邻元科技CEO姜子炎:建筑节能领域“两弹一星”工程的产业化丨双碳科技行

2022.11.25

降低建筑运营能耗,是碳中和的必行之路。群智能建筑系统,被评价为智能建筑领域的“两弹一星”工程。君联资本所投企业邻元科技是一家提供智能建筑解决方案的高科技公司,基于群智能技术,研发了世界首创的核心技术——分布式操作系统(LynkrOS),为行业带来一场全新的技术革新。在36氪的专访中,群智能建筑系统的发明人、邻元科技CEO姜子炎详解了这项建筑节能“黑科技”如何从实验室走向产业化。

降低建筑运营能耗,是碳中和的必行之路。

建筑节能自控技术——群智能建筑系统,诞生于清华大学建筑节能研究中心,由江亿院士领衔。作为十三五期间建筑智能化系统平台方向,国家唯一支持的大型科研项目,它被专家评价为智能建筑领域的“两弹一星”工程。

在广州微信总部办公楼智能化改造项目中,8天完成2万平方米的安装调试工作,实现暖通控制系统上线运行,目前已运行5年,风机能耗费用下降50%。

作为最佳案例被写入《中国建筑节能年度发展报告2022》的华润置地吴江万象汇与济南万象城,使用了群智能建筑系统后,每年节省电量约189万度,减少CO2排放量1330吨,分别实现了34%、21%的节能率。

将缩短调试时间80%以上,将建筑整体能耗平均降低30%,是它的建设速度与节能效果。

近期,36氪专访了群智能建筑系统的发明人,邻元科技CEO姜子炎,清华大学博士,暖通专业背景,本科阶段就跟着江亿院士进入实验室,从事建筑节能领域研究。20多年来,他经历了建筑节能领域从一个不被重视到被重视、再到如今热门产业的过程。

他谈到,将建筑物理场与分布式计算相融合,扁平化、去中心、自组织的新型计算架构,将给行业带来一场全新的技术革新。

邻元科技CEO姜子炎

1

传统建筑智能化系统
难以复制推广

36氪:过去20余年,智能建筑领域的市场状态与运转逻辑是怎样的?

姜子炎:早在千禧年前,不少新建公共建筑中都有安装建筑智能化系统的预算,实现所谓3A、5A级建筑。刚开始比如清华同方、太极等国产公司从事此项服务工作。2000年以来,江森自控、西门子、霍尼韦尔等国外品牌进入市场,PLC、DDC等核心硬件产品逐渐占到中国市场的60%-70%;加上后续的施耐德与其他若干国外品牌,占比达到90%以上,国产控制器硬件产品的市场份额寥寥无几。

然而,此赛道的中国企业数以千计,仅在智能建筑行业协会中,就有超2000家的集成商、建设单位注册。一直以来,他们往往从国外企业购买硬件产品,针对工程项目进行系统集成和软件开发,并交付给甲方使用。

36氪:近30年来,智能建筑领域发展背后有哪些遗留至今的问题?

姜子炎:近三十年,因地产行业的快速发展,建筑智能化产业也不断发展。起初安装建筑智能控制系统的初心是实现楼宇的自动化运行,减少人工成本与运营费用,不过至今,相当多项目的智能化系统并没有真正发挥预期的作用和能力。

首先,过去开发商将建筑卖给使用者,标榜“智慧楼宇”提高售价更为重要,过程中使用国外品牌也更容易贴标签,反而建筑交付后运行实用效果不那么重视。

其次,每个项目需要针对空调、照明、给排水、安防等功能,由建筑机电+IT专业跨学科专业工程师进行定制化开发,过程中包含较高的调试成本、系统开发成本,尤其完成后的成果不具备复制性,难以把好的控制策略和管理经验推广,这是由传统技术带来的瓶颈问题。

36氪:如何理解传统楼宇自控技术的瓶颈问题?

