aisa smarthome
مدیریت انرژی

خانه هوشمند و مدیریت انرژی 2022

چکیده

افزایش علاقمندی به فناوری‌های خانه هوشمند ، نیاز به یک بررسی جامع  را ایجاد کرده‌ است. این مقاله اهداف یک سیستم مدیریت انرژی خانگی هوشمند همراه با تعاریف، کاربردها و اطلاعات مربوط به تولید اجزای آن را مورد بررسی قرار می‌دهد. چالش‌ های مربوط به سیستم‌ های هوشمند مدیریت انرژی خانگی و راه‌ حل‌ های ممکن مورد بررسی قرار می‌گیرند و فاکتورهای انرژی که در قبض برق مشتری نقش دارند مورد بحث قرار خواهند گرفت.

1. مقدمه

یک خانه هوشمند از حسگرها، عملگرها، میان افزار(اپلیکیشن ها)، و یک شبکه استفاده می‌کند. و دارای دو جز تعاملی مهم است: شبکه هوشمند و تجهیزات هوشمند . اهداف اولیه یک خانه هوشمند، افزایش اتوماسیون خانه، تسهیل مدیریت انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است. اتوماسیون خانه می‌تواند از طریق یک شبکه ارتباطی بهبود یافته که شامل سیگنال‌ های رادیویی، یا فیبرهای نوری در یک شبکه مبتنی بر BUS یا پروتکل اینترنت اشیا راه اندازی شود.
 
انرژی یک خانه هوشمند را می توان از طریق انتخاب وسایل کارآمد، بهبود در دانش مشتری ، مشارکت در برنامه‌های مدیریت تقاضا (DSM و استقرار یک سیستم مدیریت انرژی (EMS) مدیریت کرد. تشعشعات زیست‌محیطی را می‌توان از طریق وابستگی به سوخت‌های فسیلی، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند بادی و خورشیدی)و کنترل مصرف برق کاهش داد.

1.1 اتوماسیون خانگی

اگرچه دستگاه‌های هوشمند در گذشته در دسترس بوده‌اند. اما استفاده از آن‌ها محدود می بود. زیرا فاقد intercommunication هستند. یک راه‌حل پیشنهادی این است که همه دستگاه‌ های هوشمند با استفاده از سیم‌ کشی (KNX) متصل شوندبا این حال، مشکل نصب تجهیزات در خانه های ساخته شده به ایجاد یک شبکه بی‌سیم با قابلیت انعطاف پذیری بیشتر منجر شد. 
 
بنابراین مفاهیم و تجهیزاتی جدیدی به نام GATEWAY ها معرفی شدند. پروتکل ارتباطی خانه های هوشمند در سیستم‌ های مختلفی از قبیل powerline و سیستم‌ های فرکانس رادیویی گسترش داده شده‌ است . این تحولات به استقرار یک شبکه در دستگاه‌ های هوشمند کمک می‌کند. اما تنها با هزینه بالا همراه است که خود به یک چالش جدید تبدیل شده‌ است.
 

1.2 مدیریت انرژی

عوامل اصلی در مدیریت خانه هوشمند عبارتند از طراحی وسایل خانگی موثر، بهبود آگاهی مشتری، مشارکت در برنامه‌های DSM و استفاده از خدمات پزشکی.
با توجه به طراحی وسایل، محققان مشاهده کردند که بازده متوسط انرژی لوازم خانگی پایین‌تر از سطوح استاندارد است. استانداردهای سختگیرانه‌تر برای بهبود کارایی پیشنهاد شده‌است، اما مشتریان همچنان نقش اصلی در حفاظت از انرژی را ایفا می‌کنند. همانطور که گفته شد، آگاهی آن‌ها از مصرف انرژی و قیمت برق مربوطه می‌تواند تصمیمات آن‌ها را در مورد لوازم مناسب و افزایش کنترل مصرف برق افزایش دهد.
 
برای مثال، مشتریان باید بدانند که  به طور میانگین هر خانه در کانادا ۲۵ وسیله الکترونیکی دارد که در حالت STANBAY قرار دارند که شامل 10 درصد از هزینه برق ماهیانه می باشد. مطالعات دیگر در خانه‌های ایالات‌متحده آمریکا ،نشان می دهد که در مصارف خانگی 40 درصد اتلاف انرژی روخ می دهد. 
 
