聰明與智慧之爭:為什麼智慧建築是更佳選擇

作者 : Barry Mulligan,ADI 行銷經理

本文定義了「智慧建築」(intelligent building)這一個術語,討論現今影響智慧建築發展的驅動因素,並解釋如何利用新的乙太網路(Ethernet)技術將現有建築改造為智慧建築。

本文定義了「智慧建築」(intelligent building)這一個術語,討論現今影響智慧建築發展的驅動因素,並解釋如何利用新的乙太網路(Ethernet)技術將現有建築改造為智慧建築。

什麼是智慧建築?

1980年代初,「智慧建築」一詞最早出現在美國。位於華府(Washington, DC)的智慧建築機構(Intelligent Building Institution)提供定義如下:

智慧建築是整合各種不同系統的建築,採用協調的方式有效管理資源,盡可能提高技術性能、提升投資收益、降低營運成本和增強彈性。」

您可能聽說過「聰明反被聰明誤」這句話,但是否聽說過「智慧反被智慧誤」?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:「聰明人會說話,智者則善於傾聽。」同樣地,「聰明」建築和智慧建築之間的區別是,在「聰明」建築中,使用者對系統進行設定,使其以最符合使用者意願的方式運行。

然而,智慧建築具有適當的感測和處理能力,可以自行感知環境,然後自我設定程式,根據自己的判斷正確行事。為了實現這一目標,建築必須具備相關感測能力,以便在必要時盡可能獲取最多的外部環境資訊,並透過適當的通訊途徑將這些資料傳送回建築的「大腦」(可能位於本地或雲端),並在「大腦」中利用機器學習(ML)演算法處理這些資訊,最終決定採取相應行動。然後,此行動必須透過相同的通訊途徑傳達給各相關系統付諸執行。

智慧建築的發展現狀

如果您不幸迷失在荒野中或被困於孤島,那麼所謂的數字「3」法則將決定您能否倖存下來。根據這條法則,要想活下去,您必須做到3個小時找到棲身之處,3天找到飲用水,3週找到食物,否則將會面對死神降臨。在那種情況下,棲身之處是生存的首要條件;雖然我們目前可能不至於在荒野中迷失,但瞭解如何透過轉型智慧建築以滿足居住需求,這對於地球和人類的未來而言非常重要。

透過數位化進程,有助於新建築或現有建築實現智慧化。這個過程將影響建築運行和維護的因素轉化為數位訊號,以便即時測量並傳回建築的「大腦」進行分析,並加以管理。如何實現新建築或現有建築的數位化,從而提升能源效率和永續性,這是確保人類減少未來碳足跡的關鍵。

討論智慧建築的未來時,需要考慮四大關鍵領域:

  • 健康和安全:空間設計的目的是否在於提高居住者福祉?如果居住者感到安全,且其環境設計有助於改善其情緒和生活品質,工作效率將會隨之提升。在新冠肺炎(COVID-19)後疫情時代,隨著各行各業回到工作岡位,這一點顯得尤為重要。
  • 永續性:空間利用率是否達到減少碳足跡的要求?這一主題不僅因為節省能源開銷和減少維護成本而改善建築業主的生活,也為更多人帶來環境、經濟和社會效益。
  • 高彈性:空間設計是否考慮到未來需求,並經得起時間的考驗?今天的建築是為了持續150年或更長時間而建造。我們不知道未來會出現什麼創新或技術,但能夠為此預先做好規劃,讓建築的資訊技術(IT)和營運技術(OT)基礎設施得以因應未來的預期資料流量,隨著更多的系統開始上線並使用IP位址時,流量必然大幅上漲。
  • 經濟效益:如果沒有適當的財政激勵,進行變革將困難重重。金錢就是價值,透過使建築物智慧化,就能獲取價值。然而,在收穫成果之前,首先要投入資本。這需要創新的融資模式,讓建築業主將其建築升級為智慧建築。

以上四個方面可以透過建築自動化來實現。如今,建築自動化在很大程度上是以封閉和孤立的系統為基礎,在不影響或驅動其他系統的情況下獨立運作,執行自身功能。建築中的這些系統包括HVAC系統、照明、門禁、消防安全、電梯和在場偵測系統等。孤立的系統大多效率低,並導致更大的碳足跡。

接下來的章節將討論推動建築向智慧建築轉變的宏觀趨勢,以及投資智慧建築技術帶來的關鍵優勢。

為什麼需要智慧建築?

