沈振江 Puteri Fitriaty 曹哲靜 但雨澤

SHEN Zhenjiang, Puteri Fitriaty, CAO Zhejing, DAN Yuze

0 引言

智慧住宅旨在通過引入家庭能源管理系統(tǒng)（Home Energy Management System，HEMS），管理和平衡住宅耗能，為用戶創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，從而提高用戶生活質量[1]。智慧住宅作為新興領域，各式各樣的類型與功能不斷被開發(fā)建設，但智慧住宅的概念依舊較為模糊[2-3]，且相應實證研究較少[4]。在智慧住宅發(fā)展進程中，一直存在分別來自學界和業(yè)界的兩種觀點。學界探討的智慧住宅偏向于自動化的理想節(jié)能設備[5-8]，業(yè)界主要從智慧住宅為用戶生活提供的便利性出發(fā)[3]，但二者均強調信息通訊技術基礎設施（Information

圖1 智慧住宅概念辨析分析框架

圖2 智慧住宅發(fā)展歷史時間軸

1 研究方法

and Communication Technology，ICT）、清 潔能源的利用和高效節(jié)能設備在建設運營中的重要性。此外，“智慧住宅”和“綠色住宅”概念邊界模糊：部分文獻提出“智慧住宅”關注能源的高效利用，包含了“綠色住宅”的概念[9-12]。然而實際生活中，生活便利性與住宅節(jié)能性往往難以兼得，如用戶追求便利的生活，往往傾向于使用更多的家用電器，從而引起更多的能耗[3]。再者“智慧住宅”在國際化語境下的評估需要公認的參照基準，目前學界對于可比較的評估體系研究較為缺失。因此本文旨在追溯“智慧住宅”概念的源起與變化，辨析“智慧住宅”和“綠色住宅”的關系，同時通過對位于世界領先水平的日本智慧住宅的案例比較分析，構建衡量“智慧住宅”智能化程度的參數(shù)評價系統(tǒng)，評估智慧住宅概念落位的實施狀況。

1.1 文獻研究方法

本文借鑒國際文本分析法[3-4,13]來追溯“智慧住宅”的概念變遷，分析使用“Sciencedirec”、“Scopus”和“Google”3大網絡數(shù)據(jù)庫，以關鍵詞“家居自動化”（Home Automation）、“智慧住宅”（Smart House）、“智能家居”（Smart Home）和“居家能源控制系統(tǒng)”（Home Energy Management System）進行檢索，所收集的相關文獻包含了涉及智慧住宅實踐和研究的期刊、網絡文章以及科技論文。同時本文部分參考了如“自動化住宅”（Autonomous House)、“智能住宅”（Intelligent House）以及“家庭自動化”（Domotics）等關鍵詞檢索的內容。最終精選78篇科技論文、15篇雜志及網絡文章和3本著作，用于定性歸納分析。

1.2 智慧住宅概念辨析分析框架

本文定性歸納分析步驟如圖1所示?！爸腔圩≌钡母拍畋嫖鐾ㄟ^對其歷史、發(fā)展狀況、定義及服務功能進行綜合歸納得出。本文按照時間順序整理分析“智慧住宅”概念起源的關鍵線索，來直觀體現(xiàn)“智慧住宅”的概念變遷。從歷史與發(fā)展情況推導出智慧住宅概念的源起環(huán)境，從定義明確智慧住宅的適用范圍，從服務功能追溯智慧住宅的各項服務狀況，最終推演智慧住宅的適用原則。將智慧住宅的適用原則以及其一般特性進行綜合分析，從而構建出智慧住宅的參數(shù)。將智慧住宅的參數(shù)與綠色住宅參數(shù)（基于CASEBEED的綠色建筑參數(shù)）相比較，辨析二者概念上的異同。

