User-adaptive environment - Feasibility of sensors and applications for improving indoor energy efficiency, comfort and well-being

Thumbnail Image
Files
isbn9789526061016.pdf (9.78 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-03-20
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2015
Department
Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
159
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 26/2015
Abstract
The need to reduce energy consumption due to, e.g., environmental reasons has been a hot topic for decades. The user-adaptive environment is a concept that aims at improved indoor energy efficiency, indoor comfort and well-being. Adaptive conditions can be automatically adjusted at a general level based on the current need and fine-tuned locally by the space users themselves. The growth of the ageing population in developed countries creates an increased need for full-time assistance of nursing staff. User-adaptive features can also include health and activity monitoring that can be used to guarantee that help is available when needed. In this thesis, the performance of commercial visitor-counting sensors was tested in different settings. The feasibility of sensor applications, including detecting the room occupancy level, demand-controlled ventilation (DCV), and escalator performance analysis, was further evaluated. In the area of individual indoor comfort, methods and applications for local control of audio environment were reviewed. A position-independent, radar-based vital-signs detection system was evaluated as a well-being application. DCV that was based on visitor-counting sensors was found to provide notable savings in the energy consumption of room ventilation and heating. However, due to cumulative errors in the occupancy-level detection, counting-site-specific calibration factors or a detection algorithm should be used. Another option is a diverse sensor system with, e.g., measurement of carbon dioxide to complement the occupancy level detection. Visitor counting can also be combined with power consumption measurements to create a tool for escalator performance monitoring and periodical adjustment of its energy saving functions. Local control of the audio environment already has many applications in office environment and public facilities, like exhibitions. More research and product development is, however, needed to further improve the technical properties of loudspeaker technologies. Radar-based vital signs detection seem to have potential in room-scale vital-signs monitoring that is independent of the subject's lying position. The system could be used to provide improved safety with low obtrusiveness by using it in the nightly health monitoring of elderly people in care homes or intoxicated people in police custody. More comprehensive tests on the system, however, still have to be carried out. The presented sensors and applications can be combined to create a multimodal user-adaptive environment. Since all goals of the system cannot be achieved optimally at the same time, compromises and emphasizing the desired properties of the environment is often needed.

Tarve vähentää energian kulutusta mm. ympäristösyistä on ollut kuuma puheenaihe vuosikymmeniä. Käyttäjämukautuva ympäristö on konsepti joka tähtää samanaikaisesti parempaan sisätilojen energiatehokkuuteen, mukavuuteen ja hyvinvointiin. Mukautuvia olosuhteita voidaan hallita yleisellä tasolla automaattisesti senhetkiseen tarpeeseen perustuen ja paikallinen hienosäätö voidaan jättää käyttäjille. Teollisuusmaiden väestön ikääntyminen lisää tarvetta täysiaikaiselle hoiva- ja hoitotyölle. Käyttäjämukautuviin ominaisuuksiin voi myös kuulua terveyden ja aktiviteetin seurantaa, jolla voidaan taata avun saanti tarvittaessa. Tässä työssä testattiin kaupallisten kävijälaskenta-antureiden suorituskykyä eri koeasetelmissa. Lisäksi evaluoitiin anturisovellusten, tilan ihmismäärän tunnistaminen, tarpeeseen perustuva ilmanvaihdon säätely ja liukuportaiden suorituskyvyn