智慧城市居民能城市居民行为节能综合框架设计

摘要：住宅建筑节能减排是我国实现碳达峰和碳中和目标的重要领域之一。以用能行为作为切入点，基于跨学科视角对智慧城市住户行为节能劝导设计的相关问题进行了探讨，在此基础上进一步延伸至节能减排政策措施的科学合理制定以及两者之间的互动影响，梳理了智慧城市住户行为节能总体研究思路，设计了相应综合研究框架，并对应用该框架所面临的主要难点进行了深入讨论。研究成果可为未来智慧城市建设和住宅建筑节能减排可持续发展提供科学指导。

住宅建筑运行能耗主要是由住户为满足不同需求而使用各种家用耗能设备的用能行为所形成[1]。随着我国经济发展和人民生活水平的提高，住户家用耗能设备的种类、数量和相应能耗均呈大幅上升的趋势[2]，而如何促进住户合理转变其用能行为以实现住宅建筑节能减排也受到越来越多的关注[3-4]。近年来，智慧城市、物联网和大数据等技术的迅速发展为广泛采集和深入分析住户用能行为相关数据提供了有效途径[5]。在此基础上，国内外学者从不同学科角度出发，针对住户用能行为自身特征、形成机制及行为节能引导策略设计等内容开展了较多研究[6-8]。同时，考虑到政府部门所制定和实施的节能减排政策措施会从宏观角度对住户用能行为产生不同方式和程度的影响[9]，部分学者也对相关政策措施制定及其实际应用效果进行了深入研究[10-11]，相应成果有力推动了住宅建筑节能减排工作的开展。然而，由于住户行为节能引导和相关政策措施制定会受到社会、经济和文化等多种因素共同影响，且两者之间存在一定的相互作用，对其进行深入研究时往往需要涉及工程学、心理学、经济学和管理学等多个学科的知识且学科跨度相对较大。而受学科视角相对单一所限，现有相关研究通常难以形成全面和准确的认识，导致无法长期有效地引导和促进住户行为节能。此外，当前尚缺乏从上述微观和宏观两个层面进行系统分析和综合考虑的理论及技术框架，也严重影响和制约了现有研究成果节能效应的充分发挥。因此，如何以系统科学的整体性思想为指导，协同运用多学科的知识和方法对住户行为节能引导和相关政策措施制定进行深入分析，在此基础上理清住户行为节能总体研究思路并构建相应综合研究框架，已成为亟待解决的问题。这对建立实用且高效的行为节能引导手段和形成完善的节能政策体系，从而适应未来智慧城市建设和推动住宅建筑节能减排可持续发展具有重要的科学指导意义。

基于此，本文首先以住户行为节能劝导设计为例探讨了如何有效促进住户合理转变用能行为，在此基础上进一步延伸至节能减排政策措施的科学合理制定以及两者之间的互动影响，梳理了智慧城市住户行为节能总体研究思路并设计了相应综合研究框架，最后对当前面临难点和未来研究趋势进行了分析和展望。

1住户行为节能及劝导设计

1.1住户用能行为

住户用能行为既包括使用不同耗能设备的直接用能行为，也包括对住宅建筑运行能耗产生间接影响的在室行为(如室内人员数量变化)和适应性行为(如开关窗户和调节衣着)[12]。由于住户用能行为具有多样性和随机性等特点，其变化规律及对住宅建筑运行能耗的影响极为复杂[13]。因此，为满足建筑、环境和电力等工程领域应用需求，大量学者从不同角度对住户用能行为及相应能耗进行了较为广泛的研究。就直接用能行为而言，现有研究主要是通过能耗计量装置采集和分析不同设备能耗数据从而推断其发生规律(如发生时间和持续时长)，再基于数理统计分析方法和数据挖掘技术等进行深入分析[14]。研究重点包括住户用能行为影响因素确定、典型模式识别和用能行为关联分析[15-17]，以及在此基础上进一步进行的能耗预测和能耗基准评价等[18-19]。同时，部分学者通过问卷调研和仪器测量等手段对住户在室行为和适应性行为也进行了较多的研究，研究重点包括在室人数预测、适应性行为驱动因素分析和未来变化趋势预测等[20-22]。

上述研究加深了对住户用能行为变化规律及其对能耗影响的理解，相应成果可为住宅建筑节能减排工作的开展提供有效分析方法和工具。然而，就研究背景和目的而言，现有研究主要侧重于满足建筑节能设计和电网需求侧管理等不同工程技术领域中具体应用需求，而对如何将所获取的用能行为相关知识合理反馈给住户以引导其实现有效行为节能涉及较少。此外，受学科视角和领域知识所限，现有研究在数据采集和分析过程中对住户用能行为形成机制等因素往往未能加以充分考虑，也阻碍了相应成果在住户行为节能中的有效应用。为解决上述问题，有必要在借鉴和发展现有研究成果基础上，通过有机结合不同学科相关知识对用能行为形成机制等因素进行充分考虑，从而为有效引导住户行为节能提供技术支撑。

