智能家居能源管理解决方案带来的多重好处

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英文标题：
《Multiple Benefits through Smart Home Energy Management Solutions -- A
  Simulation-Based Case Study of a Single-Family House in Algeria and Germany》
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作者：
Marc Ringel and Roufaida Laidi and Djamel Djenouri
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最新提交年份：
2019
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英文摘要：
  From both global and local perspectives, there are strong reasons to promote energy efficiency. These reasons have prompted leaders in the European Union (EU) and countries of the Middle East and North Africa (MENA) to adopt policies to move their citizenry toward more efficient energy consumption. Energy efficiency policy is typically framed at the national, or transnational level. Policy makers then aim to incentivize microeconomic actors to align their decisions with macroeconomic policy. We suggest another path towards greater energy efficiency: Highlighting individual benefits at microeconomic level. By simulating lighting, heating and cooling operations in a model single-family home equipped with modest automation, we show that individual actors can be led to pursue energy efficiency out of enlightened self-interest. We apply simple-to-use, easily, scalable impact indicators that can be made available to homeowners and serve as intrinsic economic, environmental and social motivators for pursuing energy efficiency. The indicators reveal tangible homeowner benefits realizable under both the market-based pricing structure for energy in Germany and the state-subsidized pricing structure in Algeria. Benefits accrue under both the continental climate regime of Germany and the Mediterranean regime of Algeria, notably in the case that cooling energy needs are considered. Our findings show that smart home technology provides an attractive path for advancing energy efficiency goals. The indicators we assemble can help policy makers both to promote tangible benefits of energy efficiency to individual homeowners, and to identify those investments of public funds that best support individual pursuit of national and transnational energy goals.
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中文摘要：
从全球和当地的角度来看，有充分的理由促进能源效率。这些原因促使欧盟（EU）和中东及北非国家（MENA）领导人采取政策，推动其公民提高能源消费效率。能源效率政策通常是在国家或跨国层面制定的。然后，政策制定者的目标是激励微观经济行为者使其决策与宏观经济政策相一致。我们提出了提高能源效率的另一条途径：强调微观经济层面的个人利益。通过模拟一个配备适度自动化的模型独户家庭的照明、供暖和制冷操作，我们表明，可以引导个体参与者出于开明的私利追求能效。我们采用简单易用、易于扩展的影响指标，可供房主使用，并作为追求能效的内在经济、环境和社会动力。这些指标揭示了在德国基于市场的能源定价结构和阿尔及利亚的国家补贴定价结构下可实现的有形房主利益。德国的大陆性气候制度和阿尔及利亚的地中海制度都带来了好处，尤其是在考虑冷却能源需求的情况下。我们的研究结果表明，智能家居技术为推进能效目标提供了一条有吸引力的途径。我们收集的指标既可以帮助决策者促进能源效率给个人房主带来切实的好处，也可以帮助他们确定公共资金的哪些投资最能支持个人追求国家和跨国能源目标。
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分类信息：

一级分类：Economics        经济学
二级分类：General Economics        一般经济学
分类描述：General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Networking and Internet Architecture        网络和因特网体系结构
分类描述：Covers all aspects of computer communication networks, including network architecture and design, network protocols, and internetwork standards (like TCP/IP). Also includes topics, such as web caching, that are directly relevant to Internet architecture and performance. Roughly includes all of ACM Subject Class C.2 except C.2.4, which is more likely to have Distributed, Parallel, and Cluster Computing as the primary subject area.
涵盖计算机通信网络的所有方面，包括网络体系结构和设计、网络协议和网络间标准（如TCP/IP）。还包括与Internet体系结构和性能直接相关的主题，如web缓存。大致包括除C.2.4以外的所有ACM主题类C.2，后者更有可能将分布式、并行和集群计算作为主要主题领域。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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关键词：解决方案 智能家居 能源管理 Architecture Quantitative

