KNX技术组织、标准和技术应用解决方案

KNX技术组织、标准和技术应用解决方案

李玉敏 (机械工业仪器仪表综合技术经济研究所, 北京 100055)

摘要开放的国际和欧洲KNX标准,已经被转化为中国标准(GB/T 20965)。低运行成本可节约大量能源，实现DALI数字化照明控制、恒照度控制、室内温度以及遮阳控制等几个方面的功能，从而提出提高现代楼宇运行效率切实可行的解决方案。

关键词KNX 家居与楼宇 控制系统 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标准及系统介绍

KNX是家居和楼宇控制领域唯一开放的国际标准，已成为国际标准(ISO/IEC 14543-3)、欧洲标准(CENELEC EN 50090)、(CEN EN 13321-1)、中国标准(GB/T 20965)及美国标准(ANSI/ASHRAEB5)，所以 KNX 是对未来的一种保证。由不同制造商生产的KNX 产品可以相互连接—— KNX商标保证了它们的连接性和互操作性，而且更方便、更安全、更节能。为了把控制数据传送给所有楼宇管理组件，要求有一个系统来处理各个设备，以保证所有的组件通过共同的语言进行通信，如 KNX 总线这样独立于制造商和应用领域的系统。该标准在市场上已有20年的使用经验，从已有的系统: EIB、EHS 和BatiBUS转变成KNX。把所有的总线设备连接到 KNX 介质上(这些介质包括双绞线、射频、电力线或 IP/以太网)，使它们可以进行信息交换。总线设备可以是传感器、执行器或用于楼宇控制管理的装置(如：照明、遮光/百叶窗、保安系统、能源管理、供暖、通风、空调系统、信号和监控系统、服务界面及楼宇控制系统、远程控制、计量、视频/音频控制、大型家电等)。所有这些功能可以通过一个统一的系统进行控制、监视和发送信号，不需要额外的控制中心。

1.2 KNX技术优点

任何类型的楼宇(从复杂的办公室到普通住宅)都可获益。不管是什么类型的楼宇，将成本控制在可管理水平的同时，KNX为楼宇控制系统开启了全新的机会。传统安装技术要花大力气才能实现的解决方案，KNX只需通过一个触摸板就可以控制住宅和楼宇中的所有应用。从供暖、通风及访问控制到所有家电设备的远程控制，KNX在楼宇中使用了全新的方法来增加舒适感、安全性和节能效果，KNX总线应用控制系统见图1。

使用了KNX会给建筑师、设计师、承包商带来真正的收益，并且也能给住宅或楼宇业主和/或用户带来好处。

图1　KNX总线应用控制系统示意图

1)低运行成本可节约大量能源

根据时间和/或实际的现场情况，照明和供暖只需在需要时打开开关，从而节约能源和费用。而且照明可根据日照强度自动控制亮度，因此可在每一个工作区域维持一个指定的最小亮度以减少能耗(除那些确实需要开关调节的光源)。

2)节约时间

用一根总线将所有的设备进行互联，大大减少了设计和安装时间。制造商和应用领域在独立工程工具软件(ETS)中进行的设计、工程和安装配置都含有 KNX 认证的产品。因为此工具是独立于制造商的，系统集成商可以用不同的通信介质(双绞线、射频、电力线或 IP / 以太网)把各个制造商的产品结合起来。

3)未来发展的灵活性和适应性

一个 KNX 安装可以很容易地适应新的应用并易于扩展，新组件可以很容易地连接到现有的总线网络上。

2KNX技术组织

1999年5月，由EIBA(欧洲总线安装协会)、EHSA(欧洲家居系统协会)和BCI(BatiBUS国际俱乐部)共同成立了KNX协会。该协会是家居和楼宇控制全球标准KNX的拥有者，也是KNX商标和标识的全球所有者，是一个由比利时法律管辖的非营利性组织。成员由基于KNX各种家居和楼宇控制设备开发的厂商构成，产品的应用有：灯光控制、百叶窗控制、供暖、通风、空调、能源管理、计量、监视、报警/防盗系统、家用电器、音频/视频。下一步，服务提供商也将成为KNX协会的成员。

KNX组织结构与工作范围见图2。

图2　KNX组织结构与工作范围示意图

技术委员会(KTB)负责KNX标准的审批和推进，包括系统、测试规范和认证规则。KTB是最终KNX技术的决策机构，负责把KNX标准的部分转换给相应的标准化委员会。

市场委员会(KMB)负责KNX标准的市场策略，包括KNX协会围绕KNX标准的沟通和市场推广活动。KMB是最终KNX市场的决策主体，负责KNX区域性发展和组织开展市场活动。技术和市场委员会分别由几个工作组(WG)和任务组(TF)组成，其中所有股东可以参与持续的KNX标准制定、开发和推进。

执行委员会(KEB)由2个常设委员会协助。

KNX协会是KNX技术的创建者和拥有者。拥有全球家居和楼宇控制的所有应用标准，范围从照明和百叶窗控制到各种安全系统、采暖、通风、空调、监控、报警、控水、能源管理、计量以及家用电器、音响及其他更多内容。该技术可以在新的以及现有的家庭和建筑中使用。

对于KNX协会的会员，系统不需要专利费用，而且可以在任何处理器平台上实现。所有产品均带有KNX认证标志，以保证系统的兼容性、互连性和互操作性。KNX是家居和楼宇控制的唯一全球标准：

1)单一、独立于制造商的设计和调试工具(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(系统和简单的模式)。

该标准在市场上已有超过24年的经验，包括它的前辈：EIB、EHS和BatiBUS。超过370个成员公司，来自全球不同的应用领域，在他们的产品目录中有超过7 000个KNX认证的产品群。与KNX协会有合作协议的安装公司超过了44 000家，包括125个国家和100多所技术大学以及300多个培训中心。

KNX规范覆盖了KNX标准的所有技术内容，从初次接触KNX技术，到通过规范、认证规则、测试和应用描述，可以全面掌握该技术。不同的卷和部分明确分离，可用于公司的各个职能部门。

3KNX解决方案(应用案例)

3.1提高能源效率

3.1.1方案

KNX系统提供了集中和分散多种测量消耗的解决方案(图3)。这里使用了单相和三相KNX电表，以及用带有电流检测的KNX执行器和带有电流互感器的KNX模块。虽然后者的测量精度不符合计费目的，但符合楼宇能源消耗测量和控制的总体思路。特别在现有的分布式环境，该KNX执行器可替代原来的执行器或适配插座节省空间。

3.1.2实施

该项目使用各种不同的电表：用于测量总消耗量(Gira)的KNX表，KNX电量执行器(ABB)，带有电流检测(消费者电路能耗)的执行器，以及为各个电器提供带有电流互感器(Zennio)的KNX电流表。另外消费者可以使用KNX按钮来进行切换。

图3　KNX系统集中和分散测量设备改造示意图

3.1.4功能

所有KNX能量数据可被记录，数据可在中心位置图形显示，成为现实生活中楼宇操作员的优选。该数据可用Excel处理或由上级能量管理系统访问。图表和图形显示楼宇在一天当中的能源消耗。可以根据需要显示给各个消费者，现有楼宇中的分布照片为使用者提供了一个令人信服的论据，支持使用KNX测量进行设备改造。

3.2需求侧管理(在峰值功率时使用太阳能发电)

如果城市中电力的需求与产生的电力匹配，则是最经济的，满足能源供应能够管理高峰负荷的要求。所以，智能化的需求侧能源管理越来越重要，这种方式符合能源合同和税费的条件，特别是太阳能和风能也对发电做出了贡献。位于弗里伦多夫的Gebäude-Programmierer服务公司，展示了商业用户如何使用KNX避免昂贵的高峰负荷，并从低成本税费或从太阳能发电中受益，下文举一个用于餐厅厨房的例子。

