BE1017474A7 - Onbalans decentraal ventilatie systeem. - Google Patents

Abstract

Toont een toepassing van het regel principe waarbij de 2 ruimtes via 2 onbalans units verlucht worden. In figuur 2 is de situatie zo dat de buiten lucht koud is, de ruimte B lucht veel energie bevat en ruimte A lucht weinig energie bevat. Lucht kan meer energie bevatten door een hogere temperatuur en/of een hogere luchtvochtigheid te hebben. Om zoveel mogelijk energie in het huis te houden is de regeling dus zo, dat er weinig energie rijke lucht uit ruimte B, en meer energie arme lucht uit ruimte A, naar buiten gaat. Het verschil in debiet in beide units zal voor een stroom tussen de verschillende ruimtes zorgen. De regelaar kan dit optimum vinden met een algoritme dat enkel werkt op basis van temperatuur metingen.

Description

Beschrijving

Titel

Onbalans decentraal ventilatie systeem.

Algemeen

De uitvinding betreft een sturing van een decentraal ventilatie systeem waarbij de warmte/koude van de afvoer ventilatie lucht gerecupereerd wordt via verschillende warmte wisselaars. Anders dan bij de bestaande decentrale balans ventilatie wordt er niet gestreefd om voor iedere wisselaar de in en uitgaande luchtstroom even groot te maken, maar wel om het totale verlies van warmte/koude in het gebouw te minimaliseren.

Dit gebeurt enkel op basis van temperatuur metingen en een regelalgoritme. Heel eenvoudig uitgelegd komt het er op neer dat de energie rijke lucht (= warm+vochtig) spaarzamer gebruikt wordt dan energie arme lucht.

Door deze aanpak kan tussen 10% en 15% energie efficiënter verlucht worden als bij een balans ventilatie.

Verder kan door deze aanpak een gebouw veel beter geregeld worden dan bij de balans aanpak, waardoor een storende invloed (bvb zon in een kamer, kamer die eens extra verlucht wordt, deur die blijft open staan, enz...) veel sneller weg geregeld kan worden.

Tevens kan deze manier van ventilatie er soms voor zorgen dat de lucht kwaliteit bij een zelfde totaal debiet beter is dan bij het traditioneel balans systeem.

De regeling kan uitgevoerd worden als een centraal gecontroleerd systeem of als een multiple agent systeem, waar er geen centrale regelaar is, maar waar de optimale toestand bereikt wordt door de communicatie tussen de verschillende units met elk hun eigen regelaar.

Ten slotte maakt de nieuwe aanpak het mogelijk om in een gebouw temperatuur verschillen te hebben, waarbij bvb de slaapkamer op een lager temperatuur ingesteld kan worden dan de woonkamer.

Achtergrond bestaande techniek

Centraal balans systeem

Er bestaat centrale balans ventilatie die gebruikt wordt om gebouwen te ventileren. Hierbij wordt alle lucht die het gebouw verlaat en binnenkomt over een warmte wisselaar gestuurd.

Decentraal balans systeem

Er bestaan decentrale balans ventilatie toestellen. Hierbij worden er meerdere warmte wisselaars in een gebouw geplaatst. Deze warmte wisselaars worden dan zo uitgevoerd dat bij iedere unit de ingaande en uitgaande stroom gelijk is.

Vraag sturing

Er bestaan vraag gestuurde ventilatie systemen. Hierbij wordt het debiet van de ventilatie gestuurd naar gelang de noodzaak. Een courante techniek is CO2 meeting.

Samenvatting van de uitvinding.

De te verluchten ruimtes worden voorzien van verschillende verluchtingsunits. Het verschil met de bestaande decentrale balans ventilatie technologie is dat nu he in en uitgaande debiet van een wisselaar unit niet geregeld wordt om gelijk te zijn, maar wel zo dat het totale energie verlies in een gebouw minimaal is. Wanneer er in een gebouw luchtvochtigheid- en temperatuur verschillen zijn zal dit resulteren in een verschillend in en uitgaand debiet per unit.