2 智慧住宅研究現(xiàn)狀

2.1 歷史

“智慧住宅”概念的形成經過了100多年的發(fā)展。19世紀末，信息與通信技術興起之前，“智慧住宅”這一概念就曾獨立出現(xiàn)過[14]。20世紀初期，隨著電力和燃氣家用電器的普及，人們?yōu)榱斯?jié)省勞動力發(fā)明了家庭自動化設備，從而提出了“智慧住宅”的概念[15-18]。1966年，第一臺通過計算機控制任務單的家庭自動化設備誕生，用以調控溫度和各類家用電器[15-16]。1975年，自動化網絡技術X10問世。X10是一種用于電子設備的通信協(xié)議，通過電力傳輸線路進行控制和通信[16，18]。同年，Brenda和Robert Vale出版了《自動化住宅》（The Autonomous House）一書，對低污染理想住宅提出設想，最終于20世紀90年代初實現(xiàn)。

1984年，人們對家庭自動化和控制系統(tǒng)日益關注，美國國家住宅建筑協(xié)會（National Association of Home Builders）啟動了智慧住宅項目[16-19]，“智慧住宅”作為專業(yè)術語首次出現(xiàn)，意義非凡。隨后，1991年又出現(xiàn)了旨在幫助老年人日常生活的老人福祉科技公司[20-21]。1994年，美國麻省理工學院媒體實驗室設計了一種新的智能房間布局，用相機、麥克風、傳感器等設備來模擬隱形管家，記錄分析居者的行為，預測并滿足他們可能的生活需求。

1998年至21世紀初，智慧住宅日趨流行[20-21]。1999年，美國意識之家（The Aware Home）作為智慧住宅先驅之一，在佐治亞州建造了以老年人為目標客戶的智慧住宅。隨后，佛羅里達大學分別于2003年和2005年推出了為老年人和殘疾人設計的瑪?shù)贍栠_智慧住宅（Mathilda Smart House）和加特科技智慧住宅（Gator Tech Smart House）。2006年，杜克大學在美國北卡羅來納州達勒姆建造了高效能源利用的智慧住宅。

表1 智慧住宅的定義

2010年，Nest公司推出了通過移動電話控制供暖設備業(yè)務。與此同時，智能電表開始積極投向市場[16-17]。同年，日本啟動智慧城市項目。2012年，用于室內聯(lián)網的應用程序“智慧小物”（SmartThing）上市。2013年，微軟推出了物聯(lián)網概念（Internet of Things），嘗試通過虛擬儀表盤監(jiān)控不同家用電器，并設定相關標準。同年，Linux基金會成立“AllSeen聯(lián)盟”，旨在破除供應商的合約限制，創(chuàng)造開源環(huán)境，協(xié)同運作智慧住宅內的各種設備[16]（圖2）。

2.2 定義

智慧住宅又被稱作智能家居、自動化住宅、智能住宅。最初，智慧住宅一詞是由美國國家住宅建筑協(xié)會（National Association of Home Builders）于1984年正式提出。隨后，智慧住宅一詞的概念被泛化，用于許多人們進行活動的生活環(huán)境或工作環(huán)境[22]。再后來，這一概念逐漸轉向整體性的視角：通過中央控制系統(tǒng)對住宅進行整體控制，高效滿足用戶需求。中央控制系統(tǒng)中最為普遍運用的是家庭能源管理系統(tǒng)HEMS[7]，是一個計劃、監(jiān)管和控制能源使用的室內智能系統(tǒng)[23]。HEMS主要性能是在不影響用戶生活舒適度的情況下減少電力消耗，從而降低電費支出[24]。HEMS能夠管理能源需求、聯(lián)系各類設施設備、計算本地電力使用[25]、遠程管理家用電器[26]。

表1列舉了主要學者關于智慧住宅的定義?？梢钥闯?，智慧住宅的適用范圍與技術運用緊密相連。技術運用包括輔助生活、提高舒適度和便利性、保障健康安全以及能源高效利用等功能。值得注意的是，直到2011年相關定義才出現(xiàn)了“能源高效利用”這一關鍵詞。