1以漏斗圖的方式,綜合展示了影響智慧建築的各種因素。它大致勾勒出驅動智慧建築需求的現代生態系統。首先,從全球宏觀趨勢開始,也就是城市化和氣候變化。

Figure 1. The funnel of influence for intelligent buildings.

1:智慧建築影響因素漏斗圖。

城市化指的是全球人口從農村地區遷移到城鎮地區,如城市。人們為了追求更美好的生活而遷移到城市。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。人口成長也促進了城市化;據估計,到2050年,超過65%的全球人口將生活在城鎮環境中;預計到2060年,全球建築樓層面積將翻倍增加;這相當於在40年裡的每個月份,全球都增加一個紐約市的規模。

氣候變化指的是全球或區域氣候模式改變,特別是自20世紀中後期開始的顯著變化,主要原因是化石燃料的使用導致大氣中的二氧化碳(CO2)濃度上升。國際能源署(IEA)估計,全球40%的CO2排放來自建築物,僅其運行和維護就造成了28%的排放。更令人不安的是,據估計,目前50%的建築能耗都被浪費了。近年來,建築能耗以及相應的CO2排放幾乎未曾放緩;這表示隨著越來越多的建築即將投入使用,除非能源效率提升,否則建築對環境的影響只會日益惡化。

許多具有影響力的智庫(如聯合國環境規劃署和世界銀行)目前都在關注提升建築能源效率的政策,為投資永續和智慧建築提供激勵措施,加強對舊建築進行改造,以滿足歐盟(EU)的永續發展標準。

為了履行因應氣候變化的義務,各國政府已經開始進行這些智庫建議的政策。作為「綠色協議」(Green Deal)政策的一部份,歐盟目前正為一個大型改造計劃提供資金。歐盟大約有2.2億棟建築,其中85%建於2001年之前,90%的現有建築在2050年仍將存在,改造基數巨大。歐盟的目標是到2030年改造3千萬棟建築。同樣地,美國的《基礎設施法案》(Infrastructure Bill)和《智慧建築加速法案》(Smart Buildings Acceleration Act)以及中國的五年規劃也有望在這些市場推動類似的舉措。

政府政策和建築法規推動了能源效率的改善,其中歐盟的《建築能效指令》(Energy Performance of Buildings Directive)即將更新。同樣地,美國利用ASHRAE標準推動監管合規性,其他國家/地區也陸續推出具體法規。

擁有綠色和智慧建築認證的建築也變得越來越普遍。在某些情況下,這是特定金融投資的要求,但大多數情況下,人們的共識是這些認證為建築的盈利潛力帶來了巨大的附加價值。LEED、BREEAM和EDGE都是眾所皆知的綠色認證,而中國的本土認證正在加快推進步伐。智慧建築認證仍是新鮮事物,但隨著TIA和UL共同組成SPIRE這一機構,認證也將變得更加普及。

從經濟角度看,這些對建築的潛在改善為更健康、更環保和更智慧的建築創造了附加價值。研究顯示,倫敦經過認證的建築相對於同一地區未經認證的建築,租金和售價高出4%。

從全球事件到全球經濟,建築的形態正在發生變化,主要的建築自動化公司注意到了這一點。例如,在每季營收發佈的同時,這些公司也報告為客戶減少的CO2排放量達百萬噸級,同時強調要建造更環保、更健康的建築。建築自動化公司透過大規模的建築數位化實現減排,將智慧技術擴展到邊緣節點,收集更多智慧資料,並在多個建築系統中提供更多可行洞察,允許微調和最佳化每座建築物的性能,以確保盡可能提高能源效率和永續性。

