全球智慧城市系列（四）蓬勃發展的智慧建筑

編譯/辛妍

詳述工程與電子商務相結合的全新應用——城市農場，以期加速信息通信技術在我國農業中的應用，促進農業大發展

在大多數國家，建筑是能源消耗和二氧化碳排放的最大的驅動者。以歐盟為例，其建筑消耗了大約40%的能源，造成超過40%的二氧化碳排放。而根據美國能源情 報 署（Energy Information Administration）的數字，美國與建筑相關的能源和溫室氣體排放所占的比重更大，其中能源使用量占72%，溫室氣體排放量占到48%。雖然發展中國家中建筑的能源使用和溫室氣體排放所占比重相對要小得多，但是，隨著快速的工業化和城市化，這一比重正在迅速增加。如果世界范圍內的能源使用趨勢一直繼續下去的話，那么到2025年，建筑將成為全球能源最大的消費者，甚至超過運輸和工業部門的能源消費總合。同時，建筑也會是最大的溫室氣體排放者。因此，減少新建筑和現有建筑的能源消耗和溫室氣體排放，是應對全球變暖的關鍵挑戰和機遇。另一方面，建筑總運營成本的30%左右用于能源。因而，隨著能源成本的上漲，減少能源消費和總建筑費用是當務之急。

在最基本的層面上，智慧建筑提供實用的建筑服務，在建筑的整個生命周期內，以最低的成本讓業主或使用者更有效益（例如照明、熱舒適性、空氣質量、人身安全、衛生等）。但是，智慧建筑不是止步于它周圍的四面墻壁，更重要的是要考慮如何與其周圍環境相互影響，如何與之進行交互，即要考慮外部因素。因此，在未來，智慧建筑必須以集成的、動態的和功能性的方式將各部分及外部因素連接起來，持續地履行其使命?，F在全世界已經迅速達成一種共識，即隨著城市人口的增長和自然資源的減少，智慧建筑對維持生活質量至關重要。

隨著越來越廣闊的市場意識到了部署智慧建筑解決方案所能帶來的巨大商業價值，經過幾年慢于預期速度的增長，預計智慧建筑技術市場將會迅速增長。根據全球首屈一指的市場情報和信息技術市場活動的供應商國際數據公司（International Data Corporation，IDC）的預測，全球智慧建筑技術的花費到2018年將達到219億美元。并且，技術的采用率會因地區而不同，未來幾年最積極的采用地區將會是北美、西歐和亞洲/太平洋地區。

本文首先闡述智慧建筑帶來的好處以及相關技術，隨后介紹國外智慧建筑的典型案例，最后指出未來智慧建筑可能的發展趨勢及面臨的挑戰，以期為我國智慧建筑的發展提供一定的借鑒作用。

智慧建筑的好處

智慧建筑首要的是在建筑的整個生命周期內提供實用的建筑服務，以最低的成本讓業主或使用者更有效益，同時盡可能減少其對環境造成的影響。雖然各個國家要發展擴大智慧建筑的動機不盡相同，比如美國主要是因為業主和管理者要設法減少和控制能源成本，德國主要是政府驅動的環境和能源效率目標，而日本主要是為了應對能源供應的挑戰，但是，毋庸置疑的是，智慧建筑能讓我們的社會實現更可持續的發展，生活/居住條件更舒適，工作更有效率。有數字顯示，智慧建筑可以減少多達40%的能源消耗，有時甚至更多。源于有效利用的較低維護成本還會額外再減少10%到30%的能源消耗。圖1中清晰地展示了智慧建筑所產生的社會效應。

