Умный термостат
Умный термостат — это термостат с поддержкой Wi-Fi, предназначенный для использования в домашней автоматизации и управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ). Как и программируемые термостаты, умные термостаты позволяют владельцу задавать расписание работы, автоматически регулируя температуру в течение дня, однако также имеют дополнительные функции — например, подключение к Wi-Fi[1],[2] что упрощает эксплуатацию по сравнению с классическим программированием.
Умные термостаты подключаются к интернету, предоставляют возможность дистанционного управления с компьютера или смартфона. Это особенно важно для экономии энергии: исследования показали, что в домах с программируемыми термостатами зачастую расходуется больше энергии, чем с простыми термостатами, из-за ошибок в настройках или отключения расписания[3].[4]
Умные термостаты ведут журнал внутренних и наружных температур, времени работы системы ОВКВ и могут предупреждать пользователя о необходимости замены воздушного фильтра.
Программируемые и умные термостаты
Программируемые термостаты
Программируемые термостаты, впервые появившиеся более 100 лет назад[5], позволяют задавать расписание для различных температур в разное время суток. Во многих моделях есть режим ожидания, который временно отменяет расписание — тогда прибор работает как ручной термостат. Смысл расписания — задать более экономичные температурные режимы, когда в доме никого нет. Благодаря ожидаемой экономии, нормативы и госпрограммы в ряде стран стали требовать установки программируемых термостатов[6]. Однако из-за сложности управления ими на практике часто наблюдается перерасход энергии по сравнению с ручными термостатами[7].
Проблемы программируемых термостатов
Одной из главных задач умных термостатов стало решение проблем, типичных для классических программируемых моделей. В 2008–2009 годах энергетическая компания Florida Power & Light выдала 400 домохозяйствам программируемые термостаты и исследовала модели потребления. 56% владельцев использовали расписание, остальные — постоянный режим. Те, кто пытался программировать устройство, в среднем увеличили расход энергии на 12% из-за сложностей при настройке ночного режима: ошибались в расписаниях и неосознанно делали выбор в пользу менее эффективных настроек. Исследование показало, что эффект экономии от программируемых термостатов зависит, прежде всего, от правильности использования. Умные термостаты решают эту проблему, передавая рутинное управление автоматике и сенсорам[7].
Другое исследование выявило, что главным фактором неэффективности программируемых термостатов является пользователь: люди часто не понимают, как правильно их использовать или вообще не используют предусмотренные функции. Согласно опросу, 89% владельцев не пользуются функцией расписания. Многие считают, что постоянный режим отопления выгоднее, а снижение температуры не даст заметной экономии. Эти ошибки приводят к тому, что программируемый термостат может не работать эффективнее обычного ручного устройства[6].
В связи с этими и аналогичными исследованиями с декабря 2009 года программа Energy Star прекратила маркировать программируемые термостаты[6].[7] Именно устранение человеческого фактора и было поставлено задачей для новых моделей — умных термостатов, которые за счет вычислительной техники действительно могут экономить энергию и средства.
Умные термостаты
Умные термостаты, как и программируемые, поддерживают гибкое расписание, но реализуют дополнительные технологии для минимизации человеческой ошибки: сенсоры определяют присутствие людей (и могут отключать отопление/охлаждение, если дома никого нет), удалённый доступ через Wi-Fi позволяет оперативно скорректировать настройки. Это повысило эффективность и удобство эксплуатации[8].
История
Разработка умных термостатов началась в 2007 году с выхода первого устройства фирмы Ecobee: основатель компании, Стюарт Ломбард, стремился сократить энергопотребление дома и свой углеродный след — однако приобрётённый им программируемый термостат оказался неудобен и неэффективен, что побудило его основать Ecobee и создать более "умный", интуитивный прибор[9].
В 2009 году компания EnergyHub выпустила Dashboard — термостат с расширенным мониторингом и возможностью дистанционного управления бытовыми приборами с целью минимизации затрат и энергопотребления[10].