اگر مشتریان از مصرف آن‌ها مطلع باشند(نرم افزار مدیریت انرژی)، مصرف می‌تواند تا ۱۵ درصد کاهش یابد. یکی از دلایل عدم وجود چنین آگاهی استفاده از کنتورهای آنالوگ مبتنی بر اندازه‌گیری‌های زمان ثابت است که از بازخورد در ساعت های مختلف بر قبض‌های مصرفی جلوگیری می‌کند.

کنتور

بنابراین کنتورهای هوشمند ضروری هستند و اکنون در اکثر خانه‌های کانادایی برای اندازه‌گیری مصرف ساعتی استفاده می‌شوند. با این حال، مشتریان ممکن است از میزان انرژی یک وات آگاه نباشند. روشن کردن این مفهوم برای مشتری مستلزم آن است که هزینه آن به دلار ارائه شود، اما حتی با ارزش دلار/کیلووات ساعت که در وب سایت ارائه دهنده برق ارسال شده است، همه مشتریان به طور منظم مصرف واقعی خود را پیگیری نمی کنند(نرم افزار مدیریت انرژی)

یک راه حل می تواند این باشد که مصرف ساعتی  مستقیماً به تلفن های همراه ارسال شود. اما راه حل بهتری این است که  یک دستگاه با نظارت همیشگی مقدار مصرف برق با هزینه های جاری را به صورت لحظه ای نمایش دهد. 

البته محققان بر این باور نیستند که حتی این پیشنهاد با توجه به الزامات دوگانه برای فناوری های پیچیده و راحتی رابط کاربری، منجر به یک خانه هوشمند کم مصرف شود. به عنوان مثال،  بهره وری انرژی به مسائلی فراتر از مصرف از طریق دستگاه های هوشمند مربوط می شود، مانند گرمایش خانه، که به مساحت اتاق ها و خانه وابسته است و به دلیل افزایش گرما در مناطق نزدیک به سیستم تهویه، انرژی را هدر می دهد.

یک مثال دیگر، نحوه قرار گیری ترموستاتدر طبقه پایین یا بالای یک خانه باعث توزیع ناهمگون دما می شود. بنابراین بیشتر انرژی تحویل داده شده برای ساکنین مورد نیاز نیست. عامل دیگری که می تواند کمک کند، عدم آگاهی مشتری از آنچه که یک خانه هوشمند را تشکیل می دهد و نحوه برقراری ارتباط با آن است، که مستلزم مطالعه قبلی طراحی خانه هوشمند و قرارگیری بهینه همه دستگاه ها است.

این مراحل را می توان در یک برنامه بلندمدت گنجاند، اما پرداختن به وضعیت فعلی شامل تعیین نحوه تبدیل خانه های موجود به خانه های هوشمند و نحوه تعریف یک دستگاه هوشمند است. مطالعات بسیاری این موضوعات را بررسی کرده اند. به عنوان مثال یک اجاق گاز هوشمند در خانه هوشمند توسط اکثر تولیدکنندگان به عنوان پخت سریعتر تعریف می شود. با این حال، ویژگی‌های اصلی ارائه شد این تعریف می باشد. وسیله‌ای  است که غذای سالم‌تری را بر اساس دستور العمل انتخابی که قبلاً توسط یکی از اعضای خانواده ارائه شده بود، طبخ می‌کند.

همچنین می‌تواند با وسایل دیگر مانند تلفن همراه، اعلام حریق و یخچال هوشمند ارتباط برقرار کند که از طریق آنها می‌تواند در دسترس بودن مواد تشکیل دهنده را تعیین کند. تعریف خانه هوشمند که توسط Intertek تنظیم شده است به این شکل می باشد: «خانه هوشمند شامل یک شبکه ارتباطی که لوازم و خدمات الکتریکی کلیدی را به هم متصل می کند و به آنها اجازه می دهد از راه دور کنترل، نظارت شوند. یا دسترسی پیدا کرد»

دانش و تجربه مشتریان از مدیریت انرژی عامل اصلی در صرفه جویی در مصرف برق است. مطالعات موردی باید به عنوان ابزاری برای تعیین سیستم بهینه برای مدیریت انرژی و هزینه مورد استفاده قرار گیرد. مشتریان باید در برنامه های DSM مشارکت داشته باشند. استانداردها باید به وضوح تعریف شوند تا تصمیمات مشتریان را برای خرید لوازم خانگی افزایش دهند.

