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“智慧”还是“聪明”:智能楼宇该怎么实现?

正所谓,“聪明人会说话,智者善于倾听。”而这同样适用在当今的楼宇建筑上。

“聪明反被聪明误”这句俗语广为熟知,但你一定没听过“智慧反被智慧误”。因为,聪明≠智慧,两者之间存在着明显区别。正所谓,“聪明人会说话,智者善于倾听。”而这同样适用在当今的楼宇建筑上。8vHesmc

“聪明”楼宇和智能楼宇之间的区别是,在“聪明”楼宇中,用户将对系统进行设置,使其以最符合用户意愿的方式运行。然而,智能楼宇具有适当的传感和处理能力,可以自行感知环境,并自我设置,根据自己的判断正确行事。8vHesmc

什么是智能楼宇?

80年代初,“智能楼宇”一词最早出现在美国。华盛顿的智能楼宇机构(Intelligent Building Institution)给出的定义如下:智能楼宇是集成了各种系统的建筑,采用协调的方式有效管理资源,尽可能提高技术性能、提升投资收益、降低运营成本和增强灵活性。8vHesmc

为了实现这一目标,建筑必须具备相关传感能力,以便在必要时获取尽可能多的外部环境信息,通过适当的通信途径将这些数据传送回建筑的“大脑”(可能位于本地或云端),并在“大脑”中利用机器学习算法处理这些信息,最终决定采取相应行动。而这些行动必须通过相同的通信途径传达给各相关系统,以便执行。8vHesmc

智能楼宇的发展现状

如果不幸迷失在荒野中或被困于孤岛,那么所谓的数字“3”法则将决定能否幸存下来。根据这条法则,要想活下去,必须做到3个小时找到栖身之处,3天找到饮用水,3周找到食物,否则将会面对死神降临。在那种情况下,栖身之处是生存的首要条件;虽然目前可能不至于在荒野中迷失,但了解如何通过转向智能楼宇来满足人们的居住需求,这对于地球和人类的未来而言,至关重要。8vHesmc

通过数字化进程,人们可以实现新建筑或现有建筑的智能化。这个过程将影响建筑运行和维护的因素转化为数字信号,以便实时测量并传回建筑的“大脑”进行分析,并加以管理。如何实现新建筑或现有建筑的数字化,从而提高能源效率和可持续性,是确保人类减少未来碳足迹的关键。因此,在讨论智能楼宇的未来时,需要考虑四大关键领域:8vHesmc

  • 健康和安全:空间设计是否旨在提高居住者福祉?如果居住者感到安全,并且环境设计有助于改善其情绪和生活质量,工作效率将会随之提高。在新冠后疫情时代,随着各行各业返工复产,这一点显得尤为重要。
  • 可持续性:空间利用率是否达到了减少碳足迹的要求?这一主题不仅通过节省能源开销和减少维护成本来改善楼宇业主的生活,而且还会为更多的人带来环境、经济和社会效益。
  • 高弹性:空间设计是否考虑到未来需求,并经得起时间的考验?今天的建筑是为了持续150年或更长时间而建造。即便不知道未来会出现什么创新或技术,但可以做好规划,让建筑的信息技术(IT)和运营技术(OT)基础设施能够应对未来的预期数据流量,随着更多的系统开始上线并使用IP地址时,流量必然大幅上涨。
  • 经济效益:如果没有适当的财政激励,实施变革将困难重重。金钱就是价值,通过使建筑物智能化,让价值提升成为可能。然而,在收获成果之前,首先要投入资本。需要创新的融资模式帮助楼宇业主将其建筑升级为智能楼宇。

以上四个方面可以通过楼宇自动化来实现。如今,楼宇自动化在很大程度上基于封闭和孤立的系统,在不影响或驱动其他系统的情况下独立工作,执行自身功能。建筑中的这些系统包括HVAC系统、照明、门禁、消防安全、电梯和占用检测系统等。孤立的系统大多效率低下,并导致更大的碳足迹。8vHesmc

为什么需要智能楼宇?

