KNX技術(shù)組織、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)應(yīng)用解決方案

李玉敏 (機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100055)

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

關(guān)鍵詞KNX 家居與樓宇 控制系統(tǒng) 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(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)介紹

KNX是家居和樓宇控制領(lǐng)域唯一開放的國際標(biāo)準(zhǔn)，已成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC 14543-3)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(CENELEC EN 50090)、(CEN EN 13321-1)、中國標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20965)及美國標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/ASHRAEB5)，所以 KNX 是對未來的一種保證。由不同制造商生產(chǎn)的KNX 產(chǎn)品可以相互連接—— KNX商標(biāo)保證了它們的連接性和互操作性，而且更方便、更安全、更節(jié)能。為了把控制數(shù)據(jù)傳送給所有樓宇管理組件，要求有一個系統(tǒng)來處理各個設(shè)備，以保證所有的組件通過共同的語言進(jìn)行通信，如 KNX 總線這樣獨立于制造商和應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)在市場上已有20年的使用經(jīng)驗，從已有的系統(tǒng): EIB、EHS 和BatiBUS轉(zhuǎn)變成KNX。把所有的總線設(shè)備連接到 KNX 介質(zhì)上(這些介質(zhì)包括雙絞線、射頻、電力線或 IP/以太網(wǎng))，使它們可以進(jìn)行信息交換?？偩€設(shè)備可以是傳感器、執(zhí)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(tǒng)、能源管理、供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)、信號和監(jiān)控系統(tǒng)、服務(wù)界面及樓宇控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)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(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)視和發(fā)送信號，不需要額外的控制中心。

1.2 KNX技術(shù)優(yōu)點

任何類型的樓宇(從復(fù)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(tǒng)開啟了全新的機(jī)會。傳統(tǒng)安裝技術(shù)要花大力氣才能實現(xiàn)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(yīng)用。從供暖、通風(fēng)及訪問控制到所有家電設(shè)備的遠(yuǎn)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(jié)能效果，KNX總線應(yīng)用控制系統(tǒng)見圖1。

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

圖1　KNX總線應(yīng)用控制系統(tǒng)示意圖

1)低運行成本可節(jié)約大量能源

根據(jù)時間和/或?qū)嶋H的現(xiàn)場情況，照明和供暖只需在需要時打開開關(guān)，從而節(jié)約能源和費用。而且照明可根據(jù)日照強(qiáng)度自動控制亮度，因此可在每一個工作區(qū)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(guān)調(diào)節(jié)的光源)。

2)節(jié)約時間

用一根總線將所有的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，大大減少了設(shè)計和安裝時間。制造商和應(yīng)用領(lǐng)域在獨立工程工具軟件(ETS)中進(jìn)行的設(shè)計、工程和安裝配置都含有 KNX 認(rèn)證的產(chǎn)品。因為此工具是獨立于制造商的，系統(tǒng)集成商可以用不同的通信介質(zhì)(雙絞線、射頻、電力線或 IP / 以太網(wǎng))把各個制造商的產(chǎn)品結(jié)合起來。

3)未來發(fā)展的靈活性和適應(yīng)性

一個 KNX 安裝可以很容易地適應(yīng)新的應(yīng)用并易于擴(kuò)展，新組件可以很容易地連接到現(xiàn)有的總線網(wǎng)絡(luò)上。

2KNX技術(shù)組織

1999年5月，由EIBA(歐洲總線安裝協(xié)會)、EHSA(歐洲家居系統(tǒng)協(xié)會)和BCI(BatiBUS國際俱樂部)共同成立了KNX協(xié)會。該協(xié)會是家居和樓宇控制全球標(biāo)準(zhǔn)KNX的擁有者，也是KNX商標(biāo)和標(biāo)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(shè)備開發(fā)的廠商構(gòu)成，產(chǎn)品的應(yīng)用有：燈光控制、百葉窗控制、供暖、通風(fēng)、空調(diào)、能源管理、計量、監(jiān)視、報警/防盜系統(tǒng)、家用電器、音頻/視頻。下一步，服務(wù)提供商也將成為KNX協(xié)會的成員。