1.2行为模型及劝导设计

深入理解行为形成机制及相应驱动因素是有效影响和促使行为发生改变的关键和基础[23]。针对此，心理学和经济学等领域学者进行了大量的相关研究，建立了不同的行为理论模型并被广泛应用于各种领域[24-27]。其中，Fogg[28-29]提出的FBM(Foggbehaviormodel)行为模型和劝导设计近年来受到了较多的关注。FBM行为模型认为达成目标行为发生的三个要素为充足的动机(包括愉悦/痛苦、希望/恐惧和社会接受/拒绝)、执行该行为的能力(包括时间、财力、体力、脑力、社会偏好和非常规)以及根据用户动机和能力所选择的触发方式(包括适用于同时具备动机和能力用户的信号方式、适用于具备动机而缺乏能力用户的促进方式和适用于缺乏动机用户的火花方式)[28,30]。而劝导设计则是以该模型中动机、能力和触发方式等要素为切入点，在设计过程中通过分析评估用户意图等手段实现劝导用户改变其行为或态度的目的[31-32]。

劝导设计在商业和健康等领域已得到了较为广泛的应用[33]。近年来有学者对其在住户行为节能策略设计和产品开发中的应用进行了初步研究，具体方法是在监测和分析不同设备能耗等数据的基础上，通过开发计算机反馈支持系统将相应用能信息提供给住户，并结合邮件提醒等触发方式促进住户实现行为节能[8,34]。研究结果显示劝导设计的应用在一定程度上可提升住户行为节能的效果，具有较好的应用前景。然而，受住户自身及其用能行为复杂性所限，上述研究对住户用能行为相关数据分析还不够深入，导致无法识别出异常用能行为并向用户提供对应节能措施，所提供的主要是不同设备的能源消耗、运行费用以及相应环境影响等相对简单的信息;同时在设计过程中对住户节能动机和能力等要素考虑也不够充分，进一步阻碍了节能措施和相应触发方式的合理选择，严重制约了行为节能劝导的效果。针对此，有必要合理采用工程技术领域相关研究成果并充分考虑住户节能动机和能力，在精准识别住户异常用能行为的基础上合理选择节能措施和相应触发方式，从而实现对住户行为节能的有效劝导。

2节能减排政策措施

自20世纪80年代以来，随着能源和环境问题在我国的日益突出，各级政府部门研究并出台了一系列政策措施以推进节能减排目标的实现[35]。从作用机理和行为动力等角度，可将这些政策措施划分为行政命令型(如能效标识和节能产品认证)、经济激励型(如差别电价和节能产品财政补贴)、信息宣传型(如开通用电信息查询平台和开展节能宣传周活动)和自愿参与型(如建立志愿者组织和开展社区活动)等不同种类[36-37]。值得说明的是，行政命令型政策措施主要是针对家用耗能设备的生产环节，并通过住户购买相应设备间接影响其能耗[36,38]。

尽管现有的节能减排政策措施已取得了一定的成效，然而与发达国家相比，我国节能减排政策措施起步较晚，内容尚不够完善，尤其是在生活领域引导住户节能减排行为的政策措施还相对较少[37]。同时，由于住户用能行为相关数据的广泛采集较为困难且缺乏相应分析方法，现有相关政策措施在制定过程中通常未对住户用能行为进行充分考虑[39]，往往导致其缺乏针对性和可操作性[40]，也无法实现对其预期节能效果的准确评估。随着物联网和大数据等技术的迅速发展，广泛采集住户用能行为相关数据在未来智慧城市中已成为可能[41]，这也为从宏观角度深入分析住户用能行为特征，进而科学合理地制定节能减排政策措施提供了基础。因此，就未来智慧城市建设和发展而言，有必要在充分考虑住户用能行为的基础上提升相关政策措施制定的科学性和合理性，以从根本上保证其作用的充分发挥。