隨著過去十多年間智能傳感器和控制系統的空前擴散，許多傳統建筑和綠色建筑中都包含許多涉及機器對機器的通信的復雜的機械設備、先進的控制系統和整套的功能，從而讓其自身具有強大的能力，能夠測量、感知和了解在當中發生的所有事情的確切情況，以提高住戶的安全性、舒適性和生產力。但是，通常這些系統有不同的協議和傳輸機制，通過不同的供應商獨立運作，并且各個系統的發展和成熟速度也不盡相同。如果說，綠色建筑是要盡量采用可持續的材料來構建，那么智慧建筑則是從設計上就要讓建筑更高效地運行。智慧建筑從整體的角度出發，在一個嶄新的高度上專注于設施和IT組織之間的協作，并且要求組織或企業中具有新的轉型技能。更重要的是，智慧建筑能將所有的設備和系統都連接起來，讓建筑同內外部的各種系統進行交流與溝通，從而實現高效率的運作。在運營過程中，智慧建筑使用信息技術來連接通常獨立運作的各種子系統，從而這些系統之間能夠共享信息，以便優化整個建筑的性能。同時，智慧建筑考慮的不僅僅是四面圍墻之內的建筑設施，相反，它們與智慧電網連接并進行響應，與建筑運營商及使用者互動，使他們擁有更高水平的可視化的、可操作的信息。例如，要對冷凍機廠進行優化，就需要納入關于外部天氣和建筑內住戶的信息，才能提高冷凍機的運轉效率；使用大廈安防系統中的數據，就可以在住戶不在時把燈都關掉，減少冷卻。

智慧建筑有多種節省資金方式，其中大多涉及操作優化和效率提高（見表1）?？梢哉f，智慧建筑是應對極其復雜的能源挑戰的一項智能解決方案。

智慧建筑的意義不僅僅是節約能源，它還可以促進可持續發展目標的實現。它們可以延長資本設備的使用壽命，并影響人力和資本的安全和保障；它們可以通過創建可訪問的信息平臺實現創新。同時，智慧建筑解決方案能夠讓組織以新的方式管理自己的不動產投資組合，從而能夠改善碳效率、減少設備停機時間、提高租戶舒適性并降低能源成本。例如使用預測故障檢測系統，智慧建筑解決方案能夠讓建筑管理變得積極主動，而不是像過去那樣被動等待。該系統能讓用戶查看全公司所有不動產投資組合中的缺陷故障，并根據輕重緩急進行優先排序。這就意味著，通過向管理者提供不動產中設備和建筑的詳細視圖，甚至能夠讓維修團隊在去故障點查看之前就了解故障的性質，從而減少故障發生的頻率，降低故障造成的損失。

另外，智慧建筑的優點大大擴展到建筑的四壁之外：電網變得更強大、更可靠；隨著利用可再生能源提供電力，并且通過信息網絡，時時刻刻將需求與可變的供給相匹配以取得平衡，從而讓整個社會的碳足跡最小化；電動汽車作為智慧系統中的移動電池，讓人們在家庭和工作場所之間移動；通過用新方法使用數據，將本來完全相互獨立的系統連接起來，使得商業運作效率達到新的水平。更值得注意的是，這些好處不是暫時的，相反，它們貫穿建筑整個生命周期，從建模、設計到裝修以及之后的各個階段。智慧建筑是這一愿景的核心，它不僅僅是提供一個屋頂，而是要提供信息基礎設施，從而構建一個智能的世界。未來要實現強大的低碳經濟，智慧建筑這一信息技術與人類智慧的結合將是其中一個非常關鍵的組件。

智慧建筑技術

過去，建筑曾經只是由混凝土、電線和鋼鐵組成的簡單的物理基礎設施，但現在的建筑中還包括各種各樣相互連接的傳感器和系統，不斷地產生與建筑物有關的數據。

讓建筑變得更智慧的最佳途徑之一就是要讓業主和管理者將能源和運營指標收集到一個單獨的集中位置，并應用公司范圍的分析和優化能力，從中獲得獨到的見解。這種實時的數據收集和分析的能力能讓建筑管理者在服務問題發生前就主動地發現并處理，并且實現其管理之下的地面空間的能源、環境和組合性能指標的可視化。這樣，就可以通過增強對采暖、空調和能源消耗的管理來幫助降低成本和排放。通常來說，收集建筑數據不是問題，關鍵的挑戰來自于對數據的整合、詮釋以及優先排序。智慧建筑技術或者智慧建筑解決方案正是部署能源管理戰略的重要技術，它們能夠提高運作效率，控制成本，并帶來可持續發展的效益，這對大廈管理鏈上的各利益相關者都非常具有吸引力。

