環境與生態

台大公共論壇:推動大樓及住宅智慧節電(一)

「開源節流」是永續發展的不二法門,除了積極開發再生能源之外,節電可減緩消耗既有的傳統能源,也能降低開闢新能源的負擔與壓力。針對大樓及住宅進行智慧節電,是很有效益的節電方向。

撰文/呂怡貞
審稿/傅立成(台灣大學資訊工程學系、電機工程學系特聘教授)
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環境與生態

台大公共論壇:推動大樓及住宅智慧節電(一)

「開源節流」是永續發展的不二法門,除了積極開發再生能源之外,節電可減緩消耗既有的傳統能源,也能降低開闢新能源的負擔與壓力。針對大樓及住宅進行智慧節電,是很有效益的節電方向。

撰文/呂怡貞
審稿/傅立成(台灣大學資訊工程學系、電機工程學系特聘教授)
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  人類活動的都市化,使大樓與住宅用電佔能源消耗比例越來越大。根據經濟部能源局統計,台灣的大樓與住宅合計用電佔總電量34%,僅次於工業用電,而歐美與日本等先進國家更高達60%以上。台灣大學電機工程學系、資訊工程學系特聘教授傅立成表示,使用資通訊技術(information and communication technology, ICT)針對住宅與商辦大樓進行自主節能調控,成為近年來國內外熱門發展的議題,台灣產學研各界包括各大專院校、工研院、資策會、中華電信等都積極投入研發。



人類活動漸漸集中在大樓與住宅,因此針對大樓與住宅進行智慧節電,能有效降低能源消耗。(影像來源:台灣電力公司,台電之美攝影比賽得獎作品)


無線感測為基礎 物聯網正夯


  目前大樓及住宅的智慧節電以三個關鍵技術為研發主軸。首先是以物聯網(internet of things, IOT,又稱machine-to-machine,機器對機器的連結)為基礎概念所設計的智慧感知系統。物聯網泛指將物件與物件、物件與人,以網際網路相連結,例如,公車何時停靠站牌、物流業得知貨物輸送與出存狀況、遠距醫療監測與照護等任何器材或設備能夠利用網路而具有遠端連結與控制的功能,以及現在最熱門的雲端系統。物聯網不僅在現今生活越來越常見,也是近年各國競相發展「智慧生活」、「智慧城市」的基礎,一旦建立物件與人之間的「溝通」網絡,現代人不出門也能掌握天下事。


  若把ICT系統引入建築物內,再透過物聯網的概念,就可以使大樓與住宅達到智慧節電目的。只要在建築物內的幾個定點,以及所有耗電器材與插座上,裝設低功率、低耗能且具有無線網路功能的感測器,就可蒐集空間中的各項資訊,如溫度、濕度、照度、甚至一氧化碳與二氧化碳濃度,以及各項電器的使用資訊,再透過網際網路傳輸到個人電腦或智慧型手機,使用者就可知道家中的即時用電情形,例如無人使用的房間內是否有電燈開啟或冷氣運轉,以提醒使用者關閉不必要的電源(甚至可即時遠距遙控),進而達成節電目的。


  然而,ICT系統做到這一步還不算智慧節電,必須能夠在感知大量空間、環境及人員活動資訊後,主動做出「智慧」的判斷與調控,即由系統自主管理各項電力設備,才稱得上「智慧節電」。


  據統計,住宅用電的52%用於照明與空調,以百貨服務業為主的商辦大樓佔比更高,因此若能讓燈光及空調自主調控,就可以省下相當可觀的電力;而根據台電與經濟部能源局統計,家庭年平均耗電中約有7.4%為待機電力消耗,因此減少不必要的待機電力也是節電相當重要的一環。這些都是未來大樓及住宅智慧節電系統可自動偵測且調控的部份,能夠協助忙碌的現代人不需時時刻刻留心自家用電情形,或協助大樓管理人員管理複雜的公共空間,達到省電節能的效果。



