未来，越来越多的人将居住在城市。 据联合国预测，到2022年，全球56%的人口将是城市居民； 到2050年，这个数字将上升到68%。 这意味着我们必须更有效地利用现有资源，同时我们必须减少总体能源消耗和二氧化碳排放量。
建筑物可以在解决这一挑战方面发挥决定性作用。 仅在欧盟，40% 的能源消耗和 36% 的二氧化碳排放都是由建筑物造成的。 根据评估，欧盟 75% 的现有建筑存在能源效率低下的问题。 这清楚地表明，建筑节能还有巨大的提升空间。
因此，欧盟在其建筑能效指令中修订并同意了一系列监管要求，该指令要求欧盟成员国批准旨在提高建筑部门能效的国家政策。
该指令特别指出，智能建筑技术是实现能效目标的关键要素。 智能传感器技术已在工业 4.0 中证明了其优势，现在正用于楼宇自动化。 智能楼宇自动化控制系统通过传感器采集的数据信息，可以显着提高楼宇运行效率。 一套显示智能改造建筑物状况的指标也正在建立中。 这组指标可用于评估建筑物利用新技术和电子系统减少能源消耗和排放并适应居住者需求的能力。
提高能源效率并不是智能建筑可以带来的唯一好处。 智能安装的传感器和执行器持续监控和调整空气质量和照明设置，以确保最佳工作环境、提高生产率并最大限度地提高居住者的舒适度。
阿姆斯特丹的“The Edge”办公楼是智能技术如何降低建筑运营成本和提高生产力的典型例子。 这座40,000平方米的办公楼配备了约28,000个传感器，使楼宇管理系统（BMS）能够收集湿度、温度和亮度等关键参数信息。 然后，BMS 会根据这些参数的变化自动触发对建筑物运行条件的调整，确保 HVAC、照明和其他系统尽可能高效地运行。 因此，“The Edge”办公楼耗电量比传统办公楼减少70%，成为全球最节能的智能建筑之一。
虽然如今“The Edge”项目相对较少，但智能建筑市场肯定在上升。 根据最近的市场研究和预测，到 2022 年，智能楼宇设备市场将以 16% 的复合平均增长率 (CAGR) 翻一番。
图 1：智能建筑涵盖的元素
什么是智能建筑？
智能建筑不同于智能家居，特指写字楼、商场、酒店等非住宅建筑。 这些建筑中的设备连接到传感器，提供深入的消费信息和自动化决策以优化运营。
英飞凌计划在今年德国法兰克福国际照明及建筑技术与设备展览会上展出的智能筒灯就是最好的例子。 筒灯将电力与传感器解决方案相结合，使建筑管理人员能够完全控制建筑运营。 在这个系统中，数字控制芯片可以监测LED驱动端的相关错误情况，如欠压、过压、负载开路或输出短路等。一个24GHz的雷达传感器检测建筑物中是否有人以及有多少人，允许系统在无人时调暗灯光以节省电力。 传感器还可以将此数据发送到 BMS 系统和建筑管理人员，以供进一步分析和优化。
按照更抽象的“感知、计算、驱动”动作集，一系列联网的传感器将收集环境信息，以及与建筑物的运行和使用相关的数据。 这些信息既可以在边缘（边缘计算）进行处理，也可以发送到在本地或云端运行的中央 BMS 系统。 然后，此信息用于触发自动操作，以对建筑物内的 HVAC 系统、照明系统、百叶窗和许多其他设备进行调整。
通过使用传感器、执行器和控制器在不同子系统之间创建交叉连接，建筑物可以变得“智能”（图 1）。 如果互联网是智能建筑的骨架，那么实际的设备和控制就是建筑的肌肉和大脑。
智能组件之间的这种相互作用使得根据室内空气质量 (IAQ) 和室内二氧化碳浓度控制通风系统（例如）成为可能。 照明系统还可以根据其他因素自动调节，例如人在或不在以及房间的亮度。 这显着降低了能源消耗，同时提高了居住者的舒适度和幸福感。
智能建筑可分为三个层次（图2）：
●入门级，即楼宇各子系统与楼宇管理系统之间只有基本连接；
● 中级，即能够对多个集成子系统进行综合管控，包括基于传感器的数据采集。 和
●综合层次，即通过不同子系统之间的智能协同动作，可以对所有子系统进行全面的管理和控制。
图2：智能建筑的智能化水平
毫无疑问，今天的建筑不可能在一夜之间达到全面的智能化水平。 相反，它需要我们每天一点一点地积累和提高。 接下来，我们将以以太网供电（PoE）和状态监测两个例子来说明如何将楼宇的智能化水平提升到更高的水平。