В 2011 году Nest Labs представила модель Nest Learning Thermostat — эту разработку отличала интеграция сенсоров, применении алгоритмов машинного обучения и работы через облачные сервисы. Система выстраивает расписание исходя из привычек жильцов, поддерживает подключение к домашней Wi-Fi-сети, дистанционное управление, анализ истории энергопотребления и усваивает предпочтения пользователей[11].
Технологические особенности
Программируемое и автоматическое расписание
Умные термостаты позволяют задавать классическое расписание для минимизации потребления энергии во время отсутствия жильцов. Однако исследования показывают: ручное составление расписания иногда приводит к перерасходу энергии[7] Поэтому умные термостаты используют алгоритмы и методы распознавания шаблонов (auto schedule), чтобы анализировать привычки жильцов и корректировать режим без участия человека, снижая вероятность ошибки.[12].
Сенсоры
Для исключения ошибок из-за неправильного программирования умный термостат использует сенсоры для отслеживания присутствия жильцов. Например, Nest Learning Thermostat применяет пасcивный инфракрасный сенсор (PIR), чтобы определять, есть ли кто-то рядом. Если дом пуст, термостат временно отключает отопление или охлаждение. Сенсор помогает также строить новое расписание. Для красоты и защиты элемента применяют декоративную решётку[2]. Недостаток — сенсор срабатывает только при движении возле самого термостата; если человек дома, но не проходит мимо устройства, комфорт может быть нарушен[13].
Wi-Fi-подключение
Одной из ключевых функций Wi-Fi-термостатов является интеграция с интернетом. Через Wi-Fi-модуль термостат подключается к домашней или офисной сети, обеспечивая полный дистанционный контроль через портал или мобильное приложение[14]. Термостат может отправлять отчёты по расходу энергии и работе оборудования, сигнализировать о неисправностях или необходимости обслуживания, показывать погоду[1].
Через интернет поддерживается и геозонирование: прибор определяет, есть ли дома жильцы, по расположению их смартфонов (данные GPS), и соответственно корректирует режим работы системы ОВКВ[15].[12]
Самообучающиеся термостаты
Некоторые умные термостаты (например, Nest Learning Thermostat) способны обучаться на основе регулярности присутствия и образа жизни жильцов, заранее обеспечивая нужную температуру к их приходу. При изменении состава семьи или распорядка дня расписание со временем корректируется автоматически для оптимизации энергосбережения и комфорта.
Для отслеживания присутствия жителей используются и датчики движения (в термостатах Ecobee4)[16]. В качестве "виртуального" датчика можно использовать и домашнюю Wi-Fi-сеть (методика, применяемая в Honeywell T6), определяя вход и выход жильцов из дома через их устройства (метод геозонирования).
Исследования
Внутренние исследования производителей
Для подтверждения эффективности своих устройств производители умных термостатов проводят собственное моделирование и исследования. Например, ecobee оценивала экономию, сравнивая время работы ОВКВ при фиксированной температуре (22 °C) и реальном использовании прибора; заявленная экономия составила 23% по затратам на отопление и охлаждение[17]. Nest аналогично заявляет о 20% экономии[18].
В 2015 году Nest провела исследование на клиентской базе в 41 штате, анализируя энергопотребление до и после установки Nest Learning Thermostat (с корректировкой на изменение погоды). Размер выборки — 735 домов для газа и 624 дома для электричества. Средняя экономия — 10% по газу, 17,5% по электричеству[18].
| Топливо | Размер выборки | Потребление до установки (всего) | Потребление до установки (ОВКВ) | Экономия (ед/год) | Экономия (в %) |
|---|---|---|---|---|---|
| Природный газ (термы/год) | 735 | 774 | 584 | 56 ±12 | 9,6 ±2,1% |
| Электроэнергия (кВт·ч/год) | 624 | 12 355 | 3 351 | 585 ±97 | 17,5 ±2,9% |
Независимые исследования
Независимые исследования также подтверждают энергетическую эффективность умных термостатов: после года наблюдений домовладельцы с Nest уменьшили расход газа на 12,5% по сравнению с 5% у пользователей программируемых устройств при одинаковом уровне подготовки владельцев. По электроэнергии снижение составило 13,9% против 13,1%[19].