Algemeen gesproken komt het er op neer dat de energie rijke lucht ( = vochtig warm) zuiniger zal gebruikt worden dan energie arme lucht.

Daar er per unit verschillen zijn tussen ingaand en uitgaand debiet zullen er binnen het gebouw ook luchtstromen ontstaan. Deze interne luchtstromen zullen zo gericht zijn dat ze mee helpen om de gewenste temperatuur te bereiken.

Definities

Buiten de stroom temperatuur meter.

Hiermee wordt bedoeld dat de temperatuursensor die de stromen naar de warmtewisselaar toe zich niet in de stroom bevind maar er naast. Bij een stroom naar de wisselaar unit toe is er geen verschil met een in de stroom sensor. Wanneer echter de stroom omgekeerd wordt, wordt nog steeds de ruimte temperatuur gemeten ipv de stroom temperatuur. Dit zorgt er voor dat het systeem bij omgekeerde stromen nog stabiel reageert en de juiste kant op corrigeert.

Hyper ventilatie

Hiermee wordt de toestand bedoeld waarbij een decentrale onbalans ventilatie voor een betere lucht kwaliteit zorgt dan een (decentrale) balans ventilatie met een zelfde totale uitgaande en ingaand debiet.

Gedwongen afvoer ruimte:

Hierbij wordt een ruimte bedoeld die steeds lucht bevat die nooit naar een andere ruimte mag doorgebiazen worden. Dit kan bvb een ziekenhuis kamer zijn, of een toilet.

In ruimte circulatie

Hierbij wordt de uitvoering van de onbalans unit zo dat de ingevoerde lucht door een kanaal dicht bij de ruimte opening komt, zodat de lucht die de ruimte verlaat door de ruimte opening steeds van goede kwaliteit is. Een alternatief voor dit kanaal kan het inblazen met grote snelheid van de inkomende lucht richting deur.

Onbalans unit

Hiermee wordt een warmtewisselaar bedoeld waarbij de in en uitgaande stroom niet gelijk hoeven te zijn.

Doorblaas modus

Hiermee wordt bedoeld dat 2 of meer units niet langer werken als optimale warmtewisselaar, maar wel extreem uit balans gaan. Daardoor zal er in een ruimte bijna alleen maar invoer zijn en in een andere bijna alleen maar afvoer. Dit maakt nachtkoeling heel efficiënt.

Korte beschrijving van de tekeningen.

Enkele geprefereerde vormen van de onbalans ventilatie worden hieronder beschreven. Deze werden als voorbeeld beschreven en hebben niet tot doel volledig of beperkend tot deze voorbeelden te zijn.

Figuur 1: toont een toepassing van de huidige meest gebruikte decentrale techniek.

Figuur 2: toont een toepassing van de nieuwe onbalans techniek in twee ruimtes.

Figuur 3: toon een toepassing van het “gedwongen afvoer ruimte” principe in een 3 ruimtes voorbeeld.

Figuur 4: toon een toepassing van het “anti geur” principe in een 2 ruimtes voorbeeld.

Figuur 5: toont de plaatsing van de temperatuur sensoren in de stromen. Figuur 6: toont de plaatsing van de temperatuur sensoren, zo dat deze bij omgekeerde stroom nog kunnen regelen.

Figuur 7: toont een geprefereerde versie van de schakeling van de temperatuur sensoren.

Figuur 8: toont de werking van onbalans ventilatie waarbij in ruimte A te warm is.

Figuur 9: toont een voorbeeld van doorblaas toestand.

Figuur 10: toont een voorbeeld van hyperventilatie toestand.

Figuur 11: toont een schema waarbij het regelmechanisme verder wordt uitgewerkt.

Gedetaiileerde beschrijving van de tekeningen.

Figuur 1: Naar de bestaande techniek verwijzende decentrale balans ventilatie in 2 ruimtes.

