以新科技打造更智慧、節能的現代建築

作者 : Manuel Hollfelder、 Julia Fichte,英飛凌(Infineon)新興應用經理

智慧建築與智慧家庭不同,是指辦公大樓、購物中心及旅館等非住宅建築。建築中配備感測器連結內部裝置,提供深入資訊協助瞭解消耗程度,並可自動決策實現最佳化運作。

未來城市人口將持續成長,聯合國預測 2022 年之前全球將有 56% 人口居住於城市,到了2050年更將增加至 68%,因此必須提升現有資源的使用效率,並降低整體能源消耗及二氧化碳排放。建築將扮演關鍵角色協助解決此項挑戰;光是在歐盟地區,建築就消耗 40% 的能源、排放 36% 的二氧化碳,而且有 75% 的既有建築能源效率不彰,顯然其中有很大的改善空間。

因此歐盟同意針對建築能源效率(Energy Performance of Buildings)指令訂定全新規定,要求歐盟會員國批准提升建築能源效率的國家政策。這項指令將智慧建築視為達成目標的關鍵要素。智慧感測器已在工業 4.0 證明自己的效益,現在則將應用於建築自動化。智慧建築自動化及控制系統可利用感測器資料見解,大幅提升建築運作效率。

目前歐盟也正在擬定建築智慧指標(Smart Readiness Indicator),協助評定建築使用全新技術和電子系統的能力,以減少能源消耗和排放,並讓建築調整配合內部使用者的需求。不過提升效率並非智慧建築唯一效益,精心設置的感測器及致動器可持續監控及調整空氣品質和照明設定、保證最佳的工作環境、提升生產力,讓租戶感到更舒適。

一座位於荷蘭阿姆斯特丹、名為「The Edge」的大樓,是智慧科技在現今建築降低成本及提升生產力的最佳範例。這座總面積40,000 m² 的辦公室建築配備約 2萬8,000 個感測器,協助建築管理系統 (BMS) 收集各種關鍵參數的相關資訊,例如濕度、亮度及溫度等等。BMS可依據前述參數自動調整建築運作,確保空調(HVAC)和照明系統都能盡可能有效運作。這讓 「The Edge」 成為全球最節能智慧的建築之一,耗電量比傳統辦公大樓減少 70%。

雖然 「The Edge」就現今而言仍屬特例,但智慧建築領域無疑正持續向上發展。市場研究預測智慧建築裝置將在 2022 年之前呈倍數成長,達到16%的年均複合成長率 (CAGR)。

什麼是智慧建築?

智慧建築與智慧家庭不同,是指辦公大樓、購物中心及旅館等非住宅建築。建築中配備感測器連結內部裝置,提供深入資訊協助瞭解消耗程度,並可自動決策實現最佳化運作。英飛凌在 2020 年法蘭克福燈光照明暨建築物自動化展覽會 (Light + Building 2020) 展出的智慧型下照燈就是很好例子,其中結合電源及感測器解決方案,產生強大見解協助瞭解建築效能。

該系統使用 XDPL8221 數位控制 IC,監控 LED 驅動器發生的欠壓、過電壓、開路負載或輸出短路等相關錯誤狀況。此外24GHz雷達感測器則提供存在偵測及人數計算功能,協助系統在無人時調暗燈光節省能源。感測器也可將此資料傳送至 BMS 和建築業主,以便進一步分析及最佳化。

一系列連網感測器遵循更抽象的「感測-運算-致動」概念,收集有關建築運作及使用的環境資訊和資料。前述資訊可於邊緣處理(邊緣運算),或送往在本機或雲端執行的中央BMS,然後用於觸發自動化行動,協助調整 HVAC 系統、照明系統、百葉窗及建築內部的許多其他裝置。

這樣建築就可利用感測器、致動器及控制單元交叉連結各個領域,實現智慧化的目標 (圖1)。連線能力就像是智慧建築的骨骼,各種實體裝置及控制單元則是建築的肌肉和大腦。以通風為例,由於智慧元件可互相作用影響,因此可依據房間內的室內空氣品質(IAQ) 及二氧化碳調整通風;照明也能依據是否有人及室內亮度等其他因素自動調整。這樣可大幅降低能源消耗,並讓建築內部使用者更加健康舒適。

 

1:智慧建築要素。

建築可分類為三種不同的「智慧化」程度(圖2):

  • 初級:個別領域具備基本連線能力連結BMS;
  • 中級:完整的指令及控制功能,涵蓋多個整合式領域,包括以感測器為基礎的資料收集;
  • 大規模:具備大規模的指令及控制功能,涵蓋所有領域,並提供跨領域的智慧及致動功能。

2:智慧建築的智慧化程度。

 

現今建築不可能一夜之間就達到大規模的智慧化程度,需要一步步向前邁進。以下內容將著重說明乙太網路供電及狀況監控等兩項範例,顯示如何協助建築邁向更高的智慧化程度。

 範例 1:利用乙太網路供電作為連線骨幹

在各種領域與 BMS 之間以高頻寬傳輸大量資料,是實現智慧建築的關鍵要素之一。因此功能優異穩定的資通技術(ICT) 基礎設施,可說是任何智慧建築的骨幹。

IP 型網路連線在工業及住宅應用都已相當成熟,不但易於安裝及維護,也能與現有平台順利整合,而且實作範圍相當廣泛,軟硬體都涵蓋其中。不過乙太網路有一項缺點:雖然乙太網路能向裝置提供連線能力,但電網電力仍須另外使用纜線傳輸。

