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如何提高樓宇和家居自動(dòng)化設(shè)計(jì)的能源效率?

發(fā)布時(shí)間:2020-07-21 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】如何解決這一問題迫在眉睫。工業(yè)設(shè)計(jì)工程師希望提高樓宇的能源效率,以降低公用事業(yè)成本并減少碳足跡。為真正提高效率,設(shè)計(jì)師必須同時(shí)關(guān)注新建筑和現(xiàn)有樓宇,擴(kuò)建以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來的持續(xù)上漲的成本。
    
根據(jù)聯(lián)合國(guó)的研究,建筑和施工業(yè)占2018年全球能源消耗的36%,產(chǎn)生了令人擔(dān)憂的碳足跡,而且這一能耗百分比還在持續(xù)增長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)為我們敲響了警鐘。
 
因此,如何解決這一問題迫在眉睫。工業(yè)設(shè)計(jì)工程師希望提高樓宇的能源效率,以降低公用事業(yè)成本并減少碳足跡。為真正提高效率,設(shè)計(jì)師必須同時(shí)關(guān)注新建筑和現(xiàn)有樓宇,擴(kuò)建以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來的持續(xù)上漲的成本。
 
與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相關(guān)的技術(shù)在提高能效方面起著至關(guān)重要的作用。傳感器可根據(jù)其感測(cè)的環(huán)境條件自動(dòng)關(guān)閉燈、暖氣或任何其他耗電系統(tǒng)。與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的器件是樓宇自動(dòng)化的重要組成部分,主要因?yàn)樗梢詤R總在中央樓宇管理系統(tǒng)儀表板中生成的所有數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù),微調(diào)系統(tǒng)可以在一個(gè)精心設(shè)計(jì)、算法驅(qū)動(dòng)的程序中做出響應(yīng)。
 
如何提高樓宇和家居自動(dòng)化設(shè)計(jì)的能源效率?
圖1:樓宇中與IoT連接的控件的示例
 
事倍功半
 
物聯(lián)網(wǎng)連接的器件依靠電力運(yùn)行。特別是對(duì)于較舊樓宇,電池是最簡(jiǎn)易、最省錢的供電方式,因?yàn)樗鼈儫o需接線。面臨的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)功耗少的傳感器電路,使得與物聯(lián)網(wǎng)相連的器件可在單個(gè)紐扣電池上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。
 
納米供電組件可有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),此類組件的平均電流消耗可以納安 (nA)(1安培的十億分之一)為單位來測(cè)量。為便于說明舉個(gè)例子,遠(yuǎn)程無線智能樓宇傳感器中使用的標(biāo)準(zhǔn)CR2032 紐扣電池在10年內(nèi)可提供約2,100nA的電流。電池尺寸減小可使器件變得更小、更輕,從而更好地改裝到電力不普及的現(xiàn)有工業(yè)廠房或較舊設(shè)施中。
 
為促進(jìn)樓宇自動(dòng)化,設(shè)計(jì)工程師必須明確如何降低IoT器件的能耗。由于智能樓宇包含許多此類器件,因此更換電池的成本迅速增加,降低電池更換成本變得更加緊迫。
 
單個(gè)納米供電組件本身功耗很少,因此,使用更節(jié)能的組件替換設(shè)計(jì)中的現(xiàn)有電路組件顯然可有效減少能耗。此外,將納米供電集成電路(IC)集成到新器件中可幫助減少能耗,因?yàn)橹挥性谛枰獣r(shí)才能激活耗能大件,并從日常建筑操作中收集、儲(chǔ)存和使用少量的能源。
 
納米供電集成電路可實(shí)現(xiàn)智能能耗
 
監(jiān)控樓宇安全一直是樓宇運(yùn)行和維護(hù)的重要方面。我們預(yù)測(cè)樓宇安全市場(chǎng)將穩(wěn)步增長(zhǎng),這一增長(zhǎng)無疑將促使相關(guān)的嵌入式傳感器器件向更加節(jié)能的方向發(fā)展。
 
例如德州儀器(TI)的DRV5055霍爾效應(yīng)傳感器可通過感測(cè)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)來追蹤視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。例如,在模塊中組合兩種此類傳感器可測(cè)量門的打開角度,但傳感器需要一直保持開啟狀態(tài),且每個(gè)傳感器都會(huì)消耗大量的電流。為緩解此問題,一種方法是并入一個(gè)額外的諸如TI的DRV5032納米供電霍爾效應(yīng)開關(guān),將其作為負(fù)載開關(guān)。這一小型組件的功耗很小,在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)之前可斷開能耗較大的霍爾效應(yīng)傳感器的電源連接,檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)之后為其通電。
 
還有一種方法是使用納秒計(jì)時(shí)器和負(fù)載開關(guān),將高功耗器件(有時(shí)是微控制器)置于更深的電源睡眠狀態(tài)。負(fù)載開關(guān)可根據(jù)預(yù)定調(diào)度表激活高功耗器件,并在完成后關(guān)閉器件。納秒計(jì)時(shí)器可調(diào)節(jié)時(shí)間范圍寬泛,以適應(yīng)各類輪詢頻率。將輪詢頻率設(shè)置為高延遲值時(shí),納米供電集成電路可節(jié)省更多能量。
 
納米供電集成電路收集能量
 
想象一下門把手的旋轉(zhuǎn),如果該簡(jiǎn)易動(dòng)作產(chǎn)生的能量可為智能鎖供電,會(huì)發(fā)生什么情況?納米供電集成電路實(shí)現(xiàn)了這一策略性的能量收集方式。
 
門把手可連接到與減速器集成在一起的電動(dòng)軸上。門把手緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為更高的電機(jī)RPM旋轉(zhuǎn),可用作發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,并且在超級(jí)電容器中整流和調(diào)節(jié)能量。例如,TI的DRV8847雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以從發(fā)電機(jī)中收集能量。
 
當(dāng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能足以為傳感器供電時(shí),諸如TI的TPS2291x系列之類的負(fù)載開關(guān)會(huì)將電路從電池切換至電容器,并在不需要使用電池時(shí)啟用/禁用某些門鎖功能,以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。另外,電容器還可以為電池充電提供能量源。這種情況下,可使用諸如TPS62840等低IQ降壓轉(zhuǎn)換器最大化超級(jí)電容的輸出。
 
結(jié)論
 
納米供電的設(shè)備和集成電路具有革新樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)的潛力。它們不僅通過自身低功耗實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),還通過提供創(chuàng)新解決方案來降低每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器件的總能耗。
 
降低能耗可延長(zhǎng)這些器件的電池壽命,使建筑和施工業(yè)更接近智能化的設(shè)施管理。鑒于智能設(shè)施管理可在減少樓宇的碳足跡中發(fā)揮關(guān)鍵作用,因此納米供電組件的優(yōu)勢(shì)也將會(huì)發(fā)揮作用。
 
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