KNX系統(tǒng)在現(xiàn)代樓宇中的節(jié)能應(yīng)用

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 李玉敏

1 KNX系統(tǒng)介紹

科技高速發(fā)展的今天，隨著人們對環(huán)境和能耗的重視，越來越多的人開始關(guān)注建筑節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計我國建筑能耗的總量在逐年上升，在能源總消費量中所占的比重已達到27.45%，而且隨著城市化進程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，該比重還將上升至35%。建筑能耗的比重已達到三分之一的社會總能耗，而采用節(jié)能高效的樓宇智能控制系統(tǒng)來管理和優(yōu)化電氣設(shè)備的運行成為必要。

為了實現(xiàn)高效節(jié)能的樓宇管理，必須有一套優(yōu)秀的設(shè)備管理系統(tǒng)。作為國際標準的KNX技術(shù)，因其高品質(zhì)的產(chǎn)品，靈活的應(yīng)用，高效的系統(tǒng)，在家居與樓宇控制領(lǐng)域越來越受到世人的矚目。為了更深入地了解KNX的技術(shù)優(yōu)勢，我們必須先要了解什么是KNX技術(shù)，以及KNX技術(shù)的標準化歷程。為使讀者能了解到一些KNX技術(shù)應(yīng)用情況，本文選取應(yīng)用調(diào)研其中的西門子大樓案例解讀介紹。

1.1 KNX標準化進程

KNX系統(tǒng)的發(fā)展是從1990年的歐洲開始的，當時由歐洲知名的電氣產(chǎn)品制造商，如西門子，insta，Merten，ABB等組成聯(lián)盟，制定了EIB技術(shù)標準并成立了中立的非商業(yè)性組織EIBA（EIB Associate，歐洲安裝總線協(xié)會）。EIBA協(xié)會成立后，吸引了越來越多的制造商的加入，推動了EIB技術(shù)在家居與樓宇控制領(lǐng)域的應(yīng)用，并獲得市場的高度認可。 1999年，EIBA協(xié)會和歐洲的另外兩個標準BatiBus和EHSA一起組成了KNX協(xié)會，并制定了以EIB為基礎(chǔ)的KNX標準。KNX協(xié)會的成立加速了KNX的標準化歷程，迄今為止，已有兩百多家制造廠商成為了KNXA的會員，按照開放的KNX標準生產(chǎn)能夠相互兼容和交互操作的各種設(shè)備，產(chǎn)品品種多達7000多種，覆蓋了建筑中幾乎所有的用電設(shè)備。該標準先后成為歐洲標準EN50090，國際標準ISO/IEC14543-3，美國標準ANSI/ASHRAE135，并在2007年9月正式成為中國標準化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z20965-2007,為其在中國的標準化進程和市場推廣建立了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 EIB, KNX與HBES的關(guān)系

通過上述對KNX技術(shù)規(guī)范標準化歷程的回顧，我們可以看到，EIB和KNX是同一種總線協(xié)議在不同的發(fā)展階段的名稱，而且KNX已經(jīng)是該技術(shù)規(guī)范的商標。HBES是KNX技術(shù)在各標準，如歐洲標準EN50090、國際標準ISO/IEC14543-3等文件中的命名。在中國標準化技術(shù)指導(dǎo)性文件——住宅與樓宇控制網(wǎng)絡(luò)GB/ZB20965中，依照標準的一致性，制網(wǎng)絡(luò)GB/ZB20965中，依照標準的一致性，KNX技術(shù)同樣被定義為HBES（家居與樓宇控制系統(tǒng)）系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，作為系統(tǒng)名稱和商標的KNX則更為廣泛使用。

KNX產(chǎn)品標志（商標）

現(xiàn)在，所有遵從KNX標準，并通過了KNXA協(xié)會的產(chǎn)品認證后的產(chǎn)品，都將標注統(tǒng)一的KNX商標，即KNX標志確保產(chǎn)品的品質(zhì)和互操作性。

2 KNX技術(shù)特點

2.1 傳輸媒介

KNX系統(tǒng)可采用以下幾種通信介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)：

(1 )TP 總線電纜 （雙絞線）

(2) PL 電力線

(3) RF 868Mhz 無線電波通信

(4) IP 網(wǎng)絡(luò)

最為普遍的是采用信號穩(wěn)定的雙絞線電纜總線，以及高速的IP網(wǎng)絡(luò)來搭建KNX有線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 傳輸技術(shù)特點

