KNX系统在现代楼宇中的节能应用

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 李玉敏

1 KNX系统介绍

科技高速发展的今天，随着人们对环境和能耗的重视，越来越多的人开始关注建筑节能。据统计我国建筑能耗的总量在逐年上升，在能源总消费量中所占的比重已达到27.45%，而且随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，该比重还将上升至35%。建筑能耗的比重已达到三分之一的社会总能耗，而采用节能高效的楼宇智能控制系统来管理和优化电气设备的运行成为必要。

为了实现高效节能的楼宇管理，必须有一套优秀的设备管理系统。作为国际标准的KNX技术，因其高品质的产品，灵活的应用，高效的系统，在家居与楼宇控制领域越来越受到世人的瞩目。为了更深入地了解KNX的技术优势，我们必须先要了解什么是KNX技术，以及KNX技术的标准化历程。为使读者能了解到一些KNX技术应用情况，本文选取应用调研其中的西门子大楼案例解读介绍。

1.1 KNX标准化进程

KNX系统的发展是从1990年的欧洲开始的，当时由欧洲知名的电气产品制造商，如西门子，insta，Merten，ABB等组成联盟，制定了EIB技术标准并成立了中立的非商业性组织EIBA（EIB Associate，欧洲安装总线协会）。EIBA协会成立后，吸引了越来越多的制造商的加入，推动了EIB技术在家居与楼宇控制领域的应用，并获得市场的高度认可。 1999年，EIBA协会和欧洲的另外两个标准BatiBus和EHSA一起组成了KNX协会，并制定了以EIB为基础的KNX标准。KNX协会的成立加速了KNX的标准化历程，迄今为止，已有两百多家制造厂商成为了KNXA的会员，按照开放的KNX标准生产能够相互兼容和交互操作的各种设备，产品品种多达7000多种，覆盖了建筑中几乎所有的用电设备。该标准先后成为欧洲标准EN50090，国际标准ISO/IEC14543-3，美国标准ANSI/ASHRAE135，并在2007年9月正式成为中国标准化指导性技术文件GB/Z20965-2007,为其在中国的标准化进程和市场推广建立了坚实的技术基础。

1.2 EIB, KNX与HBES的关系

通过上述对KNX技术规范标准化历程的回顾，我们可以看到，EIB和KNX是同一种总线协议在不同的发展阶段的名称，而且KNX已经是该技术规范的商标。HBES是KNX技术在各标准，如欧洲标准EN50090、国际标准ISO/IEC14543-3等文件中的命名。在中国标准化技术指导性文件——住宅与楼宇控制网络GB/ZB20965中，依照标准的一致性，制网络GB/ZB20965中，依照标准的一致性，KNX技术同样被定义为HBES（家居与楼宇控制系统）系统。在实际应用中，作为系统名称和商标的KNX则更为广泛使用。

KNX产品标志（商标）

现在，所有遵从KNX标准，并通过了KNXA协会的产品认证后的产品，都将标注统一的KNX商标，即KNX标志确保产品的品质和互操作性。

2 KNX技术特点

2.1 传输媒介

KNX系统可采用以下几种通信介质传输数据：

(1 )TP 总线电缆 （双绞线）

(2) PL 电力线

(3) RF 868Mhz 无线电波通信

(4) IP 网络

最为普遍的是采用信号稳定的双绞线电缆总线，以及高速的IP网络来搭建KNX有线网络。

2.2 传输技术特点

KNX系统是基于事件控制的分布式总线系统，采用串行数据通讯对操作功能进行控制、监测和状态报告。因为只有在事件真正发生和需要传输信息时才传输报文，事件控制的信息传输方式可以减少总线上的信息传送量和信息的碰撞。

为了提高通信的可靠性，系统采用CSMA/CA(避免冲突的载波侦听多路访问)通信协议，保证对总线的访问在不降低传送速率的同时，避免发生碰撞。

报文结构中可设置优先级别，对于紧急信息，如故障信息等，可以采用附加优先级别的方式，优先处理；而低优先级别的总线设备终止传送，等待下次再试。对于相同优先级别的信号，则物理地址较低的优先发送。

报文信号在总线电缆中以对称的方式传输，总线设备通过差分方法检测两根线缆中的电压信号。由于外界电磁干扰对两根线缆的影响是同极的，因此不会影响报文信号的电压差，对信号传递的影响极小。