2.3 智慧住宅研究的發(fā)展

“智慧住宅”概念的發(fā)展也受到許多相關學科的影響，包括信息和通信技術、建筑學、建筑技術、室內設計、健康衛(wèi)生、能源利用和社會行為學等。因此，涉及“智慧住宅”概念的其他學科研究出版物也應被納入“智慧住宅”的時間序列分析中。該部分研究基于78篇相關參考文獻，表2從功能服務（包括能源效率、健康、舒適度、輔助生活、安全性以及便利性）的角度對上述的研究出版物進行了分析。

將78篇相關出版物按照3個時間段進行劃分，分別代表了“智慧住宅”概念發(fā)展的3個階段（圖3）。1991至2000年是初步發(fā)展階段。研究主要關注老年人和殘疾人的安全保障、健康狀況維持，以及實現(xiàn)他們獨立生活的輔助設備。該期間出現(xiàn)了上文所述的輔助老年人獨立生活的老人福祉科技公司和為老年用戶量身設計的智慧住宅意識之家（The Aware House）。2001至2010年是過渡發(fā)展階段，重點突出了居者健康監(jiān)測的目標，同時強調輔助生活的功能。雖然當時大多數(shù)智慧住宅的設計針對老年人和殘疾人，但輔助生活和監(jiān)測健康的功能開始面向普通大眾。該階段后期，智慧住宅的概念開始向高效能源利用轉變，逐漸符合綠色住宅概念，且面向各年齡層用戶的新型智慧住宅不斷出現(xiàn)。2011至2017年是智慧住宅的蓬勃發(fā)展階段，智能技術涌現(xiàn)出了虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實，并與物聯(lián)網結合。該期間由于市場上智能電表和家庭能源管理系統(tǒng)的普及，智慧住宅的研發(fā)轉向能源效率的提升。至此，智慧住宅的概念不僅是輔助生活和監(jiān)測健康，而且也強調能源效率，保證生活環(huán)境的可持續(xù)性。

表2 1991—2017年有關“智慧住宅”的出版物清單

總的來說，智慧住宅的初期概念是為老年人和殘疾人提供日常生活所需的輔助服務及安全健康保障。此后概念發(fā)生轉變，服務對象從特殊用戶群擴大到一般用戶群。隨著智慧住宅對能源高效利用的重視，智慧住宅與綠色住宅的概念不斷滲透。智慧住宅的概念隨著時間的推移、技術的發(fā)展、客戶群體的擴增而不斷演變，除了功能上的變化，其構成也由最初的“技術主導”轉變?yōu)椤坝脩糁鲗А盵4]及“環(huán)境主導”[27]。技術革新日新月異，智慧住宅的概念在未來仍會不斷演變，但最終目的仍是為居者帶來更大的生活便利。

2.4 智慧住宅的功能與特性

一般而言，智慧住宅的特性主要基于功能，但特性與功能并非簡單的一一對應關系。智慧住宅的輔助生活功能對應日常需求特性，尤其對殘疾人和認知障礙用戶至關重要[14]。通常智慧住宅會安裝監(jiān)測活動的攝像頭和探測異?；顒拥膫鞲衅鳎崾緷撛谑鹿饰ｋU，搜索丟失物品，并在事故發(fā)生時進行報警；部分住宅也會配備智能機器人，形成更人性化的交互界面。對于健康醫(yī)療功能的實現(xiàn)，智慧住宅會配有度量生命體征的傳感器和活動探測器，常見的包括用于提醒服藥時間的鬧鐘[27]、監(jiān)視攝像頭、警報、遠程監(jiān)控儀、防入侵的應急反應器，以及針對潛在事故/疾病/災難的傳感器[14]。對于能源的高效利用，智慧住宅需要具有家庭能源管理系統(tǒng)的綜合特性：集中遠程控制儀器、監(jiān)測和管理能源的面板、數(shù)據(jù)記錄儀、低能耗的智能聯(lián)網設備、智能電表、再生能源裝置、儲能設備等[28]。此外，智慧住宅可通過傳感器設備根據(jù)環(huán)境氣候條件和用戶舒適度，對住宅內光照、空氣溫度、濕度、供水進行調節(jié)，并通過移動設備遠程控制家用電器和監(jiān)控家庭環(huán)境。