KNX系統(tǒng)是基于事件控制的分布式總線系統(tǒng)，采用串行數(shù)據(jù)通訊對操作功能進行控制、監(jiān)測和狀態(tài)報告。因為只有在事件真正發(fā)生和需要傳輸信息時才傳輸報文，事件控制的信息傳輸方式可以減少總線上的信息傳送量和信息的碰撞。

為了提高通信的可靠性，系統(tǒng)采用CSMA/CA(避免沖突的載波偵聽多路訪問)通信協(xié)議，保證對總線的訪問在不降低傳送速率的同時，避免發(fā)生碰撞。

報文結(jié)構(gòu)中可設(shè)置優(yōu)先級別，對于緊急信息，如故障信息等，可以采用附加優(yōu)先級別的方式，優(yōu)先處理；而低優(yōu)先級別的總線設(shè)備終止傳送，等待下次再試。對于相同優(yōu)先級別的信號，則物理地址較低的優(yōu)先發(fā)送。

報文信號在總線電纜中以對稱的方式傳輸，總線設(shè)備通過差分方法檢測兩根線纜中的電壓信號。由于外界電磁干擾對兩根線纜的影響是同極的，因此不會影響報文信號的電壓差，對信號傳遞的影響極小。

2.3 總線拓撲

(1) 采用總線電纜作為通信媒介的KNX控制網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為分層結(jié)構(gòu)，分成區(qū)域（area）和線路（line）。

① 線路 （line）（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖1）

線路（line）是KNX系統(tǒng)的最小結(jié)構(gòu)單元；每個線路最多包含4個線路段（line segment）, 每個線路段最多可連接64個總線設(shè)備，實際可連接的設(shè)備數(shù)量取決于選用的KNX電源容量和該線路段所帶設(shè)備的總耗電量，每條線路段的總線最大長度為1000m。

② 區(qū)域（Area）（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖2）

一般情況下，可以有15條線路通過線路耦合器（LC）與主線路連接，組成一個域；主線路最多可以直接連接64個設(shè)備，如主線路已連接的線路耦合器，可連接設(shè)備的最多數(shù)量則相應(yīng)減少；每條主線路必須配一個總線電源。

圖1 線路 (Line) 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 區(qū)域 (Area) 結(jié)構(gòu)示意圖

③ 多個區(qū)域 （網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖3）

多個區(qū)域可以通過主干線耦合器（BC）與主干線路連接；主干線路可以直接連接設(shè)備，如果主干線還連接了主干線耦合器，則最多可接設(shè)備數(shù)量應(yīng)相應(yīng)減少；一個系統(tǒng)最多可包含15個區(qū)域，理論上一個KNX系統(tǒng)可以連接58000多個總線設(shè)備。

圖3 多區(qū)域(Areas) 結(jié)構(gòu)示意圖

主干線耦合器、線路耦合器和線路中繼器實際上都是同樣的設(shè)備，只是由于安裝在網(wǎng)絡(luò)中不同的位置，因此被賦予不同的物理地址，加載不同的應(yīng)用程序，起到不同的作用。主干耦合器和線路耦合器只傳輸跨越區(qū)域或者線路的報文，而線路中繼器則無條件傳輸線路中所有的報文。

(2) 將一個系統(tǒng)劃分成區(qū)域和線路具有很多優(yōu)點：

① 提高了系統(tǒng)的可靠性。由于每個域和每個線路分別配備系統(tǒng)電源，這種電氣隔離確保了系統(tǒng)的某個部分出現(xiàn)故障時，其他部分仍然繼續(xù)工作。

② 降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信冗余。通過線路耦合器和區(qū)域耦合器，確保除了必要的跨線路或者跨區(qū)域數(shù)據(jù)的傳輸，一般信息在線路內(nèi)或者區(qū)域內(nèi)傳輸，減少不必要的數(shù)據(jù)通信。

③ 在進行系統(tǒng)調(diào)試、維護和排除故障時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰。

2.4 基于KNXnet/IP 協(xié)議的IP組網(wǎng)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代建筑幾乎離不開信息化和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。于是KNX與IP網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議KNXnet/IP誕生了。該通信協(xié)議將KNX系統(tǒng)與IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在了一起。

基于KNXnet/IP標準的IP路由器是系統(tǒng)組網(wǎng)的主要設(shè)備，該設(shè)備將KNX總線接入Ethernet（以太網(wǎng)），并通過IP網(wǎng)絡(luò)建立KNX總線之間的通信。總線信號通過KNXnet/IP協(xié)議打包轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)報文，并在高速以太網(wǎng)絡(luò)上傳輸，同時通過以太網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的IP數(shù)據(jù)報文同樣通過KNXnet/IP協(xié)議解析為本地的KNX信號。