KNX組織結(jié)構(gòu)與工作范圍見圖2。

圖2　KNX組織結(jié)構(gòu)與工作范圍示意圖

技術(shù)委員會(KTB)負(fù)責(zé)KNX標(biāo)準(zhǔn)的審批和推進(jìn)，包括系統(tǒng)、測試規(guī)范和認(rèn)證規(guī)則。KTB是最終KNX技術(shù)的決策機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)把KNX標(biāo)準(zhǔn)的部分轉(zhuǎn)換給相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化委員會。

市場委員會(KMB)負(fù)責(zé)KNX標(biāo)準(zhǔn)的市場策略，包括KNX協(xié)會圍繞KNX標(biāo)準(zhǔn)的溝通和市場推廣活動。KMB是最終KNX市場的決策主體，負(fù)責(zé)KNX區(qū)域性發(fā)展和組織開展市場活動。技術(shù)和市場委員會分別由幾個工作組(WG)和任務(wù)組(TF)組成，其中所有股東可以參與持續(xù)的KNX標(biāo)準(zhǔn)制定、開發(fā)和推進(jìn)。

執(zhí)行委員會(KEB)由2個常設(shè)委員會協(xié)助。

KNX協(xié)會是KNX技術(shù)的創(chuàng)建者和擁有者。擁有全球家居和樓宇控制的所有應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，范圍從照明和百葉窗控制到各種安全系統(tǒng)、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、監(jiān)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(nèi)容。該技術(shù)可以在新的以及現(xiàn)有的家庭和建筑中使用。

對于KNX協(xié)會的會員，系統(tǒng)不需要專利費用，而且可以在任何處理器平臺上實現(xiàn)。所有產(chǎn)品均帶有KNX認(rèn)證標(biāo)志，以保證系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)：

1)單一、獨立于制造商的設(shè)計和調(diào)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(tǒng)和簡單的模式)。

該標(biāo)準(zhǔn)在市場上已有超過24年的經(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域，在他們的產(chǎn)品目錄中有超過7 000個KNX認(rèn)證的產(chǎn)品群。與KNX協(xié)會有合作協(xié)議的安裝公司超過了44 000家，包括125個國家和100多所技術(shù)大學(xué)以及300多個培訓(xùn)中心。

KNX規(guī)范覆蓋了KNX標(biāo)準(zhǔn)的所有技術(shù)內(nèi)容，從初次接觸KNX技術(shù)，到通過規(guī)范、認(rèn)證規(guī)則、測試和應(yīng)用描述，可以全面掌握該技術(shù)。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(yīng)用案例)

3.1提高能源效率

3.1.1方案

KNX系統(tǒng)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(zhí)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(xiàn)有的分布式環(huán)境，該KNX執(zhí)行器可替代原來的執(zhí)行器或適配插座節(jié)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(zhí)行器(ABB)，帶有電流檢測(消費者電路能耗)的執(zhí)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(jìn)行切換。

圖3　KNX系統(tǒng)集中和分散測量設(shè)備改造示意圖

3.1.4功能

所有KNX能量數(shù)據(jù)可被記錄，數(shù)據(jù)可在中心位置圖形顯示，成為現(xiàn)實生活中樓宇操作員的優(yōu)選。該數(shù)據(jù)可用Excel處理或由上級能量管理系統(tǒng)訪問。圖表和圖形顯示樓宇在一天當(dāng)中的能源消耗。可以根據(jù)需要顯示給各個消費者，現(xiàn)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(jù)，支持使用KNX測量進(jìn)行設(shè)備改造。

3.2需求側(cè)管理(在峰值功率時使用太陽能發(fā)電)

如果城市中電力的需求與產(chǎn)生的電力匹配，則是最經(jīng)濟(jì)的，滿足能源供應(yīng)能夠管理高峰負(fù)荷的要求。所以，智能化的需求側(cè)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(fēng)能也對發(fā)電做出了貢獻(xiàn)。位于弗里倫多夫的Geb?ude-Programmierer服務(wù)公司，展示了商業(yè)用戶如何使用KNX避免昂貴的高峰負(fù)荷，并從低成本稅費或從太陽能發(fā)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(fù)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(fù)載總和不超過預(yù)先設(shè)定的值。該設(shè)定值表現(xiàn)為一次15min的能量有效值。與廚師協(xié)商，規(guī)則設(shè)定為優(yōu)先，各單元可以短時間關(guān)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(guān)執(zhí)行器直接操作。邏輯連接通過一臺KNX可視顯示器來實現(xiàn)。需求側(cè)管理系統(tǒng)還要考慮安裝的光伏系統(tǒng)(裝機(jī)功率30 kW)的發(fā)電。

