사무실 건물에서 물리적 테라mostat과 소프트웨어 보강 테라mostat을 비교한 장기 연구: Genie
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📝 원문 정보
Title: Genie: A Longitudinal Study Comparing Physical and Software-augmented Thermostats in Office Buildings
ArXiv ID: 1601.07229
발행일: 2016-01-28
저자: Bharathan Balaji, Jason Koh, Nadir Weibel, Yuvraj Agarwal
📝 초록 (Abstract)
열선반은 사무실 건물의 입주자들이 편안함 선호를 표현할 수 있는 주요 인터페이스입니다. 그러나 접근성이 떨어지거나 정보가 부족하거나 반응성이 제한되어 있어 입주자의 불편을 초래하는 경우가 많습니다. 웹이나 스마트폰 앱 기반의 소프트웨어 열선반은 설치 비용이 적게 들면서도 입주자들에게 대안 인터페이스를 제공하지만, 실제 환경에서의 사용과 효과는 충분히 연구되지 않았습니다. 본 논문에서는 저희 대학에 21개월 동안 배치하고 연구한 새로운 소프트웨어 강화 열선반인 제니에 대해 설명합니다. 우리의 자료는 더 넓은 온도 조절을 사용자에게 제공하더라도 시스템 남용으로 이어지지 않으며 에너지 소비에는 미미한 영향만을 끼치고 편안함과 에너지 인식을 개선한다는 것을 보여줍니다. 우리는 사무실 건물에 소프트웨어 열선반을 더 많이 도입하면 편안함과 에너지 소비에 중요한 효과가 있을 것으로 믿으며, 그 구현 및 배치를 위한 주요 설계 권장사항을 제공합니다.
💡 논문 핵심 해설 (Deep Analysis)
This paper investigates a software-augmented thermostat called Genie, which aims to improve the interaction between occupants and HVAC systems in office buildings. Traditional thermostats are often poorly located or difficult for users to operate correctly, leading to discomfort among building occupants due to inadequate temperature control. The primary issue is that many users do not fully understand how to use these devices effectively.
Genie addresses this problem by providing a web-based interface through which occupants can access and modify HVAC settings more conveniently. This includes features such as the ability for users to provide thermal feedback directly to facility managers, display current weather conditions, adjust temperature settings within ±3°F, and control whether HVAC is active or not. The system also provides real-time energy usage data, allowing users to understand their impact on overall energy consumption.
Over a 21-month period in a university building, Genie was deployed and studied. Results showed that it significantly improved occupant comfort while having minimal effects on energy use. Users appreciated the clarity of information provided by the system, which helped them make informed decisions about HVAC settings. Additionally, feedback from users contributed to identifying faults within the HVAC system.
The significance of this study lies in its potential to enhance building management and occupant satisfaction through more intuitive and user-friendly HVAC controls. The insights gained can guide future design and implementation of similar systems, making it easier for facility managers to maintain efficient HVAC operations while ensuring a comfortable environment for occupants.
📄 논문 본문 발췌 (Translation)
# 서론
사무실 건물의 입주자들은 HVAC 시스템 (Heating, Ventilation 및 Air Conditioning)에 열선반을 통해 현재 방 온도와 HVAC 운영 여부 등 정보를 제공하고, 온도 설정을 조정할 수 있는 기능을 활용합니다. 사용자가 자신의 열환경을 유지하는 능력이 만족도에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀져 있어 이러한 장치가 정확하고 효과적이며 입주자들이 쉽게 이용할 수 있어야 함은 중요합니다. 또한, 열선반은 HVAC 운영에서 중요한 구성 요소로 작용하며 제어 시스템의 피드백 루프를 완성시키고 여러 종류의 HVAC 오류에 대한 통찰력을 제공합니다.
