超感知智能建筑:健康的绿色建筑和室内空气质量

By Arabinda Bose

数字化转型本身并不令人兴奋，也不会激励人们，除非它与一个更大的目标相关联。

新冠肺炎疫情后，当员工还在考虑是否要返回工作岗位、送孩子上学或前往其喜欢的目的地时，办公楼、教育机构和机场正在接受严格审查，以达到最高的绩效标准。这些空间的健康状况和这些建筑的室内空气质量受到密切关注。

健康的绿色建筑与室内空气质量

随着气候变化和温室气体排放，每个全球公民都需要新思维，以便在可持续发展方面发挥作用，减少对环境和气候变化的影响。

‍挑战


随着办公空间的工作人员和租户满怀期望地返回大楼，大楼业主、房东和员工健康和安全官员必须采取适当的措施，让大楼保持清洁、健康的透明度，并迅速回应住户的要求。美国绿色建筑委员会、环境保护署和利兹大学已采用一套共同的室内空气质量标准，这些标准由一系列关键参数管理，例如:

  1. CO2:空气中的一种天然化合物，室外平均浓度为300-400ppm。室内水平更高。任何超过900ppm的物质都被认为是不健康的。未来的智能建筑应该将CO2浓度控制在600ppm左右。
  2. CO:CO是一种无色无味的致命气体，是室内环境中最危险的化合物之一。美国国家职业安全与健康研究所(NIOSH)建议，每天工作8小时，暴露在空气中的污染物限值为35ppm。
  3. VOC：VOC（挥发性有机化合物）是在我们日常生活中使用的许多产品中发现的化学物质。会对眼睛、鼻子、喉咙造成刺激，并导致呼吸困难。它们由许多常见的建筑材料释放，包括地毯、硬木地板、室内装潢甚至大理石表面。
  4. PM2.5:颗粒物是一种危险的污染形式，因为颗粒的尺寸非常小，直径为2.5微米或更小。其可以进入肺部，造成许多不良影响。其阈值为 25 μg / 3  。
  5. 氡:这是一种放射性气体，由土壤中天然铀衰变形成。其具有致癌性，环保局建议的水平限制为4pCi/L。

解决方案指南


LEED为健康、高效、低碳和节约成本的绿色建筑提供了一个框架。其是解决健康建筑、气候危机和实现ESG目标的关键部分。ASHRAE(美国供暖、制冷和空调工程师协会)促进了建筑的供暖、制冷和通风设计。这两个框架在如何设计、运营和服务未来智能建筑，以及当今的建筑中发挥着重要作用。这些建筑可以通过物联网传感器进行改造，以达到类似的效果。

举一个例子，根据建筑的占用情况，建筑中的空间如何实现通过LEED认证的室内空气质量自动化。

客户控制自动化


根据ANSI/ASHRAE62.1-2019标准，建立一个基于建筑物占用率和建筑面积的自动化控制功能，以调节室内空气质量。ASHRAE标准的目的是-规定最低通风率和其他措施，旨在提供人类居住者可接受的室内空气质量(IAQ)，并尽量减少对健康的不利影响。

概念

空间或区域的占用密度和建筑面积驱动可占用空间的呼吸区(Vbz)所需的室外气流进气量。通风区所需的室外新鲜风量不应小于下式中确定的值。

Vbz=Rp*Pz+Ra*Az

Az=区域建筑面积，通风区域净可占用建筑面积，ft2(m2)

Pz=区域人口，使用期间通风区域的人数

Rp=每人所需的室外空气流量

Ra=单位面积所需的室外空气流量

自动化用例示例: 假设在德克萨斯州奥斯汀的Waylay办公楼，具有以下楼层/可占用空间。

WaWaylay 办公楼：

●1楼

主入口大厅=2000平方米。

休息室=1000平方米。

办公面积=3000平方米。

●2楼

休息室=1000平方米。

办公面积=3000平方米。

特定呼吸区域所需的最小通风量(ANSI/ASHRAE62.1规范)。

健康的绿色建筑与室内空气质量

异常情况: 假设在一次公司活动中，当来自不同组织的员工聚集在一起吃午饭时，休息室占用数达到了70。此事件触发了超过每1000平方英尺50人的入住率阈值。这种情况持续了1小时(中部标准时间中午12点-下午2点)，在下午3点时入住率下降到阈值(50)以下。然后，人员密度在CST下午6:00最终达到零(0)。通风率需要在每个阈值交叉处进行调整，然后设置为零(0)占用率的最小阈值。此外，为了节约能源，当无人值守时需要关闭休息室的灯(0)。

下表根据入住率和空间大小计算所需的“通风率”（cfm）：

健康的绿色建筑与室内空气质量

低代码实现:

1. 建模一个资源'WaylayAustin'。创建资源“1楼”和“2楼”，作为资源“WaylayAustin”建筑的子级。

2. 建模一个资源“休息室1”作为1楼的子资源，另一个休息室2作为2楼的子资源。

a)为资源休息室1和休息室2创建元数据属性(area_sqft)，值为1000。

b)为1楼的资源大厅1创建元数据属性(area_sqft)，值为2000。

3. 编写一条规则，以针对1楼的休息室1运行，其中休息室1的占用传感器发送上表中显示的数据。

例如:从没有超过阈值的“占用”密度(中=40)开始，将HVAC控制系统的“通风率”设置为320cfm。然后在CST中午12点的一段时间后，“入住率”增加到70，并超过阈值(50)。此时，将“通风率”增加到470立方厘米——向VAV控制器发送命令，以470cfm–320cfm=150cfm或+46.8%的额外空气供应量向空间提供额外空气。此外，向设施经理发出警告警报(a/1楼休息室的占用率已超过容量阈值)。

当占用率下降到50时，将“通风率”(空气供应)降低到370cfm。

当占用率降至0(0)时，将“通风率”降低至120cfm或370cfm-120cfm/370cfm=-67.5%的差异。

注意: 在更复杂的算法或机器学习模型中，引入建筑物的室外通风量也取决于室外空气质量(是否存在烟雾颗粒、垃圾等)。同样，室外进气口也需要针对建筑物内的相对湿度和冷却或加热空气所需的能量进行优化，以平衡和优化加热/冷却成本，以及与室内空气质量。

4. 向楼宇自动化系统灯光控制器发送命令，关闭灯光，空间占用率为零。

5. 如果建筑物所有者的政策要求进行审计，则向设施发送通知。经理表示自动化控制已采取了措施来优化建筑性能。

‍下面显示了使用Waylay平台构建的一个自动化模板示例：

健康的绿色建筑与室内空气质量

结论


室内空气质量对建筑物居住者以及环境的整体健康和福祉起着重要作用。建筑物内糟糕的空气质量会导致许多不利的健康问题，如恶心、头痛、哮喘等呼吸问题、皮肤刺激，甚至癌症。事实上，由于人们将近90%的时间都在室内度过，因此室内空气质量对人们的健康和生产力有着重大影响。

另一方面，美国能源部的数据显示，建筑物占美国能源消耗的40%，浪费的能源占其消耗的30%。因此，通过严格遵循ANSI/ASHRAE和LEED准则，可以保持能源消耗、浪费与室内空气质量的平衡。这可以通过超自动化系统来实现，该系统可以实时感知居住者容量、室内空气参数、不同建筑区域的空气流量，并将它们与IT系统的相关数据、室外空气质量和居住者反馈实时融合。