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為什么選擇智慧建筑而不是智能建筑?

“智慧建筑,Intelligent Building一詞于 80 年代初在美國首次使用,官方智慧建筑機構給出的定義是:

智慧建筑是集成各種系統以協調方式有效管理資源以最大化:技術性能、節省投資和運營成本以及靈活性。

您可能聽說過“某人太聰明(smart)了”這句話,但您是否也聽說過“某人太有智慧(intelligent)了”這句話?這是因為聰明與智慧之間有明顯的區別。我最喜歡的一句話是“ Smart people talk, intelligent people listen. ”可以理解為于漢語中的“愚者善說,智者善聽。類似地,智能建筑和智慧建筑之間的區別在于,在智能建筑中,用戶將對系統進行編程,使其以符合用戶最佳意圖的方式行事。但是,智慧建筑具有適當的傳感和處理能力,可以自行檢測周圍環境,然后自行編程以執行其認為最佳的操作。

為了實現這一點,建筑必須具有相關的感知能力,以根據需要獲取盡可能多的外部環境數據, 并通過適當的通信路徑將這些數據傳輸回建筑的“大腦”(可以位于現場或云中),并利用其大腦中的機器學習算法來處理它得到的信息,從而決定采取最佳的行動。然后,通過相同的通信路徑將操作發送回相關系統,以便執行。

智慧建筑的現狀

如果你發現自己在荒野中迷失了方向或被困在荒島上,那么,這三條原則會讓你活下來。 為了生存,你有 3 小時尋找庇護所,3 天尋找水源,以及 3 周尋找食物,否則就會面臨死亡 。在這種情況下,避難所是你生存的重中之重;然而,盡管我們可能不會迷失在荒野中,但如何通過轉向智慧建筑來滿足人類對避難所的需求,對我們的星球和人類的未來至關重要。

新建或現有建筑的智能化是通過數字化來實現的。這是將影響建筑物運行和維護的因素轉化為數字信號的過程,這些數字信號可以實時測量,并傳送回建筑物的大腦進行分析和管理。我們如何將新的和現有的建筑數字化,以使它們更節能和可持續,這是確保我們作為一個物種的未來碳足跡的關鍵。

在討論智慧建筑的未來時,有四個關鍵領域需要考慮:

  • 健康與安全——空間的設計是否旨在提高居住者的幸福感? 如果居住者感到安全,他們的環境被設計來改善他們的情緒和生活質量,他們將會更有效率  [1]   。 隨著人們返回辦公室,這在 COVID-19 時代更為重要。
  • 可持續性——空間是否達到了減少碳足跡所需的效率?這一主題不僅通過節省能源費用和降低維護成本來改善業主的生活,而且還為更廣泛的人群帶來環境、經濟和社會效益。
  • 彈性——空間的設計是否考慮到未來以經得起時間的考驗?今天的建筑物可以使用 150 年或更長時間。我們不知道未來有哪些創新或技術有待發現,但我們可以進行規劃,以便我們建筑物的信息技術 (IT) 和運營技術 (OT) 基礎設施能夠應對未來,如隨著系統的增加帶來的數據量的激增等等。
  • 經濟性——沒有正確的財政激勵措施,很難實施變革。金錢就是價值,通過建造建筑物可以從建筑物中獲得更多經濟價值。然而,首先,在收獲之前,需要進行資本投資。樓宇業主將樓宇升級為智慧樓宇,需要創新的融資模式。

這四個主題可以通過樓宇自動化來解決。今天,很多樓宇自動化主要基于封閉和孤立的系統,它們相互獨立工作以執行其功能,而不會影響或關聯其他系統。在建筑物中,這些系統包括 HVAC、照明、訪問控制、火警、電梯和占用檢測等等。孤立的系統在很大程度上效率低下,導致更大的碳足跡。

在接下來的部分中,我們將討論推動向智慧建筑轉變的宏觀趨勢以及投資智慧建筑技術可以帶來的主要好處。

為什么我們需要智慧建筑?

為什么選擇智慧建筑而不是智能建筑?