由IP路由器作為KNX網(wǎng)絡(luò)的組成部分,其組網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)仍然遵循KNX系統(tǒng)的組網(wǎng)規(guī)則，服從總線的基本拓撲。IP路由器根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中不同的位置，可以設(shè)置為區(qū)域耦合器或者線路耦合器，并具有不同的物理地址。

當IP路由器作為線路耦合器時，其物理地址設(shè)置為：a,b,0（如：1.1.0 ）

其中，a=1…15, 表示區(qū)域編號；

b=1…15，表示線路編號；

0 則表示該設(shè)備為線路耦合器。

當IP路由器作為區(qū)域耦合器時，其物理地址設(shè)置為：a,0,0(如：2.0.0 )

其中，a=1…15，表示區(qū)域編號；線路和設(shè)備編號均為“0”時，表示該設(shè)備為區(qū)域耦合器。

IP路由器的IP地址的設(shè)置可選擇DHCP自動配置（如系統(tǒng)中有DHCP服務(wù)器）或者通過ETS手動配置。IP地址設(shè)置范圍為：192.168.0.1 到 192.168.255.254。

圖4 KNXnet/IP組網(wǎng)示意圖一

圖5 KNXnet/IP組網(wǎng)示意圖二

圖6 KNXnet/IP組網(wǎng)示意圖三

以IP路由器N146組網(wǎng)為例，有以下幾種常見的方式：

① IP路由器N146在系統(tǒng)中既作為區(qū)域耦合器，又作為線路耦合器。這種IP組網(wǎng)方式通常出現(xiàn)在混合型的建筑中。組網(wǎng)示意圖見圖4。

② IP路由器N146在系統(tǒng)中作為區(qū)域耦合器。該方式通常應(yīng)用在辦公大樓不同樓層間或者群樓之間的網(wǎng)絡(luò)連接。組網(wǎng)示意圖見圖5。

③ IP路由器N146在系統(tǒng)中作為線路耦合器。該組網(wǎng)方式在傳輸速率和傳輸數(shù)據(jù)量要求較高時為最佳方案，總線數(shù)據(jù)通過IP路由器直接接入高速以太網(wǎng)絡(luò)。適用于遠距離，高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)捻椖?。見圖6。

3 KNX在辦公樓的節(jié)能應(yīng)用

KNX系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，既可應(yīng)用于公共建筑、商業(yè)樓宇、酒店等大型的建筑或建筑群，也可以應(yīng)用于公寓、別墅等家居項目中。特別是在公共建筑、辦公樓宇和酒店中的高效控制，節(jié)能效果尤為顯著。在此，通過KNX在辦公樓宇中應(yīng)用的案例，介紹KNX系統(tǒng)的節(jié)能解決方案。

在提出辦公樓宇的節(jié)能應(yīng)用時，既要考慮到能耗的節(jié)省，又要滿足工作環(huán)境的舒適度和管理的方便。所以大樓采用的控制系統(tǒng)不但具有先進的技術(shù)，可靠的運行，而且還須具備高效的能源管理。在此，我們對分析的諸多應(yīng)用案例中，如：KNX系統(tǒng)在西門子北京總部的和上海中心大樓的應(yīng)用，足以說明KNX通過對照明、遮陽和室內(nèi)溫度的高效控制，既滿足了現(xiàn)代辦公大樓對舒適工作環(huán)境的要求，又達到能源節(jié)省的目的。

在該項目中KNX系統(tǒng)的主要應(yīng)用概念有：

■ KNXnet/IP 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)

■ KNX/DALI數(shù)字化照明技術(shù)

■ 室內(nèi)恒照度控制

■ 遮陽系統(tǒng)的陽光追蹤控制

■ 室內(nèi)溫度控制

KNX系統(tǒng)在該項目中的主要功能為照明控制、遮陽控制、室內(nèi)溫度控制等，可對控制范圍內(nèi)的照明、遮陽和HVAC等設(shè)備分區(qū)域或集中管理，本地單獨控制，遙控控制，延時控制，定時控制，感應(yīng)控制以及通過IP路由器和Web Visual 的可視化遠程管理，以達到方便、舒適、節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境。

3.1 KNXnet/IP網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)

在我們的應(yīng)用調(diào)研過程中注意到了，設(shè)計人員考慮到西門子大樓這樣的系統(tǒng)較大，在該項目中采用IP路由器N146與總線耦合器N140組合組網(wǎng)方式，即區(qū)域內(nèi)本地線路由總線耦合器N140連接，基本上每五層為一個系統(tǒng)區(qū)域，區(qū)域與區(qū)域之間采用IP路由器N146組網(wǎng)。

