智能家居系统能耗分析及节能策略研究

Word文档智能家居系统能耗分析及节能策略研究现代家庭中越来越多地拥有大量智能家居设备，包括：智能音箱、智能插座、智能网关、智能感应探测器及大量的智能家用电器等。大量智能家居设备始终处于通电状态（外置电源或内置电源），无论是否在工作状态，始终在耗电。由于每一个设备的待机电流、待机功率很小（如一个智能电源插座待机功率仅为2W左右），并不被人们关注。但是，随着设备数量的增加准时间的累积，其耗电量仍旧是可观的。

由于智能家居设备耗电量较小，目前国内对此类问题鲜有讨论，关注较少。对于智能家居系统的讨论大多集中在其智能特性及功效的发挥，以满意人们对舒适、便利的要求，忽视其在节能方面特性的发挥。本文对智能家居设备耗电的特点作出分析，并对削减智能家居系统耗电量提出对策、建议。

智能家居系统按设备连接方式划分，可以分为有线方式、无线方式、有线及无线混合方式。本文重点争论无线智能家居系统，下文简称为"智能家居'。

智能家居系统耗电特性分析

智能家居系统设备分类

为争论便利，笔者将智能家居系统设备作如下分类：网络连接设备、智能家居终端电器、智能家居掌握设备。

下面作简要说明：

a.网络连接设备包括：网络（光纤）路由器、无线路由器、无线网关等。网络连接设备是无线智能家居系统的基础设施、必备条件。网络连接设备始终处于信号联通状态，其设备本身始终在消耗电能。采纳ZigBee总线信号、WiFi信号、蓝牙信号等不同的连接方式，其设备所产生的能耗大小有所不同。

b.智能家居终端电器包括：智能空调、智能电热水器、智能马桶、智能洗衣机、智能室内环境调整电器（空气净化器、新风机等）、智能灯具等。智能家居终端电器的种类比较多，而且在不断地丰富。

c.智能家居掌握设备包括：智能插座、AI音箱、触屏音箱、智能掌握面板、感应探测器、环境测量仪等。很多掌握设备并不是单独存在的，而是以终端设备一体化的形式存在。AI音箱、触屏音箱、环境测量仪等设备既是掌握设备，也是终端设备。对于无线智能家居系统，手机、iPad等移动设备亦可参加掌握。

智能家居系统设备耗电特点分析

全部带有智能功能电器的使用均会产生附加能耗，此部分附加能耗可称其为"智能系统能耗'。

智能家居系统设备一般没有机械式电源开关，无电源完全关断时间，只要插上电源线，每天24h处于工作状态或待机状态。下面举例说明。

智能音箱始终猎取音频信号，对音频信号进行快速计算分析，依据计算分析推断音频信号是否为语音信号。若是语音信号，则推断语音信号的谱幅度值是否超过预设值，若是则智能音箱进入工作模式，故智能音箱始终处于耗电状态。

智能插座内置电源转换模块、主掌握模块、通信模块，可以随时接收手机APP程序掌握指令信号、内置程序掌握信号、家庭网关掌握信号等，依据接收到的指令信号来完成相应动作，实现相应的掌握功能，故智能插座始终处于耗电状态。

智能插座可以作为家用电器的定时开关，实现家用电器设备在无效待机时间段的电源关断，从而节省了家用电器不必要的电能消耗，智能插座可在节省用电方面发挥重要作用。由于智能插座自身始终处于待机状态，其实它本身也在始终耗电。假如采纳1个智能插座来削减1个微波炉的待机耗电（待机耗电功率约为1W），智能插座自身的耗电量可能超过微波炉的待机耗电量，将会得不偿失。

智能家居设备能耗主要来源于3个方面：电源转换单元耗电、通信系统耗电、掌握系统耗电。

依据以上举例分析，全部智能家居设备为实现其智能掌握功能，均会产生"智能系统能耗'，消耗电能。即"智能'依靠于"耗能'，智能家居系统的能耗是其固有属性。

智能家居系统设备耗电量测量

每一台智能家居设备的工作电流、待机电流值都是特别小的，一般是毫安级的。笔者采纳高精度钳形电流表对智能家居设备进行了抽样测量（如图1～图7所示），表1为某品牌智能家居设备待机电流值测量结果，供同行参考。