姜子炎:一个建筑内部有多个系统,比如暖通空调、照明、消防、安防、电梯等。在传统楼宇自控技术应用过程中,每个系统包含多个可编程控制器,每个控制器内部又存在数十根线对应着不同的设备。

要实现楼宇的智能化控制,传统技术需要通过编程定义每条线所属的设备及位置;由于同一子系统内多个被控设备又相互影响,也需要通过中控来管理,中控也得需要通过软件编程进行详细的被控系统建模,这本身需要大量的系统软件开发工作。

除此之外,不同系统之间存在一定的耦合关系。比如当拉上窗帘进行遮阳后,热辐射变少,空调也会受影响,这就导致需要基于实际情况去层层建模。

如此下来,整栋楼的控制信息点数以万计,且散布在数万乃至十几万平米的各个建筑环境空间,很多相关设备还是隐蔽安装,想把物理世界的设备和测点与各级软件模型中的数据信息对应准确,将带来超大的工作量。

反映到实际效果中,就是调试成本特别高,调试周期长,通常需要半年到一年,甚至更长时间还没有调试完成的案例也比比皆是。

总之,传统技术是各个子系统各自为战、分层中控、中央集成的架构。在这样的架构下,本身没有建筑及其被控机电设备系统的信息,需要大量的绑点、建模工作。物理世界和信息系统脱节,是传统技术带来的瓶颈问题。

当然,技术确实在发展,互联网、物联网的相关技术也都在智能建筑领域有所应用,比如工业以太网、SaaS、AI算法、大数据、AIoT等,都在慢慢使用,但都没有改变传统技术分级控制的架构,依然没有办法解决上述过程带来的问题。

36氪:目前市场上不同玩家处于怎么样的状态?

姜子炎:在建筑智能化市场,目前智能建筑系统的主流供应商,大多来自工业自动化控制巨头,比如霍尼韦尔、施耐德、西门子、江森自控等,也是我们的直接竞品,它们把流程工业的智能化应用到了建筑业,但是却没有解决实现建筑智能化系统的建设调试过程的智能化问题,造成普遍存在的预期功能不落地问题。

对建筑节能市场,新建建筑,国内仍有不少集成商做辛苦的调试工作,开发一些节能算法和软件交付,但大部情况效果一般;对于既有建筑节能改造,前两年很多服务商的做法是通过前期调研,交付一个节能分析报告给甲方,结果带来的问题是难以落地而真正实现节能效果。

2

群智能系统
缩短调试时间80%,能耗平均降低30%

36氪:如何理解您提到的建筑群智能技术吗?

姜子炎:群智能技术的研究背后最早来源于江亿院士的一次发问。

有一堆苹果与一个筐,如何将尽可能多地把苹果放到筐内?一种办法是将每个苹果编号,并按尺寸大小建模,再给筐建模,利用一系列优化算法进行放置,这可能得到最优的方案;另一种是将苹果一股脑无序放置进去,在快装满之时,不断摇晃腾出空隙,再进行放置。虽然第二种方法可能得到的不是理论上的最优解,但能实现目标且实现的成本非常之小,这是市场中非常需要的。

目前建筑智能化技术提供的是第一种方式,能不能用第二种方式来实现建筑智能化?

在这个思路之下,这一筐苹果是一种扁平化、没有中心、即插即用、自组织的系统。我们希望将建筑智能化也变成这样即插即用、能够与建筑绑定在一起的自组织系统,这是我们最初的想法。

36氪:所以我们的技术怎么解决这个问题?

姜子炎:既然传统技术问题在于“中央控制”,我们就想,能不能取消中央,将传统思路上集中在中央的智慧和算力散布在建筑的各个单元,让建筑基本单元变成智能单元,类似鸟群、鱼群中的个体,通过简单个体的自组织实现系统整体的复杂控制和优化功能?

传统思路是从工业控制和互联网等信息学科直接拿来成熟技术用到建筑领域,造成建筑知识和信息技术脱节,我们应该从建筑本身的特点出发,反过来重新定义适合建筑的信息系统架构。

36氪:您提到的建筑基本单元具体指的是什么?

姜子炎:以往认为传感器、执行器、控制器是自动化系统的组成单元。但是,这些构件并不是建筑的组成部分,用它们作为基本单元组成建筑控制系统,并不能跨过对建筑系统定义这一门槛。

建筑基本单元是反映某种共性的完整建筑功能、可以在不同建筑项目中复制的最小单元。建筑基本单元可以反映建筑及其机电设备的属性,通过少数几类基本单元,就能完整地拼接建筑及其设备系统,并仅仅通过改变拼接方式,就能得到针对不同建筑项目的建筑自动化系统,具体如下图所示。

建筑基本单元列表(来源:企业供图)

为了找到能够支撑新架构构想的基本单元,我们从建筑设计院提供的100余套实际建筑平面和设备图纸中,分析空间分布特征,总结机电设备的共性特征,并且通过一系列工作进行数据标准化,定义出20多种“建筑基本单元信息模型”,并成为中国节能协会认可的团体标准。