3.2 DALI數(shù)字化照明

KNX在辦公樓宇中應(yīng)用的另一大技術(shù)亮點是采用DALI數(shù)字化燈光控制。

DALI可尋址燈光接口（Digital Addressable Lighting Interface）是一個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它定義了電子鎮(zhèn)流器與設(shè)備控制器之間的通信方式,每個鎮(zhèn)流器都是數(shù)字尋址通訊。DALI鎮(zhèn)流器之間通過DALI總線（兩根數(shù)據(jù)線）相互連接；每條DALI總線最多可接64個DALI鎮(zhèn)流器。

KNX系統(tǒng)通過KNX/DALI接口與DALI總線連接，每個KNX/DALI接口接一條DALI總線，即可接64個DALI鎮(zhèn)流器。KNX/DALI接口自動給DALI鎮(zhèn)流器編碼，每一個鎮(zhèn)流器有一個地址碼。根據(jù)這個地址碼，KNX總線上的設(shè)備可以直接訪問每個鎮(zhèn)流器。

如：西門子大樓采用歐司朗DALI調(diào)光鎮(zhèn)流器，控制辦公區(qū)域的熒光燈和節(jié)能燈，每個DALI鎮(zhèn)流器可接兩根燈管。見圖7。

DALI數(shù)字化照明與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比具有很多的優(yōu)勢（以下選取西門子上海中心大樓應(yīng)用案例介紹）。見圖8、圖9。

① 每個光源作為一個獨立的通訊對象，可以分別訪問和控制；

② 每個光源的運行狀態(tài)可實時反饋到系統(tǒng)；

③ 光源和鎮(zhèn)流器故障信息可實時傳送至總線，并發(fā)送到中央控制室；

④ 熒光燈調(diào)光實現(xiàn)由1%～100%的亮度調(diào)節(jié)；

圖7 N141 KNX/DALI接口

圖8 N141 設(shè)備接線圖

⑤ 燈組重新分組無需再排管布線，只要通過軟件編組；

⑥ DALI的非直接關(guān)斷，避免了因頻繁開關(guān)而引起光源損壞；

⑦ DALI亮度的數(shù)字化調(diào)光又為恒照度控制創(chuàng)造了優(yōu)越條件。

圖9 N141平面聯(lián)線圖

3.3 室內(nèi)恒照度控制

恒照度控制在西門子大樓的高效節(jié)能控制的主要部分。通過亮度感應(yīng)和恒照度控制器，可以設(shè)置以用戶為導(dǎo)向的室內(nèi)照度值，并依照室內(nèi)照度的強弱，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光的亮度。這樣在充分利用戶外自然光的同時，最低限度地降低照明能耗。在該項目中采用的是集亮度感應(yīng)、恒照度控制和人體存在感應(yīng)為一體的吸頂式感應(yīng)器UP258/21。見圖10。

UP258/21感應(yīng)器在辦公室節(jié)能中發(fā)揮了很重要的作用。它根據(jù)人體微小移動判斷是否有人，并與恒照度功能形成合理的邏輯關(guān)系：有人且室內(nèi)亮度值低于設(shè)定值時，燈調(diào)亮到合適的亮度；有人而室內(nèi)亮度值高于設(shè)定值，燈自動調(diào)暗或者關(guān)閉；無人時，無論室內(nèi)亮度值低于或高于設(shè)定值，燈調(diào)暗到某個特定值（如10%）或者關(guān)閉。

如果無人的時間占居工作時間的30%，而無人時的亮度值為10%時，保守的能源節(jié)省就可以統(tǒng)計為：30% ? (1-10%) =27%。而且通常在以銷售為主體的公司中，無人的時間遠遠超過30%。由此，我們可以看到KNX出色的節(jié)能效果。

3.4 遮陽控制

西門子上海中心大樓為雙層玻璃幕墻，兩層玻璃間隔15cm，安裝有電動百葉簾。內(nèi)層為可開啟的玻璃門，新風通過玻璃間隔的進風口進入雙層玻璃的夾層，當打開內(nèi)層玻璃門時，新風即可進入室內(nèi)。對于這棟完全鋼結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻的大樓，遮陽系統(tǒng)顯得尤為重要，它不但能遮擋陽光的直射，還可以阻隔外部環(huán)境對室內(nèi)的冷熱輻射。直觀地講，遮陽系統(tǒng)就像大樓可調(diào)節(jié)的罩衣。

