人工环境(智能空间)综合能源AI系统架构--基于物联网架构,集成建筑设备监控、智能照明、能源管理、节能减排、自体发电於一体,并整合冷热源、空调、通排风、给排水、余热利用、燃气、供配电、充电桩、储电蓄能、"风-光-温差"发电等
建筑,从洪荒人类的洞穴到树巢,再至今时今日的鳞次栉比的高楼大厦,它都在体现与鉴证着人类文明的发展与进步。在人类空前文明的今天,建筑的意义已不再是简单的遮风挡雨,而更是一种人文的体现。随着人们健康舒适意识的加强,越来越多的人们开始追求舒适的室内环境。人的一生中有80%以上的时间是在房内度过的,良好的房内热环境对人体的健康舒适和工作效率都会产生积极有利的影响。人的热感觉和舒适感不能视为同一概念,舒适感具有更广泛的含义,除了与空气温度、湿度相关外,还与气流速度、房内空气品质密切相关,而热感觉在舒适感中无疑起着举足轻重的作用。热泵技术完全契合智能家居(智慧家庭)"居家养生"理念:在体感舒适层面上,通过远红外线传递热量,发热均匀,透过皮肤表层由内而外,暖而不燥,体感更舒适。远红外线能与人体细胞内的水分子产生"共振",让采暖兼具养生理疗的作用。"养生"之一:"晒"太阳;"养生"之二:空气"净";"养生"之三:"祛"疾病……其特性是当房内空气温度为18~19℃时,人体感觉就像20~21℃,非常舒适。智能空间:人类与自然和谐共处的新范式
空间,是最大的应用载体,是人工智能的新大陆。空间智能化是智能化产业、智能化生产必然要经过的归宿。而在人工智能技术的驱使下,空间的效能将被进一步扩大。如何将空间与AI更好地融合?算法、算力、数据、场景是当下科技发展中最重要的四个维度,企业因此已获得更广泛地技术应用,智能化开始渗透到每个场景。
智能空间(Smart Space)是嵌入了计算、信息设备和多模态的传感装置的工作或生活空间,具有自然便捷的交互接口,以支持人们方便地获得计算机系统的服务。普适计算将使计算和信息服务以适合人们使用的方式普遍存在于我们的周围,以往相互隔离的信息空间和物理空间将相互融合在一起。普适计算中信息空间和物理空间的融合可以在不同尺度上得到体现,其在房间、建筑物这个尺度上的体现就是智能空间。
人类的生存环境由自然环境、人工环境和社会环境共同构成。自然环境指包括气候条件、地理条件及与动植物相联系的生态系统在内的生存空间。人工环境指人为加工形成的生活环境,包括住宅的设计和配套、公共服务设施、交通、电话、供水、供气、绿化面积等。社会环境指与社会制度相联系的社会公共秩序、道德规范和人与人之间关系。包括社会治安、社会公共秩序、社会公德等。
智能空间具备的功能和为用户提供的服务包括:
[能识别和感知用户以及他们的动作和目的,理解和预测用户在完成任务过程中的需求;
[用户能方便地与各种信息源(包括设备和数据)进行交互;
[用户携带的移动设备可以无缝地与智能空间的基础设施进行交互;
[提供丰富的信息显示;
[提供对发生在智能空间中的经历的记录,以便在以后检索回放;
[支持空间中多人的协同工作以及与远程用户的沉浸式的协同工作。
将来不太可能存在一个全球统一的普适计算系统,而会存在许多因为管理区划、地域区划和文化区划而互相分离的、有明确边界的智能空间系统。这些智能空间系统间可以有一定的交互,人和各种可携带设备可以透明地在它们之间移动。
首先,处于计算环境中的计算设备不再像在桌面计算模式下,要求用户端坐在计算机前或者处于某个固定位置才能完成计算任务。大量的计算设备、多模态交互技术模块、情景感知(context awareness)模块被嵌入并隐藏在实际的物理环境中,这些模块需要能互相协作并能主动为用户提供服务,使得智能空间能拥有立体、连续的交互通道。例如一个智能书房能检测到用户在其中阅读书籍,它可能会打开窗帘来为用户提供足够的照明; 随着时间的推移,夜幕降临,智能书房还可能根据当前的光照条件,逐渐加强房间中的灯光照明。