Figuur 2: Toont een toepassing van het regel principe waarbij de 2 ruimtes via 2 onbalans units verlucht worden. In figuur 2 is de situatie zo dat de buiten lucht koud is, de ruimte B lucht veel energie bevat en ruimte A lucht weinig energie bevat. Lucht kan meer energie bevatten door een hogere temperatuur en/of een hogere luchtvochtigheid te hebben. Om zoveel mogelijk energie in het huis te houden is de regeling dus zo dat er weinig energie rijke lucht uit ruimte B, en meer energie arme lucht uit ruimte A, naar buiten gaat. Het verschil in debiet in beide units zal voor een stroom tussen de verschillende ruimtes zorgen.

De regelaar kan dit optimum vinden met een algoritme dat enkel werkt op basis van temperatuur metingen.

Figuur 3: Toont een toepassing van het regel principe in een 3 ruimtes gebouw, waarbij ruimte C een gedwongen afvoer ruimte is. De lucht in deze ruimte zal steeds naar buiten stromen en nooit in een andere ruimte terecht komen.

Figuur 4: Toont een toepassing van het regel principe in 2 ruimtes waarbij ruimte B een “in ruimte circulatie" ruimte is. Hierbij heeft de warmtewisselaar een buis die de inkomende lucht naar de buurt van de ruimte opening stuurt. Dit kan ook gebeuren door de inkomende lucht snel, eventueel over het plafond richting ruime opening te sturen. Zo zal de lucht die van ruimte B naar ruimte A gaat steeds zuiver zijn.

Figuur 5: Toont een mogelijke plaatsing van de temperatuur sensoren.

Figuur 6: Toont een andere mogelijke plaatsing van de temperatuur sensoren. Wanneer er kans bestaat dat door wind de uitgaande stroom naar binnen stroomt, of de ingaande stroom naar buiten stroomt, is het mogelijk dat de regeling daardoor ontregeld raakt. In dit geval kan het zijn dat de regeling zo corrigeert dat ze deze extreme situatie bevestigd ipv corrigeert. Dit kan vermeden worden door de sensoren van de stromen naar de sensor toe niet in de stroom te plaatsen maar wel de temperatuur in de kamer te meten. Wanneer de stroom gaat zoals hij zou moeten gaan is de temperatuur het zelfde, wanneer de stroom de andere kant op gaat wordt toch nog wordt de kamer temperatuur gemeten. Praktisch gezien staan de temperatuur sensoren 3 en 4 niet langer is de stroom maar respectievelijk in ruimte A en ruimte B.

Figuur 7: Toont de geprefereerde versie van de schakeling van de temperatuur sensoren mechanisme. Hier wordt met een minimum aan complexiteit en componenten een maximum aan nauwkeurig unit signaal resultaat bereikt. De nummering van de temperatuur sensoren komt overeen met deze in figuur 5 en 6.

Figuur 8: Toont het geval waarbij de ruimte A te warm is en de rest van de ruimtes te koud, en de buitenlucht koud. In dit geval zal de regeling zo regelen dat er een groot debiet overschot naar binnen is in ruimte A.

Dit zal als gevolg hebben dat er een lucht stroom ontstaat van de te warme kamer naar de te koude kamers. Dit kan enkel als de bron ruimte niet geur gevoelig is, of indien de te warme ruimte voorzien is van interne circulatie. Een praktisch voorbeeld is een zonnige winterse dag waar een kamer veel zon vangt en dreigt te oververhitten.

Figuur 9: Toont de doorblaas toepassing, waarbij meerdere ruimtes in het gebouw afgekoeld of opgewarmd dienen te worden, en dit mogelijk is doormiddel van buitenlucht die een geschikte temperatuur heeft. In dit geval gaat de regeling over op doorblaas modus, waar minstens een unit (hier unit 1) bijna 100% lucht binnen laat en minstens een andere (hier unit 2) bijna alle lucht naar buiten blaast. Dit kan bijzonder nuttig zijn als nachtkoeling.

