DE10044210A1 - Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustandes in Räumen - Google Patents

Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustandes in Räumen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustandes in Räumen, bei dem vorrangig der Zuluftstrom eines Klimagerätes die hygienische und hygrische Lüftungsaufgabe übernimmt und das vom Klimagerät erzeugte Kaltwasser überwiegend die Raumkühllast unter Zwischenschaltung einer Kühldecke aufnimmt. Dabei handelt es sich um ein Klimagerät in autarker sorptions- und kältemaschinengestützter Ausführung. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden über einen Führungsregler 22 ein Regler 23 zur Drehzahlregelung des Kältemittelverdichters 9, ein Regler 25, ein Zuluftheizer 12, der Sorptionsregenerator 7, der Wärmegenerator 8 und der Zuluftkühler 21 angesteuert. Außerdem wird vom Regler 23 der Kaltwassermassenstrom geregelt. Über einen Zweipunktregler 27 werden die Magnetventile 11 und 12 angesteuert und damit wahlweise der Teilkondensator 16 zu- bzw. abgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustandes in Räumen, bei dem vorrangig der Zuluftstrom eines Klimagerätes die hygienische und hygrische Lüf­ tungsaufgabe übernimmt und das vom Klimagerät erzeugte Kaltwasser überwiegend die Raumkühllast unter Zwischenschaltung einer Kühldecke aufnimmt. Dabei handelt es sich um ein Klimagerät in autarker sorptions- und kältemaschinengestützter Ausführung, wie es z. B. in DE 198 36 876 A1 beschrieben ist.
Allerdings werden in den meisten Fällen bei der Klimatisierung von Räumen die Temperatur und die Feuchte der Raum- oder Abluft geregelt. So wird z. B. in DE 43 19 659 A1 ein Verfah­ ren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer Heizungs- und/oder Klimaanlage vorgeschlagen, bei welchem der aktuelle Luftzustand mit Meßfühlern ermittelt wird und bei Abweichungen von einem vorgegebenen Toleranzfeld die beteiligten Aggregate der Heizungs- und/oder Klimaanlage angesteuert werden, um eine entsprechen­ de Korrektur vorzunehmen. Aus DE 43 31 062 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung einer Belüftung oder Klimatisierung von Innenräumen, insbesondere zu deren Entfeuchtung bekannt. Auch hier wird der Ist-Wert eines Klimapara­ meters der Luft im Innenraum ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis wird ein Überwachungssignal gebildet, das zur Steuerung der Belüftung einsetzbar ist.
Bei vielen Raumnutzungen, z. B. Nutzungen im Bürobereich, darf die Luftfeuchte innerhalb der unteren und oberen Behaglichkeitsgrenze "frei" schwanken. Hier bietet es sich an, auf die Feuchteregelung zu verzichten, denn Feuchteregelkreise sind bekanntlich kostenintensiv und wartungsaufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustan­ des in Räumen mittels eines autarken, sorptions- und kältemaschinengestützten Klimage­ rät/Kühldecke-Systems bereitzustellen, das vorrangig eine Kühllast zu kompensieren hat und nur eine Temperaturregelung vorsieht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. In den zugeordneten Ansprüchen werden besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
An einem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 das Geräteschaltbild
Fig. 2 das Regelschema
Fig. 3 in einem h, x-Diagramm die prozentuale Summenhäufigkeit des Außenluftzu­ standes und den Bereich der behaglichen Raumlufttemperatur und -feuchte
Fig. 4 vier Reglersequenzdiagramme
Fig. 5 in einem h, x-Diagramm die Luftzustandsänderungen im Klimagerät im Som­ merbetrieb und
Fig. 6 in einem h, x-Diagramm die Luftzustandsänderungen im Klimagerät im Winter­ betrieb
In Fig. 1 ist mit einer Strich-Punkt-Linie 1 das Klimagerät als komplexe, autarke Einrichtung markiert. Über Rohrleitungen ist an das Klimagerät 1 die Kühldecke 2 angeschlossen. Über eine Außenluftklappe 3, ein Außenluftfilter 18 und den Zuluftventilator 5 wird die Außenluft (AU) zum Sorptionsregenerator 7 gefördert, wobei Luftzustandsänderungen von a nach b gemäß Fig. 5 bzw. Fig. 6 eintreten. Danach durchströmt die Zuluft (ZU) einen Wärmeregene­ rator 8 und es treten Luftzustandsänderungen von b nach c auf. Die Drehzahlen von Sorpti­ onsregenerator 7 und Wärmeregenerator 8 sind regelbar. Dem Wärmeregenerator 8 ist wahlweise zuschaltbar ein Zuluftkühler 15 und ein Zuluftheizer 13, der vorzugsweise als Elektro-Heizer ausgebildet ist, nachgeschaltet. Dabei treten Luftzustandsänderungen von c nach d ein. Der Kaltwasserkreislauf des Zuluftkühlers 15 kann über ein Dreiwegeventil 21 mit dem Verdampfer 14 einer Kälteanlage verbunden werden. Über das Dreiwegeventil 21 läuft außerdem der Kaltwasserkreislauf der Kühldecke 2. Mit 10 ist die erforderliche Kaltwasser­ pumpe bezeichnet.