3.2.3功能

需求側(cè)管理系統(tǒng)使用KNX軟件編程(圖4)，以常規(guī)最大值監(jiān)視不同方式的工作，并且對一組規(guī)則和設(shè)定點進(jìn)行協(xié)調(diào)。為了能夠在15min間隔的早期階段反應(yīng)，需求側(cè)管理系統(tǒng)要連續(xù)計算需求的趨勢。另外，為多余的太陽能發(fā)電建立設(shè)定點，從而避免開關(guān)的頻繁動作，使自產(chǎn)生的能量消耗增加。需求側(cè)管理文件的目的之一是提供需求側(cè)(覆蓋切換)廚師進(jìn)行人工干預(yù)的證據(jù)。

圖4　需求側(cè)管理系統(tǒng)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(xù)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(fēng)力渦輪機(jī)。位于柏林的KoyneSystem-Elektronik公司展示了一種基于KNX技術(shù)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(fā)電系統(tǒng)，電力即可以饋入電網(wǎng)，也可以取出在現(xiàn)場消費。如果太陽能的發(fā)電超過了房子本身的消費，使用剩余的太陽能發(fā)電對電動車充電是非常有意義的。該KNX系統(tǒng)可計算輸出目標(biāo)值，即當(dāng)前饋入電網(wǎng)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(shù)值。一個KNX氣象站(ABB)提供了風(fēng)、雨和太陽輻射數(shù)據(jù)。由KNX模擬輸入(Jung)發(fā)送到總線。充電樁使用KNX邏輯和KNX執(zhí)行器控制。當(dāng)前的太陽能輻射值和太陽能模塊的溫度由KNX測量，用于監(jiān)視和控制(圖5)。

圖5　用于監(jiān)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(shù)的改進(jìn)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(dǎo)盒)，啟動和停止充電過程由KNX控制，并可以自動設(shè)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(shè)定值來調(diào)節(jié)。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(dǎo)盒驅(qū)動KNX執(zhí)行器通道提供相應(yīng)的潛在輸入能源。與電動車的通信采用了標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號。

4結(jié)束語

開放的KNX標(biāo)準(zhǔn)，其低運行成本可節(jié)約大量能源，節(jié)約時間，符合未來發(fā)展的靈活性和適應(yīng)性。KNX組織不斷推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作及其成員公司對應(yīng)用的開發(fā)，實現(xiàn) KNX 安裝可以很容易地適應(yīng)新的應(yīng)用并易于擴(kuò)展，新組件可以很容易地連接到現(xiàn)有的總線網(wǎng)絡(luò)上。不僅給建筑師、設(shè)計師、承包商帶來真正的收益，并且還能給住宅或樓宇業(yè)主和/或用戶帶來好處。以上兩個應(yīng)用案例分別闡述了需求側(cè)管理集成KNX系統(tǒng)及KNX在改造時的優(yōu)勢。如：

1)利用現(xiàn)有的KNX總線，用測量設(shè)備改造現(xiàn)有樓宇；集中和分散能源消耗的計量；為能耗優(yōu)化提供了能量流概覽；為監(jiān)測節(jié)能措施的有效性提供歷史能源數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫也可以由其他程序使用。

2)需求側(cè)管理集成KNX系統(tǒng)，預(yù)防峰值負(fù)載，協(xié)調(diào)關(guān)機(jī)規(guī)則，提高自身太陽能發(fā)電的利用，可擴(kuò)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(tǒng)，可以使私人電動車使用碳中性能源充電、太陽能發(fā)電提供私人消費，解決方案實現(xiàn)簡單化，可基于計算的能量剩余輸出目標(biāo)值。

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