3综合研究框架设计

3.1总体研究思路

智慧城市住户行为节能应在基于用能行为深入分析对住户进行劝导的同时，结合相关政策措施的制定综合考虑。就住户行为节能劝导而言，考虑到单个住户通常会使用多个用能设备，且不同住户之间设备种类和用能习惯往往存在差异，在设计过程中应将每一住户作为独立个体，通过分析其用能行为相关数据精准识别出异常用能行为，并结合FBM行为模型判断住户节能动机强弱和能力高低，为其匹配适合的节能措施和相应触发方式。就节能减排政策措施制定而言，尽管所作用的对象是住户群体而非单一个体，但与住户行为节能劝导类似，其主要目的也是有效促进住户执行节能行为以实现最大程度的节能减排。

因此，在其制定过程中应对住户用能行为进行充分考虑，从宏观角度确定潜在作用对象和重点目标群体以提升其针对性;同时也可借鉴劝导设计的思想，结合住户节能动机和能力等要素对相关政策措施的可能影响范围进行判断，并通过对其预期节能效果进行准确评估以选择出合适的政策措施实施。此外，在从住户行为节能和相关政策措施两个层面分别进行劝导和制定的基础上，还应进一步从两者之间互动关系和作用机制出发，通过充分发挥两者之间积极影响形成相互促进的良性循环，从而实现住宅建筑行为节能的可持续发展。

3.2综合研究框架设计

基于上述研究思路，本文从住户行为节能劝导和相关政策措施制定以及两者相互影响出发，构建了跨学科视角下智慧城市住户行为节能综合研究框架，如图1所示。

3.2.1住户行为节能劝导

采集住户用能行为相关信息和数据是实现基于劝导立场的住户行为节能策略设计和相应产品开发的基础。一般而言，所采集的数据主要包括以下三类：第一类为住户用能行为影响因素，如物理环境因素(如室内温度和湿度)、社会经济因素(如教育和收入水平)和主观心理因素(如节能和环保意识)等[15];第二类为包括直接用能行为、在室行为和适应性行为在内的住户用能行为数据;第三类为住户用能设备数据，如设备品牌、型号和功率等。值得强调的是，由于劝导设计的核心流程是建立在运用FBM模型判断住户节能动机和能力的基础上，因此在对数据采集系统进行设计时应注意涵盖该模型中各种动机和能力要素。此外，考虑到同一用能设备从不同角度出发通常具有不同的节能措施，为便于后续节能措施选择和相关产品开发，还有必要预先建立一个包括各种用能设备不同角度节能措施的信息库以供选择。

在完成数据采集的基础上，应对其进行深入分析以识别出住户异常用能行为并确定适合的节能措施，从而为住户行为节能劝导提供具体对象和路径。其中，异常用能行为的识别可通过住户能耗基准评价加以实现。近年来，在该研究方向上工程技术等领域已有较多相关成果可供借鉴和采用。例如，国内外学者使用统计概率分析和数据挖掘等技术开发出一系列能耗基准评价方法和工具，能够从住户自身历史能耗纵向比较和不同住户能耗横向比较两个维度分析用能行为规律，进而精准定位异常用能行为[42-43]。在识别出住户异常用能行为和相应设备后，应进一步对所建信息库内对应措施进行评估，并筛选出兼具有效性和可行性的节能措施供住户采用。为实现该目标，在节能措施评估过程中既需基于用能设备数据对其预期节能效果加以计算，也需结合住户节能动机和能力分析合理量化其被实际采用的概率，最后再通过综合权衡筛选出若干适合的节能措施。

在此基础上，应进一步结合所采集数据对住户完成上述节能措施所需的动机强弱及能力高低进行判断和匹配，并采用合适的触发方式对住户进行劝导。以出现空调异常用能情况的住户为例，其触发方式的选取就应有所差异。例如，针对空调设备能效过低、节能环保意识较强且经济能力较好的强动机高能力住户，可采用信号触发方式通过发送相关信息提醒其更换合适的高能效空调;针对空调使用不当、强烈希望降低能耗但又对家用设备正确使用知识了解不足的强动机低能力住户，可采用促进触发方式向其提供空调使用指导以降低执行节能行为的能力需求;针对缺乏节能动机但拥有足够能力且乐于参与社会比较的弱动机高能力住户，可通过向其提供所在区域住户用能排名等手段，促使其产生节能动机并主动执行相应空调节能行为。针对弱动机低能力的住户，则需要以上多种方式相结合以同时提升其节能动机和能力。

3.2.2节能减排政策措施制定

上述住户用能行为相关数据的广泛采集和深入分析为政府部门更加科学合理地制定节能减排政策措施提供了基础。同时，考虑到不同地区气候条件、资源优势、经济水平和社会文化等有所不同，各级政府部门不同阶段的能源规划和财政预算等条件要素也有所差异，在制定节能减排政策措施时还应对相关数据进行采集和分析以做到因地因时制宜。此外，为充分借鉴既有实践经验和提高制定效率，有必要通过对国内外节能减排政策措施及其调节效应的广泛调研和深入分析，预先建立一个信息库以供参考和选择。