در سال 2001، پرداخت های آب و برق خانوار به طور متوسط 1400 دلار بود. در نتیجه، صرفه جویی در انرژی هدف گذاری شده است و باید منافع اقتصادی را به همراه داشته باشد. سرمایه گذاری مشتری در نظارت و کنترل تجهیزات نمی تواند راه حل موثر بدون بازده مالی باشد. برای مقابله با هزینه گزاف تجهیزات خانه هوشمند، بازار نظارتی باید قیمت های فعلی دستگاه های خانه هوشمند را محدود کند.

یک عنصر کلیدی خانه هوشمند EMS است که فعالیت‌های اصلی آن تمرکز این مقاله است، همانطور که در شکل 1 خلاصه شده است. به دلیل نقش مهم EMS در حفظ انرژی، بخش 2 به بحث در مورد تعریف، اجزا، اهداف، و ساخت آن، همراه با چالش‌های مرتبط اختصاص دارد.

شکل 1 فعالیت های SHEMS

قیمت خانه هوشمند قیمت خانه هوشمند
EMS

شکل 2 حوزه های تحقیقاتی

قیمت خانه هوشمند قیمت خانه هوشمند
SMART HOME

1.3 کاهش انتشارات گازهای گلخانه ای

انتشار گازهای گلخانه ای عامل اصلی گرم شدن کره زمین است. از آنجایی که تولید برق 40 درصد از دی اکسید کربن (CO2) را تولید می کند. وابستگی به سوخت های فسیلی باید کاهش یابد که با استفاده از انرژی های تجدید پذیر (خورشیدی و بادی) و با کاهش مصرف برق از طریق نظارت و پایش قابل دستیابی می باشد. 

کنترل مصرف مشتری و تبدیل لوازم خانگی قدیمی به نسخه های هوشمند و کم مصرف از جمله مواردیست که می تواند تاثیر گذار باشد. انتظار می رود که در مناطق کم درآمد، مصرف خانوارها افزایش یابد، زیرا رشد درآمد باعث بهبود استانداردهای زندگی می شود و منجر به کاهش انتشار CO2 خواهد شد.

قیمت خانه هوشمند قیمت خانه هوشمند
SHEMS

2. EMS خانه هوشمند (SHEMS)

SHEMS یکی از اجزای اصلی یک خانه هوشمند است که به صاحب خانه، شرکت برق و دیگران امکان نظارت، مدیریت و صرفه جویی در انرژی را می دهد. SHEMS یک سیستم هوشمند است زیرا محصولات خانگی را به دستگاه‌های هوشمند تبدیل کرده و آنها را در شبکه‌ ای ادغام می کند. در حین استفاده، آنها را رصد کرده و به کاربران در مورد وضعیت محصولات خانگی خود  که می‌توان با تلفن‌ های هوشمند و سایر ابزارهای غیر سنتی کنترل کرد، آگاه می‌کند. 

این بخش به بررسی تعاریف SHEMS و عناصر آن، اهداف استفاده از SHEMS، سازندگان اولیه SHEMS و چالش های مرتبط با EMS خانگی (HEMS) همراه با راه حل های ممکن می پردازد.

2.1. تعریف و عناصر سیستم

SHEMS را می توان به عنوان سیستمی تعریف کرد که می تواند جریان برق را برای حفظ انرژی کنترل و نظارت کند. همانطور که در بخش 3 بحث شد. SHEMS از یک واحد مرکزی، یک واحد نظارت، یک واحد کنترل، یک واحد ارتباطی و عناصر ثانویه تشکیل شده است. واحد مرکزی دارای یک رابط گرافیکی است که از حسگرهایی برای کنترل مصرف انرژی در هر اتاق از خانه استفاده می کند. رابط کاربری می تواند از طریق تلویزیون، تلفن همراه، اینترنت یا تلفن سیمی با سیستم کنترل تعامل داشته باشد.