Figuur 10: Hyper ventilatie

Met hyper ventilatie wordt de toestand bedoeld waarbij een onbalans ventilatie de lucht kwaliteit in de te verluchten ruimtes beter is dan bij een balans ventilatie die een zelfde totale uitgaande debiet heeft. Dit is bijzonder contra intuïtief, daar een onbalans ventilatie de ‘vuile’ lucht van een kamer gebruikt wordt om andere ruimtes te “spoelen”. Dat dit toch kan blijkt uit onderstaand voorbeeld:

Stel een huis met 3 ruimtes A, B, C en een verbindingsruimte D In de 3 ruimtes is een geurbron die 1 “eenheid geur” per uur af geeft.

We beschouwen de eind evenwichtstoestand, die na lange tijd bereikt wordt.

Bij de tabel • Geurlucht toevoer: hoeveel niet buitenlucht die in een ruimte binnenkomt. Dit is dus lucht die uit andere ruimtes komt.

• Concentratie toevoer: Wat is de geur concentratie van de geurlucht toevoer? • Geur in de lucht toevoer: Hoeveel “geur eenheid” geur bevat de geurlucht toevoer? • Totale afvoer kamer: Hoeveel lucht verlaat de kamer? • Concentratie afvoerlucht: Wat is de geur concentratie van de lucht die de kamer verlaat? • Totale geur buitenafvoer: Hoeveel geur eenhedenverlaten de ruimte naar buiten?

Bovenstaande bewijst niet dat onbalans altijd beter is dan balans. Bovenstaande bewijst wel dat de keuze onbalansobalans niet bepalend is voor de beste werking, soms is het ene beter, soms is het andere beter. Wanneer in bovenstaand geval de onbalans sturing samen met een vraag sturing zou worden gebruikt kan er nog +/-12% meer bespaard kan worden dan bij onbalans ventilatie.

Figuur 11: Toont een mogelijk regel algoritme dat kan gebruikt worden om de onbalans units aan te sturen. Dit regel algoritme kan gebruikt worden in een centrale sturing, of men kan iedere onbalans unit apart voorzien van een sturing, waarna alle units als een multiple agent systeem reageren en de centrale sturing kan vervallen.

Claims (13)

1 Een regel mechanisme voor decentrale warmterecuperatie ventilatie dat er voor zorgt dat niet langer het ingaand en uitgaand debiet voor iedere warmte wisselaars unit gelijk is, maar zo ingesteld worden dat het energie verlies/winst voor de som van alle ruimtes geoptimaliseerd wordt. Dit kan in het geval van te koude buitenlucht door in de energie rijke lucht ruimtes minder lucht naar buiten te brengen en meer lucht naar binnen te brengen. In de energie armere lucht ruimtes wordt meer lucht naar buiten en minder lucht naar binnen gebracht. Wanneer de buitenlucht te warm is, gebeurt juist het omgekeerde, waardoor de regeling de ruimtes koel houdt.

2 De variant waarbij bovenstaand bereikt wordt door de ingaande en de uitgaande temperaturen van iedere unit te meten. Bij iedere unit wordt uit deze waardes een “unitsignaal” berekend. Enkele werkende voorbeelden van unitsignaal berekening zijn: T_I_Uit / (T_I_Uit + TJEJCJit) - T_I_In / (T_I_In + T_E_In) TJEJCJit / (TJEJCJit + T_E_Uit) - T_E_In / (T_X_In + T_E_In) Waarbij T = temperatuur I /E = intern /extern Uit/ln = uitgaande stroom/ ingaande stroom Het regelmechanisme streeft er naar om deze berekend “unitsignalen" voor alle units gelijk te maken, door het ingaande en uitgaande debiet van iedere wisselaar unit apart aan te passen. Door deze unit signalen naar elkaar toe te brengen verbetert de globale efficiëntie. Dit regel mechanisme kan zowel uit een centrale regelaar bestaan of uit een multiple agent systeem waar elke unit zijn eigen regelaar heeft.

3 De variant waarbij het unitsignaal door een brug van Wheatstone berekend wordt, waarbij de 4 temperatuur sensoren de 4 armen van de brug vormen en zo de foutmarge en complexiteit minimaal wordt.

