新的机器学习方法可大幅降低老旧住宅的能源账单

Icicles hang from a rain gutter on a house that is covered with snow in Oberjoch, Germany, January 15, 2019. REUTERS/Andreas Gebert - RC17CCC15F40
Central heating in harsh winters can be tough on the bank account.Image: REUTERS/Andreas Gebert
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如果天气预报有雨,你很可能会带上雨伞;如果预报说会变冷,你可能会带上手套。建筑物中也有类似的预先准备:复杂的供暖和制冷系统会根据预测的天气自动调节。

但是,当天气预报并不准确(而这种情况时常发生)时,建筑物可能会白白浪费能源,就像我们可能会淋湿、受冻,或者不得不多穿一些并不需要的衣服一样。

这一新方法利用机器学习模型来预测天气预报的准确度,该模型基于多年的预报数据与实际天气状况数据进行训练。研究人员将这一预测器与一个数学模型相结合,该数学模型考虑了建筑特征,包括房间的大小和形状、建筑材料、传感器的位置以及窗户的位置。

根据以康奈尔大学校园内一座近90年历史的建筑“Toboggan Lodge”为案例进行的研究,该智能控制系统可将能源使用量降低多达10%。

更智能的家居

“如果建筑物本身足够“智能”,能够了解天气状况,或者至少以某种方式更多地理解天气预报信息,它就能做出更好的调整,自动控制其供暖和制冷系统,从而节约能源,并让居住者更加舒适。”康奈尔大学能源系统工程教授、该系统论文的合著者游凤起(Fengqi You)表示,该论文发表于《”Journal of Process Control》。

“例如,如果我知道太阳很快就会升起,天气会变暖,那么我可能就不需要把房子烧得那么暖和。如果我知道今晚会有暴风雨,那么我就会稍微提前加热一点,以保持舒适的温度,”游凤起说。

“我们努力让能源系统变得智能,使其能够对未来做出一些预测,并做出最优决策。”

除了收集多年的历史天气和气候数据以训练机器学习模型外,一个由硕士研究生组成的团队还协助开发了Toboggan Lodge案例研究。

借助这些信息,该模型不仅能够检测温度的不确定性,还能检测降水、日照以及不同地点之间状况差异所带来的不确定性。模型会根据预报的不确定程度相应地自行调整。

“即便是最好的天气预报系统,也无法给你最准确的信息,”游凤起说。“此外,天气预报信息通常针对某一地区,而非具体地点。”

针对不完美预报的解决方案?

Toboggan Lodge之所以成为一个有趣的案例研究,是因为它规模小、结构简单,且建成年代久远,因此其供暖和制冷系统相对容易改造。

游凤起表示,将机器学习算法与数学规划方法相结合,所形成的控制系统比单独使用任何一种方法都更加准确,也更加“智能”。

该框架在建筑控制系统和农业灌溉控制方面具有潜在应用,并且有望在日益流行于大城市的垂直农场和植物工厂中,实现更高效的室内环境控制。

“我们并没有完美的天气预报方法,因此我们能做的最好的事情,就是将人工智能与机理建模结合起来,”他说,“这两个部分此前从未以系统化的方式相互融合,用于自动控制和能源管理。”

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