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为什么选择智慧建筑而不是智能建筑?

“智慧建筑,Intelligent Building一词于 80 年代初在美国首次使用,官方智慧建筑机构给出的定义是:

智慧建筑是集成各种系统以协调方式有效管理资源以最大化:技术性能、节省投资和运营成本以及灵活性。

您可能听说过“某人太聪明(smart)了”这句话,但您是否也听说过“某人太有智慧(intelligent)了”这句话?这是因为聪明与智慧之间有明显的区别。我最喜欢的一句话是“ Smart people talk, intelligent people listen. ”可以理解为于汉语中的“愚者善说,智者善听类似地,智能建筑和智慧建筑之间的区别在于,在智能建筑中,用户将对系统进行编程,使其以符合用户最佳意图的方式行事。但是,智慧建筑具有适当的传感和处理能力,可以自行检测周围环境,然后自行编程以执行其认为最佳的操作。

为了实现这一点,建筑必须具有相关的感知能力,以根据需要获取尽可能多的外部环境数据, 并通过适当的通信路径将这些数据传输回建筑的“大脑”(可以位于现场或云中),并利用其大脑中的机器学习算法来处理它得到的信息,从而决定采取最佳的行动。然后,通过相同的通信路径将操作发送回相关系统,以便执行。

智慧建筑的现状

如果你发现自己在荒野中迷失了方向或被困在荒岛上,那么,这三条原则会让你活下来。 为了生存,你有 3 小时寻找庇护所,3 天寻找水源,以及 3 周寻找食物,否则就会面临死亡 。在这种情况下,避难所是你生存的重中之重;然而,尽管我们可能不会迷失在荒野中,但如何通过转向智慧建筑来满足人类对避难所的需求,对我们的星球和人类的未来至关重要。

新建或现有建筑的智能化是通过数字化来实现的。这是将影响建筑物运行和维护的因素转化为数字信号的过程,这些数字信号可以实时测量,并传送回建筑物的大脑进行分析和管理。我们如何将新的和现有的建筑数字化,以使它们更节能和可持续,这是确保我们作为一个物种的未来碳足迹的关键。

在讨论智慧建筑的未来时,有四个关键领域需要考虑:

  • 健康与安全——空间的设计是否旨在提高居住者的幸福感? 如果居住者感到安全,他们的环境被设计来改善他们的情绪和生活质量,他们将会更有效率  [1]   。 随着人们返回办公室,这在 COVID-19 时代更为重要。
  • 可持续性——空间是否达到了减少碳足迹所需的效率?这一主题不仅通过节省能源费用和降低维护成本来改善业主的生活,而且还为更广泛的人群带来环境、经济和社会效益。
  • 弹性——空间的设计是否考虑到未来以经得起时间的考验?今天的建筑物可以使用 150 年或更长时间。我们不知道未来有哪些创新或技术有待发现,但我们可以进行规划,以便我们建筑物的信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 基础设施能够应对未来,如随着系统的增加带来的数据量的激增等等。
  • 经济性——没有正确的财政激励措施,很难实施变革。金钱就是价值,通过建造建筑物可以从建筑物中获得更多经济价值。然而,首先,在收获之前,需要进行资本投资。楼宇业主将楼宇升级为智慧楼宇,需要创新的融资模式。

这四个主题可以通过楼宇自动化来解决。今天,很多楼宇自动化主要基于封闭和孤立的系统,它们相互独立工作以执行其功能,而不会影响或关联其他系统。在建筑物中,这些系统包括 HVAC、照明、访问控制、火警、电梯和占用检测等等。孤立的系统在很大程度上效率低下,导致更大的碳足迹。

在接下来的部分中,我们将讨论推动向智慧建筑转变的宏观趋势以及投资智慧建筑技术可以带来的主要好处。

为什么我们需要智慧建筑?

为什么选择智慧建筑而不是智能建筑?