在完成数据采集和信息库建立后，为提升待制定政策措施的针对性，政府部门可从宏观角度对住户异常用能行为及相应节能潜力进行分析，并结合自身条件要素确定具有较大潜力的异常用能行为和相应住户作为潜在作用对象和重点目标群体。针对所确定的潜在作用对象，考虑到不同政策措施所涉及和影响的用能行为往往不同，应从所建信息库中选取与其相关性较高的部分政策措施作为备选，以确保所制定政策措施具备较强的可操作性。在此基础上，政府部门应进一步结合地域特征和自身条件要素对备选政策措施具体内容不断加以调节变化，同时还应结合重点目标群体中住户的节能动机和能力判断出可能影响范围，以实现对每次调节变化后不同备选政策措施及其组合预期节能效果的准确评估。在上述不断调节变化和评估的基础上，政府部门可最终筛选出预期节能效果最佳的若干政策措施加以投放和实施。

3.2.3互动影响和相互促进

住户行为节能劝导和节能减排政策措施制定之间存在一定的互动影响，为实现住宅建筑行为节能的可持续发展，应在充分发挥两者之间积极影响的基础上实现两者相互促进。例如，住户用能行为可能随着节能减排政策措施的实施发生相应变化，政府部门可通过宏观分析住户用能行为相关数据对所制定政策措施的实际应用效果加以追踪评估，并根据评估结果对其具体内容进行进一步调整和改善。与此同时，考虑到节能减排政策措施会对住户节能能力和动机以及可选择的节能措施产生一定影响，在住户行为节能劝导过程中应结合政策措施的制定和实施，对住户用能行为相关数据和节能措施信息库进行及时更新，在此基础上向住户提供更加适合的节能措施并选择相应触发方式，从而助力住户实现长期高效的行为节能。

4结论

本文以住户用能行为作为切入点，基于跨学科视角对住户行为节能劝导设计的相关问题进行了探讨，在此基础上延伸至政府部门节能减排政策措施的科学合理制定以及两者之间的互动影响,提出了总体研究思路并初步设计了相应综合研究框架，可为未来智慧城市建设和住宅建筑节能减排可持续发展提供科学指导。考虑到住户行为节能劝导和相关政策措施制定涉及因素较多，当前对两者之间互动影响的研究相对较少，基于上述思路和框架引导和促进住户行为节能时仍存在诸多难点，主要体现在以下三个方面。

第一，住户行为节能动机和能力往往受经济、文化和心理等多种复杂因素的共同影响，且与用能行为种类密切相关，如何通过采集相关数据针对不同类别的动机和能力要素进行量化分析和准确判断较为困难，目前尚缺乏相应的研究和有效的方法。同时，现有节能行为触发方式和手段较为有限，难以适应住户自身特征及其用能行为种类多样性的需求，也将对住户行为节能劝导及相应效果提升形成一定的制约。

第二，为实现因地因时制宜，政府部门在节能减排政策措施制定过程中需结合地域特征及自身条件要素等影响因素进行综合考虑，而上述影响因素除复杂多样外，往往还具有不确定性强和难以量化等特点，如何通过采集相关数据对其进行量化分析较为困难。同时，在分析和评估过程中可能还会涉及电力供应商、用能设备厂商和物业管理公司等多个利益主体，而各利益主体引导住户节能减排的动机强弱程度往往有所差异[44]，也进一步加大了相应难度。

第三，在实现住户行为节能劝导和相关政策措施制定两者相互促进的过程中，如何对政策措施的短期和长期应用效果进行追踪评估较为困难。住户采用节能行为通常是包括政策措施在内的多种因素共同作用的结果，且其自身还可能具有一定的随机性。此外，针对同一节能行为，可能有不同政策措施同时发挥作用。因此，准确评估节能减排政策措施的实际应用效果是难点，现有相关研究仍相对较少，尚缺乏有效的理论和技术支撑。综上所述，为了有效开展住户行为节能劝导和相关政策措施制定，未来研究应重点集中在建立住户节能动机和能力要素以及节能减排政策措施影响因素的量化分析方法，并针对住户及其用能行为多样性特征开发实用且高效的新型触发方式和手段;在此基础上，还应进一步加强住户行为节能劝导和相关政策措施制定两者之间的互动作用机制研究，建立节能减排政策措施实际应用效果的准确评估方法，为推动两者相互促进从而助力住户实现长期高效行为节能提供理论基础和技术支持。

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