3 智慧住宅的概念辨析

隨著“智慧住宅”的概念逐漸包括可持續(xù)發(fā)展和“智慧生活”（Smart Living），概念的邊界劃定越來越重要。本文基于“智慧住宅”和“綠色住宅”的比較，嘗試提出一個概念邊界：智慧住宅應優(yōu)化用戶能源效率以提高用戶的便利性。期望在未來智慧住宅的開發(fā)建設中起到指引作用。

智慧住宅的服務功能可總結為如圖4所示的4個維度：提高能源效率、舒適度與便利性、輔助生活與維系健康、保障安全。智慧住宅有3大原則[29]：原則一，“尊重用戶”（Respect for User）涵蓋了輔助生活、保證舒適度和便利性、保障安全等功能；原則二，“節(jié)能節(jié)水”（Conserving Energy and Water）主要為提高能源效率；原則三，“高效智能”（Eff i cient and Smart Technology）即運用掌控整個智慧住宅運營的中控系統(tǒng)和通信技術。

資料來源：作者自制。

圖3 智慧住宅概念的演變分析圖

圖4 基于功能推導的智慧住宅設計原則

表3 “智慧住宅”與“綠色住宅”的原則對比

3.1 智慧住宅的設計原則

本文選取了3種“綠色住宅”的原則，分別是Brenda與Robert Vale的綠色建筑原則[29]，LEED所給出的獨立式住宅原則，以及CASBEE提出的獨立式住宅原則。智慧住宅的原則根據(jù)其定義，包括尊重用戶、節(jié)能節(jié)水、高效智能3項。表3對比了“智慧住宅”和“綠色住宅”的原則。

3.2 “智慧住宅”與“綠色住宅”的概念異同

“智慧住宅”的原則首先強調用戶至上，其次才是環(huán)境保護，這與Brenda和Robert Vale的綠色建筑原則以及LEED提出的原則不同，然而CASBEE的原則也是將用戶放在了首位（圖5）。圖6對“智慧住宅”與“綠色住宅”的概念與原則的異同進行了對比：雖然二者都遵循尊重用戶和節(jié)能節(jié)水的原則，但“綠色住宅”強調順應氣候和地質條件、利用新能源等原則，而“智慧住宅”則注重運用通訊互聯(lián)網技術的原則。從原則的范疇大小可以明顯看出，“綠色住宅”的概念遠大于“智慧住宅”：“綠色住宅”并不涉及科學技術，即使沒有信息技術支撐，若具有節(jié)能措施，仍可被視為“綠色”；科學技術作為“智慧住宅”的核心，體現(xiàn)在整個住宅空

間、各項設備以及控制系統(tǒng)的方方面面[4]。不過二者在尊重用戶和節(jié)能節(jié)水原則上的一致性，將會為未來“智慧住宅”從“用戶—技術主導型”向“環(huán)境主導型”轉變提供契機，并運用到可持續(xù)的人居環(huán)境建設中。

4 智慧住宅的運用與實施

4.1 日本的智慧住宅案例

日本的智慧住宅是在政府支持下由私營部門開發(fā)建造。為提高住宅的能源效率，經濟產業(yè)?。∕ETI）基于“可持續(xù)開放創(chuàng)新倡議”（SII）的實施綱要提出了專項補貼計劃，用于支持家庭能源管理系統(tǒng)的運用。日本的智慧住宅側重于節(jié)能原則，住宅常見的特性包括清潔能源、儲蓄電池、智能電表、家庭能源管理系統(tǒng)和電動汽車。