示例 1：POE 作为互连系统的主干
构建智能化的关键在于子系统与BMS之间可以传输大带宽、大批量的数据。 因此，拥有功能强大且可靠的信息和通信技术 (ICT) 基础设施对于任何智能建筑都至关重要。
基于互联网协议 (IP) 的网络连接在工业和住宅应用中得到了很好的建立。 它易于安装和维护楼宇自控控制系统软件，非常适合现有平台，并且可以在硬件和软件中实现。 但是以太网有一个缺点，就是连接到以太网的设备仍然需要通过单独的电缆从电网获取电力。
随着 IEEE 为 1 类和 2 类设备颁布第一代以太网供电标准，IP 电话和会议系统等低功耗设备已经克服了这一挑战。 借助 PoE，供电设备 (PSE)（例如 PoE 交换机）能够通过双绞线以太网电缆为许多连接的受电设备 (PD) 提供电源和连接。 这使得只需要建立一个物理连接——以太网套接字( )，而物理连接完全可以由IT专家独立完成。 这种方法还通过减少接线工作量和简化设备管理来降低安装和运营成本。
直到最近，PoE 技术只能为 30 W 以下的设备供电，这阻碍了它的广泛采用。 随着 2018 年 9 月发布的 IEEE 802.3bt 标准，3 类和 4 类 PoE 设备能够使用所有四对双绞线以太网电缆，将可用功率提高到每个端口 100 W。 这为 PoE 的更高功率应用打开了大门，例如由 PoE 供电的 5G 小型基站、LED 照明、高功率 Wi-Fi 接入点和公共广播 (PA) 系统。
修订后的标准还解决了降低待机功耗的总体能效问题，并引入了一种协议，用于按功率等级以更精细的方式管理可用功率。 但这些规定给PoE设备的开关电源(SMPS)设计带来了新的挑战。
首先，要完全支持最新标准，必须为 PSE 侧的 PoE 交换机增加高达 100 W/端口的功率预算。 为了避免需要增加 SMPS 的尺寸，必须增加 SMPS 的功率密度。 这意味着在 PSE 设计中，主 SMPS 必须满足效率、功率密度和可靠性等关键要求。
其次，需要有合适的半导体解决方案来匹配相应的 SMPS 拓扑（例如有源钳位反激 [ACF] 或 LLC）。 选择高效可靠的解决方案——如英飞凌的 ™——可最大限度地提高可用功率并延长设备使用寿命。 由于它们的高效率，能源消耗也可以减少。
效率、成本效益和功率密度在 PD 的隔离式 DC/DC SMPS 转换阶段都起着至关重要的作用。 通过提高 SMPS 的整体效率节省的每一瓦特都可以由 PD 本身利用。
当与用于 PD 侧 SMPS 系统或 PSE 侧 SMPS 系统的 和产品系列等可靠且高效的半导体解决方案相结合时，PoE 正在为智能建筑构建坚实的 ICT 基础设施可以发挥非常关键的作用。 它还创造了额外的成本节约机会。
图 3：PD 使用通用隔离式 DC/DC 转换器解决方案（上图）供电，该解决方案最初旨在用于 LED 照明等特定应用。 PSE 需要隔离式拓扑结构中的高效 PFC 和低损耗开关（下图）。
示例 2：状态监测
电梯、空调等设备和系统的故障会严重扰乱和扰乱建筑物的正常运行。 在互联的智能建筑中，即使是小问题也会对建筑运营造成重大破坏。 因此，建筑管理人员急切地寻找方法来监控已安装设备的状况，并在故障发生前有效地预测故障。
传感器在设备状态监测中起着决定性的作用。 安装在设备内部或外部的传感器可以收集反映设备健康状况的各种参数的数据。 例如，空气压力传感器用于 HVAC 设备中用于气流监测，电流传感器用于电机驱动中用于电流测量，微机电系统 (MEMS) 麦克风用于声音异常和振动测量。 这些传感器可以实时检测与预定最佳条件的偏差。
实施状态监测后，最合乎逻辑的下一步是实施预测性维护。 通过预测性维护，可以估计设备最有可能发生故障的时间，从而实现及时和主动的维护。
这种趋势在今年佛罗里达州奥兰多的 AHR 展会上表现得十分明显，并且很可能成为法兰克福展会的焦点。
在确定这一趋势后，英飞凌将在法兰克福贸易展览会上展示用于 HVAC 系统状态监测和预测性维护的端到端演示器。 该演示单元由英飞凌与端到端物联网和云解决方案开发商 Klika Tech 合作开发，由 Web (AWS) 提供支持，展示了传感器在智能建筑状态监测和预测性维护解决方案中的作用。 潜在的。