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图1.智能楼宇影响因素漏斗图8vHesmc

图1以漏斗图的方式,综合展示了影响智能楼宇的各种因素。它大致勾勒出驱动智能楼宇需求的现代生态系统。首先,从全球宏观趋势开始,也就是城市化和气候变化。8vHesmc

城市化指的是全球人口从农村地区迁移到城镇地区,如城市。人们为了追求更美好的生活而迁移到城市。城市提供就业前景,以及更好地获得商品、服务、医疗保健和教育的机会。人口增长也促进了城市化;据估计,到2050年,超过65%的全球人口将生活在城镇环境中。据预测,到2060年,全球建筑楼层面积将翻一倍;这相当于在40年的每个月世界都增加一个纽约。8vHesmc

气候变化指的是全球或区域气候模式改变,特别是自20世纪中后期开始的显著变化,主要原因是化石燃料的使用导致大气中的二氧化碳水平上升。国际能源署估计,全球40%的二氧化碳排放来自建筑,仅建筑的运行和维护一项就造成了28%的排放。3 令人不安的是,据估计,目前50%的建筑能耗都被浪费了。近年来,建筑能耗以及相应的二氧化碳排放几乎没有放缓;这表明,随着越来越多的建筑即将投入使用,除非能源效率提高,否则建筑对环境的影响只会日益恶化。8vHesmc

许多有影响力的智库(如联合国环境规划署和世界银行)目前都在关注旨在提高建筑能源效率的政策,为投资可持续和智能楼宇提供激励措施,加强对旧建筑进行改造,以满足当前欧盟的可持续发展标准。8vHesmc

为了履行应对气候变化的义务,各国政府已经开始实施这些智库建议的政策。作为“绿色协议”政策的一部分,欧盟目前正在为一个大型改造项目提供资金。欧盟大约有2.2亿栋建筑,其中85%建于2001年之前,90%的现有建筑在2050年仍将存在,改造基数巨大。欧盟的目标是到2030年改造3000万栋建筑。同样,美国的《基础设施法案》(Infrastructure Bill)和《智能楼宇加速法案》(Smart Buildings Acceleration Act)以及中国的五年规划也有望在这些市场推动类似的举措。58vHesmc

政府政策和建筑法规推动了能源效率的改善,其中欧盟的《建筑能效指令》(Energy Performance of Buildings Directive)即将更新。同样,美国利用ASHRAE标准推动监管合规性,其他国家/地区的具体法规也在陆续出台。8vHesmc

拥有绿色和智能楼宇认证的建筑也变得越来越普遍。在某些情况下,这是特定金融投资的要求,但大多数情况下,人们的共识是这些证书为建筑的盈利潜力带来了巨大的附加价值。LEED、BREEAM和EDGE都是众所周知的绿色证书,而中国的本土认证正在加快推进步伐。智能楼宇认证仍是新鲜事物,但随着TIA和UL共同组成SPIRE这一机构,认证也将变得更加流行。8vHesmc

从经济角度看,这些对建筑的潜在改进为更健康、更环保和更智能的建筑创造了附加价值。研究表明,伦敦经过认证的建筑相对于同一地区未经认证的建筑,租金和售价高出4%。8vHesmc

从全球事件到全球经济,建筑的形态正在发生变化,主要的楼宇自动化公司注意到了这一点。ADI注意到,公司在报告季度收入的同时,也报告了公司为客户减少的二氧化碳排放量达百万吨级,同时强调要建造更环保、更健康的建筑。楼宇自动化公司通过大规模的建筑数字化和系统数字化实现减排,将智能技术扩展到边缘节点,收集更多智能数据,并在多个建筑系统中提供更多可行洞察,允许微调和优化每座建筑物性能,以确保尽可能提高能源效率和可持续性。8vHesmc