4.1.1 豐田智慧住宅（Toyota Smart House）

豐田智慧住宅由豐田公司為一個有兩名子女的普通家庭建造，并作為智慧社區(qū)中的住宅樣本進行展示。住宅配備了節(jié)省、產能、儲能裝置，插電式混合動力汽車（PHV）和電動汽車（EV），用于控制設備的家庭能源管理系統(tǒng)和光電系統(tǒng)。HEMS將光電系統(tǒng)產生的多余電力儲存在電池中，供緊急之需；用戶還可以利用安裝在混合動力汽車上的儲蓄電池，作為電力設備的應急電源。此外人們可從豐田智慧住宅獲得數(shù)據(jù)，掌握室內外的能源使用情況，并優(yōu)化日常生活行為。

4.1.2 東京目黑區(qū)的逗點住宅（Comma House）

逗點住宅（Comma House）由東京大學于2011年8月設計建造，是展示日本獨立智慧住宅概念和技術的成功樣板（圖7）。住宅實體為93.31 m2的實驗性居住空間，墻體運用了具有較高氣密性能和隔熱性能的材料，Q值可調范圍為1.6—2.4 W/(m·k)。該項目涵蓋了建筑設計、設施設備、家用電器、多供應商整合系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，旨在提高用戶舒適度和能源利用效率。

4.1.3 大和智慧住宅（Daiwa Smart Houses）

大和智慧住宅（Daiwa Smart Houses）是一座倡導智能生態(tài)與友好生活的獨棟住宅，強調用戶的便利性和舒適度[31]（圖8）。住宅建造過程采用了Q值為1.9 W/(m·k)的高性能隔熱材料，使用了功率4.5 kW的太陽能光電系統(tǒng)，用于住宅內電力設施。住宅安裝了家庭能源管理系統(tǒng)HEMS，通過可視化交互界面為用戶提供各項生活服務。HEMS 通過與住宅內空調、電池、門禁以及其他系統(tǒng)的連接，可以監(jiān)管整個住宅的能耗。HEMS和太陽能發(fā)電系統(tǒng)能夠通過6.2 kWh 的鋰離子家用儲蓄電池實現(xiàn)聯(lián)合，在緊急時期為整棟住宅供電。

4.1.4 松下家園智慧住宅（PanaHome Smart House）

圖5 “智慧住宅”與“綠色住宅”各項原則等級的比較分析

圖6 “智慧住宅”與“綠色住宅”原則的異同比較

圖7 逗點智慧住宅

圖8 大和智慧住宅

松下家園智慧住宅（PanaHome Smart House）建于2010年，整棟住宅運用能源技術，結合日照、自然通風特點，創(chuàng)造了零碳排放的舒適生活空間[32]（圖9）。住宅通過一系列措施大幅度提高了能源利用效率，如天花板和外墻的隔熱構造、低輻射雙層玻璃、綜合地熱系統(tǒng)、一體化混合通風系統(tǒng)等。住宅更采用了能源生產—儲存關聯(lián)系統(tǒng)，綜合了發(fā)電、蓄電和智能應用功能，并與中央控制器HEMS協(xié)同，進行家庭能源管理。住宅的發(fā)電系統(tǒng)結合了光能發(fā)電和燃料電池，即使在停電期間，也可以保持長時間穩(wěn)定的電力供應。

4.1.5 美麗住宅（NICE House）

圖9 松下家園智慧住宅設計細節(jié)

表4 智慧住宅案例詳述①

表5 智慧住宅參數(shù)表

圖10 美麗住宅技術框架資料來源：作者根據(jù)參考文獻[33]整理自繪。

圖11 智慧住宅與綠色建筑概念的異同點資料來源：作者自繪。

美麗住宅的設計理念是將居家環(huán)境與當?shù)氐淖匀晃幕h(huán)境相融合[33]，實現(xiàn)生態(tài)與智能的融合（圖10）。住宅考慮了居住者生命周期的變化因素，并將其與住宅的使用周期融合，不僅為居住者提供能源管理的智能技術，更向用戶傳達3R（降低能耗、重復使用、循壞利用）的生活理念。美麗住宅的建造過程十分環(huán)保，美麗住宅使用的木材80%產自日本豐田市內，從而降低原材料的運輸能耗；建材80%的原材料來自再生報紙，并使用了具有高隔熱性和隔音性的再生纖維素纖維。此外，美麗住宅運用了高效節(jié)能設備，如10 kW的太陽能板發(fā)電裝置、5 kWh的蓄電池、監(jiān)控系統(tǒng)和家庭能源管理系統(tǒng)；在斷電時可提供15 h 265 W的電力供給。