从以上测量结果看，智能电源插座、智能无线网关的待机耗电功率约为2W，假如1个家庭有10个类似设备，相当于1个20W的白炽灯始终处于点亮状态。现在家庭使用率较高的AI智能音箱待机功率相对较大，达到5.7～7.5W。带有显示屏的智能家居设备耗电功率会大一些，如室内温湿度测量仪。

以1个家庭为例分析，假设1个家庭安装1个智能无线网关、1个AI智能音箱、5个智能电源插座。一年按365天计算，7个智能家居设备的待机耗电量约为179kWh，可以说这是一个既可以忽视又不行以忽视的能耗。

资料显示，2021年全球智能音箱总出货量高达8000多万台，其总耗电量是惊人的。

智能家居设备从无到有，并呈现快速上升的趋势。随着家庭智能化水平的提高，智能家居设备的普及，智能家居设备的耗电将成为一种新型的耗电类别。对于智能家居设备的耗电讨论，目前比较缺乏，缺少系统性统计分析及系统讨论。本文抛砖引玉，盼望引起同行对该问题的关注。

智能家居系统的节能特性分析

节能是智能家居系统的自然 属性

智能家居设备可以掌握家用电器的开、关，可以削减家用电器的无效待机耗电时间。通过智能掌握实现家庭电器设备的优化、经济运行、削减无效能耗，从而达到节能的目的。因此，节能亦是智能家居系统的自然 属性。

智能家居设备是在传统的家庭电器设备上附加了智能功能，智能功能包括：定时掌握、联动掌握、规律掌握、场景掌握、感应掌握、自适应掌握、环境监测、信息识别、信息的显示与传输等。

智能家居系统的智能特性可实现三大目标满意（如图8所示），即：功能性满意、舒适性满意、节能性满意。

功能性满意：系统可实现常规手段无法实现或不好实现的功能；便捷性满意：系统可通过更便捷的方式实现想要实现的功能，为人们带来心理愉悦；节能性满意：在满意功能性、舒适性要求的基础上，产生附加的节能效果。

智能家居系统的兴起与进展，首先依靠于其供应了新的使用功能，可以实现传统的自动掌握不好实现的功能，其最显著的特点是可以便利地实现人机交互、柔性掌握、功能可变。以灯光掌握为例，不仅仅是可以实现灯光的场景掌握、一键开关掌握，而且可以通过感知环境状态实现更加"聪慧'的掌握，掌握规律、掌握组合、掌握方式可随便转变。如探测器感知卫生间无人移动时间超过设置值（时间可随便设置），系统可以自动关闭灯具或排气扇。这种家庭设备自动智能运行的结果，削减了家庭电器设备无效运行的电耗及无效运行的设备损耗。

智能家居设备不仅为用户带来功能性满意，而且供应了良好的使用体验，得到便捷性满意，给使用者带来愉悦。如智能AI音箱、智能触屏音箱等，为使用者带来视觉、听觉及心理的愉悦。这些全部美妙的体验均以消耗电能为代价，智能的提升伴随着电能消耗量的增加。

智能家居系统在实现家庭电器设备有序运行的同时，可以实现家用电器的节能运行。另一方面智能家居系统自身也产生能耗，智能家居系统具有节能与能耗的双重性。可以通过智能家居系统的节能设计来抵消其自身的能耗。

智能家居系统的设计应当考虑节能设计，节能设计应成为智能家居系统设计的重要组成部分。

智能家居系统的节能途径

智能家居系统实现节能的基本途径包括运行时间掌握、功率输出掌握，满意人们对环境需求的前提下，尽量削减设备运行时间、削减其功率输出，达到削减电能消耗的目的。目前智能家居掌握方式以开关量掌握为主，较多采纳时间掌握方式。空调系统、新风系统、供暖系统设备可通过调整冷量、热量、风量，合理削减其功率输出（满意舒适度的前提下），达到削减能源消耗的目的。