圖 1. 智慧建筑的影響漏斗。點擊查看完整大小的圖片

在圖1中,我們有所謂的影響漏斗。這是一個生態系統的大致輪廓,智慧建筑的需求是如何在現代世界被驅動的。首先,我們從世界的宏觀趨勢開始,即城市化和氣候變化。

城市化是世界人口從農村地區向城市地區遷移的過程。人們搬到城市是為了更好的生活方式。城市提供就業前景以及更好地獲得商品、服務、醫療保健和教育的機會。人口增長也促進了城市化,預計到 2050 年,全球 65% 以上的人口將生活在城市環境中。預計到 2060 年,全球建筑面積將翻一番,相當于每個月為世界增加了一個紐約,而且還將持續 40 年[2]。

氣候變化是全球或區域氣候模式的變化,特別是從 20 世紀中后期開始的明顯變化,主要歸因于使用化石燃料產生的大氣二氧化碳水平的增加。據IEA(國際能源機構)估計,全球 40% 的二氧化碳排放量可歸因于建筑物,其中 28% 的排放量僅來自建筑物的運行和維護 [3]。令人震驚的估計是,目前建筑物使用的能源中有 50% 被浪費了[4] 。 近年來,建筑物的能源消耗以及 CO 2排放量幾乎沒有趨于平穩,這表明隨著更多建筑物的不斷建成并投入運營,除非提高能源效率,否則建筑物對環境的影響只會越來越嚴重。

許多有影響力的智庫,如聯合國環境規劃署和世界銀行,現在都將重點放在提高建筑能源效率的政策上,為投資可持續和智慧建筑提供激勵措施,以及改造舊建筑以滿足當前的各地區可持續性標準。

受其應對氣候變化義務約束的世界各國政府開始實施這些建議的政策。例如,作為其綠色交易政策的一部分,歐盟現在正在為一項大型改造計劃提供資金。歐盟大約有 2.2 億座建筑物,其中 85% 是在 2001 年之前建造的,90% 的現有建筑物將在 2050 年仍然存在,為改造提供了很大的基礎。歐盟的目標是到 2030 年改造 3000 萬座建筑。同樣,美國也希望《基礎設施法案》和《智能建筑加速法案》以及中國的 5 年計劃將在這些市場推動類似的舉措 [5]。

政府政策和建筑法規通過即將更新的建筑能源績效指令推動能源改進。同樣,美國的 ASHRAE 標準正在推動法規遵從性,其他國家和地區的特定法規也即將推出。

建筑獲得綠色和智能建筑認證也越來越普遍。在某些情況下,這是特定金融投資的要求,但大多數情況下,這些證書為建筑物的盈利潛力增加了巨大的溢價。LEED、BREEAM、EDGE都是知名的綠色認證,而且中國本土認證正在加快步伐。智能建筑認證較新,但隨著 TIA 和 UL 共同組成 SPIRE,這也將變得更加流行。

通過對這些建筑潛在改進的經濟效益進行分析,可以為更健康、更環保、更智能的建筑創造優勢。例如,在倫敦,研究表明,在同一地區,經過認證的建筑的租金和銷售收入比未經認證的建筑高出4%[6]。

從世界大事到世界經濟,建筑的形狀正在發生變化,頂級樓宇自動化公司也注意到了這一點。我們注意到,根據季度收入報告,報告為客戶節省的 CO 2百萬噸,同時強調更環保、更健康的建筑。這些樓宇自動化公司將如何實現這種節省是通過大規模的樓宇數字化和數字化,讓智能一直延伸到邊緣節點,收集更多智能數據,并在多個樓宇系統中產生更多可操作的見解,從而有機會進行微調和優化每個建筑物的性能,以確保最大的能源效率和最大的可持續性。

如何實現智慧建筑?

為什么選擇智慧建筑而不是智能建筑?

圖 2. 智慧建筑基礎設施。點擊查看完整大小的圖片

如今,大多數建筑物都有建筑物管理系統(BMS)。這些包括沒有相互連接的子系統,這些子系統特定于它們執行的功能,如上面提到的照明、暖通空調、門禁等。要使這些建筑智慧化,并不是非要拆除它們并投入全新的基礎設施,因為這樣代價太昂貴了。半導體行業有責任利用能夠將當前基礎設施數字化,并能將單獨的建筑系統相互連接的技術來支持改造建筑市場。圖 2 是一個很好的例子,說明了多種技術和通信協議如何將傳統 BMS 系統轉變為智慧建筑。

