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传感器让楼宇更智慧、更环保、更节能

2020-09-23 英飞凌科技股份公司新兴应用经理Manuel Hollfelder和Julia Fichte 阅读:
能效提高并非智能楼宇所能带来的唯一益处。智能化安装的传感器和执行器可以持续监测和调整空气质量及照明设置,从而保证最佳工作环境,提高生产效率,并最大限度地提高居住舒适度。

未来,越来越多的人将生活在城市。据联合国预测,到2022年,全球56%的人口将是城市居民;到2050年,这一数字将上升至68%。这意味着我们必须更高效地利用现有资源,同时必须减少总体能源消耗和二氧化碳排放。ghvednc

楼宇可以在解决这一挑战中发挥决定性作用。仅在欧盟,能源消耗的40%,和二氧化碳排放中的36%都是因建筑物而引起的。而根据评估,欧盟既有建筑存量的75%都存在能源利用效率低下的问题。这显然预示着建筑物能效还有巨大的改进空间。ghvednc

于是,欧盟已对其《建筑能效指令》中的一系列规则要求进行修订并达成一致,其中要求欧盟成员国批准实行旨在提高建筑行业能效的国家政策。ghvednc

该指令特别指出,智能楼宇技术对于达成提高能效目标是关键性的元素。已在工业4.0中证明其优势的智能传感器技术,如今正被用于实现楼宇自动化。智能楼宇自动化和控制系统可以通过传感器采集的数据信息来显著地提高建筑运营效率。一套能显示建筑物智能化改造条件的指标也在建立当中。这套指标可用于评估建筑物利用新技术和电子系统来减少能源消耗和排放,并适应居住者需求的能力。ghvednc

能效提高并非智能楼宇所能带来的唯一益处。智能化安装的传感器和执行器可以持续监测和调整空气质量及照明设置,从而保证最佳工作环境,提高生产效率,并最大限度地提高居住舒适度。ghvednc

位于阿姆斯特丹的“The Edge”写字楼是智能技术如何削减建筑运营成本并提高生产效率的最好例证。这座4万平米的办公大楼配备了大约2.8万颗传感器,使得楼宇管理系统(BMS)能够收集湿度、温度和亮度等关键参数的信息。BMS再根据这些参数的变化自动触发建筑运行状况的调整,从而确保暖通空调(HVAC)系统、照明系统和其他各类系统能尽可能高效地运行。因此,“The Edge”办公楼的耗电量比传统办公楼降低70%,成为了世界上最节能的智能楼宇之一。ghvednc

虽然“The Edge”项目如今还比较罕见,但智能楼宇市场无疑正处于不断上升的态势。根据最近的市场研究和预测,到2022年,智能建筑设备市场将以16%的复合平均增长率(CAGR)达到翻一番的目标。ghvednc

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图1:智能楼宇涵盖的要素ghvednc

智能楼宇:让楼宇更智慧、更环保、更节能

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图2:智能楼宇的智能化水平ghvednc

何为智能楼宇?

智能楼宇不同于智能家居,专指办公大楼、购物中心和酒店等非住宅建筑。这些建筑物中的设备都连有传感器,可以提供深入的消耗信息,并自动作出优化运营的决策。ghvednc

英飞凌公司计划在今年德国法兰克福国际灯光照明及建筑技术及设备展上展出的智能筒灯就是最好的例子。该筒灯将电力与传感器解决方案相结合,可供楼宇管理者充分地掌控楼宇运行状况。在该系统中,XDPL8221数字控制芯片可监控LED驱动侧的相关出错情况,如欠压、过压、负载开路或输出短路等。24GHz雷达传感器可探测建筑物内是否有人,并统计有多少人,从而使得系统能在没人时把灯光调暗以节约用电。传感器还可将这些数据发送给BMS系统和楼宇管理者,以便进行进一步的分析和优化。ghvednc

继“感测、计算、驱动”这一套较为抽象的动作之后,一系列联网传感器将收集环境信息,以及与楼宇运行和使用情况有关的数据。这些信息既可在边缘(边缘计算)处进行处理,也可发送到在本地或云端运行的中央BMS系统。这些信息再被用于触发自动操作,以便对建筑物内的HVAC系统、照明系统、百叶窗和许多其他设备作出调整。ghvednc

通过利用传感器、执行器和控制器在不同子系统之间建立交叉互联,建筑物即可实现“智能化”(图1)。如果把互联比作智能楼宇的骨架,那么实际设备和控制装置则相当于建筑物的肌肉和大脑。ghvednc

智能组件之间的这种交互,使得能够根据室内空气质量(IAQ)和室内二氧化碳浓度来控制通风系统(举例)。照明系统也可根据是否有人存在及室内亮度等附加因素予以自动调整。这样可以显著降低能源消耗,同时提高使用者的舒适度和幸福感。ghvednc

智能楼宇可以分为三个级别(图2):ghvednc

  • 入门级,即建筑物的各个子系统与楼宇管理系统之间只有基本的连接;
  • 中间级,即能够对多个集成的子系统进行综合地管理和控制,包括基于传感器的数据收集;
  • 全面级,即能够通过不同子系统之间的智能化协调行动对所有子系统进行全面地管理和控制。

毋庸置疑的是,如今的建筑不可能一夜之间就达到全面级智能化水平。相反,它需要我们每天一小步的积累和进步。接下来,我们将以以太网供电(PoE)和状态监测作为两个例子,来讲述如何能让建筑物的智能化水平上升一个层次。ghvednc

智能楼宇:让楼宇更智慧、更环保、更节能

示例1:POE作为互联系统的中枢

楼宇能实现智能化的关键在于,子系统与BMS之间能够进行大带宽和大批量的数据传输。因此,具备得力而可靠的信息通信技术(ICT)基础设施,对于任何智能楼宇都具有最为核心的意义。ghvednc

基于网际互连协议(IP)的网络连接在工业和住宅领域的应用已经相当成熟。它易于安装和维护,能完美地配合现有平台,并且能用硬件和软件实现。但以太网有一个缺点,即连接以太网的设备,仍然需要通过单独的电缆来从电网获取电能。ghvednc

随着IEEE颁布第一代针对1类和2类设备的以太网供电标准,IP电话和会议系统等低功率设备的这一挑战已被攻克。借助PoE,供电设备(PSE)——如PoE交换机——能够通过双绞线以太网电缆为所连接的许多受电设备(PD)提供电能和连接。这使得只需要建立一个物理连接——即以太网套接字(socket),而该物理连接完全可由IT专家独立完成。这种方法还可减少布线工作及简化设备管理,从而降低安装和运营成本。ghvednc

直到最近,PoE技术都只能为30 W以下的设备供电,这阻碍了它的广泛应用。随着IEEE于2018年9月颁布 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,使得每个端口的可用功率提高到100 W。这为PoE打开了较大功率的应用之门,比如,通过PoE供电的5G小基站、LED灯具、大功率Wi-Fi接入点和公共广播(PA)系统等。ghvednc

该修订版标准还涉及到整体能效,即,降低了待机功耗,并推出了一项协议,用于按照功率等级以更细化的方式管理可用功率。但这些规定又对PoE设备的开关电源(SMPS)设计提出了新的挑战。ghvednc

首先,为能完全地支持最新标准,必须给PSE侧的PoE交换机增加最高100 W/端口的功率预算。而为了避免需要增大SMPS的外形尺寸, SMPS的功率密度必须予以提高。这意味着在PSE设计中,主SMPS必须满足效率、功率密度和可靠性这些关键要求。ghvednc

其次,需要有合适的半导体解决方案来与相应的SMPS拓扑结构相匹配(比如反激有源钳位【ACF】或LLC)。选择高效且可靠的解决方案——如英飞凌的超结CoolMOS™ MOSFET,可以最大限度地提高可用功率,并延长设备寿命。由于它们的高效率,能耗也可降低。ghvednc

效率、成本效益和功率密度对于PD的隔离型DC/DC SMPS转换级都有着至关重要的作用。通过提高SMPS的整体效率而节省的每一瓦电能都能被PD本身所利用。ghvednc