任何复杂的建筑,都可以看作是这20多种基本单元的组合。我们进一步开发一种智能硬件,我们叫计算节点(CPN,Computing Processing Node),将各种建筑基本单元的信息特征预先植入到CPN中。

具体在工程中,我们将CPN安装在不同的建筑单元内,使其代表各个建筑单元,并按照单元所在空间位置,将CPN连接成与建筑空间结构相似的网格状结构,这构成了群智能系统的硬件网络架构。由于建筑空间是网格状、无中心的,各个空间关系相对平等,因此群智能系统也是去中心、扁平化的。

36氪:技术原理层面该如何理解呢?

姜子炎:从运行管理、自动控制需求角度看,办公室、酒店客房、会议室等建筑空间在各个建筑中其实相差不大。由于空调、照明、配电等建筑相关专业在设计时有标准和导则,在50-100m2的空间内各种功能的建筑空间内设备个数以及控制管理相关的信息种类比较容易标准化。

反映在一定建筑空间内部,灯与空调的个数是有限的。基于这样的认识,前面我们提到,通过对建筑单元类型的归纳分析后,可以定义出能够在不同的建筑中复制移植的基本单元。

这些单元如何实现像鸟群、鱼群那样的自组织控制呢?

在传统的理解下,相互耦合的东西需要一个上级的控制区来解决。但我们不喜欢中央控制,因为中央控制意味着绑点、建模等大量的工程工作。能否实现扁平化、无中心的全局优化控制呢?

我们还是从建筑物理专业找答案:建筑控制是在控制空调、通风、供热、照明、人群移动等,但更深层次是在控制各种物理场。物理场本身就是没有中央的,物理场的任何一点变化都可以激发涟漪,引起整个物理场的变化,但这种变化是从激发点开始由近及远、由强变弱的。

既然本质是在控制物理场,我们就可以按照物理场的变化规律重新设计计算机制:让安装在建筑单元中的CPN代表对应的局部物理场,通过CPN与邻居之间的迭代计算模拟物理场的变化过程,进而可以基于对机电设备不同执行状态下全局物理场的模拟结果,找到既满足控制要求能耗又最低的可行方案,最终实现控制。

上述类似于有限元的思路,只不过将单元划分的颗粒度放大到建筑空间单元尺度上,每个单元都围绕着自己的边界与其他单元拼接起来,相互影响,最终实现系统整体优化控制。

其中,背后按照物理场变化规律而设计的分布式计算,是建筑空间单元协作的灵魂。

对于各种各样建筑控制管理需求,我们把从简单数学计算,到常用数学优化方法,再到物理场分布求解算法在内的多种全局算法拆解成能够即插即用、完全一致的分布式“算子”,固化在CPN里面,从而可以用这些多种分布式算子拼接出未来所有可能的控制管理逻辑。

36氪:所以我们提供的是一套封装好底层技术的硬件产品?

姜子炎:是的,我们提供的CPN是一个内置分布式操作系统的独特硬件产品。我们在每个房间中会放置一个CPN盒子,相邻房间的盒子之间会通过网线连接,从而将整栋建筑的所有空间构成一个网格状的模型。

所有CPN都内置相同的LynkrOS。这是我们自己开发的面向分布式计算的分布式操作系统,它负责实现CPN计算网络自动构建、进行分布式计算调度和多线程管理,在一秒时间内,每个CPN盒子与邻居之间会完成几百次的迭代计算,从而支持上层应用软件可以灵活下载运行在CPN计算网络中。

在用户的视角下,CPN硬件产品背后有应用软件商城。

这类似于手机App的应用商店。其中有能够覆盖大部分建筑控制管理功能的应用软件,比如空调与各种机电的节能控制,能耗统计,照明控制,安防门禁管理,设备故障诊断等,建筑管理用户可以根据具体项目需求,灵活即下载即应用到本建筑的CPN计算网络上。我们的技术可以保证这些标准化的应用软件,自动适配不同建筑中、不同规模和结构的CPN网络,下载即运行。

36氪:咱们的壁垒在哪,如何保持竞争力?