到2020年，預計全世界范圍內將有大約500億的網絡設備和傳感器，構成一個龐大的數據生成設備的全球網絡。越來越多的傳感器被安裝在樓宇中，用以收集有關運動、熱、光和空間使用的數據。在過去的幾十年中，建筑及其系統的設計、運行和控制方式都發生了巨大的變化，數據收集和分析的最新發展為智慧建筑技術開辟了新的可能性，對數字控制的采用讓復雜的控制決策得以實現。同時，無線網絡的不斷擴展和升級，以及計算能力的飛躍，意味著今天的智慧建筑設計師擁有強大的工具來使用數據的，從而讓建筑環境更舒適，同時減少碳足跡。目前，實時建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）和建筑管理系統（Building management systems，BMSs）就是兩種比較有代表性、并且應用相對廣泛的工具。

表1 ：智慧建筑的節約資金方式

實時建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）

從物理環境的角度考慮，好的設計估計可以將能源成本降低25%。而通過降低能源支出，總成本也會降低。建筑信息模型（BIM）是整個樓宇及其組件的幾何、空間關系、數量和性能的信息庫，它可以納入由傳感器收集到的各種數據，包括運動、熱、光和空間使用等。這也就意味著，信息庫的數據結構中包含有現場數據，能夠直接用于描述建筑設計。建筑信息模型（BIM）能夠通過三維計算機建模讓建筑師、工程師和設計師在同一個平臺上工作。確定下來的空間關系可以確保各種服務之間沒有沖突，并且新元素可以方便準確地產生并更換。同時，它也是一個為用戶提供數據的平臺。從某種程度上說，它將建筑看成一個系統，具有互操作性的元素能夠在其中有個適應過程，這其實是在制造業中已經使用了幾十年的思想及方法。

建筑管理系統（Building management systems，BMSs）

使用信息和通信技術硬件和軟件來收集建筑中的各種信息，包括供暖、通風和空調（heating, ventilation and air conditioning，HVAC）、照明、電力、安全、訪問控制和消防管理等等，并其進行監測、控制和優化，以提高能源利用效率，同時不影響建筑內住戶的舒適性。所有這些信息能夠讓建筑管理系統（BMS）做出反應來實時改變樓宇環境以滿足住戶。同時，建筑管理系統（BMS）具有學習能力，甚至能夠預測其住戶對光照、溫度和其他服務的偏好，從而有針對性地節能。因此，建筑管理系統可以做出有預期性，甚至是個性化的反應。更值得一提的是，這些數據也可以被用于住戶的用后分析評價，從而提醒以后在建筑和系統設計方面應當注意哪些問題。目前，這一技術不僅應用在商業樓宇中，也被大量應用于住宅建筑中。

建筑住戶，尤其是在其中工作或生活的住戶，可能沒有時間或知識去創造具有最佳效率的環境條件。這正是智慧建筑技術介入的時候，因為它可以學習和預測用戶的喜好，并改變條件來更加精確、靈活地滿足用戶的需求。因此，在越來越多的智慧建筑技術涌現之時，不能忽略的一點是，建筑應當不斷進化并調整，來適應它們的用戶。也就是，要在建筑設計過程的初始階段就去與用戶進行協商，在其中融入用戶的需求，這一點至關重要。另一方面，當為提供某些特定的服務而需要改造現有的建筑時，需要密切地觀察住戶的行為。建筑師和安裝者需要牢記，人們需要感覺到對自己眼前環境的控制，他們想要參與到控制過程中，而不是感覺自己正在受技術這一上帝之手擺布。因此，在智慧建筑中，建筑設計師應該擔當好服務提供者的角色，更密切、更有創造性地與客戶合作，以創建出更具有創新性的建筑，讓建筑能夠對用戶的行為或要求做出反應，以不斷改善他們的生活/居住狀態。

智慧建筑的關鍵在于系統集成，即將建筑系統連接在一起，并將樓宇自動化連接到企業系統。集成能夠產生巨大的質量效益，并帶來相當數量的成本節約，不論新建筑還是現有建筑都是如此。2013年前，全球智慧建筑市場的增長比預期的要慢，這主要是由于受一些外部性因素的影響，比如一些市場中相對低廉的電價，再比如由于經濟復蘇緩慢而導致延遲資本投資等。預計在未來幾年，隨著經濟的復蘇，加之能源成本仍然是建筑運營中一項巨大而又可變的組成部分，因此智慧建筑技術的采用率必然會越來越高。雖然由于地區、商業部門和方案類型的不同，對智慧建筑技術的采用率會有所不同，但毋庸置疑，在全球范圍內，需求仍在不斷增長。

智慧建筑典型案例

不論已經建成了多少年，幾乎所有的建筑（包括辦公樓、酒店、醫院、工廠和零售商店等）都在浪費能源。美國綠色建筑委員會（U.S. Green Buildings Council，USGBC）估計，商用辦公大樓使用的能源比其必要所需的能源平均高20%。因此，實施可持續建筑運營為優化能源效率和減少溫室氣體排放量提供了機會。為此，各國都在著力推廣智慧建筑，以促進可持續發展。比如歐洲就有歷時三年（從2012年2月到2015年1月）“智慧建筑（Smart Build）”項目。該項目在意大利、希臘和斯洛文尼亞的九個公共示范點（包括學校、公共建筑和醫院）引入了智慧信息和通信技術（smart ICT）概念，其目標是實現20%~35%的能源節約，并向樓宇使用者、樓宇管理者、公共部門和網絡運營商提供社會－經濟效益。

智慧建筑技術不僅能夠讓建筑內的住戶/用戶以及建筑的管理者受益，它還能通過與其他產業相結合，讓對方受益。例如，可以將智慧建筑技術與城市服務體系整合起來。未來，如果將智慧建筑與醫療系統和能源系統相連，那么如果一個老人在冬天連續三天都沒有用電取暖，當地的醫療機構就會接到警示并去看他，或許就可以防止體溫過低。事實上，智慧建筑在醫療部門的應用可以相當廣泛。例如通過建筑中的傳感器可以進行對樓宇內的老年住戶進行遠程血壓監測和心臟監測，了解其健康狀態，注意其行為模式，并且系統能在任何表明可能有問題的情況發生時發出警示，從而延長老人留在自己家中的時間，改善他們的生活質量，同時節約國家醫療系統的開支。

IBM的智慧Ehningen項目

這一項目在IBM位于德國斯圖加特市附近的Ehningen的新行政總部中進行。在這座行政總部大樓中，IBM幾乎已經配備了示范樓宇管理所需的所有的東西。建筑中有兩個數據中心，3000個工作崗位和一個會議中心，樓層總面積大約為6.15萬平方米。IBM想要在此展示其在智慧建筑方面的主要成就，即證明，在不影響舒適性的情況下，通過使用基于現有技術的智能化的概念和解決方案，可以大大減少建筑的運營和維護成本，同時還要保護環境。為此，IBM強化地面空間的使用，安裝傳感器，對能源的產生及優化、基礎設施及技術服務等實施智能解決方案，提高員工的環保意識。所有的這些使得建筑的運營成本削減了35%以上。這一系列的成就可以說，就是智慧建筑的一個整體設計和運營思路。

第一步，IBM通過減少地板空間節約20%的成本。在設計階段，IBM就對建筑進行了優化。在IBM這樣一個以銷售為導向的公司，通常只有70%~80%的員工需要有固定的工作場所。使用創新性的工作場所管理方法，在可變的基礎上分配辦公桌，不僅可以優化辦公室的容量，還會降低成本。而對工作站的需求下降為休閑區、餐廳、浴室設施和停車位留下了更多的空間。

第二步，在基礎設施和技術服務方面節省5%的開支。在IBM位于Ehningen的大樓中的各個位置上有數百個傳感器，用來測量當前的室內和室外溫度，各種設備的運作狀態，能源和水的消耗，樓內濕度，穿過大樓的陽光量，二氧化碳排放，風的強度，以及大樓的供暖和冷卻效率等。這些數據通過數字控制系統實時發送到中央能源優化系統，進行整合、處理和自動評估。通過分析趨勢，并將當前數據與以前的數據進行比較，系統會注意到不正常的消耗，盡早發現問題。相關的工作人員會因此收到詳細的任務清單，讓他們能夠非常迅速地帶著適當的備用零件到達故障地點。同時，系統地分析供暖和冷卻系統、電梯、照明系統和其他技術設備的消費數據和使用周期，能夠讓IBM確定理想的更換或維修間隔，從而優化維護管理。這樣可以最大限度地減少停機時間并降低成本。

第三步，將能源消耗削減20%，同時保護環境。由于化石燃料越來越貴，因此公司可以通過優化能源消耗來節省資金并減少二氧化碳排放量。因此，大樓采用所有可用的技術來優化能源消耗。通過集中記錄電力使用，控制所有與解決方案相連的IT、空調和照明系統，IBM能方便快速的識別故障并維修有缺陷的設備。通過自動監測室內溫度、濕度和二氧化碳水平，該公司為員工提供了最佳的工作環境。同時，在這里，IBM還有一個單獨的熱電廠。熱電廠的余熱用于給IBM大廈供暖和制冷，使得電廠的效率高達90%。熱電廠的設計目標是要滿足大廈總用電量的1/3，并滿足大約3/4的供暖需求。與傳統發電廠相比，這個電廠非常環保，因為其中燃燒的是沼氣，因此建筑幾乎是碳中性的。在白天的高峰時候，熱電廠主要產生電能來滿足大廈的電力需求。分散的發電機與優化軟件相連，為IBM園區計算和選擇最便宜和最環保的能源結構。多余的能源會被直接傳送到電網供大眾消費，并使用這一利潤來抵消發電廠的初始投資。

第四步，提高員工的認識和參與，因為即使看起來很小的措施也可能會顯著降低能源成本。IBM開發了專門的插件，在屏幕上向全公司員工顯示當前整座建筑的能耗。在高峰時間，當電力特別昂貴的時候，IBM鼓勵員工使用筆記本的電池作為電源，而電池可以在電價相對低的非高峰時候進行充電。這一插件還用來確定工作站是否啟用了Windows的電源管理，并僅僅通過點幾下鼠標就可以選擇最優的節能設置。同時，該插件還可以向員工發送特定環境下的節能提示，提醒員工在哪些情況下要特別注意，并鼓勵他們節約能源。僅單獨實施這項措施就將電力消耗削減了一至兩個百分點。

第五步，倡導使用電動車輛來保護環境，同時抵消能源高峰。IBM正準備用智慧建筑的概念迎接電動汽車的蓬勃發展。當IBM的員工需要來往于斯圖加特機場的接送服務時，他們可以使用內部電子預訂系統預定出租車。將來，將會有電動汽車取代這些出租車。IBM正計劃安裝兩個新的電動汽車充電站，使員工能夠更容易地給電動汽車充電。隨著越來越多的IBM員工選擇使用電動汽車作為公司車或私家車，將來還會建立更多的電動汽車充電站。另外，由于電動車的電池中含有智能充電技術，這些車輛中的電池還可以用來為大廈存儲能量。IBM正在考慮在用電高蜂時段使用電池儲存的能量為大廈供電，因為這一時候電網中的電價非常昂貴。然后，可以使用內部產生的能源或是在電網中電價較低時為這些電池充電。IBM預計這一概念會額外降低三到五個百分點的能源成本。增加電動汽車的使用通常也會提高能源效率，同時減少二氧化碳排放量。

智慧建筑的未來趨勢及存在的挑戰

目前，一座建筑的使用壽命大約是50年到100年，而數字技術的變化周期要短得多，只有兩到五年。智能手機及其應用程序之間的關系，與智慧建筑及其智慧系統之間的關系具有相似之處。智能手機可以被分解為很多傳感器（如GPS）、以應用程序為表現形式的軟件，以及屏幕和揚聲器這類輸出部件。而一座建筑中的元素可以用相同的方式將聚焦在樓宇中的服務與樓宇的基本結構分開。我們可以把建筑看作是核心基礎設施，而將一個個“應用程序”插入其中。

另外，商用飛機的設計也為智慧建筑提供了一種學習模式。一架波音747的平均使用壽命大約為50年，通常在這段時間里，飛機會被改裝六次。由于必須要對電子、通信和其他一些系統進行頻繁升級，因此飛機設計必須要滿足的要求之一就是，要能夠迅速刪除并替換舊的技術，并且要將對飛機結構的破壞降至最低。為了適應整個社會發展的需要，建筑不得不斷地“進化”，因此建筑也可以同樣被看作是隨著技術的變化進行升級，即隨著技術的改變和建筑的使用，新的元素可以很容易地添加到建筑中。

未來的智慧建筑市場有兩個主要趨勢：首先，垂直行業對智慧建筑技術采用率的影響很大。由政府管理的建筑或是醫療保健行業中，往往更能意識到智慧建筑帶來的價值，從而進行更先進的部署。其次，過去幾年的投資重點是暖通空調（heating,ventilating and air conditioning，HVAC）系統，但現在，客戶已經開始將其擴大到照明、插頭負荷、設備維修和其他一些問題。

雖然智慧建筑能帶來一系列的好處，但是，其發展中也面臨著諸多問題：

比如由社交媒體、智能設備和物聯網等產生的可用數據越來越多，于是引發了對隱私、數據所有權和安全的關注。這一問題在智慧建筑中同樣是個無法被忽略的事實。用戶是否愿意提供或共享個人信息并且使用應用程序，越來越取決于他們是否信任數據處理器來保護他們的隱私，并以公平、合法和負責任的方式使用數據。用戶的信心或信任的流失，會影響對應用的使用，以及所提供的數據的質量。要防止安全漏洞，就需要政府與商業和工程設計合作，創建監管和法律框架，以及軟件工程和維修標準，從而保護組織和個人。同時，智慧建筑中的系統需要精細設計，以盡量減少這種安全威脅造成的影響，并允許在生命周期中發生變化，以解決新出現的威脅。

再比如智慧建筑的發展涉及到一系列建筑、企業和第三方系統的整合與互動。創建這些復雜的系統的系統將會引入與運作連續性和安全性相關的新的管理挑戰，因為運營和數據都是跨越組織邊界的。尤其是在被多個組織/個人占用，或者是多種用途的建筑中，建筑所有權和租佃關系的復雜業務模型會導致混亂，以至于無法確認到底由誰來責任樓宇安全。這一問題在任何共享的基礎設施或應用程序的設計和運作中都需要解決，尤其是當影響到個人的健康與安全，或是樓宇的安全性和可用性的時候，更需要解決。

智慧建筑可以被看作是相互關聯的建筑子系統的“超級系統”。曾經有人把智慧建筑與互聯網相提并論，因為互聯網將計算機網絡連接到了一個更大的“超級網絡”。在智慧建筑中，系統集成可以降低運營成本。應該說，智慧建筑是明智的投資，它不僅能夠引導能源消耗并降低成本，實現效率和環保責任，而且能夠增加建筑管理的效能和生產力，改善能源效率并增加客戶滿意度。社會鼓勵不同的行業整合并攜手合作，從而創造一個融合各種技術和專業知識的基礎設施，讓建筑變得更智慧。