可以削减的用电负荷包括：照明负荷、环境制冷或制热负荷、通风负荷、空气净化设备负荷、水加热负荷、家用电器待机消耗负荷等。

智能家居系统节能方式举例见表2。从表2可以看出，智能家居掌握设备可以很便利地实现家用电器设备的节能。

智能家居系统的节能效果分析

案例分析

以1个实例进行智能家居系统的节能效果分析，假设的掌握方案如图9所示。

图9通过1个智能电源插座掌握1台电视机及1台有线电视机顶盒的电源开闭状态来削减待机电耗。下面分析一下该掌握方案的节能效果。

待机功率设定：设定1台55in液晶电视的待机功率为1W，有线电视机顶盒的待机功率为15W，智能插座的待机功率为2W。

待机时间设定：按1年365天及工作日为250天考虑，并假定为双职工家庭，平常白天家中无人。无效待机时间参考图10确定。

将图10中示意的时间段1（6h）、时间段3（9h）的设备待机时间设定为无效待机时间，即在该时间段内，电视及机顶盒的待机没有意义，铺张能源。则：电视及机顶盒无效待机消耗电量（1年）=（16W6h365+16W9h250）/1000=71kWh。

智能电源插座消耗电量（1年）=2W24h365/1000=17.5kWh。

实际削减电量消耗量=71kWh-17.5kWh=53.5kWh。

对于图9所示节电掌握方案，依据以上计算可以看出，如不考虑智能掌握设备的自身耗电，电视及机顶盒无效待机消耗电量可以削减71kWh。由于智能电源插座自身的耗电，额外新增了17.5kW的耗电量，电器无效待机消耗电量实际削减53.5kWh。

以上节能掌握方案示例及节能效果分析方法，同样适用于其它家用电器，本文不再赘述。

节能效果评价及策略探讨

依据以上案例分析看出，对于智能家居系统的节能评价应考虑智能家居设备的自身耗电。即：智能家居系统节电量=终端电器设备节电量-智能家居设备耗电量。

可通过智能家居系统的节能来抵消智能家居设备的自身能耗，实现智能家居掌握设备的"零能耗'。

提高智能家居系统的节能功效需要考虑以下方面：

a.需要考虑智能家居设备自身的耗电特性，合理规划节能掌握方案。例如，利用1个智能电源插座掌握1台电视机的待机耗电，其节能功效是负的。宜对家用电器设备进行组合掌握，尽量采纳1个智能插座掌握多台家用电器设备。

b.应关注智能家居掌握设备的待机功率参数，考虑采纳耗电量小的设备。

c.宜对待机功率较大的电器设备实施节能掌握。

结语

随着智能家居设备的普及化，智能家居系统将成为住宅建筑的基本配置。智能家居设备的能耗问题会越来越突出，应当引起更多的关注。为削减智能家居系统能耗、提升家庭电气系统的节能效果，可以实行以下措施：

a.降低智能家居系统设备的自身耗电，并利用智能家居系统节能掌握来削减家用电器设备的耗电，是削减智能家居系统能耗的基本策略。

b.降低智能家居设备待机损耗及工作能耗，应实施建立智能家居设备的能耗标准，建立我国完善的待机功率监管体系，降低待机损耗。

c.节能设计应作为智能家居系统设计的重要组成部分，将智能家居系统的特性作为住宅建筑节能设计的有效手段。在满意舒适性、便利性的基础上，兼顾节能设计要求，为提高人的行为节能制造条件。

d.利用智能电源插座来削减家用电器设备的待机耗电量，是智能家居系统节能的重要手段之一。可以采纳"一键开关'掌握、定时掌握、感应掌握、语音掌握等掌握方式，并可同时提高家庭用电的平安性。

e.智能家居系统的节能设计应进行整体性考虑，应进行节能效果的评估。不能将节能措施作为"点缀'，不能为了节能设计而节能设计，要以最终的节能效果为导向。需要评估和计算智能家居设备自身的耗电量，保证节约电量大于智能掌握设备自身的耗电量。

对于b项措施，需要依靠国家技术法规及相关行业协会的技