其次,智能空间的一个重要特性称为游牧服务(cyber foraging)。它是指用户携带入空间的无线手持设备可以充分利用其周围基础设施中的相对较强的设备的能力,同时其上运行的模块也可以与空间中的其他模块进行交互和协作,以共同为用户提供增强的服务。这也是信息空间与物理空间融合的一个体现。这种融合使得空间距离对计算的含义与传统分布式计算正好相反。传统的分布式计算是试图用网络消灭空间距离,而智能空间是强调找到离用户最近的各种资源和服务。反过来,基础设施也应该能够利用用户所携带的移动设备的功能,为用户提供个性化或者增强的服务。
例如,当用户甲在一个智能会议室开会时,系统检查到乙给甲发了一个重要的E-mail,并希望甲马上能阅读其内容。智能会议室则应该根据当前的情景(在开会)以及甲所携带的移动设备(手机或者PDA)幕显示出来。而如果只是甲单独待在智能会议室,该E-mail则可经由声音提示,显示在大屏幕上。
智能空间--智能办公空间
随着人工智能、大数据和其他技术的发展,传统的办公行业正不断向共享办公和智能办公领域过渡。智能办公空间的应用场景是什么?
基于人脸识别技术的访问控制管理
在智能办公领域,以人脸识别技术为核心的门禁管理可以扩展到企业的各种办公场景:访客管理、智能问候、渠道管理、智能门禁、人脸考勤、会议预约管理等。
可调光智能玻璃
会议室的智能调光玻璃可以通过电路在透明和不透明玻璃之间切换。在会议期间,它可以从透明玻璃变成磨砂效果,分隔外部空间并确保会议室的私密性。
再例如像会议预约场景,集中高效的利用会议室,让找不到会议室的同事轻松了解哪间会议室”空闲”。预约成功后,刷脸立即进入会议室。开会期间再也不会出现误闯会议的尴尬场面,因为不是与会人员根本无法进入。设置好会议结束时间,可提前5min提醒会议主持者,预约的会议时间马上到了等等。
智能化办公的核心之一,是降低岗位的工作难度。通过视频会议,可以实现集团下属分公司、办事处等跨地域的"面对面"沟通协作,可以通过会议过程中实时的内容共享展开讨论和信息对称,可以将资源数字化、扩大智能化办公的边界,通过智能化、提高决策效率。
"智能空间"的概念弱化了云、人工智能、区块链、物联网这些技术或者说平台的建设。而着眼于应用层面,强调两个核心形成的结构,一是智能空间,二是以人为中心。
智能空间的特点在于它是一个自适应的空间,不是人主动去要求环境去改变,而是环境为了人更好的生活而智能化的变化。例如,城市路灯根据环境明暗程度自动点亮,而非定时点亮;再或者交通信号灯根据交通状况自动调节,而非程式化或者受人为控制去调节。在这个过程中5G、AIoT、区块链、AI、大数据、MR、3D建模七大核心技术慢慢发展成熟,其中5G将会是智能空间的核心驱动力。
在智慧城市建设前大数据时代,是建立基础设施获取数据;而后大数据时代的重点是获取数据后如何分析和快速响应。在展示、仿真、干预这三个数据使用的阶段,智能化主要看仿真和干预的阶段。而到达这个阶段,首先要通过数字孪生实现现实世界与数字世界的一一映射,而5G高速度、低时延的特性让这个一一映射和分析决策的过程最大限度的实时化。
人工环境(智能空间)选用一套先进的AI控制系统,并由专业的技术人员编制的优化软件进行控制,业主可以得到:
