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。大量智能家居设备一直处于通电状态（外置电源或内置电源），无论是否在工作状态，一直在耗电。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2 W左右），并不被人们关注。但是，随着设备数量的增加及时间的累积，其耗电量仍然是可观的。

由于智能家居设备耗电量较小，目前国内对此类问题鲜有研究，关注较少。对于智能家居系统的研究大多集中在其智能特性及功效的发挥，以满足人们对舒适、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，并对减少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。本文重点讨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

为讨论方便，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、智能家居控制设备。

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。网络连接设备一直处于信号联通状态，其设备本身一直在消耗电能。采用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、智能室内环境调节电器（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. 智能家居控制设备包括：智能插座、AI音箱、触屏音箱、智能控制面板、感应探测器、环境测量仪等。许多控制设备并不是独立存在的，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控制设备，也是终端设备。对于无线智能家居系统，手机、iPad等移动设备亦可参与控制。

智能家居系统设备耗电特点分析

所有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24 h处于工作状态或待机状态。下面举例说明。

智能音箱一直获取音频信号，对音频信号进行快速计算分析，根据计算分析判断音频信号是否为语音信号。若是语音信号，则判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，故智能音箱一直处于耗电状态。

智能插座内置电源转换模块、主控制模块、通信模块，可以随时接收手机APP程序控制指令信号、内置程序控制信号、家庭网关控制信号等，根据接收到的指令信号来完成相应动作，实现相应的控制功能，故智能插座一直处于耗电状态。

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，从而节约了家用电器不必要的电能消耗，智能插座可在节约用电方面发挥重要作用。由于智能插座自身一直处于待机状态，其实它本身也在一直耗电。如果采用1个智能插座来减少1个微波炉的待机耗电（待机耗电功率约为1 W），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、控制系统耗电。

根据以上举例分析，所有智能家居设备为实现其智能控制功能，均会产生“智能系统能耗”，消耗电能。即“智能”依赖于“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、待机电流值都是非常小的，一般是毫安级的。笔者采用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2 W，如果1个家庭有10个类似设备，相当于1个20 W的白炽灯一直处于点亮状态。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5.7～7.5 W。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179 kWh，可以说这是一个既可以忽略又不可以忽略的能耗。

资料显示，2018年全球智能音箱总出货量高达8 000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研究，目前比较缺乏，缺少系统性统计分析及系统研究。本文抛砖引玉，希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天然属性

智能家居设备可以控制家用电器的开、关，可以减少家用电器的无效待机耗电时间。通过智能控制实现家庭电器设备的优化、经济运行、减少无效能耗，从而达到节能的目的。因此，节能亦是智能家居系统的天然属性。

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：定时控制、联动控制、逻辑控制、场景控制、感应控制、自适应控制、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足（如图8所示），即：功能性满足、舒适性满足、节能性满足。

功能性满足：系统可实现常规手段无法实现或不好实现的功能；便捷性满足：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；节能性满足：在满足功能性、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发展，首先依赖于其提供了新的使用功能，可以实现传统的自动控制不好实现的功能，其最显著的特点是可以方便地实现人机交互、柔性控制、功能可变。以灯光控制为例，不仅仅是可以实现灯光的场景控制、一键开关控制，而且可以通过感知环境状态实现更加“聪明”的控制，控制逻辑、控制组合、控制方式可随意改变。如探测器感知卫生间无人移动时间超过设置值（时间可随意设置），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，减少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足，而且提供了良好的使用体验，得到便捷性满足，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。这些所有美好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该考虑节能设计，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控制、功率输出控制，满足人们对环境需求的前提下，尽量减少设备运行时间、减少其功率输出，达到减少电能消耗的目的。目前智能家居控制方式以开关量控制为主，较多采用时间控制方式。空调系统、新风系统、供暖系统设备可通过调节冷量、热量、风量，合理减少其功率输出（满足舒适度的前提下），达到减少能源消耗的目的。

可以减少的用电负荷包括：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，智能家居控制设备可以很方便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，假设的控制方案如图9所示。

图9通过1个智能电源插座控制1台电视机及1台有线电视机顶盒的电源开闭状态来减少待机电耗。下面分析一下该控制方案的节能效果。

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

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，平时白天家中无人。无效待机时间参考图10确定。

将图10中示意的时间段1（6 h）、时间段3（9 h）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，浪费能源。则：电视及机顶盒无效待机消耗电量（1年）=（16 W × 6 h × 365 + 16 W × 9 h × 250）/ 1 000 = 71 kWh。

智能电源插座消耗电量（1年）= 2 W × 24 h × 365 / 1 000 = 17.5 kWh。

实际减少电量消耗量= 71 kWh - 17.5 kWh = 53.5 kWh。

对于图9所示节电控制方案，根据以上计算可以看出，如不考虑智能控制设备的自身耗电，电视及机顶盒无效待机消耗电量可以减少71 kWh。由于智能电源插座自身的耗电，额外新增了17.5k W的耗电量，电器无效待机消耗电量实际减少53.5 kWh。

以上节能控制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

根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，实现智能家居控制设备的“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，合理规划节能控制方案。例如，利用1个智能电源插座控制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控制，尽量采用1个智能插座控制多台家用电器设备。

b. 应关注智能家居控制设备的待机功率参数，考虑采用耗电量小的设备。

c. 宜对待机功率较大的电器设备实施节能控制。

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，应该引起更多的关注。为减少智能家居系统能耗、提升家庭电气系统的节能效果，可以采取以下措施：

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控制来减少家用电器设备的耗电，是减少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。在满足舒适性、便利性的基础上，兼顾节能设计要求，为提高人的行为节能创造条件。

d. 利用智能电源插座来减少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。可以采用“一键开关”控制、定时控制、感应控制、语音控制等控制方式，并可同时提高家庭用电的安全性。

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，保证节省电量大于智能控制设备自身的耗电量。

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术标准来实现。对于其它项措施，可以通过住宅电气设计者的探索与努力来实现。

应将无线智能家居系统设计融入建筑电气设计中。智能家居系统无线连接在设计图纸中如何来表达，智能家居控制的逻辑关系如何在设计图纸中表达，对传统的建筑智能化系统设计提出挑战，需要不断探索与实践。

本文对无线智能家居设备自身待机耗电的情况和智能家居系统的节能策略进行了分析，提出“智能能耗”概念，对智能家居系统节能评价方式进行探索。希望更多的同行能够关注智能家居设备的能耗问题，通过智能家居系统的节能设计为社会的节能减排作出贡献。