analysointi, käyttökelpoisuutta. Yksilöllisen sisätilaviihtyvyyden alueella tarkasteltiin paikallisen ääniympäristön hallinnan menetelmiä ja sovelluksia. Hyvinvointisovelluksena testattiin asennosta riippumatonta tutkapohjaista elintoimintojen tunnistusmenetelmää. Kävijälaskenta-anturipohjaisen tarpeeseen perustuvan ilmanvaihdon hallinnan huomattiin mallinnuksessa tuovan huomattavia energiasäästöjä huoneen ilmanvaihdossa ja lämmityksessä. Anturien lukemien epätarkkuudesta johtuen paikkakohtaisia kalibrointikertoimia tai tunnistusalgoritmia on kuitenkin syytä käyttää. Toinen vaihtoehto on anturiyhdistelmä, jossa esim. hiilidioksidimittauksella täydennetään ihmismäärän tunnistamista. Kävijälaskenta voidaan myös yhdistää tehonkulutusmittaukseen, jolloin saadaan työkalu liukuportaiden suorituskyvyn seurantaan ja niiden energiansäästötoimintojen aikapohjaiseen säätöön. Paikallisen ääniympäristön hallinnalla on jo useita sovelluksia toimistoympäristössä sekä julkisissa tiloissa, kuten näyttelyissä. Kaiutinteknologioiden tekniset ominaisuudet kaipaavat kuitenkin vielä kehittämistä. Tutkapohjaisella tunnistuksella näyttäisi olevan potentiaalia makuuasennosta riippumattomassa huonetason elintoimintojen seurannassa. Järjestelmää voitaisiin käyttää hoivakodeissa asuvien senioreiden tai poliisin säilöön ottamien juopuneiden terveydentilan valvonnassa. Järjestelmälle pitää kuitenkin vielä suorittaa lisätestejä. Esitetyt anturit ja sovellukset voidaan yhdistää multimodaaliseksi käyttäjämukautuvaksi ympäristöksi. Koska kaikkia järjestelmän päämääriä ei voida samanaikaisesti saavuttaa optimaalisesti, pitää monesti tehdä kompromisseja ja painottaa haluttuja ympäristön ominaisuuksia.
Description
Supervising professor
Sepponen, Raimo, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Sepponen, Raimo, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
smart space, visitor counting sensor, demand-controlled ventilation, local control of audio environment, contactless detection of vital signs, älytila, kävijälaskenta-anturi, tarpeeseen perustuva ilmanvaihdon hallinta, paikallinen ääniympäristön hallinta, elintoimintojen kosketukseton havaitseminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Kuutti, K. H. Blomqvist, R. E. Sepponen, J. Kwak, and I. Kosonen, "Performance of commercial over-head camera sensors in recognizing patterns of two and three persons: A case study," in the 2013 IEEE Jordan Conference on Applied Electrical Engineering and Computing Technologies, Amman, Jordan, Dec. 3-5, 2013, pp. 1-6. doi:10.1109/AEECT.2013.6716432.
  • [Publication 2]: J. Kuutti, K. H. Blomqvist, and R. E. Sepponen, "Evaluation of visitor counting technologies and their potential for energy saving through demand-controlled ventilation," Energies, vol. 7, no. 3, pp. 1685-1705, Mar. 2014. doi:10.3390/en7031685.
  • [Publication 3]: J. Kuutti, P. Saarikko, and R. E. Sepponen, "Real time building zone occupancy detection and activity visualization utilizing a visitor counting sensor network," in the 2014 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, Porto, Portugal, Feb. 26-28, 2014, pp. 219-224. doi:10.1109/REV.2014.6784260.
  • [Publication 4]: J. Kuutti, R. E. Sepponen, and P. Saarikko, "Escalator power consumption compared to pedestrian counting data," in the 2013 International Conference on Applied Electronics, Pilsen, Czech Republic, Sep. 10-12, 2013, pp. 1-4.
  • [Publication 5]: J. Kuutti, J. Leiwo, and R. E. Sepponen, "Local control of audio environment: A review of methods and applications," Technologies, vol. 2, no. 1, pp. 31-53, Feb. 2014. doi:10.3390/technologies2010031.
  • [Publication 6]: J. Kuutti, M. Paukkunen, P. Eskelinen, and R. E. Sepponen, "A system for room-scale contactless monitoring of vital signs," in the International Conference ARCH14 on Research on Health Care Architecture, Espoo, Finland, Nov. 19-21, 2014, pp. 1-15.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6101-6
Collections
[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC