KNX技術組織、標準和技術應用解決方案

KNX技術組織、標準和技術應用解決方案

李玉敏 (機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所, 北京 100055)

摘要開放的國際和歐洲KNX標準,已經被轉化為中國標準(GB/T 20965)。低運行成本可節約大量能源，實現DALI數字化照明控制、恒照度控制、室內溫度以及遮陽控制等幾個方面的功能，從而提出提高現代樓宇運行效率切實可行的解決方案。

關鍵詞KNX 家居與樓宇 控制系統 案例

AbstractThe open international and European standard KNX have already been transformed into Chinese standard (GB/T 20965). The low operating cost can save a lot of energy and realize the functions of DALI digital lighting control, constant illumination control, indoor temperature and sunshine shading control, etc. The feasible solution to enhance operating efficiency in modern buildings is presented.

KeywordsKNX home and building, control system, case

1概述

1.1KNX標準及系統介紹

KNX是家居和樓宇控制領域唯一開放的國際標準，已成為國際標準(ISO/IEC 14543-3)、歐洲標準(CENELEC EN 50090)、(CEN EN 13321-1)、中國標準(GB/T 20965)及美國標準(ANSI/ASHRAEB5)，所以 KNX 是對未來的一種保證。由不同制造商生產的KNX 產品可以相互連接—— KNX商標保證了它們的連接性和互操作性，而且更方便、更安全、更節能。為了把控制數據傳送給所有樓宇管理組件，要求有一個系統來處理各個設備，以保證所有的組件通過共同的語言進行通信，如 KNX 總線這樣獨立于制造商和應用領域的系統。該標準在市場上已有20年的使用經驗，從已有的系統: EIB、EHS 和BatiBUS轉變成KNX。把所有的總線設備連接到 KNX 介質上(這些介質包括雙絞線、射頻、電力線或 IP/以太網)，使它們可以進行信息交換。總線設備可以是傳感器、執行器或用于樓宇控制管理的裝置(如：照明、遮光/百葉窗、保安系統、能源管理、供暖、通風、空調系統、信號和監控系統、服務界面及樓宇控制系統、遠程控制、計量、視頻/音頻控制、大型家電等)。所有這些功能可以通過一個統一的系統進行控制、監視和發送信號，不需要額外的控制中心。

1.2 KNX技術優點

任何類型的樓宇(從復雜的辦公室到普通住宅)都可獲益。不管是什么類型的樓宇，將成本控制在可管理水平的同時，KNX為樓宇控制系統開啟了全新的機會。傳統安裝技術要花大力氣才能實現的解決方案，KNX只需通過一個觸摸板就可以控制住宅和樓宇中的所有應用。從供暖、通風及訪問控制到所有家電設備的遠程控制，KNX在樓宇中使用了全新的方法來增加舒適感、安全性和節能效果，KNX總線應用控制系統見圖1。

使用了KNX會給建筑師、設計師、承包商帶來真正的收益，并且也能給住宅或樓宇業主和/或用戶帶來好處。

圖1　KNX總線應用控制系統示意圖

1)低運行成本可節約大量能源

根據時間和/或實際的現場情況，照明和供暖只需在需要時打開開關，從而節約能源和費用。而且照明可根據日照強度自動控制亮度，因此可在每一個工作區域維持一個指定的最小亮度以減少能耗(除那些確實需要開關調節的光源)。

2)節約時間

用一根總線將所有的設備進行互聯，大大減少了設計和安裝時間。制造商和應用領域在獨立工程工具軟件(ETS)中進行的設計、工程和安裝配置都含有 KNX 認證的產品。因為此工具是獨立于制造商的，系統集成商可以用不同的通信介質(雙絞線、射頻、電力線或 IP / 以太網)把各個制造商的產品結合起來。

3)未來發展的靈活性和適應性

一個 KNX 安裝可以很容易地適應新的應用并易于擴展，新組件可以很容易地連接到現有的總線網絡上。

2KNX技術組織

1999年5月，由EIBA(歐洲總線安裝協會)、EHSA(歐洲家居系統協會)和BCI(BatiBUS國際俱樂部)共同成立了KNX協會。該協會是家居和樓宇控制全球標準KNX的擁有者，也是KNX商標和標識的全球所有者，是一個由比利時法律管轄的非營利性組織。成員由基于KNX各種家居和樓宇控制設備開發的廠商構成，產品的應用有：燈光控制、百葉窗控制、供暖、通風、空調、能源管理、計量、監視、報警/防盜系統、家用電器、音頻/視頻。下一步，服務提供商也將成為KNX協會的成員。