대부분의 건물에서는 일반적인 물리열선반의 변형을 사용하고 있으며, 이들이 직관적으로 사용할 수 있다고 가정합니다. 하지만 미국, 캐나다 및 핀란드에서 조사한 215개 건물 중 89%가 열적 편안함 기준에 미치지 못하는 것으로 나타났습니다. 특히 중요한 것은 이 조사에서 입주자의 불만족의 상위 다섯 가지 이유 중 세 가지가 열선반과 관련되어 있다는 점입니다: (a) 열선반이 접근하기 어렵다, (b) 열선반이 다른 사람들이 제어한다, 그리고 (c) HVAC 시스템이 열선반에서의 변경 사항에 충분히 빠르게 대응하지 못합니다. Meier 등은 오늘날 사용 가능한 다양한 열선반 설계를 연구했으며, 불량한 사용자 인터페이스와 입주자의 오해가 편안함과 HVAC 에너지 소비에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인했습니다.
소프트웨어열선반은 물리열선반의 대안을 제공합니다. 이들은 웹 서비스나 네이티브 앱을 통해 입주자들에게 HVAC 시스템에 접근할 수 있는 인터페이스를 제공하여 개인 맞춤형 설정을 통해 편안함을 극대화하게 합니다. Erickson 등은 대학 건물에서 사용자의 만족도를 25%에서 100%로 개선했던 네이티브 앱 피드백 시스템의 사용 사례를 보여주었습니다. 또한 물리열선반과 달리 소프트웨어열선반은 기존 HVAC 시스템 내에 점진적으로 배치될 수 있으며, 새로운 기능이나 제어 정책 업데이트로 지속적으로 업그레이드할 수 있습니다.
우리는 사용자들의 열선반 사용 및 그 효과를 조사하기 위해 Genie라는 소프트웨어 강화 열선반을 설계하고 배치했습니다. Genie는 전통적인 열선반이 제공하는 모든 기본 정보를 웹 애플리케이션에서 표시합니다. 소프트웨어 인터페이스가 물리열선반보다 풍부할 수 있기 때문에, Genie는 다음과 같은 추가 기능을 지원합니다: (i) 입주자가 건물 관리자에게 열적 피드백을 보내는 능력, (ii) 현재 날씨 상태 표시, (iii) 현지 온도를 ±3°F까지 조절할 수 있는 확장된 수준의 제어, 및 (iv) 필요에 따라 HVAC 켜기/끄기 기능. 또한 Genie는 열 전달 방정식을 사용하여 각 열 영역의 에너지 소비량을 추정하고 그 결과를 해당 공간의 입주자에게 표시합니다.
Genie의 실제 사용을 연구하기 위해 저희 대학 건물(약 15만 제곱피트, 다섯 층)에 배치했습니다. Genie는 여러 달 동안 사용자들에게 사용되었으며 이 논문에서는 그 사용 분석을 상세하게 설명합니다. 또한 조사 및 인터뷰를 통해 Genie의 유용성과 사용 편의성을 평가합니다. 우리가 아는 한, 이는 대규모에서 물리열선반과 소프트웨어 사무실 열선반에 대한 첫 번째 장기 연구입니다.
기여
우리의 자료는 주요 설계 권장사항을 제공하는 몇 가지 중요한 발견을 보여줍니다. 대부분의 열선반이 거의 사용되지 않으며, 일부 열선반이 사용자 입력 없이 온도 설정을 잘못 변경하여 큰 불편함과 장비 손상을 초래한다는 것을 관찰했습니다. 또한 이전 연구에서 확인된 것처럼 입주자가 열선반 작동에 대한 오해를 가지고 있으며 불편할 때 우회 방법을 사용하는 점을 확인했습니다. 우리의 자료는 또한 입주자들이 추가 상태 정보와 HVAC 시스템에 대한 더 넓은 제어가 편안함에 도움이 되며, 전자 입주자의 편안함 피드백이 HVAC의 사용 특징 및 오류를 즉시 이해할 수 있게 한다는 것을 보여줍니다.
전체적으로 이 논문에서 제시한 연구는 사용자에게 더 넓은 열적 제어를 제공하더라도 시스템 남용으로 이어지지 않으며 에너지 소비에는 미미한 영향만을 끼치지만 편안함과 에너지 인식을 개선한다는 것을 나타냅니다.