1)由现场控制器全面自动控制所有机电设备,达到一些无法由手动实现的控制功能。2)在中央控制室内,在中央工作站上可以直接监视所有的机电设备,通过监视报警状态了解所有的机电设备是否正常运行,并可以实现记录、打印报表等管理功能。3)减少日常运行维护的工作量,进而减少日常运行维护人员。4)通过最优化控制程序和预设时间程序控制对所有机电设备,实现全面节能,最优的节能效果可达45%。既有建筑物空调与照明系统的能耗很大,约占大厦总能耗的70%。在满足使用者对环境要求的前提下,智能大厦应通过其“智能”,尽可能利用自然光和大气冷量(或热量)来调节环境,以最大限度地减少能源消耗。按事先在日历上确定的程序,区分“工作”与“非工作”时间,对室内环境实施不同标准的自动控制,下班后自动降低室内照度与温湿度控制标准,已成为人工环境(智能空间)的基本功能。利用空调与控制等行业的最新技术,最大限度地节省能源是人工环境(智能空间)的主要特点之一,其经济性也是该类建筑得以迅速推广的重要原因。建筑设备管理系统(Building Management System),简称BMS系统,其采用计算机程序对人工环境(智能空间)设备进行管理,根据设备的使用情况和用户的实际要求调整设备,使设备的运行处于最佳状态,大量减少不必要浪费,避免了设备在失控的情况下运行,达到节约电能的目的。在不采用BMS系统的建筑物中,设备简单的操作、维护、保养都需要大量的人工完成;而采用BMS系统,大量的工作均由电脑根据程序自动完成,这样不仅节省了人力,而且避免的复杂的人事关系的一系列问题。采用BMS系统可节约40~60%的人力,从而大量的节省了人力开支。设备在电脑的统一管理下,始终处于最佳运行状态,及时报告设备的故障情况,并进行处理;按照设备的运行状况,打印维护、保养报告,避免超前或延后维护,相应延长设备的使用寿命,也等于节省了资金。在不采用BMS系统的建筑物中,操作人员是否及时处理设备故障及维护保养,有关领导很难掌握;但BMS系统由电脑对设备进行统一管理,计算机不会隐瞒欺骗任何人,有关领导可以及时掌握第一手资料,避免人员管理的任何问题。BMS系统对设备的运行进行监测,可使值班人员及时发现设备的故障、问题与意外;消灭故障于隐患中,排除意外于防范中,保障设备与人生安全。××系统可根据用户需求适时的调整设备,充分保证用户环境。如果全用人工调节,一方面检测手段滞后,另一方面调节结果滞后,不可能充分满足用户需求。而BMS系统采用计算机系统管理设备,监测手段丰富灵活,反应时间快,可充分满足业主需求。再次,空调与冷热源是建筑物中能耗最大的一项,中央空调系统占整个大楼的耗能 50%以上,而大楼装有楼宇自控系统以后,可节省能耗 25%,节省人力约 50%。冷热源采用楼宇自控系统后,同常规控制相比,可以大大提高控制精度。从统计数据来看,一般来说,可以节省20~30%的冷量,夏季温度比设定值每升1℃约可节省10% 的冷量。这些对于减少运行费用与节约能源均有重要意义。且出现故障,能够及时知道何时何地出现何种故障,使事故消除在萌芽状态。高新信息技术和计算机网络技术的高速发展,对建筑物的结构、系统、服务及管理最优化组合的要求越来越高,要求建筑物提供一个合理、高效、节能和舒适的工作环境。节能是一项基本国策,也是建筑电气设计全面技术经济分析的重要组成部分。AI系统正是顺应了这一潮流而诞生的。BMS是一个复杂的软件系统,它不仅可对各弱电子系统进行分散式控制,集中统一管理和监控,而集成后的系统应是一个开放系统,使不同的子系统和产品间接口和协议达到“互操作性”,同时还能适应发展变化的需要,从软件工程的角度来说,BMS的设计必须实现以下目标:集成后的系统应是一个开放系统,系统集成的过程主要是解决不同系统和产品间接口和协议的“标准化”,以使它们之间达到“互操作性”。它应当提供标准数据接口、网络接口、系统和应用软件接口。系统集成的总体结构必须是结构化和标准化的,既可使不同厂商的设备产品综合在一个系统中,并相互得到高度的信息共享,又可使系统能在日后得以方便的扩充,即满足通用性,又满足可替换性。系统要严格按照模块化结构方式开发,以满足通用性和可替换性。采用模块化设计,分布实施的战略。