2.3 总线拓扑

(1) 采用总线电缆作为通信媒介的KNX控制网络的拓扑结构为分层结构，分成区域（area）和线路（line）。

① 线路 （line）（网络结构图见图1）

线路（line）是KNX系统的最小结构单元；每个线路最多包含4个线路段（line segment）, 每个线路段最多可连接64个总线设备，实际可连接的设备数量取决于选用的KNX电源容量和该线路段所带设备的总耗电量，每条线路段的总线最大长度为1000m。

② 区域（Area）（网络结构图见图2）

一般情况下，可以有15条线路通过线路耦合器（LC）与主线路连接，组成一个域；主线路最多可以直接连接64个设备，如主线路已连接的线路耦合器，可连接设备的最多数量则相应减少；每条主线路必须配一个总线电源。

图1 线路 (Line) 结构示意图

图2 区域 (Area) 结构示意图

③ 多个区域 （网络结构图见图3）

多个区域可以通过主干线耦合器（BC）与主干线路连接；主干线路可以直接连接设备，如果主干线还连接了主干线耦合器，则最多可接设备数量应相应减少；一个系统最多可包含15个区域，理论上一个KNX系统可以连接58000多个总线设备。

图3 多区域(Areas) 结构示意图

主干线耦合器、线路耦合器和线路中继器实际上都是同样的设备，只是由于安装在网络中不同的位置，因此被赋予不同的物理地址，加载不同的应用程序，起到不同的作用。主干耦合器和线路耦合器只传输跨越区域或者线路的报文，而线路中继器则无条件传输线路中所有的报文。

(2) 将一个系统划分成区域和线路具有很多优点：

① 提高了系统的可靠性。由于每个域和每个线路分别配备系统电源，这种电气隔离确保了系统的某个部分出现故障时，其他部分仍然继续工作。

② 降低系统数据通信冗余。通过线路耦合器和区域耦合器，确保除了必要的跨线路或者跨区域数据的传输，一般信息在线路内或者区域内传输，减少不必要的数据通信。

③ 在进行系统调试、维护和排除故障时，系统的结构清晰。

2.4 基于KNXnet/IP 协议的IP组网

随着信息技术的快速发展，现代建筑几乎离不开信息化和数字网络。于是KNX与IP网络的通信协议KNXnet/IP诞生了。该通信协议将KNX系统与IP网络结合在了一起。

基于KNXnet/IP标准的IP路由器是系统组网的主要设备，该设备将KNX总线接入Ethernet（以太网），并通过IP网络建立KNX总线之间的通信。总线信号通过KNXnet/IP协议打包转换为IP数据报文，并在高速以太网络上传输，同时通过以太网络传递过来的IP数据报文同样通过KNXnet/IP协议解析为本地的KNX信号。

由IP路由器作为KNX网络的组成部分,其组网的拓扑结构仍然遵循KNX系统的组网规则，服从总线的基本拓扑。IP路由器根据在网络中不同的位置，可以设置为区域耦合器或者线路耦合器，并具有不同的物理地址。

当IP路由器作为线路耦合器时，其物理地址设置为：a,b,0（如：1.1.0 ）

其中，a=1…15, 表示区域编号；

b=1…15，表示线路编号；

0 则表示该设备为线路耦合器。

当IP路由器作为区域耦合器时，其物理地址设置为：a,0,0(如：2.0.0 )

其中，a=1…15，表示区域编号；线路和设备编号均为“0”时，表示该设备为区域耦合器。

IP路由器的IP地址的设置可选择DHCP自动配置（如系统中有DHCP服务器）或者通过ETS手动配置。IP地址设置范围为：192.168.0.1 到 192.168.255.254。

图4 KNXnet/IP组网示意图一

图5 KNXnet/IP组网示意图二

图6 KNXnet/IP组网示意图三

以IP路由器N146组网为例，有以下几种常见的方式：

① IP路由器N146在系统中既作为区域耦合器，又作为线路耦合器。这种IP组网方式通常出现在混合型的建筑中。组网示意图见图4。

② IP路由器N146在系统中作为区域耦合器。该方式通常应用在办公大楼不同楼层间或者群楼之间的网络连接。组网示意图见图5。

③ IP路由器N146在系统中作为线路耦合器。该组网方式在传输速率和传输数据量要求较高时为最佳方案，总线数据通过IP路由器直接接入高速以太网络。适用于远距离，高数据量传输的项目。见图6。

