以太网技术如何将现有建筑转变为智能建筑

本文定义了智能建筑一词，讨论了影响当今智能建筑的驱动因素，并解释了新的以太网技术如何将现有建筑转变为智能建筑。

什么是智能建筑？

“智能建筑”一词于80年代初在美国首次使用，华盛顿智能建筑机构给出的定义是：

智能建筑是集成各种系统以协调模式有效管理资源以最大化：技术性能;节省投资和运营成本;灵活性。

你可能听说过“某人太聪明了，为了自己的利益”，但你有没有听过“他们太聪明了，为了自己的利益”这句话？这是因为聪明和聪明之间有明显的区别。我最喜欢的一句话是“聪明人说话，聪明人听”。同样，智能建筑和智能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，使其以适合用户最佳意图的方式行事。然而，智能建筑具有适当的传感和处理能力，可以自行监听，然后对自身进行编程，以执行其认为最佳的操作。为了实现这一目标，建筑物必须具有相关的传感能力，以便根据需要尽可能多地利用外部环境，通过适当的通信路径进行通信。 将这些数据传输回建筑物的“大脑”（可以位于现场或云中），并在其大脑中传输机器学习算法，以处理它获得的信息，以指示采取最佳行动。然后，必须将操作传达回相关系统，以便通过相同的通信路径执行。

智能建筑的现状

如果你发现自己不幸地迷失在荒野或被困在荒岛上，那么三法则会让你活下去。这 规则规定，为了生存，你有 3 小时找到住所，3 天找到水，3 周找到食物，然后你才会死去。在这种情况下，庇护所是您生存的重中之重，然而，虽然我们目前可能不会迷失在荒野中，但我们如何通过转向智能建筑来满足人类对庇护所的需求对于我们的星球和人类的未来至关重要。通过数字化使新建筑或现有建筑智能化。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，这些信号可以实时测量并传达回建筑物的大脑进行分析，然后进行管理。我们如何将新建筑和现有建筑数字化，使其更加节能和可持续，是确保我们作为一个物种未来的碳足迹的关键。在讨论智能建筑的未来时，需要考虑四个关键领域：

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，并且他们的环境旨在改善他们的情绪和生活质量，他们将更有效率。1在 COVID-19 时代，随着人们重返办公室，这一点更为重要。

可持续性 - 空间是否与减少碳足迹所需的效率一样高？这一主题不仅通过节省能源费用和降低维护成本来改善建筑业主的生活，而且还为更广泛的人群带来了环境、经济和社会效益。

弹性 — 空间的设计是否考虑到了未来，以经得起时间的考验？今天的建筑可以使用150年或更长时间。我们不知道未来会发现哪些创新或技术，但我们可以进行规划，以便随着更多系统开始上线并实现 IP 寻址，我们建筑物的信息技术 （IT） 和运营技术 （OT） 基础设施能够处理未来预期的数据流量增长。

经济学——如果没有正确的财务激励措施，就很难实施变革。金钱就是价值，通过使建筑物智能化，可以从建筑物中获得价值。然而，起初需要资本投资才能收获储蓄。需要创新的融资模式，使建筑业主能够将他们的建筑升级为智能建筑。

这四个主题可以通过楼宇自动化来解决。如今，楼宇自动化主要基于封闭和孤立的系统，这些系统孤立地工作，以执行其功能，而不会影响或驱动到其他系统。在建筑物中，这些系统是HVAC，照明，访问控制，火灾报警，电梯和占用检测等等。孤立的系统在很大程度上效率低下，导致碳足迹更大。

在接下来的部分中，我们将讨论推动向智能建筑转变的大宏观趋势，以及投资智能建筑技术可以获得的主要好处。

为什么我们需要智能建筑？

它是生态系统的粗略轮廓，说明了现代世界如何驱动对智能建筑的需求。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等城市地区的迁移。人们搬到城市是为了更好的生活方式。城市优惠 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。人口增长也有助于城市化，据估计，到2050年，世界人口的》65%将生活在城市环境中。据预测，到2060年，全球建筑面积将翻一番，相当于40年来每个月为世界增加一个纽约。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。 主要是由于使用化石燃料产生的大气二氧化碳水平增加。国际能源署估计，全球40%的二氧化碳排放量可归因于建筑物，其中28%的排放量仅由建筑物的运行和维护贡献。3令人震惊的估计是，建筑物目前使用的能源中有50%被浪费了。4近年来，建筑物的能源消耗和二氧化碳排放量几乎没有趋于平稳，这表明随着更多建筑物的上线，除非提高能源效率，否则建筑物对环境的影响只会变得更糟。