第一類(Type 1)及第二類(Type 2)裝置的第一代IEEE乙太網路供電(PoE)標準問世後,為 IP 網路電話及會議系統等低功率裝置克服了這項挑戰。有了PoE 技術之後,PoE 開關等供電端設備(PSE)就能利用雙絞線乙太網路纜線,同時將電力及連線能力提供給多個連線的受電裝置(PD)。這樣實際作業時就只需要連接乙太網路插槽,可由IT專業人員處理一切,協助簡化配線工作及裝置管理,進而降低安裝及作業成本。

過去只有30W以下的裝置可由PoE供電,導致無法廣泛採用。不過 2018 年9月發佈IEEE 802.3bt標準後,第三類(Type 3)及第四類(Type 4) PoE裝置可使用全部四對雙絞線乙太網路纜線,讓每連接埠可提供最高100W 的電力,為 PoE 開創契機進軍各種更高功率的應用,例如 PoE 供電的 5G 小型基地台、LED 燈具、高功率 Wi-Fi 存取點,以及公共廣播(PA)系統。

修訂後的標準也因應整體能源效率問題,其中降低待機耗電量,並利用協定透過更精細的方式以功率類別管理可用電源。這對PoE裝置的開關式電源供應器(SMPS)設計產生全新挑戰。

首先,每連接埠最高會有100W加入PSE側的PoE開關電源預算中,以完全支援最新標準。如果不想加大 SMPS 的外型尺寸,就必須提升 SMPS 的功率密度,亦即效率、功率密度及穩定性,是 PSE 設計中主要 SMPS 的關鍵需求。 第二,需要選擇適當的半導體解決方案,以符合個別 SMPS 拓撲需求,例如 ACF 或 LLC。

效率、成本效益及功率密度,對受電裝置的隔離 DC/DC SMPS 轉換器級而言都扮演關鍵角色。提升整體 SMPS 效率所省下的每一瓦特,都可由受電裝置自行運用。

乙太網路供電如果結合穩定高效的半導體解決方案,例如英飛凌OptiMOS及 StrongIRFET 系列(適用於 PD SMPS) 或 CoolMOS (適用於 PSE 中的 SMPS),就能扮演關鍵角色,在建築中打造穩定的 ICT 基礎設施,並創造機會節省額外成本。

 

3PSE 需要高效 PFC 及使用隔離拓撲的低損耗開關 (下圖)PD 則使用一般的隔離 DC/DC 轉換器解決方案 (上圖),除非目標是 LED 照明等特定應用。

 

範例 2:預測性維護

 電梯及空調設備損壞等裝置及系統故障問題,會大大影響建築是否能順利運作。在互連的智慧建築中,即使是微小問題都可能嚴重妨礙建築運作。因此建築業主迫切需要各種選項,協助監控已安裝裝置的狀況,並在故障發生前加以預測。

感測器是監控裝置狀況的關鍵所在,設置於裝置內部或外部,可收集各種不同參數資料,以反映裝置運作狀態,例如使用氣壓計、空氣壓力感測器監控HVAC裝置氣流、使用電流感測器及聲音異常測量馬達驅動器中的電流,以及使用 MEMS 麥克風進行振動測量;以上感測器可即時偵測偏離定義最佳狀態的情況。

預測性維護是實作狀況監控之後的下個合理步驟,可用於預測裝置最可能在何時故障,並及時觸發主動維護。這不但是今年美國佛羅里達州冷暖空調設備大展(AHR Expo)的熱門趨勢,在讀國法蘭克福的燈光照明暨建築物自動化展覽會(Light + Building)也成為矚目焦點。

英飛凌掌握此項趨勢,於 2020 年燈光照明暨建築物自動化展覽會中,展出 HVAC 系統狀況監控及預測性維護的端對端展示器。這款展示器是與 Klika Tech 這家端對端物聯網及雲端解決方案開發商共同開發,並由 Amazon Web Services (AWS) 提供技術支援,展現感測器在智慧建築狀況監控及預測性維護解決方案中的龐大潛力。

以英飛凌 XENSIV感測器產品組合為基礎,HVAC 裝置中的壓縮機、風扇、馬達及濾清器等關鍵元件,都會一起受到監控,瞭解整體系統振動情形。感測器會直接在元件層級收集資料,然後使用 XMC 微控制器於本機預先處理,並傳送至 AWS 雲端用於資料情報及異常偵測。嵌入式硬體安全功能,可從邊緣到雲端維護整體資料流程的安全。

HVAC 裝置只是其中一個範例,可利用感測器實現狀況監控及預測性維護,為建築業主、租戶及裝置製造商創造附加價值。至於建築中的電梯、閥門及照明等其他關鍵領域,則可利用應用專屬的半導體解決方案和進階軟體智慧功能,因應維護問題並提供深入見解。

結語

更高一級的建築自動化需要感測器輸入資料,以觸發致動器,並在所有領域自動決策。半導體解決方案可在其中提供智慧化基礎,利用感測器、電源管理 IC、微控制器及安全 IC,作為真實世界與數位世界之間的關鍵連結。各種先進技術和智慧連網解決方案,協助現今建築轉化為具有自我感知、環保及智慧的未來建築,因應都市化及氣候變遷為社會帶來的各種挑戰。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年9月號;責編:Judith Cheng

(參考原文 :Smart Buildings: Making Buildings Smarter, Greener,and More Energy-Efficient;中文版由英飛凌供稿)

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