智能家居能源管理解决方案带来的多重效益——基于模拟的阿尔及利亚和德国单户住宅案例研究Marc Ringel 1，*、Roufaida Laidi 2，3和Djamel Djenouri 2 1 Energy Economics，Nuertingen Geislingen University，73312，Geislingen，Germany；2 CERIST研究中心，Ben Aknoun，阿尔及尔16028，阿尔及利亚；ddjenouri@acm.org（D.D.）；rlaidi@cerist.dz（R.L.）3阿尔及利亚阿尔及尔Oued Smar国家信息学院（ESI），16309年*通信：marc。ringel@hfwu.de收到日期：2019年1月28日；接受日期：2019年4月10日；出版日期：2019年4月23日摘要：从全球和当地的角度来看，有充分的理由促进能源效率。这些原因促使欧盟（EU）和中东及北非国家（MENA）领导人采取政策，推动其公民提高能源消费效率。能源效率政策通常是在国家或跨国层面制定的。然后，政策制定者的目标是激励微观经济行为者使其决策与宏观经济政策相一致。我们提出了提高能源效率的另一条途径：强调微观经济层面的个人利益。通过模拟一个配备适度自动化的模型独户家庭的照明、供暖和制冷操作，我们表明，可以引导个体参与者出于开明的私利追求能效。我们采用简单易用、易于扩展的影响指标，可供房主使用，并作为追求能效的内在经济、环境和社会动力。

这些指标揭示了在德国基于市场的能源定价结构和阿尔及利亚的国家补贴定价结构下，可实现的有形房主利益。德国的大陆性气候制度和阿尔及利亚的地中海制度都带来了好处，尤其是在考虑冷却能源需求的情况下。我们的研究结果表明，智能家居技术为推进能效目标提供了一条有吸引力的途径。我们收集的指标既可以帮助决策者促进能源效率给个人房主带来切实的好处，也可以帮助他们确定公共资金的哪些投资最能支持个人追求国家和跨国能源目标。关键词：能源效率；智能建筑；多重利益；智能环境；房主福利1。简介能效已成为许多国家能源政策的一个关键支柱，原因很简单，节能有时被称为“negawatts”或“negajoules”，有助于供应安全、有竞争力的能源价格和环境保护[1]。这导致国际能源机构（IEA）使用“第一种燃料”一词来描述能源效率，认为它是一种主要的能源，但在很大程度上尚未开发。2009年，他们的长期分析预测，到2035年，除非增加政策活动，否则将失去整整三分之二的节能经济潜力。节能的好处是引人注目的。无论是关注能源安全、可持续增长、气候变化还是公民福祉，政策辩论都将能效视为一个关键目标[3-6]。这在欧盟（EU）以及中东和北非国家（MENA）尤其如此【7】。

欧盟最近通过了对其能源政策的修订，其中于21年2月引入了“能源效率第一原则”。这意味着，在做出任何“能源规划、政策和投资决策”之前，决策者应考虑“替代能源效率措施是否可以全部或部分替代设想的规划、政策和投资措施”[8]。德国ZF对其长期战略采取了类似的方法[9-11]，依靠支持“能源效率优先”的宏观经济价值的研究[12-14]。尽管如此，微观经济层面是人类行为者做出实施能效升级决策的地方。但效率的潜在好处只有在经历了实施过程中的痛苦之后才能实现：对许多升级选项的困惑、对研究或专家援助的需要、投入的时间、建设的不便，当然还有财政支出。微观经济行为者在使其行动与宏观经济政策目标相一致方面面临着巨大障碍。这或许可以解释为什么欧盟委员会最近的一项分析发现，欧洲每四座建筑中就有三座是能效低下的【15,16】。中东和北非国家的情况类似。虽然缩小这一效率差距需要商业和住宅物业的业主采取行动，但综合考虑，独户业主的决定将对未来的能源产生重大影响。结论是，德国和阿尔及利亚ZF在一项双边协议中提出了一项联合能效计划，以交流最佳做法，应对共同的能源挑战[17]。