许多有影响力的智库，如联合国环境规划署和世界银行，现在正专注于提高建筑能效的政策，为投资可持续和智能建筑提供激励措施，以及改造旧建筑以满足当前的欧盟可持续性标准。

受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。作为其绿色新政政策的一部分，欧盟现在正在为一项大型改造计划提供资金。欧盟约有2.2亿座建筑，其中85%建于2001年之前，90%的现有建筑将在2050年仍然屹立不倒，为改造提供了巨大的基础。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年计划将推动这些市场的类似举措。5

随着欧盟即将更新的《建筑能源性能指令》，政府政策和建筑法规推动了能源改进。同样，美国的 ASHRAE 标准正在推动监管合规，其他国家/地区的特定法规也上线。

建筑拥有绿色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显着的溢价。LEED，BREEAM和EDGE都是众所周知的绿色证书，但中国的本地认证现在正在加快步伐。智能建筑认证是较新的，但随着TIA和UL共同组成SPIRE，这也将变得更加流行。

看看这些潜在的建筑改进的经济性，为更健康、更环保、更智能的建筑创造了溢价。在伦敦， 研究表明，与同一地区的非认证建筑相比，经过认证的建筑物在租金和销售方面要溢价 4%。6

从世界大事到世界经济，建筑的形态正在发生变化，顶级楼宇自动化公司正在注意到这一点。我们注意到，在行中 通过季度收入报告，正在报告为客户节省的百万吨二氧化碳，同时强调更绿色和更健康的建筑。这些楼宇自动化公司将如何实现这种节约是通过大规模的建筑数字化和数字化，允许智能一直到边缘节点，收集更多智能数据，并在多个建筑系统中生成更多可操作的见解，从而有机会微调和优化每个建筑的性能，以确保最大的能源效率和最大的可持续性。

如何实现智能建筑

如今，大多数建筑物都有建筑物管理系统或BMS。这些包括特定于其执行的功能的断开连接的子系统，如引言中所述;即照明、暖通空调、门禁控制等。为了使这些建筑物智能化，不仅仅是将它们摧毁并投入全新的基础设施;这太昂贵了。半导体行业有责任通过能够数字化当前基础设施并将单独的建筑系统相互连接的技术来实现改造市场。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的BMS系统转变为智能建筑。

以太网是一种通用协议，可为我们的日常生活和业务提供高数据速率，但它在可以到达的距离和支持的拓扑方面受到限制。如果我们可以通过简单的电缆运行以太网和 IP，例如 1 公里外的单根双绞线，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，数据可能会被收集，但不可操作，也不会产生有价值的见解。

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的控制。拥有这种无缝控制将降低拥有成本，因为网络得到简化，数据可以轻松汇总和解释，安装和维护也得到简化。现在，我们可以在过去可能存在简单模拟传感的地方添加智能。通过数字化边缘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，在推动这一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 的单根电缆提供电源和数据 - 在这种情况下，电缆是单根双绞线，覆盖范围为 1 公里。需要注意的是，对于建筑物内的改造，可以使用现有的双绞线布线。

当将其与一些现有的基础设施（如RS-485）进行比较时，我们可以看到一些有效的改进。数据速率在1 km以上是恒定的，并且不依赖于RS-485的距离。此外，10BASE-T1L的数据节点数量不受限制，而RS-485的节点数量限制为256个。一个关键优势是在同一根双绞线上提供高达52 W的功率，其方式与POE类似，而它仅限于我们所说的RS-485工程电源。

然而，众所周知，RS-485在特定用例的楼宇自动化中仍然具有有效的地位。我们也明白，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需要与现有系统一起工作。在这里，我们可以看到10BASET1L提供无缝IP，一直到边缘，与RS-485和传统架构的软件可配置IO并排工作。

虽然该标准提供了确保满足 1 公里距离的指南，但对使用其他电缆没有任何限制，但前提是可能无法达到整个距离。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。准确确定 1 公里电缆中出现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，调试和维护具有数千公里电缆的系统所涉及的工作。幸运的是，这可以通过10BASE-T1L来实现，因为它可以进行合规性和链路质量测试，以及能够对电缆的安装和维护进行测试。

结论

使建筑物智能化的必要性对于减少过量的碳排放非常重要，因为全球变暖已经导致我们星球上多个物种的灭绝。如果我们不小心，我们可能会成为下一个.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、工人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、可持续性、弹性和经济性水平。

审核编辑：郭婷