姜子炎:一是面向建筑物理场的全新的分布式计算系统架构,是江森自控、西门子、霍尼或者其他竞品没有的东西;二是LynkrOS操作系统内嵌了上百种分布式算法,且有强大调度和多线程管理功能,通过不断落地案例,吸引上层的技术应用开发者,逐渐将技术壁垒转化生态壁垒。

3

从实验室到商业化
技术与市场逐渐成熟

36氪:与传统案例相比,公司服务案例的效果有哪些实际提升?

姜子炎:目前我们已经广泛应用于超过共计600万平方米的公共建筑之中,包括体育馆、商场、酒店、写字楼等。

在华润置地万象城的多个项目中,经过专家评审与工程公司做测算,前期从200人天减少到35人天,调试时间从8个月减少到4周,实现了开业即运行,开业当天预期功能实现率95%以上,相对传统技术大幅提前了智能化系统的交付时间。

在运行过程中,通过智能化算法每年节省几十到百余万能源费用;同时自动运行和自动故障诊断功能,大幅提高人工效率,运行过程中一年省10个人工,等效于一百多万的运行费用。

36氪:如何看待目前公司的竞品与市场的成熟度?

姜子炎:在产业链上,我们对霍尼韦尔、西门子这些国外厂商的PLC/DDC等产品是直接的替代和竞品关系。节能服务商、集成商、云服务商等都不是竞品,而是合作伙伴关系,我们可以为合作伙伴直接提供低成本、可快速落地的节能策略和服务软件,也可以开放LynkrOS操作系统API,支持合作伙伴开发更好的应用软件。

就市场而言,过去中国大部分的建筑都是靠手动运行的,原因是人工成本相对较低。如今地产行业开始转型到经营自持型的物业,用智能化系统实现运营成本的降本增效变得重要,尤其建筑节能是实现碳中和特别重要的一块。

36氪:公司的商业模式如何设置的?

姜子炎:第一阶段盈利模式很简单,就是售卖内嵌的LynkrOS的自控系统硬件CPN,以及搭载在LynkrOS上运行的实现节能低碳、降本增效功能的配套算法软件包。

第二阶段,发展基LynkrOS建设生态系统,和中国建筑运维产业大多数企业合作,为大家提供开发成本低、可快速落地、软硬件一体化的技术底座。作为操作系统提供商,我们在支持、推广合作伙伴应用软件产品的同时收取一定服务费。

36氪:请您介绍一下咱们团队目前的情况?

姜子炎:公司目前拥有60多人,其中大部分是研发人员。公司的研发团队是一个跨专业的研究型团队,包括硬件研发、操作系统研发、应用软件研发、算法开发、交互软件开发、设计和工程落地支持等各个部门,融合了计算机、自动化、电子、软件,与暖通、照明、电气、建筑节能、物业管理等各个专业。

邻元科技产品架构(来源:企业供图)

36氪:如何理解建筑智能化系统与建筑低能耗运营的关系?

姜子炎:我们跟着江老师做建筑节能近20年,其实行业对建筑节能技术的认知是一点点加深的。

最早,提到建筑节能想到的就是更换LED灯,改造外保温,更换高效机电设备。2005年左右,江老师提出“用数据说话”,行业开始推行“分项计量”,就是在建筑各个用电回路安装电表,计量各个用电系统的细分能耗。

这样可以清楚的知道什么系统能耗高,从而执行针对性的节能改造,避免盲目更换高效设备。当时,国家和地方政府都有补贴,很多企业加入到这个行业。

但是到2012年前后,建筑业主逐渐意识到,光拿到这些能耗数据并不能实现节能。能耗高的系统未必就有节能潜力,还可能是建筑运行就需要这些能耗。

所以,只做分项计量,已经不满足行业的需求了,一些企业开始转向能耗分析业务,通过计算能效,并与标准指标相比,为业主发现那些地方存在节能潜力,甚至提出节能改造方案。

到2018年,只做节能分析也逐渐难以满足用户需求。虽然根据节能报告可以做一些管理节能、行为节能,但建筑能耗与运行管理密切相关,是一个动态的过程,人工管理难以实现高水平的节能效果。

这时候,建筑智能化系统就成为行业迫切需要的技术手段。其实,在“十一五”期间,江老师负责的一个“大型公共建筑节能关键技术研究”项目就已经给出公建节能的三个关键技术“分项计量”、“节能诊断”、“控制改造”。

然而,行业对这些技术的认知和接受是由浅入深,逐渐接受的,到如今已经跨越了10多年的时间。


转载:36Kr

作者:秦明