如何實現智慧建築

如今,大多數建築都配置了建築管理系統(BMS)。這些系統包括與所執行功能有關的獨立子系統,即照明、HVAC、門禁等。為了讓這些建築智慧化,並不是簡單地推倒重來,然後安裝全新的基礎設施。因為這樣做,成本會非常驚人。建築改造市場有賴於半導體產業提供技術,以促成現有基礎設施數位化,並連接各個分離的建築系統。2充份說明如何利用多種技術和通訊協定將傳統的BMS系統改造為智慧建築。

Figure 2. Intelligent building infrastructure.

2:智慧建築基礎設施。

乙太網路(Ethernet)是一種常見的協定,透過高資料率實現我們的日常生活和業務,但在支援的距離和拓撲結構方面能力有限。如果能在簡單的電纜上運行乙太網路和IP,例如使用支援1km距離的單條雙絞線會產生什麼結果?這將提供從雲端到邊緣節點的全程無縫連接,從而融合IT和OT世界,打破現有系統形成的孤島——即可能收集資料,但無法採取行動,也無法產生有價值的洞察。

10BASE-T1L是實現邊緣連接的關鍵技術之一;該協定支援從雲端直到邊緣節點的無縫連接,支援可定址的IP邊緣節點,從而允許從任何地方進行即時可操作控制。當網路簡化了,安裝和維護也隨之簡化,我們將能夠輕鬆匯整和解讀數據,透過如此強大的無縫控制降低擁有成本。在那些過去可能只具備簡單類比感測功能之處,如今可以加入智慧。透過數位化邊緣以及產生更多的智慧資料,就能使整個建築實現數位化。

2019年,10BASE-T1L經IEEE批准成為802.3cg標準。ADI是該委員會的成員,在推動這項新標準方面發揮重要影響力。該標準的關鍵要素是透過單條電纜提供電力和資料,資料速率為10Mbps。在此情況下,電纜採用單條雙絞線,支援的傳輸距離為1km。值得注意的是,在建築物內部進行改造時,可以使用現有的雙絞線電纜。

相較於某些現有基礎設施(如RS-485),我們可以看到一些有效的改進。首先,資料速率在1km範圍內保持恆定,而不像RS-485那樣取決於距離。此外,10BASE-T1L支援無限的資料節點,而RS-485限於256個。10BASE-T1L的一個核心優勢是透過相同的單條雙絞線提供高達52W電源,與乙太網路供電(PoE)類似,而RS-485僅限於所謂的工程電源。

然而,RS-485在建築自動化中對於特定用例仍佔有一席之地。建築物並不會在一夜之間全面完成數位化轉型,所以在可預見的未來,10BASE-T1L需要與現有系統共存協作。我們在此看到,10BASE-T1L提供可延伸到邊緣的無縫IP連接,並與RS-485以及透過軟體配置的IO協作,為傳統架構服務。

雖然該標準提供了確保達到1km距離的指導原則,但對使用其他類型的電纜沒有任何限制,而這些電纜可能無法達到全距離要求。該標準允許採用遮罩和非遮罩電纜,這表示在大多數情況下,我們可以改造現有的佈線系統。如果能在1km佈線系統中明確指出問題所在,將具有明顯優勢。任何BMS系統營運商都很清楚,安裝、調校和維護一個包括數公里長纜線的系統需要付出諸多努力。所幸10BASE-T1L讓這一切成為可能,它能夠對合規性、鏈路品質以及佈線安裝和維護過程進行測試。

結論

全球變暖如今已導致多個物種滅絕,因此,推行智慧化建築對於減少過量碳排放意義重大。如果我們不謹慎因應,那麼下一個面臨生存危機的物種可能就是我們自己。智慧BMS提供所需的相關資料,協助就以下方面做出決策:永續性和效率、通訊、建築控制和自動化、勞動力健康以及安全與防護。這反過來也提高了建築市場的健康和安全水準、永續性、彈性和經濟效益。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年7月號雜誌

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