未开发的“negawatt”潜力为两国带来了巨大的节约【18】，其中独栋住宅占住房存量的大部分。在德国，1880万栋住宅建筑中有1560万栋（82.9%）是独户住宅，占生活面积的22亿平方米【19】。在阿尔及利亚，62.1%的住房存量是单户住房。这分别占德国和阿尔及利亚最终能源消耗总量的40%和44%[17,21,22]。单户住宅也是能源升级潜力最大的地方。在德国，1172万（64%）的房屋是在1978年之前建造的，这一年新建筑的能源性能标准被引入[23–26]。平均而言，这些建筑每年消耗208 kWh/m^2的能源[24,21,10]，是该国在节能和减少温室气体（GHG）排放方面的最大潜力[27]。此外，国际能源署（IEA）[1]、联合国环境规划署（UNEP）[28]和美国环境保护署（EPA）[29]的工作表明，能效带来的好处超出了“负加瓦特”（negawatts）和温室气体减排。能源效率可以带来一系列好处，从改善公共卫生到创造新的就业机会，从而产生国际能源署所称的量化政策影响的“多重效益方法”。这些分析更有力地确立了能源效率的价值【29–31】。然而，这些分析基于宏观经济观点。最近将收益转化为家庭微观经济层面的尝试（例如，[32]）仍然是理论上的。尽管如此，这些研究正确地指出，需要在作出投资决策的个人住宅层面上确定收益。然而，目前尚不清楚的是，能源效率带来的宏观经济效益如何成为房主的微观经济效益。

在多重宏观经济利益中，哪一个最能转化为切实的房主回报？这个问题不再像以前那样具有理论性。智能家居技术的出现为无需重大财政承诺的效率升级开辟了道路。今天的智能家居技术允许以较低的成本实现能效，即更有效地利用家中的现有设备。即使没有物联网（IoT）技术的宏伟承诺，这也是可能的。包括这些技术在内的无线体系结构使用传感器收集的实时信息，并由云中的AI算法处理，以提供实时控制，从而保持能量并满足乘客的舒适度。此外，物联网技术使用户能够通过移动设备和互联网远程监控自己的房子。此外，如果一个房主看到了使用智能家居技术带来的切实好处，他可能会被激励去追求成本更高的效率升级，或许21世纪的第3天会更换一个旧的炉子或添加新的隔热材料，这也不无道理。因此，智能家居路径也可以被视为实现更广泛政策目标的垫脚石。我们研究的目的是确定一个愿意在智能家居技术上进行适度投资的独户家庭可以实现并提升能效的多重宏观经济效益中的哪一个。我们制定了一套效益指标，这些指标与商业能源评估中使用的标准关键绩效指标（KPI）非常一致。我们通过在一个基准情景和两个智能家居情景下模拟一个家庭一年的照明、供暖和制冷操作来实现这一点。我们的模型将住宅置于阿尔及利亚和德国的监管环境中。

这使我们能够检查我们的效益指标在不同监管条件下的稳健性和实用性。我们认为，我们的结果可以通过确定考虑能效投资的房主可获得的关键利益，为政策设计做出贡献。本文其余部分的结构如下：本文第二节回顾了建筑行业能效多重效益的研究；我们的目的是将这些福利放在个人房主的背景下。在此基础上，我们制定了第三节所述的方法，以及评估智能家居能效举措相关经济、环境和社会效益的指南。第四节介绍了我们的模拟结果，我们将在第五节中讨论。在第六节中，我们提出了我们的结论和建议。2、能效的多重好处关于未使用或未生产能源的经济影响的文献可追溯到1990年[33]，这是在70年代石油危机引发的节能辩论之后。到2000年代初，通过能效实现经济节约的概念作为气候缓解行动的“辅助效益”或“共同效益”进入了气候政策讨论中【34–36】。自那以后的几年里，在国际能源机构（IEA）和联合国环境规划署（UNEP）的研究和宣传努力的支持下，能源效率的多重好处得到了政策分析人士的广泛认可。IEA的“多重效益方法”类似于许多评估方案，例如欧盟委员会的影响评估指南[37]，以及许多国家的类似监管方法，包括阿尔及利亚和德国[30,38-40]。2.1.