这种互连性体现在传输媒体和结构化综合布线系统;各种网络设备的配置;各种网络互连设备的配置;以及各类机电设备、话音/视频设备和各类控制设备等的配置。子网之间互连采用TCP/IP等标准化协议。BMS系统是一个网络,随着网络规模扩大,网络管理十分重要。要对这样的一个网络进行管理,要求:同时支持网络监视和控制两方面能力,能监视控制到网络主要设备;系统要采用与技术发展潮流相吻合的产品,建立一个可扩展的平台,保护前期工程和后继先进技术的衔接,使系统具有先进性。经济成本是系统集成必须考虑的因素之一,要求系统设计者从系统目标和用户需求出发,在功能完善的基础上达到造价相对合理经济的优化设计。系统效率高低,体现在系统性能中,主要包括以下几个方面:要采用各种措施建造一个高可用性系统。主要措施有冗余,可用性群集,共享数据群集等。简言之,BMS系统设计应引入最先进的技术,采用分层和模块化结构,以增加系统的可靠性、兼容性和可扩展性,同时应考虑系统效率,减小CPU和网络负荷,加快响应速度,提高服务能力。为管理者提供高效、便利、安全的工作环境。AI系统网络结构可分为三级,第一级为中央工作站,即控制中心,控制中心内设中央工作站,中央工作站系统由PC主机、彩色大屏幕显示器及打印机组成,是BAS系统的核心,整座建筑物内所受监控的机电设备都在这里进行集中管理和显示,它可以直接和以太网相连;第二级为直接式数字控制器,第三级为采集现场信号的传感器和执行机构。直接数字控制器、传感器及执行机构随被控设备就近设置。无论是位于企业局域网LAN的站点计算机,还是位于广域网WAN 通过拨号上网的各站点计算机,只要运行 Internet Explore 浏览器,输入 Web 服务器网址,再输入被授权的用户名和密码,进行登录和授权认证,即可浏览各种动态页面。在企业局域网LAN上建立视频服务器,接收闭路电视监视系统的视频信号,并借助LAN或WAN网络,为监控站点计算机发送多媒体信息。视频画面与其它实时信息完全融合。由Web服务器发布各种动态Web网页和各种实时信息,浙江中控BMS显示界面可以用模拟图、表格、图表等方式表现,使用图像压缩、动态效果和ActiveX控件、COM/DCOM组件模块、OPC标准协议,VB Script脚本等互联网技术进行开发。用户通过浏览器可以监控设备运行、查看动态视频、查询大楼内部的物业资料等。数据服务器安装Windows 2000操作系统,运行SQLServer,存放系统配置,记录各种事件,并提供统计报表。数据的查询、报表、备份、安全、维护等功能均由数据库系统提供友好支持。系统可以通过硬盘录像机的RJ45网络通讯口,直接监视整座建筑物的动态图像。实时视频窗口与系统完全融合在一起,大大方便了管理,加强了透明度。为了保证系统的完整性以及符合上述要求,本系统采用了大量的信息管理标准、通信协议、软件集成模块等等,现列举如下:TCP/IP--传输控制协议/INTERNET协议,以太网上的该协议标准用于允许数据传输,遂道及路由。它提供在INTERNET/INTRANET上最基本的数据信息传输标准。以上所提及的技术及标准将会被不同部份的BMS合理采纳,以确保完成系统操作数据、存取、系统集成及所定义的系统功能。从中央控制站至现场直接数字控制器之间采用专用的通讯电缆沿镀锌钢管敷设,从直接数字控制器至执行机构采用屏蔽或非屏蔽线,在冷冻站、变配电所、空调机房等处线缆集中的地方采用金属线槽进行敷设,其它零散测点线缆较少的地方采用穿镀锌钢管进行敷设。通讯系统由通讯卡、现场通讯接口和通讯线路组成,通讯卡安装在中央管理工作站,与中央管理工作站的计算机相联,现场通讯接口安装在每台现场控制机内,通讯线将中央通讯卡与现场通讯接口依次相连。为控制器配置的控制柜可提供控制器工作所必需的电源、继电器板、接线端子等,控制器内置于控制柜中。