该演示单元侧重于 HVAC 设备的主要问题 - 包括气流监测。 它结合了下面列出的各种英飞凌产品，以确保准确可靠的数据记录。
传感：
●气压传感器
●电流传感器
●-A1B6 3D磁传感器
● 24-GHz 雷达传感器
计算：
● 物联网连接套件
安全：
● X
通过使用英飞凌传感器产品组合中的传感器设备，可以监测 HVAC 设备中的关键部件——例如压缩机、风扇、电机和过滤器——以及整个系统的振动。 传感器可以直接收集与组件相关的数据。 采集到的数据可以通过XMC微控制器在本地进行预处理，然后发送到AWS云进行信息细化和异常检测。 嵌入式硬件安全解决方案保护从边缘到云端的整个数据流。
HVAC 设备只是传感器如何帮助实现状态监测和预测性维护、为建筑运营商、租户和设备制造商释放附加值的一个例子。 对于电梯、阀门和照明等其他关键子系统，相关的半导体解决方案和先进的软件智能可以解决维护问题并提供见解。
总结
为了使楼宇自动化向前迈进，它必须能够使用传感器输入来触发执行器并在所有子系统域中自动进行决策。 传感器、电源管理芯片、微控制器和安全芯片等半导体解决方案通过在现实世界和数字世界之间架起重要的桥梁，为构建智能提供了必要的基础。 得益于先进的技术和智能、互联的解决方案，今天的建筑可以在未来转变为具有自我意识、绿色和智能的建筑，从而帮助社会解决城市化和气候变化带来的挑战。
作者： AG 新兴应用经理和 Julia
随着技术的不断进步，使设施更加节能和环保的运动每天都在增长。 伴随这一运动而来的是智能建筑行业的发展、成熟和巨大增长。 大多数人可能听说过“智能建筑”一词，但他们可能不确定究竟是什么让建筑“智能”。
简而言之，智能建筑是一个“系统的系统”，其中运营技术 (OT) 通过建筑或组合信息技术 (IT) 网络进行通信，并从那里影响所有设备和建筑系统的虚拟单点控制。 一旦有效实施，一个具有规范和有效沟通的智能建筑平台可以进一步集成到建筑组合中的业务管理系统中，例如资产和组合管理系统，
一体化
智能建筑是 OT 设备和运行它们的软件/固件的有效映射集成，包括：
HVAC 控制 楼宇自动化/楼宇控制系统 物理门禁控制 (PAC) 电梯 能源管理控制系统 照明控制 语音网络 视听能源管理 视频监控和分配 门禁控制 火警控制 会议室/工作区预订系统 数字标牌占用/室内空气质量传感器 建筑物监控
任何智能建筑架构的核心都是机械系统运行的控制和优化，这些系统以前称为楼宇控制系统 (BCS)，现在称为楼宇自动化系统 (BAS)。 BAS/BCS 控制室内温度、室外温度、二氧化碳水平、建筑物占用率和公用事业公司的数据，以优化 HVAC 系统的使用，从而在使用最少的电力的同时最大程度地提高居住者的舒适度。 它们通常使用规范逻辑和操作顺序 (SOO) 进行编程，以保持复杂的机械系统运行。
其他非常流行的控制系统包括照明控制，其中涉及运动传感器以根据占用情况关闭和打开灯，根据自然光水平调整照明水平，以及可以远程控制以最大限度地提高照明效率和减少能源消耗的照明系统。 根据流行的研究，下一代控制系统甚至可以进行调整以映射到外部自然环境光的“生物学上正确”的颜色，从而提高生产率和使居住者更健康。 这些只是几个例子，让您了解智能建筑控制可以做什么，以及它们如何有助于提高效率、减少能源使用和延长建筑系统生命周期的总体目标。
益处
智能建筑系统的好处是广泛的。 它们有助于提高建筑环境各个方面的效率楼宇自控控制系统软件，节省能源、时间和金钱。 总体而言，以下是组织将从智能建筑系统的广泛使用中看到的主要好处：
节约能源和运营成本 延长设备生命周期 提高建筑安全性和安全性 提高居住者舒适度 加强政府合规性 健康建筑和以居住者为中心的管理 机械系统的持续/连续调试
这些好处引导组织建立更环保、更节能的建筑环境，从长远来看可以节省资金。 这些东西在当今的就业市场中是必不可少的，因为员工需要积极的工作文化和健康的工作环境，不仅要舒适，还要安全、有保障和健康。 绿色建筑将继续存在，智能建筑正在引领通往更好的室内外生活和工作场所的道路，同时提高效率并实现可持续发展的未来。