سنسورهای واحد مانیتورینگ متغیرهایی مانند دما و حضور یک ساکن در یک اتاق (PIR) را اندازه گیری می کنند. پایانه های اطلاعاتی در واحد کنترل، کاربر را قادر می سازد تا وظایف خاصی مانند به حداقل رساندن قبض برق و کاهش انتشار گازهای گلخانه ایی را انجام دهد. واحد ارتباط با شبکه در تماس است. یک SHEMS می تواند انرژی را هم از شبکه و هم از منابع تجدیدپذیر در برگیرد.

2.2. اهداف یک SHEMS

اهداف استفاده از SHEMS را می توان از منظر یک مشتری، یک ابزار، جامعه، محیط زیست و یک دستگاه بررسی کرد. هدف مشترکین برق کاهش قبوض ماهانه برق است . از سوی دیگر، هدف این شرکت کاهش جریان مصرفی است. از دیدگاه اجتماعی، یک SHEMS می تواند از منابع سبز برای تولید برق استفاده کند. 

مانند فتوولتائیک (PV) و باد. جامعه در حال حاضر بر روی یک SHEMS متمرکز شده است که کمتر به سوخت های فسیلی برای تولید برق وابسته است. از نقطه نظر زیست محیطی، SHEMS انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد و محیط امن تری ایجاد می کند. در سطح دستگاه، یک SHEMS می تواند توان تخصیص یافته به وسایل الکترونیکی خانگی را کنترل و به حداقل برساند.

2.3. تولید کنندگان قطعات HEMS

تعدادی از شرکت ها با ایفای نقش کلیدی در توسعه یک EMS هوشمند، سخت افزار و نرم افزار را برای تسهیل مدیریت انرژی تولید می کنند. 

نمونه‌هایی از این شرکت‌ها و محصولات آن‌ها عبارتند از: مایکروسافت (HOME)، گوگل (متر برق گوگل)، سیسکو (کنترل کننده انرژی خانه و خدمات مدیریت انرژی سیسکو)، GE (مدیریت انرژی خانه و نرم افزارهای مرتبط، از جمله پنل انرژی خانه هوشمند جنرال الکتریک، کنتور هوشمند، و وسایل هوشمند مانند آبگرمکن و ماشین ظرفشویی با فناوری ارتباطی تعبیه شده) ، اپل (نظارت هوشمند برق و ارتباطات با توان هوشمند).

EnergyHub (پایه خانه EnergyHub و ترموستات EnergyHub، پریز ها،  و محصولات نرم افزاری)، و Daiwa House Industry (خانه هایی با HEM های از پیش نصب شده همراه با سلول های فتوولتائیک و باتری های قابل شارژ لیتیوم یون).

قطعاتی که این شرکت ها تولید می کنند از نظر عملکرد، سخت افزار، نرم افزار، سهولت استفاده و جمع آوری داده ها متفاوت است.

2.4. چالش های HEMS و راه حل های ممکن

چالش‌ های مرتبط با اجزای EMS که قبلاً ذکر شد، در هزینه‌ های بالای خرید و نصب، همراه با دوره بازپرداخت طولانی بعدی نهفته است. یک راه حل می تواند تعیین یک روش کم هزینه برای نظارت و کنترل چنین سیستم هایی باشد. چیزی که مورد نیاز است، ابزاری است که قادر به برنامه‌ ریزی لوازم خانگی و ارائه گزینه‌ هایی مانند راحتی بیشتر در استفاده  و به حداقل رساندن مصرف انرژی می باشد. نیاز به توسعه یک ابزار مدیریت انرژی با قیمت مناسب وجود دارد که امکان پذیرش گسترده آن را فراهم می کند.  این امر هدف تحقیقات آینده است.

 

فهرست مطالب

sPACE
آخرین مقالات

لیست دستمزد کارهای ساختمانی 1401 ویژه مهندسان مجری و کارفرمایان

شیشه هوشمند چیست؟ هر آنچه باید بدانید

نکات کلیدی برای طراحی و اجرای پریز برق و ضوابط کاربردی آن

نکات مهم کلید برق و روشنایی ساختمان در مبحث 13 مقررات ملی ساختمان

سیستم اعلام حریق بیسیم چیست؟

اشتراک گذاری :

اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در whatsapp
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در email

2 پاسخ

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.