智慧建筑能源管理效率更精進(jìn)。受惠無線通訊、感測器、馬達(dá)驅(qū)動器與電源晶片等半導(dǎo)體元件不斷進(jìn)步，智慧建筑中的電表、照明、暖通空調(diào)(HVAC)、電梯及火警偵測等系統(tǒng)，已可實現(xiàn)更精準(zhǔn)的監(jiān)測與控制，進(jìn)而有效運(yùn)用電力，達(dá)到更好的節(jié)能效果。
物聯(lián)網(wǎng)的無線感測器節(jié)點(diǎn)可以更詳盡地監(jiān)測并控制智慧建筑系統(tǒng)。這類系統(tǒng)包括能監(jiān)測溫/濕度的暖通空調(diào)(HVAC)，以及可透過紅外線感測功能監(jiān)測四周光線與房間中有無人跡的照明系統(tǒng)。此一監(jiān)測功能可以打造新型資訊管理工具，也能對資料進(jìn)行更精密的分析。
智慧建筑利用數(shù)位通訊網(wǎng)路以監(jiān)控成組的各種感測器，探測溫度、照明、人蹤等各種參數(shù)，并控制各式各樣的設(shè)備，例如電梯、防盜監(jiān)視器與暖通空調(diào)設(shè)備。透過IP定址、專屬有線網(wǎng)路或是無線感測器節(jié)點(diǎn)與閘道，物聯(lián)網(wǎng)就能讓這些感測器與設(shè)備連結(jié)上數(shù)位網(wǎng)路。
智慧建筑基本要件
表1羅列智慧建筑管理系統(tǒng)的主要類型，以及常用的半導(dǎo)體元件。表列的電子控制系統(tǒng)包括能源管理、暖通空調(diào)與照明控制，是所有智慧建筑的基本要件。除非大舉投資設(shè)置上述系統(tǒng)，否則就無法歸類為“智慧”建筑。
或許有人認(rèn)為，電梯控制與火警偵測同樣重要，其實它們只是為因應(yīng)特定問題而設(shè)置。在半導(dǎo)體的使用方面，這些系統(tǒng)都仰賴感測器與微控制器，而且除了透過無線通訊連結(jié)，也屬于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的一部分。表格所列出內(nèi)容中較不為人所知的觀點(diǎn)，就是有這么多新型感測器和管理系統(tǒng)都靠馬達(dá)驅(qū)動IC(Motor Drive IC)運(yùn)作。
如表1所示，智慧建筑有超過68%的電力用于暖通空調(diào)與照明。建筑能源使用的最大宗為照明(將近38%)，不過，隨著高效率LED照明產(chǎn)品逐漸取代日光燈，比重可望逐漸下降。
由于高效率照明逐漸取代舊有燈泡及照明器材，用于商業(yè)照明的電力比重將大幅降低，從2014年的20.2%降至2020年的18.7%。
能源管理為智慧建筑首要目標(biāo)
電力能源的分配、監(jiān)測與控制是智慧建筑管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)。即使電費(fèi)每瓩時(kWh)只需0.1美元，智慧辦公大樓每年運(yùn)作費(fèi)用仍需數(shù)百到數(shù)千美元不等。像上海、杜拜和臺北等地的百層摩天樓堪稱現(xiàn)代工程技術(shù)的奇跡，但這些大樓的營運(yùn)成本亦應(yīng)能與低樓層辦公大樓匹敵。
辦公室與摩天大樓的能源管理系統(tǒng)因而可視為從智慧電網(wǎng)向外延伸的微電網(wǎng)(Microgrid)，是一種能連結(jié)電力供應(yīng)商與能源消費(fèi)者的智慧通訊網(wǎng)路。
智慧建筑能源管理的關(guān)鍵端賴是否能在摩天大樓或辦公大樓內(nèi)各種不同端點(diǎn)正確測量出能耗。這時就須要使用更多的“計費(fèi)級”智慧電表及“分表(Submeter)”，以監(jiān)測并計算每位房客使用大樓內(nèi)樓層、電力與其他服務(wù)的狀況。
智慧電表的拓?fù)湟哺鸁o線感測器節(jié)點(diǎn)相同，隨著嵌入式處理技術(shù)、先進(jìn)的度量方法及鄰近區(qū)域網(wǎng)路或家用區(qū)域網(wǎng)路的通訊模組而有所不同。電表更加能測量出電力干線的實際負(fù)載，再利用ZigBee將數(shù)據(jù)傳送至顯示器。分表則可讓電力監(jiān)測更為詳盡，因為大樓里每間公寓、辦公空間或店面都設(shè)有獨(dú)立電表。
_ueditor_page_break_tag_馬達(dá)為暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)作核心
暖通空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用范圍涵蓋家庭與工廠，還有辦公大樓與摩天大樓。暖通空調(diào)系統(tǒng)里的電子元件包括恒溫器、溫度感測IC與濕度感測器。完善的暖通空調(diào)系統(tǒng)包含冷氣、暖氣、通風(fēng)設(shè)備與完整的氣溫控制器。
一般的暖通空調(diào)系統(tǒng)可能會采用客制化零件，同時控制好幾個無刷直流馬達(dá)(Brushless DC Motor)、風(fēng)扇、冷氣壓縮機(jī)與加熱線圈。此外，半自動與全自動暖通空調(diào)系統(tǒng)還提供系統(tǒng)/使用者介面與圖形顯示器，再加上溫度與濕度感測功能。