控制柜安装在被控对象附近,便于操作及施工,每台现场控制柜需提供一个220V/1000W的电源,或在附近留有电源插座。需要控制的风机或水泵等设备的配电柜内需设置手自动转换开关,转换开关置于手动状态时,用手动启停按扭控制风机或水泵启停;转换开关置于自动状态时,由现场控制机提供的无源常开触点控制风机、水泵启停。被控风机或水泵配电柜需提供一对常开无源辅助触点,留有现场控制机使用,以检测风机或水泵的运行状态。传感器、执行器安装在工艺管道上,每个元件需要的电缆视不同产品而有所不同。当风道温度传感器与湿度传感器一同安装时,应注意顺风走向,温度应置湿度传感器上测。风阀驱动器安装一定要注意阀的叶片轴与驱动器轴同心。电动阀门驱动器安装,注意阀的实际开启方向与驱动器指示方向相符。流量计一定要注意于直管段竖直安装,流量计前至少要有10倍流量计通径的距离;流量计后至少要有5倍流量计通径的距离。中央控制室设专用配电盘,采用末端自动切换的双回路供电方式,直接数字控制器由现场供电。对于正常情况下不带电的仪表外壳、设备及控制箱均应接地。建筑物余热回收利用
"会发电"的建筑物:BIPV(光伏建筑一体化)
光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaics,简称BIPV)指在建筑外围护结构的表面安装光伏组件提供电力,同时作为建筑结构的功能部分,取代部分传统建筑结构如屋顶板、瓦、窗户、建筑立面、遮雨棚等,也可以做成光伏多功能建筑组件,实现更多的功能,如光伏光热系统、与照明结合、与建筑遮阳结合等。
柔性直流用电 变革建筑用能
建筑用电可以从其自身表面获取,建筑表面空间应该作为重要资源开发利用。近年来,光伏瓦、光伏幕墙、光伏玻璃等新产品不断涌现,与建筑外表面装饰一体化成为太阳能光伏电池技术的重要发展方向之一。用好建筑外表面,使其成为建筑用电的主要来源。
光伏发电输出的为直流电,需要通过逆变器转变为与电网同步的交流电,接入建筑电力内网。光伏系统要配备蓄电池,蓄电池直接蓄存和释放的也是直流电,也需要逆变器在蓄放过程进行交流—直流之间的转换。就目前建筑内的各类用电设备而言,照明装置采用LED光源,需要直流驱动,要通过整流器将交流变为直流;电脑、显示器等IT设备,其内部为直流驱动,也需先通过AC/DC(交流到直流的电压变换)整流;空调、冰箱等白色家电,现在的发展方向是变频器驱动同步电机,实现对电机转速的高效精准控制,这样,其内部也要直流驱动,需先通过AC/DC整流;电梯、风机、水泵等建筑中大功率装置,目前的高效节能发展方向也是直流驱动的变频控制。通过电力电子器件实现由直流电驱动同步电机可灵活精准地调控转速和扭矩,已成为未来电机发展的主要方向。建筑内的直流微网依靠其分布连接的蓄电池和电力电子器件,通过智能控制,也可以有效吸收负载瞬态变化的冲击,维持系统的稳定可靠。因此,目前技术条件都已具备,就到了挑战建筑内的交流供配电系统的时候了。我国未来建筑年用电量将在2.5万亿kWh以上,还将有2亿辆充电式电动小轿车,二者之和所消耗的电力将达到用电总量的35%以上。如果未来建筑全部成为带有充电桩的柔性建筑,则可以吸纳接近一半由风电、光电所造成的发电侧波动,并有效解决目前由于建筑本身用电变化导致的峰谷差变化。"光伏+直流+智能充电桩"的建筑供配电系统虽然增加了投资,但极大降低了中低压电网输配电的容量。目前建筑入口的供电容量是建筑最大负荷时的容量,建筑的年用电量与入口配电功率之比为500~1800小时。也就是说,中低压配电网的年平均负荷率仅为6~20%。采用这种建筑柔性用电技术,建筑年输入电力总量与建筑入口最大功率之比可以提高到4000~6000小时。这就可以使建筑小区中低压供配电网的容量降低到目前的四分之一以下,所对应节省的投资一般也会超过建筑内增加的投资。