3 KNX在办公楼的节能应用

KNX系统的应用非常广泛，既可应用于公共建筑、商业楼宇、酒店等大型的建筑或建筑群，也可以应用于公寓、别墅等家居项目中。特别是在公共建筑、办公楼宇和酒店中的高效控制，节能效果尤为显著。在此，通过KNX在办公楼宇中应用的案例，介绍KNX系统的节能解决方案。

在提出办公楼宇的节能应用时，既要考虑到能耗的节省，又要满足工作环境的舒适度和管理的方便。所以大楼采用的控制系统不但具有先进的技术，可靠的运行，而且还须具备高效的能源管理。在此，我们对分析的诸多应用案例中，如：KNX系统在西门子北京总部的和上海中心大楼的应用，足以说明KNX通过对照明、遮阳和室内温度的高效控制，既满足了现代办公大楼对舒适工作环境的要求，又达到能源节省的目的。

在该项目中KNX系统的主要应用概念有：

■ KNXnet/IP 网络通讯技术

■ KNX/DALI数字化照明技术

■ 室内恒照度控制

■ 遮阳系统的阳光追踪控制

■ 室内温度控制

KNX系统在该项目中的主要功能为照明控制、遮阳控制、室内温度控制等，可对控制范围内的照明、遮阳和HVAC等设备分区域或集中管理，本地单独控制，遥控控制，延时控制，定时控制，感应控制以及通过IP路由器和Web Visual 的可视化远程管理，以达到方便、舒适、节能的室内环境。

3.1 KNXnet/IP网络通讯技术

在我们的应用调研过程中注意到了，设计人员考虑到西门子大楼这样的系统较大，在该项目中采用IP路由器N146与总线耦合器N140组合组网方式，即区域内本地线路由总线耦合器N140连接，基本上每五层为一个系统区域，区域与区域之间采用IP路由器N146组网。

3.2 DALI数字化照明

KNX在办公楼宇中应用的另一大技术亮点是采用DALI数字化灯光控制。

DALI可寻址灯光接口（Digital Addressable Lighting Interface）是一个数据传输协议，它定义了电子镇流器与设备控制器之间的通信方式,每个镇流器都是数字寻址通讯。DALI镇流器之间通过DALI总线（两根数据线）相互连接；每条DALI总线最多可接64个DALI镇流器。

KNX系统通过KNX/DALI接口与DALI总线连接，每个KNX/DALI接口接一条DALI总线，即可接64个DALI镇流器。KNX/DALI接口自动给DALI镇流器编码，每一个镇流器有一个地址码。根据这个地址码，KNX总线上的设备可以直接访问每个镇流器。

如：西门子大楼采用欧司朗DALI调光镇流器，控制办公区域的荧光灯和节能灯，每个DALI镇流器可接两根灯管。见图7。

DALI数字化照明与传统照明技术相比具有很多的优势（以下选取西门子上海中心大楼应用案例介绍）。见图8、图9。

① 每个光源作为一个独立的通讯对象，可以分别访问和控制；

② 每个光源的运行状态可实时反馈到系统；

③ 光源和镇流器故障信息可实时传送至总线，并发送到中央控制室；

④ 荧光灯调光实现由1%～100%的亮度调节；

图7 N141 KNX/DALI接口

图8 N141 设备接线图

⑤ 灯组重新分组无需再排管布线，只要通过软件编组；

⑥ DALI的非直接关断，避免了因频繁开关而引起光源损坏；

⑦ DALI亮度的数字化调光又为恒照度控制创造了优越条件。

图9 N141平面联线图

3.3 室内恒照度控制

恒照度控制在西门子大楼的高效节能控制的主要部分。通过亮度感应和恒照度控制器，可以设置以用户为导向的室内照度值，并依照室内照度的强弱，自动调节室内灯光的亮度。这样在充分利用户外自然光的同时，最低限度地降低照明能耗。在该项目中采用的是集亮度感应、恒照度控制和人体存在感应为一体的吸顶式感应器UP258/21。见图10。