KNX組織結構與工作范圍見圖2。

圖2　KNX組織結構與工作范圍示意圖

技術委員會(KTB)負責KNX標準的審批和推進，包括系統、測試規范和認證規則。KTB是最終KNX技術的決策機構，負責把KNX標準的部分轉換給相應的標準化委員會。

市場委員會(KMB)負責KNX標準的市場策略，包括KNX協會圍繞KNX標準的溝通和市場推廣活動。KMB是最終KNX市場的決策主體，負責KNX區域性發展和組織開展市場活動。技術和市場委員會分別由幾個工作組(WG)和任務組(TF)組成，其中所有股東可以參與持續的KNX標準制定、開發和推進。

執行委員會(KEB)由2個常設委員會協助。

KNX協會是KNX技術的創建者和擁有者。擁有全球家居和樓宇控制的所有應用標準，范圍從照明和百葉窗控制到各種安全系統、采暖、通風、空調、監控、報警、控水、能源管理、計量以及家用電器、音響及其他更多內容。該技術可以在新的以及現有的家庭和建筑中使用。

對于KNX協會的會員，系統不需要專利費用，而且可以在任何處理器平臺上實現。所有產品均帶有KNX認證標志，以保證系統的兼容性、互連性和互操作性。KNX是家居和樓宇控制的唯一全球標準：

1)單一、獨立于制造商的設計和調試工具(ETS)。

2)一套完整支持通信的媒介(TP、PL、RF和IP)。

3)一套完整的支持配置模式(系統和簡單的模式)。

該標準在市場上已有超過24年的經驗，包括它的前輩：EIB、EHS和BatiBUS。超過370個成員公司，來自全球不同的應用領域，在他們的產品目錄中有超過7 000個KNX認證的產品群。與KNX協會有合作協議的安裝公司超過了44 000家，包括125個國家和100多所技術大學以及300多個培訓中心。

KNX規范覆蓋了KNX標準的所有技術內容，從初次接觸KNX技術，到通過規范、認證規則、測試和應用描述，可以全面掌握該技術。不同的卷和部分明確分離，可用于公司的各個職能部門。

3KNX解決方案(應用案例)

3.1提高能源效率

3.1.1方案

KNX系統提供了集中和分散多種測量消耗的解決方案(圖3)。這里使用了單相和三相KNX電表，以及用帶有電流檢測的KNX執行器和帶有電流互感器的KNX模塊。雖然后者的測量精度不符合計費目的，但符合樓宇能源消耗測量和控制的總體思路。特別在現有的分布式環境，該KNX執行器可替代原來的執行器或適配插座節省空間。

3.1.2實施

該項目使用各種不同的電表：用于測量總消耗量(Gira)的KNX表，KNX電量執行器(ABB)，帶有電流檢測(消費者電路能耗)的執行器，以及為各個電器提供帶有電流互感器(Zennio)的KNX電流表。另外消費者可以使用KNX按鈕來進行切換。

圖3　KNX系統集中和分散測量設備改造示意圖

3.1.4功能

所有KNX能量數據可被記錄，數據可在中心位置圖形顯示，成為現實生活中樓宇操作員的優選。該數據可用Excel處理或由上級能量管理系統訪問。圖表和圖形顯示樓宇在一天當中的能源消耗。可以根據需要顯示給各個消費者，現有樓宇中的分布照片為使用者提供了一個令人信服的論據，支持使用KNX測量進行設備改造。

3.2需求側管理(在峰值功率時使用太陽能發電)

如果城市中電力的需求與產生的電力匹配，則是最經濟的，滿足能源供應能夠管理高峰負荷的要求。所以，智能化的需求側能源管理越來越重要，這種方式符合能源合同和稅費的條件，特別是太陽能和風能也對發電做出了貢獻。位于弗里倫多夫的Geb?ude-Programmierer服務公司，展示了商業用戶如何使用KNX避免昂貴的高峰負荷，并從低成本稅費或從太陽能發電中受益，下文舉一個用于餐廳廚房的例子。