雖說溫/濕度感測器屬于暖通空調(diào)系統(tǒng)中最前端的部分，但背后運(yùn)作最重要的還是馬達(dá)。許多暖通空調(diào)系統(tǒng)都已開始采用變速驅(qū)動器，以利用同一個驅(qū)動器啟動數(shù)個馬達(dá)，同時管理壓縮機(jī)和風(fēng)扇。
LED燈泡節(jié)省建筑照明用電
智慧建筑可藉由固態(tài)照明節(jié)省能源，尤其是能自動調(diào)整室內(nèi)燈光明暗的LED燈串與控制電路。舉例來說，在商業(yè)照明方面，隨著LED燈泡取代前一代日光燈產(chǎn)品，T8燈管逐漸普及，LED內(nèi)容因而成長可期。
分析改用4英尺長T8燈管后的半導(dǎo)體內(nèi)容成本，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動LED燈串的直流對直流轉(zhuǎn)換器只要0.13美元就能達(dá)到相對商品化價位。功率因數(shù)修正晶片(PFC IC)與交直流轉(zhuǎn)換器的成本也只要0.0053美元。但成本最高的還是用來監(jiān)測室內(nèi)狀況與遙控照明組反應(yīng)的零件。嵌入式振動偵測器大約要0.2美元，環(huán)境光線感測器0.0008美元，但電力線通訊(PLC)數(shù)據(jù)機(jī)即使大量采購，價格仍高達(dá)1.65美元。
電梯改用變頻馬達(dá)更省電
目前最新一代的纜索式電梯，在技術(shù)上偏向使用變壓變頻(VVVF)馬達(dá)。采用變壓變頻馬達(dá)時，交流電會先透過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電，然后直流電再轉(zhuǎn)換回三相交流電。三菱電工(Mitsubishi Electric)聲稱，與使用交流線路與相位控制閘流體(Phase-triggered Thyristor)的舊型馬達(dá)驅(qū)動器相比，高速電梯若采用變壓變頻馬達(dá)能省下整體耗電5%到10%，電梯能源供應(yīng)需求也減少約30%。采用變壓變頻馬達(dá)的中低速電梯較使用舊型馬達(dá)驅(qū)動器最高可省下50%的電力。
其中采用的半導(dǎo)體包括感測器、微控制器、脈寬調(diào)變器，以及馬達(dá)驅(qū)動所使用的各種功率電晶體。電梯還利用了網(wǎng)路技術(shù)，將電梯運(yùn)作狀況連結(jié)到智慧建筑控制器的網(wǎng)路骨干、方便讀取的控制螢?zāi)患翱煽康陌踩珯C(jī)制。ZigBee無線通訊技術(shù)也逐漸取代RS-485實體線路。最新趨勢是讓摩天大樓部分電梯專門服務(wù)欲前往高樓層的乘員，其他電梯則負(fù)責(zé)低樓層，好讓電梯載運(yùn)流量更為順暢。
火警偵測仰賴煙霧感測器
在商用大樓中，重要服務(wù)系統(tǒng)都會設(shè)有第二備用電源以備主要電源失靈之用。一般簡單系統(tǒng)能發(fā)出火災(zāi)警示并通知當(dāng)?shù)叵狸?，更?fù)雜者則能重新配置電梯、啟動煙霧排氣管，并對樓梯間加壓以防止煙霧逸入逃生路線。
智慧建筑中最主要的煙霧偵測器與一般家庭所使用的款式類似，也就是利用放射性元素讓兩個電極之間的空氣離子化。當(dāng)煙霧粒子擾亂兩個電極之間的電流，警報器就會響起。
半導(dǎo)體推動智慧建筑成形
半導(dǎo)體技術(shù)能提升監(jiān)測與控制的準(zhǔn)確度，用于物聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)半導(dǎo)體方案須包括超低能耗、微型化、功能整合，以及成本低等特性。半導(dǎo)體技術(shù)能讓無線感測器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置更為容易，成為“第三只眼(Fly On The Wall)”。
自動化照明控制就是最好的例子。LED照明支援各種照明陳設(shè)的調(diào)光功能，還能顯示不同顏色，依空間使用模式而有所調(diào)整。舉例來說，明亮的白光較適合健身或運(yùn)動設(shè)施空間，暖色光源就該用在百貨公司化妝品專柜。辦公室照明則在兩者之間，只不過辦公室內(nèi)天花板照明還能根據(jù)環(huán)境光線狀況(是否有陽光自窗外射入，或是天色已暗)以及屋內(nèi)人數(shù)，自動產(chǎn)生反應(yīng)而無需人力干預(yù)。
照明亮度與顏色的變化都是依照來自無線感測器節(jié)點(diǎn)的訊號而自動產(chǎn)生。節(jié)點(diǎn)里包含了一個或一個以上的感測器，供電予微功率微控制器以及無線電發(fā)射器。透過這種低耗電的無線電控制機(jī)制，就不必在墻壁中拉線。靠微型太陽能電池提供動力的無線感測器節(jié)點(diǎn)，可直接黏貼在房間墻壁上。
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