| Тип термостата | Расход до (термы) | Экономия (термы) | Экономия (%) | Диапазон экономии (термы) | Диапазон экономии (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Nest | 548 | 69 | 12,5% | 60—77 | 11—14% |
| Программируемый | 602 | 30 | 5% | 22—38 | 4—6% |
| Тип термостата | Расход до (кВт·ч) | Экономия (кВт·ч) | Экономия (%) | Диапазон экономии (кВт·ч) | Диапазон экономии (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Nest | 3 080 | 429 | 13,9% | 270–589 | 9–19% |
| Программируемый | 2 537 | 332 | 13,1% | 181–483 | 7–19% |
Другой эксперимент с ecobee (86 хозяйств, 123 термостата, год наблюдений) показал среднюю экономию 16% по электричеству и 10% по газу (особенно велика при замене ручных моделей; при замене программируемых — 8%)[1].
| Предыдущий термостат | Число участников | Расход до (термы) | Экономия (термы) | Экономия (%) | Диапазон (термы) | Диапазон (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ручной | 23 | 890 | 87 | 10% | 60–113 | 7–13% |
| Программируемый | 44 | 842 | 66 | 8% | 43–88 | 5–10% |
| Предыдущий термостат | Число участников | Расход до (кВт·ч) | Экономия (кВт·ч) | Экономия (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ручной и программируемый | 12 | 640 | 113 | 16% |
Разночтения в оценках
Хотя экономия энергии при переходе на умные термостаты подтверждается большинством исследований, величины в разных работах могут заметно различаться. Энергетическое моделирование, как правило, завышает экономию за счет сравнения с "идеальным" постоянным режимом работы — в реальных условиях экономия скромнее из-за изначально более эффективных настроек у части пользователей[18]
На итоги влияют и погодные условия, и участие в исследованиях более "заинтересованных" в экономии респондентов, а также бытовое внедрение других энергоэффективных устройств.[1][18]
Влияние на энергосистему
Умные термостаты способны уменьшить энергопотребление, но могут создавать нежелательные эффекты для электрических сетей: синхронное включение/отключение отопления в масштабах района вызывает пики нагрузки, особенно зимой, когда энергия от солнечных батарей поступает с перерывами.
Экологические аспекты
Климатические изменения
По данным обследования EIA США, 2015, на отопление и охлаждение приходится наибольшая часть затрат электроэнергии (отопление — 15%, кондиционирование — 17%). Вся энергия, расходуемая на поддержание климата в доме, — главным образом результат сжигания ископаемого топлива, что напрямую связано с выбросами парниковых газов. Борьба с изменениями климата и выполнение Парижского соглашения включает меры по снижению потребления энергии, а умные термостаты — один из инструментов такого подхода[20]. Численные исследования подтверждают реальность энергосбережения и оптимизации жилищного комфорта с помощью интеллектуальных приборов[1][17].[18][19]
Программы поддержки
Многие компании и органы госвласти стимулируют внедрение умных термостатов для продвижения устойчивого развития. Например, Ecobee в рамках программы "A Better Tomorrow" поставила 776 термостатов муниципальной корпорации Торонто с целью повышения энергоэффективности и качества жилья[21].
Коммунальные компании в США предлагают денежные стимулы при установке умных термостатов: подарочные карты, скидки и возврат части средств (San Diego Gas & Electric, Focus on Energy, Austin Energy, Pacific Gas and Electric Company и др.)[22].[23][24]Smart thermostat rebate. pge.com. Дата обращения: 29 сентября 2021.[25][26][27] Дополнительно реализуются программы управления спросом — Rush Hour Rewards от Nest, где пользователям компенсируют снижение нагрузки в аномально жаркие или холодные дни (снижение пиковой нагрузки на электросети)[28].