以太網是一種通用協議,它使我們的日常生活和業務能夠實現高數據速率,但它在可以達到的距離和可以支持的拓撲方面受到限制。如果我們可以在簡單的電纜上運行以太網和 IP,例如 1 公里距離上的單雙絞線,會怎樣?這將提供從云到邊緣節點的無縫連接,融合 IT 和 OT 世界以打破現有系統的孤島,在這些孤島中可能會收集數據但無法采取行動,也不會產生有價值的見解。

例如,10BASE-T1L 是實現邊緣連接的關鍵技術——該協議允許從云一直到邊緣節點的無縫連接,允許 IP 可尋址邊緣節點,進而允許從任何地方進行實時可操作控制。擁有這種無縫控制將降低擁有成本,因為簡化了網絡,可以輕松匯總和解釋數據,并且還簡化了安裝和維護。我們現在可以在過去可能存在簡單模擬傳感的地方添加智能。通過將邊緣數字化并生成更智能的數據,我們可以將整個建筑數字化。

10BASE-T1L 于 2019 年被 IEEE 批準為 802.3cg。ADI 公司是該委員會的成員,在推動該標準方面發揮了重要作用。該標準的關鍵要素是通過數據速率為 10 Mbps 的單根電纜提供電力和數據——在這種情況下,電纜是單根雙絞線,傳輸距離為 1 公里。重要的是要注意,對于建筑物內的改造,可以使用現有的雙絞線電纜。

與一些現有的基礎設施(例如 RS-485)相比,我們可以看到一些有效的改進。數據速率在 1 公里內保持恒定,并且不受限于 RS-485 的距離。此外,10BASE-T1L 的數據節點數量也不受限制,而 RS-485 的節點數量限制為 256 個。一個關鍵優勢是通過相同的單根雙絞線提供高達 52 W 的功率 — 與 POE 類似,但它僅限于我們所謂的 RS-485 工程功率。

然而,眾所周知,RS-485 在特定用例的樓宇自動化中仍然占有一席之地。我們還了解,建筑物不會在一夜之間完成全面的數字化轉型,因此在可預見的未來,10BASE-T1L 需要與現有系統協同工作。在這里,我們可以看到 10BASE-T1L 與 RS-485 和適用于傳統架構的軟件可配置 IO 并肩工作,提供無縫 IP 一直到邊緣。

雖然該標準提供了確保滿足 1 公里距離的指導方針,但對使用其他電纜沒有任何限制,也要理解可能無法達到全距離。允許使用屏蔽和非屏蔽電纜,這意味著在大多數情況下可以進行改裝。在 1 公里的布線中準確識別出問題的位置將是有利的。任何 BMS 系統操作員都完全了解安裝、調試和維護具有數公里電纜的系統所涉及的工作。幸運的是,這可以通過 10BASE-T1L 實現,因為它可以進行合規性和鏈路質量測試,以及執行布線安裝和維護測試的能力。

結論

由于全球變暖已經導致我們星球上的多種物種滅絕,因此將建筑智慧化的需求對于減少多余的碳排放非常重要。如果我們不小心,我們降可能會成為下一個 [7]。 智能 BMS 提供決策所需的數據:可持續性和效率、通信、樓宇控制和自動化、員工健康和安全以及安保。這反過來又提高了建筑市場的健康和安全水平、可持續性、彈性和經濟性。

參考文獻:

1 Juan Palacios, Piet Eichholtz, and Nils Kok. “Moving to Productivity: The Benefits of Healthy Buildings.” PLoS ONE, Vol. 15, No. 8, August 2020.

2 “68% of the World Population Projected to Live in Urban Areas by 2050, Says UN.” UN Department of Economic and Social Affairs, May 2018.

3 Edward L. Glaeser and Matthew E. Kahn. “The Greenness of Cities: Carbon Dioxide Emissions and Urban Development.” National Bureau of Economic Research, August 2008.

4 “Energy Use Overview.” Sustainable Energy Authority of Ireland, 2020.

5 “Questions and Answers on the Renovation Wave.” European Commission, October 2020.

6 Natasha Sadikin, Irmak Turan, and Andrea Chegut. “The Financial Impact of Healthy Buildings: Rental Prices and Market Dynamics in Commercial Office.” MIT Center for Real Estate, February 2021.

7 “Global Warming and Endangered Species Initiative.” Center for Biological Diversity.