未來生活 人性化節電


  智慧節電系統能否普及的關鍵因素在於,系統必須先了解使用者的行為模式,以求精準預測使用者的活動行為和用電需求,這就需要依靠另外兩項關鍵技術:利用無線感測器所蒐集到的資訊,透過「群體行為辨識技術」,進行使用者的生活行為辨識與情境分析;再運用「人工智慧及機器學習方法」學習之。


  做法是在節能系統操作前的一段時間,先用人工註記家中成員在不同時刻的位置、活動行為與用電情形(例如成員在8月1日週三下午兩點到五點在房間閱讀,房間內開著大燈與桌燈、空調設在28℃),把這些記錄交由電腦建立資料庫,幾次之後電腦會把這些行為記錄的連結性與規則找出來並建立模型,此模型包含所有環境與電器資訊,以後當使用者正在進行此項生活行為時,系統就會檢核目前資訊並對照資料庫,再運用條件機率分析,推論出此時此刻居家或個人的行為,進而設計出調控機制,反覆測試後建立最佳節電調控策略。


  目前台大與英特爾(Intel)公司合作發展的M2M情境感知家庭節能系統(machine-to-machine context-aware home energy saving system, MCHESS)即為物聯網的設計概念,是利用閘道器(gateway,註)做為居家伺服器,用來接收四面八方的環境感知與電器電源資訊,再執行各項管控機制,在兼顧使用者舒適度的原則下,系統自主調控各項電器的使用狀態,達到符合人性的節電。


  曾經有研究指出,讓燈光及空調做自主調控可節省總電量將近40%,但那屬於推論值,非實證數據。MCHESS在2012年7月建置雛型設備,設計五組不同生活模式的兩人家庭居家模擬器,記錄其一週生活行為的平均用電,在願意放寬生活品質條件的前提之下,可節電34~38%(空調溫度從25℃調到27℃可節電34%,調到28.5℃可節電38%)。這項用舒適度做為節電依據的研究史無前例,未來將持續進行實際居家測試,現階段無論在預測單人行為或更為複雜的群體行為,準確率都可達到近90%。



台大與英特爾公司合作發展的MCHESS系統以物聯網為設計概念,利用各項無線感測器智慧感知居家生活與用電行為,各項資訊匯集到閘道器後,閘道器便據此做出符合人性化的自主節能調控策略。(影像來源:傅立成)


各項無線感測技術的元件和感測器與其用途。(影像來源:傅立成)


  物聯網與智慧節電系統未來若能廣泛應用在大樓及住宅,生活就會是:平日日間家人都出門時,照明、空調與其他電器都自動設定在非待機的斷電狀態,當家人一進門,相關電源便自動開啟;晚上當家人都集中在客廳,房間裡沒有人,系統便自動關閉房間裡不必要的電源,而將客廳裡的照明與空調等必要電源做適當的調節;下班後當辦公室裡的員工人數少於一定數量,系統便自動關閉部份電源與空調,並在最後一名員工離開後關閉全部電源;農林漁牧的工作場域或工廠內溫濕度都可自主調控;甚至當系統感測到空間中二氧化碳濃度太高時,便會自動打開部份通風設備等。這些「聰明小動作」不但便利人們的生活,也讓能源做最有效的使用。






註:閘道器的功能是整合並存取有線或無線區域網路傳遞到家的訊息,形成小型網域或家庭智慧型網路介面。





延伸閱讀

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〈台大公共論壇:推動大樓及住宅智慧節電(二)〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

Intel-台大創新研究中心

〈行動保健科技妙用無窮〉,柯林斯(Francis Collins)撰文,《科學人》2012年8月號

〈讀心不再是夢想〉,林守德撰文,《科學人》2011年4月號

〈智慧型物聯網〉,林守德撰文,《科學人》2011年7月號

〈有智慧的將不只是手機〉,葉平撰文,《科學人》2011年10月號

《物聯網核心技術、原理與應用》,李達生、翁仲銘、彭永新著,前程文化出版

《輕鬆讀懂物聯網:技術、應用、標準和商業模式》,周洪波、李吉生、趙曉波著,博碩出版社