图 1. 智慧建筑的影响漏斗。

在图1中,我们有所谓的影响漏斗。这是一个生态系统的大致轮廓,智慧建筑的需求是如何在现代世界被驱动的。首先,我们从世界的宏观趋势开始,即城市化和气候变化。

城市化是世界人口从农村地区向城市地区迁移的过程。人们搬到城市是为了更好的生活方式。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,预计到 2050 年,全球 65% 以上的人口将生活在城市环境中。预计到 2060 年,全球建筑面积将翻一番,相当于每个月为世界增加了一个纽约,而且还将持续 40 年[2]

气候变化是全球或区域气候模式的变化,特别是从 20 世纪中后期开始的明显变化,主要归因于使用化石燃料产生的大气二氧化碳水平的增加。据IEA(国际能源机构)估计,全球 40% 的二氧化碳排放量可归因于建筑物,其中 28% 的排放量仅来自建筑物的运行和维护 [3]令人震惊的估计是,目前建筑物使用的能源中有 50% 被浪费了[4] 近年来,建筑物的能源消耗以及 CO 2排放量几乎没有趋于平稳,这表明随着更多建筑物的不断建成并投入运营,除非提高能源效率,否则建筑物对环境的影响只会越来越严重。

许多有影响力的智库,如联合国环境规划署和世界银行,现在都将重点放在提高建筑能源效率的政策上,为投资可持续和智慧建筑提供激励措施,以及改造旧建筑以满足当前的各地区可持续性标准。

受其应对气候变化义务约束的世界各国政府开始实施这些建议的政策。例如,作为其绿色交易政策的一部分,欧盟现在正在为一项大型改造计划提供资金。欧盟大约有 2.2 亿座建筑物,其中 85% 是在 2001 年之前建造的,90% 的现有建筑物将在 2050 年仍然存在,为改造提供了很大的基础。欧盟的目标是到 2030 年改造 3000 万座建筑。同样,美国也希望《基础设施法案》和《智能建筑加速法案》以及中国的 5 年计划将在这些市场推动类似的举措 [5]

政府政策和建筑法规通过即将更新的建筑能源绩效指令推动能源改进。同样,美国的 ASHRAE 标准正在推动法规遵从性,其他国家和地区的特定法规也即将推出。

建筑获得绿色和智能建筑认证也越来越普遍。在某些情况下,这是特定金融投资的要求,但大多数情况下,这些证书为建筑物的盈利潜力增加了巨大的溢价。LEED、BREEAM、EDGE都是知名的绿色认证,而且中国本土认证正在加快步伐。智能建筑认证较新,但随着 TIA 和 UL 共同组成 SPIRE,这也将变得更加流行。

通过对这些建筑潜在改进的经济效益进行分析,可以为更健康、更环保、更智能的建筑创造优势。例如,在伦敦,研究表明,在同一地区,经过认证的建筑的租金和销售收入比未经认证的建筑高出4%[6]。

从世界大事到世界经济,建筑的形状正在发生变化,顶级楼宇自动化公司也注意到了这一点。我们注意到,根据季度收入报告,报告为客户节省的 CO 2百万吨,同时强调更环保、更健康的建筑。这些楼宇自动化公司将如何实现这种节省是通过大规模的楼宇数字化和数字化,让智能一直延伸到边缘节点,收集更多智能数据,并在多个楼宇系统中产生更多可操作的见解,从而有机会进行微调和优化每个建筑物的性能,以确保最大的能源效率和最大的可持续性。

如何实现智慧建筑?

为什么选择智慧建筑而不是智能建筑?