4 De variant waarbij de temperatuur aan de naar de warmte wisselaar toe stroom niet in de stroom wordt gemeten maar wel in de ruimte zelf, waardoor het systeem ook nog goed kan regelen wanneer de stroomrichting omgedraaid wordt door bijvoorbeeld wind invloed.

5 Een variant waarbij iedere unit een steltemperatuur mee krijgt. Het regelmechanisme probeert deze steltemperatuur te benaderen. Wanneer een ruimte temperatuur tussen de buiten en steltemperatuur ligt, werkt de unit zo dat de temperatuur van de ruimte zo weinig mogelijk verandert. Wanneer dit niet zo is, zal de unit zo gestuurd worden dat de binnen temperatuur zo snel mogelijk naar de stel temperatuur gaat. Dit kan door de invoer van lucht in deze ruimtes te verhogen, waardoor de temperatuur dichter bij de steltemperatuur zal komen.

6 Wanneer voor meerdere ruimtes de ruimte temperatuur niet tussen stel en buiten temperatuur ligt, kan de regeling al da niet voor alle wisselunits, overgaan in doorblaas modus. Hierbij wordt in sommige ruimtes alleen maar lucht toegevoerd en in andere alleen maar lucht afgevoerd. De geprefereerde manier van werken is in de ruimtes met luchttemperatuur die verst van de steltemperatuur ligt naar buiten te blazen en buiten lucht toe te voegen aan de ruimtes waar de luchttemperatuur dichts bij de steltemperatuur staat. Een alternatief kan zijn de bestaande natuurlijke circulatie te meten met behulp van de temperatuur sensoren en die daarna te versterken. Deze regeling wordt vooral toegepast indien te veel units extra lucht naar binnen blazen, waardoor de in en uitgaande debiet niet langer in evenwicht komt.

7 Een balans mechanisme dat er voor zorgt dat de som van alle ingesteld debiet gelijk is aan nul. Dit heeft als voordeel dat er geen te grote over of onder druk opgebouwd wordt in het huis, waardoor de door de bouwschil verliezen minimaal zijn. Er zijn 2 geprefereerde manieren: a) Iedere unit met een zelfde debiet verandering aanpassen. In gaan en uitgaan debiet worden identiek aangepast. b) Een aanpassing in functie van het totale debiet door de unit.

8 Een modus van minimum en maximum debiet. Deze zorgt ervoor dat de regelaar beperkt worden en dat een ingaand en uitgaand debiet van iedere unit maximum en minimum grenzen hebben. Dit kan gebruikt worden om een minimum verluchting in iedere ruimte te waarborgen.

9 De al bestaande techniek van de vraag sturing, waarbij het debiet van de ventilatie unit aangepast wordt naar gelang de vervuiling in de ruimtes, nu echter In combinatie met de hyper ventilatie. Deze combinatie van beide technieken is meer dan de optel som van beide technieken apart. De vraag sturing kan beter rendementen halen in combinatie met onbalans regeling dan in combinatie met een balans regeling. Bij hyper ventilatie kan de vraag sturing dus het debiet beperken, en zo het verlies nog meer beperken.

10 De plaatsing van een balans unit zo, dat de in en uitvoer binnen in 2 verschillende ruimtes gebeurt, waardoor er in deze ruimte steeds gegarandeerd een afvoer is en geen geuren of ziekte kiemen naar andere kamers kunnen gaan.

11 De plaatsing van een balans unit zo dat de in en uitvoer binnen in 1 ruime gebeurt, maar wel zo dat de invoer van verse lucht dicht via de ruimte opening gebeurt, zodat eventueel lucht die de kamer verlaat steeds zuiver is. Dit kan bereikt worden door de ingaande lucht via een kanaal naar de ruimte opening te leiden, of ook door de ingaande lucht, al da niet langs het plafond, naar de ruimte opening te blazen. Dit kan onder andere van toepassing zijn in een ziekenhuis.

12 De variant waar alle buitentemperatuur metingen vervangen worden door een meeting.

13 Alle mogelijke combinaties van de conclusies beschreven in de vorige punten.