如何实现智能楼宇

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图2.智能楼宇基础设施8vHesmc

如今,大多数建筑都配置了建筑管理系统(或BMS)。如前文所述,这些系统包括与所执行的功能有关的互不相连的特定子系统,即照明、HVAC、门禁等。要使这些建筑智能化,并不是简单地推倒重来,然后安装全新的基础设施。因为这样做,成本会非常惊人。建筑改造市场有赖于半导体行业提供技术,以促成现有基础设施数字化,并连接各个分离的建筑系统。图2是一个很好的例子,充分说明如何利用多种技术和通信协议将传统的BMS系统改造为智能楼宇。8vHesmc

以太网是一种常见协议,它通过高数据率助力日常生活和业务,但在支持的距离和拓扑结构方面能力有限。如果能在简单的电缆上运行以太网和IP,比如使用支持1公里距离的单条双绞线,结果会怎样?这将提供从云端到边缘节点的全程无缝连接,从而融合IT和OT世界,打破现有系统形成的孤岛,而在这些孤岛中,可能会收集数据,但无法采取行动,也不能产生有价值的洞察。8vHesmc

10BASE-T1L是实现边缘连接的一项关键技术;该协议支持从云端一直到边缘节点的无缝连接,支持可寻址的IP边缘节点,从而允许从任何地方进行实时可操作控制。当网络简化了,安装和维护也随之简化,数据将能够轻松被汇总和解读,通过如此强大的无缝控制降低拥有成本,那些原来可能只具备简单模拟传感功能的地方,现在可以被赋予智能。通过数字化边缘以及生成更多的智能数据,让整个建筑实现数字化成为可能。8vHesmc

2019年,10BASE-T1L经IEEE批准成为802.3cg标准。ADI是该委员会的成员,在推动这一新标准方面发挥了重要影响力。该标准的关键要素是通过单条电缆提供电力和数据,数据速率为10Mbps。在这种情况下,电缆采用单条双绞线,支持的传输距离为1公里。值得注意的是,在建筑物内部进行改造时,可以使用现有的双绞线电缆。8vHesmc

与某些现有基础设施(如RS-485)相比,可以看到一些切实有效的改进。首先,数据速率在1公里范围内保持恒定,不像RS-485那样取决于距离。此外,10BASE-T1L支持无限的数据节点,而RS-485限于256个。10BASE-T1L的一个核心优势是通过相同的单条双绞线提供高达52 W电源,与POE(以太网供电)类似,而RS-485仅限于所谓的工程电源。8vHesmc

然而,众所周知,RS-485在楼宇自动化中对于特定用例仍然占有一席之地。楼宇不会在一夜之间全面完成数字化转型,所以在可预见的未来,10BASE-T1L需要与现有系统一起共存协作。10BASE-T1L提供可延伸到边缘的无缝IP连接,并与RS-485以及通过软件配置的IO协作,为传统架构服务。8vHesmc

虽然该标准提供了确保达到1公里距离的指导原则,但对使用其他类型的电缆没有做出任何限制,而这些电缆可能无法达到全距离要求。该标准允许采用屏蔽和非屏蔽电缆,这意味着在大多数情况下,可以改造现有的布线系统。如果能在1公里布线系统中明确指出问题所在,将具有明显优势。任何BMS系统运营商都很清楚,安装、调试和维护一个包括数公里电缆的系统需要付出诸多努力。幸运的是,10BASE-T1L让这一切成为可能,它能够对合规性、链路质量以及布线安装和维护过程进行测试。8vHesmc

结论

地球只有一个,而全球变暖已经导致很多物种灭绝,因此,推行智能化建筑对于减少过量碳排放意义重大。如果不小心应对,那么下一个面临生存危机的物种可能就是人类自己。智能BMS提供所需的相关数据,帮助人们就以下方面做出决策:可持续性和效率、通信、楼宇控制和自动化、劳动力健康和安全以及安保。这反过来提高了建筑市场的健康和安全水平、可持续性、弹性和经济效益。8vHesmc

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