大樓的遮陽根據(jù)方向分組，分別為：東區(qū)、東南區(qū)、東北區(qū)和北區(qū)，由戶外安裝的氣象中心自動控制。氣象中心將大樓所處的外部環(huán)境指標（溫度、照度等）每隔10分鐘循環(huán)發(fā)送到系統(tǒng)；同時，氣象站還會根據(jù)大樓所在位置，計算在這一時間太陽光的角度，并發(fā)送相應(yīng)的控制命令到窗簾控制模塊，驅(qū)動窗簾模塊調(diào)節(jié)百葉簾的葉片到合適的角度。見圖11。

圖10 恒照度控制與人體感應(yīng)控制

圖11 窗簾控制示意圖

3.5 室內(nèi)溫度控制

在大樓開放辦公區(qū)內(nèi)，采用了KNX系統(tǒng)的風機盤管控制設(shè)備來實現(xiàn)靈活的室內(nèi)溫度控制。

控制器可以根據(jù)季節(jié)選擇制冷還是制熱模式，并且根據(jù)室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)高、中、低三檔風速。同時，用戶還可以根據(jù)自己的喜好，通過觸摸屏手動選擇相應(yīng)的風速，而且室內(nèi)的當前溫度、預(yù)設(shè)溫度都可以顯示在顯示屏上。

采用KNX系統(tǒng)的風機盤管控制室內(nèi)的溫度，非常靈活、方便和節(jié)能。該模塊為標準的軌道安裝模塊，安裝方便、靈活，即可集中放置，也可分散本地安裝。主要設(shè)備為風機盤管控制器REG540和觸摸屏UP588?？蓪崿F(xiàn)功能包括制冷/制熱模式，手動/自動模式，舒適/無人/夜間等模式，高/中/低三檔風速，溫度設(shè)置等。見圖12。

圖12 風機旁管控制設(shè)備

3.6 案例應(yīng)用總結(jié)

根據(jù)西門子歐司朗公司和第三方設(shè)計公司的統(tǒng)計,在照明控制中，如果采用集中控制，恒照度控制和人體感應(yīng)控制，可實現(xiàn)約44%的能耗節(jié)省。

其中，通過時間表集中控制，在大空間辦公室區(qū)域，可以避免因為習慣而忘記關(guān)閉燈光。根據(jù)統(tǒng)計，由于時間表的自動控制，每天大約可以減少18%的能耗（參見圖13-①）；而采用恒照度控制，充分利用自然光，能夠節(jié)省17%的能耗（參見圖13-②）；人體感應(yīng)控制，可以結(jié)合恒照度控制，確保燈光在有人且室內(nèi)亮度不滿足工作要求的時候才亮，充分利用自然光，降低照明能耗，該功能約能節(jié)省9%的能耗（參見圖13-③）。

圖13 KNX系統(tǒng)節(jié)能示意圖

4 市場前景

KNX系統(tǒng)的產(chǎn)品在國內(nèi)外家居與樓宇控制領(lǐng)域已有近20年的應(yīng)用經(jīng)驗，KNX系統(tǒng)在現(xiàn)代樓宇中的節(jié)能應(yīng)用案例非常多，KNX中國組織秘書處組織成員單位進行的KNX標準宣貫、技術(shù)推廣和應(yīng)用研究，極大地拓展了應(yīng)用領(lǐng)域的范圍和推動了選擇KNX技術(shù)節(jié)能的效果。在國內(nèi)外諸多標志性建筑中都有非常出色的表現(xiàn)，如：英國希思羅機場，上海虹橋機場二號航站樓，世博軸，西門子辦公大樓，深圳地鐵等。特別是近幾年，隨著國內(nèi)科學技術(shù)和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，建筑的能效越來越受到行業(yè)人士及用戶的關(guān)注。根據(jù)實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代辦公樓宇中使用KNX控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)建筑能源節(jié)省達45～50%。

作為國際標準和中國標準化指導(dǎo)性技術(shù)規(guī)范，KNX系統(tǒng)的標準化產(chǎn)品和出色的節(jié)能解決方案，必將在中國家居與樓宇控制領(lǐng)域中得到普遍的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。

[1]住宅與樓宇控制網(wǎng)絡(luò)手冊.

[2]西門子GAMMA instabus KNX產(chǎn)品手冊.

[3]EN50090 Home and Building Electronic System (HBES）,2005.

[4]GB/Z 20965-2007， HBES控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范.