3.2.1方案

消耗负载由两台18kW的煮锅、一台20kW的炒锅和三口蒸锅(每口19kW)组成。目的是要控制这些用电大户，使它们的负载总和不超过预先设定的值。该设定值表现为一次15min的能量有效值。与厨师协商，规则设定为优先，各单元可以短时间关闭，而不对性能有任何明显的影响。

3.2.2实施

消费者的能耗通过KNX电能表(如：海格，ABB)或在顶端的主仪表测量、显示。由于餐厅的厨房单元都配有干接点，它们的触点可以由KNX开关执行器直接操作。逻辑连接通过一台KNX可视显示器来实现。需求侧管理系统还要考虑安装的光伏系统(装机功率30 kW)的发电。

3.2.3功能

需求侧管理系统使用KNX软件编程(图4)，以常规最大值监视不同方式的工作，并且对一组规则和设定点进行协调。为了能够在15min间隔的早期阶段反应，需求侧管理系统要连续计算需求的趋势。另外，为多余的太阳能发电建立设定点，从而避免开关的频繁动作，使自产生的能量消耗增加。需求侧管理文件的目的之一是提供需求侧(覆盖切换)厨师进行人工干预的证据。

图4　需求侧管理系统KNX软件编程

3.3可再生能源充电(用自身太阳能驾驶电动车)

电动汽车将在可持续的城市中扮演重要角色(如KNX城市)，一个重要的方面是私人的电动车将使用可再生能源——碳中性能源充电。因为停车场或车库对电动车充电通常需要较长的时间，所以充电操作更适合用楼宇自身的太阳能收集器或风力涡轮机。位于柏林的KoyneSystem-Elektronik公司展示了一种基于KNX技术的智能解决方案。该项目显示了一个家庭拥有自己的光伏发电系统，电力即可以馈入电网，也可以取出在现场消费。如果太阳能的发电超过了房子本身的消费，使用剩余的太阳能发电对电动车充电是非常有意义的。该KNX系统可计算输出目标值，即当前馈入电网量和私人消费量的差值，这就得出了充电电量。

3.3.1实施

KNX电表(Hager)测量消耗和生成的电量数值。一个KNX气象站(ABB)提供了风、雨和太阳辐射数据。由KNX模拟输入(Jung)发送到总线。充电桩使用KNX逻辑和KNX执行器控制。当前的太阳能辐射值和太阳能模块的温度由KNX测量，用于监视和控制(图5)。

图5　用于监视和控制太阳能模块温度的KNX测量示意图

3.3.2功能

该技术的改进是电动车与KNX的接口。充电桩配有一个充电控制单元(Wago引导盒)，启动和停止充电过程由KNX控制，并可以自动设置不同的充电电流(6 A、10 A、16 A、32 A)。用多余能量计算出的设定值来调节。其基本逻辑是：小剩余=低的充电电流，大剩余=高的充电电流。引导盒驱动KNX执行器通道提供相应的潜在输入能源。与电动车的通信采用了标准的脉冲信号。

4结束语

开放的KNX标准，其低运行成本可节约大量能源，节约时间，符合未来发展的灵活性和适应性。KNX组织不断推进标准化工作及其成员公司对应用的开发，实现 KNX 安装可以很容易地适应新的应用并易于扩展，新组件可以很容易地连接到现有的总线网络上。不仅给建筑师、设计师、承包商带来真正的收益，并且还能给住宅或楼宇业主和/或用户带来好处。以上两个应用案例分别阐述了需求侧管理集成KNX系统及KNX在改造时的优势。如：

1)利用现有的KNX总线，用测量设备改造现有楼宇；集中和分散能源消耗的计量；为能耗优化提供了能量流概览；为监测节能措施的有效性提供历史能源数据；数据库也可以由其他程序使用。

2)需求侧管理集成KNX系统，预防峰值负载，协调关机规则，提高自身太阳能发电的利用，可扩展的资费管理的目的(高和低税费)，可视化显示和文档。

3)通过使用已安装的KNX系统，可以使私人电动车使用碳中性能源充电、太阳能发电提供私人消费，解决方案实现简单化，可基于计算的能量剩余输出目标值。

参考文献

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