例如盖毯子或穿更多衣物。这些结果强调了住户此前对类似技术使用经验的重要性。这种经验通常是具身知识，即先前的实际操作经验往往比用户阅读过有关该技术的信息更为重要。研究结果表明，能力以多种形式存在，而隐性知识对于促进用户参与智能家居技术至关重要，从而实现供暖需求的灵活性。尽管具备与这些技术相关的具身能力的住户可能更有能力在当前系统中提供灵活性，但这些结果也指出，未来的系统必须考虑缺乏此类具身知识的用户如何为灵活性作出贡献。一种解决方案可能是增加自动化程度并减少用户控制。

4.2. 舒适度的概念不断演变

第二个趋势是，随着智能家居技术融入家庭，舒适度的概念趋于提升。其他研究也发现了这一结果，例如[22]。显然，由于智能家居技术为住户提供了便捷的空间供暖控制方式，这通常会转化为对舒适度要求的提高。多位住户表示，自搬入配备智能家居技术的住宅后，他们对室内舒适度的要求有所提高。这往往导致更高的室内温度设定值，相当于以在家中赤脚行走感到舒适作为舒适水平的标准。这一点在安装了地板供暖的家庭中尤为明显。住户喜欢温暖的脚这种感官感受，并很快将其视为全屋舒适的标准，认为能够在整个房屋内赤脚行走现在已成为他们正常的舒适水平。一位住户如此描述这种感官感受：“温度大概在22-23°C之间。我认为这是最舒适的。我喜欢可以随意走动而无需穿厚毛衣，基本上穿袜子或赤脚走动都很舒服”（住户C2）。

类似的研究此前已强调了地板供暖在住户中产生的感官感受，以及这种感受如何转化为对舒适度的更高期望[14]。然而，这些发现并未直接关联到智能家居技术的参与，而是一般存在于低能耗建筑中的现象。智能家居技术和远程控制普遍受到住户的良好评价，他们对家庭领域自动化程度的提高总体持积极态度。这些技术主要因其能够提升空间供暖控制的便利性而受到重视。

在为区域供热系统（如削峰）提供灵活性方面，住户通常对自己主动启用此类功能持更为怀疑的态度。他们更倾向于由第三方（如公用事业公司或楼宇管理员）集中控制，或通过模型预测控制（MPC）、机器学习等自动化方式实现。然而，住户表示，此类控制不得降低住宅内的舒适度。此外，住户现有的其他空间供暖习惯也对此构成了挑战。例如，大多数人习惯出于各种原因开窗通风。通常情况下，夜间更偏好凉爽的卧室，而在早晨及白天开窗被认为是一种健康习惯。这可能会影响空间供暖灵活性的实现，以及利用室内环境进行热存储的效果。例如，一位受访者描述了自己在保持地暖开启的同时为卧室通风的习惯：“我喜欢房间里有点热量的同时还能有新鲜空气流通”（住户C2）。

4.3. 智能家居技术作为脚本化材料

正如科学文献中所强调的，技术被设定为朝向某种特定用途。通过精心的设计过程，开发人员希望这些技术能够按预期被使用。然而，文献表明，物质布局（设备）并不总是按照预期方式被使用。这一点在16次访谈和家庭参观中也十分明显，最显著的是住户对智能家居技术的不同使用方式和参与程度，以及他们对这些技术工作原理的理解差异。这凸显了在考虑参与差异的前提下，精心设计和实施智能家居技术以实现灵活的采暖需求的重要性。一个明显的趋势是，尽管技术设定了特定的使用方式，但住户常常会创造变通方法，因为这些技术干扰了他们日常生活的其他实践。这些变通方法包括将IHD移动到家庭中的其他位置（远离门口），从而导致对系统的参与减少。还有一些住户不喜欢智能家居技术产生的LED照明，因此干脆将整个系统关闭。此外，这些技术的实际使用方式与其预设用途大相径庭，有些住户将IHD用作挂钟或简单的温度计。

智能家居技术的使用也常常由住户自身进行脚本化，他们对技术的参与程度各不相同，从将其用作简单的开关设备到精确调度工具。住户经常在智能家居技术的脚本与其他家庭物质布局的脚本之间进行协商。住户并不认为该技术像最初设计的那样灵活，并感觉其无法与家中其他物质性要素完全协同运作。例如，低能耗住宅的住户认为地板供暖缺乏灵活性，因为一旦关闭后再加热需要太长时间。因此，他们觉得智能家居技术并不适用于此类用途。

5. 初步结论

在未来低碳社会中，家庭能源消耗必须更具灵活性，因为能源将越来越依赖风能和太阳能等间歇性能源。尽管家庭领域的能源消耗通常与日常生活实践（例如早晨准备上班或上学）密切相关，但高峰需求问题正在加剧。近年来，关于转移这些用电高峰的可能性受到了广泛关注。在这方面，智能家居技术常被视为通过利用室内环境及其热质量进行热存储，从而实现能源灵活性的潜在手段。然而，目前仍迫切需要更深入地了解智能家居技术在家庭中的可接受性、住户如何与这些技术互动，以及他们是否愿意允许外部控制信号改变其私人室内环境。本文报告了一项正在进行的研究的初步结论，该研究探讨了16个丹麦家庭中住户对智能家居技术的参与情况。通过采用定性方法，即对住户进行深度访谈和家庭参观，研究结果突出了住户参与的三种趋势。第一，具身知识的重要性：具有同类或类似技术先前实践经验的住户更倾向于积极参与智能家居技术，并充分利用其更复杂的功能。这些住户通常对系统持更积极态度，并更有能力实现灵活性。第二，舒适度标准不断提高的趋势显而易见。由于智能家居技术为住户提供了更便捷的空间供暖控制方式，这种便利性往往被转化为更高的舒适标准，例如提高室内温度设定值，这反而挑战了系统提升灵活性的潜力。第三，尽管技术通常被预设为某种特定用途（即实现灵活性），但住户的实际使用方式往往偏离设计初衷。住户对智能家居技术的参与表现出极大差异，范围从充分利用其复杂功能，到仅将其当作挂钟使用，甚至完全隐藏起来。该研究项目将持续至2021年春季，在此期间样本量将逐步增加，重点将是扩大所涵盖住户类型和建筑类型的多样性。