能源政策中的多重利益图1左侧概述了IEA最初的多重利益概念；右图是根据“多重影响”或MI的概念，由"Urge Vorsatz等人根据绿色增长框架【41–43】改编的概念【44】。图1：。多重利益的概念：IEA概念和与绿色增长的关系。资料来源：[1,44]。这里21项中的4项显然是效率效益的广泛影响。正如Kerr等人[7]所指出的，这使得不同国家的决策者能够更全面地量化与能效相关的效益，从而更公平地评估推动许多政策决策的成本效益权衡[12,13]。最近，欧盟研究框架计划地平线2020资助了COMBI项目（计算和实施欧洲能效的多重效益），以量化欧洲能效的多重非能源效益。该项目通过对21套“能效改善”（EEI）行动进行建模，量化了到2030年的能效影响；总共量化了31个单独的影响指标，其中一半以上可以货币化[45,46]。表1按类别汇总了这些数据。表1：。

欧盟其他能效政策的多重影响（每年；2030年时间范围）。类别效益确定的效益资源节约能源257 TWh避免了可燃能源发电安全性提高了能源安全性达5%；化石燃料进口成本减少480亿欧元，其他资源节约了8.5亿吨材料资源，节约了经济投资110亿欧元，避免了对发电厂的投资GDP增长1%（新增1610亿欧元GDP）就业岗位创造了230万个就业年，燃料价格上涨1.3%石油；2%煤；2.9%天然气公共预算额外8600万欧元可用于其他政策经济的生产率3900万额外工作日（47亿欧元）因室内寒冷导致的社会再婚死亡3000-24000避免了因室内潮湿和相关哮喘导致的残疾调整生命年2700-22300环境避免了因PM 2.5微粒>10000导致的过早死亡避免了因O3导致的过早死亡特别避免直接二氧化碳排放量300 m来源：作者自己的汇编，基于【46】。由于没有针对所有影响的标准化评估方法，因此效益评估显示出显著的差异【47】。不同的类别，甚至不同的利益需要不同的估价方法。虽然每次估价都可以输入成本效益分析（CBA），但很难确保输入的统一质量。"Urge Vorsatz等人【44】列举了60种不同的方法，用于评估提高能效的物理、货币和非货币影响。此外，货币化影响不能简单地在CBA中相加，因为它们可能重叠或相互作用[48,49]。在国家或区域一级，使用部分或一般均衡模型、投入产出分析或计量经济模型等宏观经济工具来评估能效政策的影响。

这些模型可以在混合方法中进行组合，以涵盖否则难以量化的影响【29,50,37】。这些努力使公共当局能够更全面地平衡能效举措的效益与产生的公共成本。尽管这对从宏观经济角度工作的政策分析师来说可能很有价值，但它在21项中的5项没有向做出能源效率升级投资决策的房主传达多重利益。2.2. 房主的多重利益评估房主能源效率的多重货币和非货币利益需要分析影响个人能源消耗的环境因素，包括地理、天气模式、住宅的能源性能、职业模式和舒适需求。这种分析的复杂性促使人们对房主利益进行了一系列研究。表2按福利类别汇总了这些福利。表2：。提高能源效率给房主带来的好处。类别效益研究可用（选择）资源节约能源【51–53】淡水节约【54,55】其他资源节约（“灰色能源”）【56】经济能源成本节约（包括税收）】【57,58】运营成本降低获得政府补贴【59】资产价值增加【60】成本效益投资决策【61】社会改善室内空气质量【62,63】舒适性或便利性增加，更高的舒适度【64,65】健康福利【66–68】安全/防盗/监控【69】更高的可支配收入；减少个人能源贫困[70,71]减少环境二氧化碳[72]减少当地空气污染物[73,74]降低噪音水平[75]减少废物和废水来源：作者根据[32,46,76,77]自行编制。