3.2.1方案

消耗負載由兩臺18kW的煮鍋、一臺20kW的炒鍋和三口蒸鍋(每口19kW)組成。目的是要控制這些用電大戶，使它們的負載總和不超過預先設定的值。該設定值表現為一次15min的能量有效值。與廚師協商，規則設定為優先，各單元可以短時間關閉，而不對性能有任何明顯的影響。

3.2.2實施

消費者的能耗通過KNX電能表(如：海格，ABB)或在頂端的主儀表測量、顯示。由于餐廳的廚房單元都配有干接點，它們的觸點可以由KNX開關執行器直接操作。邏輯連接通過一臺KNX可視顯示器來實現。需求側管理系統還要考慮安裝的光伏系統(裝機功率30 kW)的發電。

3.2.3功能

需求側管理系統使用KNX軟件編程(圖4)，以常規最大值監視不同方式的工作，并且對一組規則和設定點進行協調。為了能夠在15min間隔的早期階段反應，需求側管理系統要連續計算需求的趨勢。另外，為多余的太陽能發電建立設定點，從而避免開關的頻繁動作，使自產生的能量消耗增加。需求側管理文件的目的之一是提供需求側(覆蓋切換)廚師進行人工干預的證據。

圖4　需求側管理系統KNX軟件編程

3.3可再生能源充電(用自身太陽能駕駛電動車)

電動汽車將在可持續的城市中扮演重要角色(如KNX城市)，一個重要的方面是私人的電動車將使用可再生能源——碳中性能源充電。因為停車場或車庫對電動車充電通常需要較長的時間，所以充電操作更適合用樓宇自身的太陽能收集器或風力渦輪機。位于柏林的KoyneSystem-Elektronik公司展示了一種基于KNX技術的智能解決方案。該項目顯示了一個家庭擁有自己的光伏發電系統，電力即可以饋入電網，也可以取出在現場消費。如果太陽能的發電超過了房子本身的消費，使用剩余的太陽能發電對電動車充電是非常有意義的。該KNX系統可計算輸出目標值，即當前饋入電網量和私人消費量的差值，這就得出了充電電量。

3.3.1實施

KNX電表(Hager)測量消耗和生成的電量數值。一個KNX氣象站(ABB)提供了風、雨和太陽輻射數據。由KNX模擬輸入(Jung)發送到總線。充電樁使用KNX邏輯和KNX執行器控制。當前的太陽能輻射值和太陽能模塊的溫度由KNX測量，用于監視和控制(圖5)。

圖5　用于監視和控制太陽能模塊溫度的KNX測量示意圖

3.3.2功能

該技術的改進是電動車與KNX的接口。充電樁配有一個充電控制單元(Wago引導盒)，啟動和停止充電過程由KNX控制，并可以自動設置不同的充電電流(6 A、10 A、16 A、32 A)。用多余能量計算出的設定值來調節。其基本邏輯是：小剩余=低的充電電流，大剩余=高的充電電流。引導盒驅動KNX執行器通道提供相應的潛在輸入能源。與電動車的通信采用了標準的脈沖信號。

4結束語

開放的KNX標準，其低運行成本可節約大量能源，節約時間，符合未來發展的靈活性和適應性。KNX組織不斷推進標準化工作及其成員公司對應用的開發，實現 KNX 安裝可以很容易地適應新的應用并易于擴展，新組件可以很容易地連接到現有的總線網絡上。不僅給建筑師、設計師、承包商帶來真正的收益，并且還能給住宅或樓宇業主和/或用戶帶來好處。以上兩個應用案例分別闡述了需求側管理集成KNX系統及KNX在改造時的優勢。如：

1)利用現有的KNX總線，用測量設備改造現有樓宇；集中和分散能源消耗的計量；為能耗優化提供了能量流概覽；為監測節能措施的有效性提供歷史能源數據；數據庫也可以由其他程序使用。

2)需求側管理集成KNX系統，預防峰值負載，協調關機規則，提高自身太陽能發電的利用，可擴展的資費管理的目的(高和低稅費)，可視化顯示和文檔。

3)通過使用已安裝的KNX系統，可以使私人電動車使用碳中性能源充電、太陽能發電提供私人消費，解決方案實現簡單化，可基于計算的能量剩余輸出目標值。

參考文獻

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