图 2. 智慧建筑基础设施。

如今,大多数建筑物都有建筑物管理系统(BMS)。这些包括没有相互连接的子系统,这些子系统特定于它们执行的功能,如上面提到的照明、暖通空调、门禁等。要使这些建筑智慧化,并不是非要拆除它们并投入全新的基础设施,因为这样代价太昂贵了。半导体行业有责任利用能够将当前基础设施数字化,并能将单独的建筑系统相互连接的技术来支持改造建筑市场。图 2 是一个很好的例子,说明了多种技术和通信协议如何将传统 BMS 系统转变为智慧建筑。

以太网是一种通用协议,它使我们的日常生活和业务能够实现高数据速率,但它在可以达到的距离和可以支持的拓扑方面受到限制。如果我们可以在简单的电缆上运行以太网和 IP,例如 1 公里距离上的单双绞线,会怎样?这将提供从云到边缘节点的无缝连接,融合 IT 和 OT 世界以打破现有系统的孤岛,在这些孤岛中可能会收集数据但无法采取行动,也不会产生有价值的见解。

例如,10BASE-T1L 是实现边缘连接的关键技术——该协议允许从云一直到边缘节点的无缝连接,允许 IP 可寻址边缘节点,进而允许从任何地方进行实时可操作控制。拥有这种无缝控制将降低拥有成本,因为简化了网络,可以轻松汇总和解释数据,并且还简化了安装和维护。我们现在可以在过去可能存在简单模拟传感的地方添加智能。通过将边缘数字化并生成更智能的数据,我们可以将整个建筑数字化。

10BASE-T1L 于 2019 年被 IEEE 批准为 802.3cg。ADI 公司是该委员会的成员,在推动该标准方面发挥了重要作用。该标准的关键要素是通过数据速率为 10 Mbps 的单根电缆提供电力和数据——在这种情况下,电缆是单根双绞线,传输距离为 1 公里。重要的是要注意,对于建筑物内的改造,可以使用现有的双绞线电缆。

与一些现有的基础设施(例如 RS-485)相比,我们可以看到一些有效的改进。数据速率在 1 公里内保持恒定,并且不受限于 RS-485 的距离。此外,10BASE-T1L 的数据节点数量也不受限制,而 RS-485 的节点数量限制为 256 个。一个关键优势是通过相同的单根双绞线提供高达 52 W 的功率 — 与 POE 类似,但它仅限于我们所谓的 RS-485 工程功率。

然而,众所周知,RS-485 在特定用例的楼宇自动化中仍然占有一席之地。我们还了解,建筑物不会在一夜之间完成全面的数字化转型,因此在可预见的未来,10BASE-T1L 需要与现有系统协同工作。在这里,我们可以看到 10BASE-T1L 与 RS-485 和适用于传统架构的软件可配置 IO 并肩工作,提供无缝 IP 一直到边缘。

虽然该标准提供了确保满足 1 公里距离的指导方针,但对使用其他电缆没有任何限制,也要理解可能无法达到全距离。允许使用屏蔽和非屏蔽电缆,这意味着在大多数情况下可以进行改装。在 1 公里的布线中准确识别出问题的位置将是有利的。任何 BMS 系统操作员都完全了解安装、调试和维护具有数公里电缆的系统所涉及的工作。幸运的是,这可以通过 10BASE-T1L 实现,因为它可以进行合规性和链路质量测试,以及执行布线安装和维护测试的能力。

结论

由于全球变暖已经导致我们星球上的多种物种灭绝,因此将建筑智慧化的需求对于减少多余的碳排放非常重要。如果我们不小心,我们降可能会成为下一个 [7] 智能 BMS 提供决策所需的数据:可持续性和效率、通信、楼宇控制和自动化、员工健康和安全以及安保。这反过来又提高了建筑市场的健康和安全水平、可持续性、弹性和经济性。

参考文献:

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

 .” UN Department of Economic and Social Affairs, May 2018.

3 Edward L. Glaeser and Matthew E. Kahn. “.” National Bureau of Economic Research, August 2008.

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

5 “.” European Commission, October 2020.

6 Natasha Sadikin, Irmak Turan, and Andrea Chegut. “The Financial Impact .” 

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