4.1.6 千葉縣野田市的U2之家（U2-Home）

U2之家是驪住集團（LIXIL）開發(fā)的兩層實驗性智慧住宅，始建于1996年，于2015年再次整修，總建筑面積200.47 m2[33]。U2之家展示了物聯(lián)網時代未來住宅的理念。U2之家在室內的門、窗戶、天花板、墻壁、廚房、水龍頭、浴缸、馬桶等地方共安裝了200多個傳感器，用以收集日常生活相關數(shù)據(jù)。此外住宅在室外安裝的傳感器可以提供天氣、風速、風向、PM2.5、紫外線強度等信息。住宅網絡化管理每個房間的溫度、濕度、門禁的開啟。U2之家的住宅數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)3個方面的運用：一是為用戶提供反饋信息；二是調控生活環(huán)境，如安全保障、健康維持和能源高效利用；三是將大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術應用到家庭醫(yī)療護理、社區(qū)安全防范、家庭節(jié)能節(jié)水和生活服務的各個方面。

表6 CASBEE獨立式住宅參數(shù)

4.1.7 對比分析

表4對以上6處日本智慧住宅案例進行了對比，從智慧住宅的詳細規(guī)范可以看出，相關文獻研究忽略了“響應氣候變化”（Climatically Responsive）原則，事實上這一點非常重要，因智慧住宅應共包含4條原則：尊重用戶（Respect for User）、響應氣候變化（Responsive to Climate）、節(jié) 能 節(jié) 水（Energy and Water Conservation）和高效智能（Eff i cient &Smart Technology）。

4.2 智慧住宅的參數(shù)

本文在對日本6處智慧住宅試點項目進行對比評估的基礎上，根據(jù)智慧住宅試點項目的功能、特性、裝配和建筑施工等維度的分析，將CASBEE評估獨立式住宅參數(shù)表作為參照組，進一步建立了智慧住宅參數(shù)，如表5和表6所示。

5 結語

本文旨在辨析“智慧住宅”與“綠色住宅”概念上的異同（圖11），并基于文獻研究和實際案例的對比分析，構建了“智慧住宅”的原則與參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)“智慧住宅”的概念隨著時間的推移、技術的革新、用戶群體的擴增而逐漸變化：隨著對能源高效利用原則的重視，“智慧住宅”正演變?yōu)楦泳G色的理念；此外“響應氣候變化”也應納入“智慧住宅”的基本原則中?！爸腔圩≌迸c“綠色住宅”概念存在滲透，尤其體現(xiàn)在尊重用戶、響應氣候變化、節(jié)能節(jié)水原則的參數(shù)設計中。

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[32]PANASONIC C. How can we build next generation houses in which comfortable living leads to eco friendliness: Pana home smart houses[EB/OL].（2017-05-29）[2017-12-04]. https://panasonic.net/es/solution-works/smart_house/.

[33]Nice Home Co, 2017a. Making houses for nice homes. , pp.1-9. [EB/OL].（ 2017-09-30）[2018-02-23].http://www.nice-home.jp/style/

[34]LIXIL. LIXILの研究施設「U2-Hom eユースクウェアホーム」にてIoTを活用した『住生活の未來』に関する実証実験を実施～2015年度には、ビッグデータを活用した高度利用の研究に著手～. LIXIL News -Link to Good Living[EB/OL].（ 2017-05-30）[2017-12-04]. Available at: http://newsrelease.lixil.co.jp/news/2015/070_company_0331_02.html.