HVAC 시스템에 대한 영향
Genie는 입주자들이 온도를 조절하고 필요할 때 HVAC 켜기/끄기를 더 자유롭게 할 수 있는 기능을 제공합니다. 건물 관리자의 입장에서 이 추가적인 유연성이 전체 에너지 소비량 증가 또는 HVAC 관리의 원래 설계 및 목적과의 편차를 초래할 수 있다는 위험이 있습니다. 이를 조사하기 위해 Genie와 물리열선반을 사용하여 제어 범위별로 에너지 소비량을 비교했습니다.
에너지 소비
우리는 먼저 Genie가 에너지 소비에 미친 영향에 대해 집중적으로 살펴보았습니다. 표 1은 주말과 평일의 에너지 소비를 각각 따로 비교한 것입니다. 평일 그래프는 Genie 존의 에너지 소비량이 열선반 존들과 유사함을 보여주며, 전체적으로 Genie 존들은 3.5%의 에너지를 절약합니다. 이 차이는 통계적으로 유의미하지 않지만 ($F_{1,70}=0.001,p=ns$), 주중에 Genie 사용이 더 많은 에너지 소비와 관련되어 있지 않다고 확신할 수 있습니다. 주말에는 Genie 존들이 평균적으로 더 많은 에너지를 소비하며, 이는 사용자가 주말에도 HVAC를 작동시키기 위해 자주 Genie를 활용하고 있다는 사실을 보여줍니다. 따라서 이러한 추가적인 에너지 소비는 입주자들의 편안함을 유지하는 데 기여합니다. 주말에는 Genie 존들이 열선반 존보다 31.6% 더 많은 에너지를 소비하지만 이 차이는 통계적으로 유의미하지 않습니다 ($F_{1,70}=2.59,p=0.11$). 평일과 주말을 모두 고려한 전체적인 에너지 소비를 비교하면 Genie 존들이 열선반 존보다 3.4% 더 많은 에너지를 소비하지만 이 또한 통계적으로 유의미하지 않습니다 ($F_{1,70}=0.092,p=ns$). 따라서 장기적으로 Genie 사용은 HVAC 에너지 사용에 큰 영향을 미치지 않았습니다.
Genie 및 열선반 존의 에너지 소비량 비교. 에너지 소비는 면적에 따라 정규화되어 방 크기 차이를 고려합니다. 창문과 같은 기타 혼란 요인은 무작위 분포로 가정됩니다.
온도 변화
온도 설정을 Genie에서 최대 ±6°F까지 변경할 수 있으므로 사용자가 온도 설정을 극한으로 변경하여 과도한 에너지 소비 또는 대기 유동의 큰 변동이 발생할 수 있습니다. 우리는 여러 존들에 걸쳐 월별 온도 설정의 편차를 비교했습니다. 놀랍게도 일부 물리열선반은 Genie보다 더 많은 편차를 보여주며, 최대 ±6°F 표준편차입니다. 이는 건물 관리자가 불편함을 해소하기 위해 열선반의 범위를 늘린 결과입니다. 사용자는 온도가 얼마나 변경되었는지 알 수 없으며, 열선반에 어떠한 표시도 없습니다. 전체 152개 중 63개의 열선반이 설계된 ±1°F보다 큰 범위로 설정되어 있으며, 건물 관리자가 이러한 열선반 변경을 추적하지 않습니다. 한편, Genie에서는 온도를 ±6°F까지 조정할 수 있지만 놀랍게도 대부분의 극단적인 변화는 약 ±4°F에 머무르고 있습니다. 표준 편차는 ±2.0°F이며, 이는 열선반보다 통계적으로 유의미한 차이입니다 ($F_{1,>>100}=95,p<0.0005$). 전반적으로 사용자에게 명확한 정보와 더 많은 제어를 제공하면 인터페이스에 표시되지 않는 슬라이더보다 전체적인 행동이 더 나은 결과를 보여줍니다.