UP258/21感应器在办公室节能中发挥了很重要的作用。它根据人体微小移动判断是否有人，并与恒照度功能形成合理的逻辑关系：有人且室内亮度值低于设定值时，灯调亮到合适的亮度；有人而室内亮度值高于设定值，灯自动调暗或者关闭；无人时，无论室内亮度值低于或高于设定值，灯调暗到某个特定值（如10%）或者关闭。

如果无人的时间占居工作时间的30%，而无人时的亮度值为10%时，保守的能源节省就可以统计为：30% ⋆ (1-10%) =27%。而且通常在以销售为主体的公司中，无人的时间远远超过30%。由此，我们可以看到KNX出色的节能效果。

3.4 遮阳控制

西门子上海中心大楼为双层玻璃幕墙，两层玻璃间隔15cm，安装有电动百叶帘。内层为可开启的玻璃门，新风通过玻璃间隔的进风口进入双层玻璃的夹层，当打开内层玻璃门时，新风即可进入室内。对于这栋完全钢结构和玻璃幕墙的大楼，遮阳系统显得尤为重要，它不但能遮挡阳光的直射，还可以阻隔外部环境对室内的冷热辐射。直观地讲，遮阳系统就像大楼可调节的罩衣。

大楼的遮阳根据方向分组，分别为：东区、东南区、东北区和北区，由户外安装的气象中心自动控制。气象中心将大楼所处的外部环境指标（温度、照度等）每隔10分钟循环发送到系统；同时，气象站还会根据大楼所在位置，计算在这一时间太阳光的角度，并发送相应的控制命令到窗帘控制模块，驱动窗帘模块调节百叶帘的叶片到合适的角度。见图11。

图10 恒照度控制与人体感应控制

图11 窗帘控制示意图

3.5 室内温度控制

在大楼开放办公区内，采用了KNX系统的风机盘管控制设备来实现灵活的室内温度控制。

控制器可以根据季节选择制冷还是制热模式，并且根据室内温度自动调节高、中、低三档风速。同时，用户还可以根据自己的喜好，通过触摸屏手动选择相应的风速，而且室内的当前温度、预设温度都可以显示在显示屏上。

采用KNX系统的风机盘管控制室内的温度，非常灵活、方便和节能。该模块为标准的轨道安装模块，安装方便、灵活，即可集中放置，也可分散本地安装。主要设备为风机盘管控制器REG540和触摸屏UP588。可实现功能包括制冷/制热模式，手动/自动模式，舒适/无人/夜间等模式，高/中/低三档风速，温度设置等。见图12。

图12 风机旁管控制设备

3.6 案例应用总结

根据西门子欧司朗公司和第三方设计公司的统计,在照明控制中，如果采用集中控制，恒照度控制和人体感应控制，可实现约44%的能耗节省。

其中，通过时间表集中控制，在大空间办公室区域，可以避免因为习惯而忘记关闭灯光。根据统计，由于时间表的自动控制，每天大约可以减少18%的能耗（参见图13-①）；而采用恒照度控制，充分利用自然光，能够节省17%的能耗（参见图13-②）；人体感应控制，可以结合恒照度控制，确保灯光在有人且室内亮度不满足工作要求的时候才亮，充分利用自然光，降低照明能耗，该功能约能节省9%的能耗（参见图13-③）。

图13 KNX系统节能示意图

4 市场前景

KNX系统的产品在国内外家居与楼宇控制领域已有近20年的应用经验，KNX系统在现代楼宇中的节能应用案例非常多，KNX中国组织秘书处组织成员单位进行的KNX标准宣贯、技术推广和应用研究，极大地拓展了应用领域的范围和推动了选择KNX技术节能的效果。在国内外诸多标志性建筑中都有非常出色的表现，如：英国希思罗机场，上海虹桥机场二号航站楼，世博轴，西门子办公大楼，深圳地铁等。特别是近几年，随着国内科学技术和经济的飞速发展，建筑的能效越来越受到行业人士及用户的关注。根据实际应用中的数据统计，在现代办公楼宇中使用KNX控制系统，可以实现建筑能源节省达45～50%。

作为国际标准和中国标准化指导性技术规范，KNX系统的标准化产品和出色的节能解决方案，必将在中国家居与楼宇控制领域中得到普遍的关注和广泛的应用。

[1]住宅与楼宇控制网络手册.

[2]西门子GAMMA instabus KNX产品手册.

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

[4]GB/Z 20965-2007， HBES控制网络技术规范.