当与可靠且高效的半导体解决方案(如英飞凌用于PD 侧SMPS系统的OptiMOS™和StrongIRFET™产品系列,或用于PSE侧SMPS系统的CoolMOS™产品系列)相结合时,PoE在为智能楼宇建设可靠的ICT基础设施时可以扮演非常关键的角色。它还可创造额外的成本节省机会。ghvednc

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图3:PD利用原本只能用于LED照明等特定应用的通用隔离型DC/DC转换器解决方案(上图)进行供电。PSE需要高效的PFC和采用隔离型拓扑结构的低损耗开关(下图)。ghvednc

示例2:状态监测

电梯和空调等设备和系统故障会对大楼的正常运行造成严重干扰和破坏。在互联互通的智能楼宇中,即使很小的问题也可能给建筑物的运行造成巨大干扰。因此,楼宇管理者正迫切地寻找各种方法来监控已安装设备的状况,并有效地预测故障以防故障发生。ghvednc

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,可以收集反映设备运行状况的各种参数的数据。例如,在HVAC设备中使用气压传感器进行气流监测,在电机驱动器中使用电流传感器进行电流测量,以及使用微机电系统(MEMS)麦克风进行声音异常和振动测量。这些传感器可以实时地检测出偏离预定最佳状态的状况。ghvednc

继实施状态监测之后,接下来最合理的做法是实施预测性维护。通过预测性维护,可以估计设备何时最有可能发生故障,从而及时进行主动维护。ghvednc

这一趋势在今年佛罗里达州奥兰多的AHR展会(美国国际暖通空调及制冷设备展)上表现得很明显,并有可能成为法兰克福展会的焦点。ghvednc

在明确这一趋势之后,英飞凌将在法兰克福展会上展出用于HVAC系统状态监测和预测性维护的端到端演示装置。该演示装置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,并由Amazon Web Services(AWS)提供技术支持,能够展示传感器在智能楼宇状态监测和预测性维护解决方案中的潜能。ghvednc

该演示装置聚焦于HVAC设备的主要问题——包括气流监测在内。它融合了以下所列的英飞凌众多产品,能够确保完成精准而可靠的数据记录。ghvednc

传感:ghvednc

  • XENSIV™ DPS368气压传感器
  • XENSIV™ TLI4970电流传感器
  • XENSIV™ TLV493D-A1B6 3D磁性传感器
  • XENSIV™ BGT24LTR11 24-GHz雷达传感器

计算:ghvednc

  • XMC™ XMC4800 IoT Amazon FreeRTOS连接套件

安全:ghvednc

  • OPTIGA™ Trust X

通过利用英飞凌XENSIV™传感器产品系列中的传感器装置,HVAC设备中的关键组件——如压缩机、风扇、电机和过滤器等——连同整体系统振动都能得到监控。传感器可以直接收集与组件有关的数据。收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云进行信息提炼和异常检测。嵌入式硬件安全解决方案可为从边缘到云端的整个数据流的安全保驾护航。ghvednc

HVAC设备只是作为一个例子来说明传感器如何能够帮助实现状态监测和预测性维护,从而为楼宇经营者、租户和设备制造商发掘更多附加价值。对于电梯、阀门和照明等其他关键的子系统而言,相关半导体解决方案和先进的软件智能可解决维护问题并提供深入洞见。ghvednc

总结

楼宇自动化要想实现阶段性的飞跃,必须要能利用传感器输入的信息来触发执行器,并实现所有子系统领域的决策自动化。通过在现实世界与数字世界之间建立起至关重要的桥梁,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可为楼宇的智能化奠定必要的基础。得益于先进的技术和智能化的互联解决方案,如今的建筑在未来可以转变成能自我感知的、绿色的和智慧的建筑,从而帮助解决城市化和气候变化给社会带来的挑战。ghvednc

英飞凌XENSIV™ DPS368压力传感器在HVAC系统中可以进行气流监测。因为能够防水并且坚固耐用((IPx8),该压力传感器可以用在HVAC这种恶劣的环境中进行数据收集。ghvednc

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