Der Kondensator der Kälteanlage ist in zwei Teilkondensatoren 16 und 17 aufgeteilt. Dabei befindet sich der Teilkondensator 17 in Strömungsrichtung vor dem Sorptionsregenerator 7 und wahlweise zuschaltbar über die Magnetventile 11 und 12 ist der Teilkondensator 16 in Strömungsrichtung nach dem Sorptionsregenerator 7 angeordnet. Die abzuführende Kon­ densatorwärme kann demnach vollständig oder teilweise zur Erwärmung des Regenerati­ onsluftstroms genutzt werden. Mit 9 ist der drehzahlgeregelte Verdichter und mit 20 das Ex­ pansionsventil der Kälteanlage bezeichnet.
Abluftseitig (AB) befindet sich vor dem Wärmeregenerator 8 das Abluftfilter 19 und der Ab­ luftventilator 6. Über die Fortluftklappe 4 wird die Fortluft (FO) abgeführt.
Die Inbetriebnahme des Klimagerätes wird mittel eines Schalters, der hier nicht dargestellt ist, ausgelöst. Im laufenden Betrieb sind die Gerätekomponenten in folgendem Zustand:
Außenluftklappe 3 und Fortluftklappe 4: geöffnet
Zuluftventilator 5 und Abluftventilator 6: in Betrieb
Sorptionsregenerator 7 und Wärmeregenerator 8: in Betrieb
Verdichter 9 und Kaltwasserpumpe 10: in Betrieb
Magnetventil 11: offen
Magnetventil 12: geschlossen
Zuluftheizer 13: in Bereitschaft.
Eine Raumluft- oder Abluft-/Kaltwasservorlauftemperatur-Regelkaskade steuert den Ver­ dichter 9 an. Die vom Betreiber gewünschte Raumluft- oder Ablufttemperatur wird am Soll­ wertgeber des Führungsreglers 22 eingestellt. Der Führungsregler 22 hat wie alle weiteren Regler, mit Ausnahme des Zweipunktreglers 27, PID-Verhalten. Der Führungsregler 22 er­ mittelt die Soll-Kaltwasservorlauftemperatur (tVL,Soll) (vgl. Fig. 4, a). Der Folgeregler 23 be­ stimmt die Drehzahl (nVD) und damit die Kälteleistung des Verdichters 9 (vgl. Fig. 4, b). Ist z. B. die Ist-Raumlufttemperatur (tR,Ist) höher als die Soll-Raumlufttemperatur (tVL,Soll), dann wird die tVL,Soll niedriger. Ist die Ist-Kaltwasservorlauftemperatur (tVL,Ist) höher als tVL,Soll, dann wird nVD größer und die Kälteleistung erhöht sich. Die Drehzahlanpassung des Verdichters 9 kann stetig oder in Stufen erfolgen. Der Kaltwassermassenstrom der Kühldecke 2 ist kon­ stant, so daß in den wasserführenden Rohren der Kühlpaneele immer turbulente Strö­ mungsverhältnisse und damit konstante Wärmeübertragungsbedingungen vorliegen. Die so erreichte Leistungsanpassung der Kühldecke deckt überwiegend die Raumkühllast ab.
Über den Meßumformer 24 ist der Regler 25 mit dem Sollwertgeber des Führungsreglers 22 verbunden, der die Ansteuerung der zuluftbeaufschlagten, thermischen Komponenten über­ nimmt (Fig. 4, c). Wird z. B. am Sollwertgeber eine Raum- oder Ablufttemperatur von 24°C eingestellt, wird dem Zulufttemperaturregler 25 ein Sollwert von 20°C vorgegeben. Der Regler vergleicht Soll/Ist und signalisiert Heizen oder Kühlen. Im Kühlfall werden in Sequenz der Wärmeregenerator 8 und das Dreiwegeventil 21 des Zuluftkühlers 15, im Heizfall in Se­ quenz der Sorptionsregenerator 7 und über den Signalwandler 26 der Zuluftheizer 13 ange­ steuert.
Die erfindungsgemäße Kopplung von Raumluft- oder Ablufttemperaturregelkreis und Zuluft­ temperaturregelkreis hat den Vorteil, daß das Gerät per "Knopfdruck" in Betrieb gesetzt wer­ den kann. Am Sollwertgeber ist nur die gewünschte Raumluft- oder Ablufttemperatur einzustellen. Eine Falscheinstellung der Temperaturdifferenz zwischen Raum- oder Abluft und Zuluft wird vermieden, handbetätigte Umschalter wie z. B. für Heizen/Kühlen werden nicht benötigt.
Die angegebene Untertemperatur der Zuluft gegenüber der Raum- oder Abluft von 4 K ist sowohl für Quelluftauslässe als auch für Zuluftauslässe nach dem Verfahren der Mischlüf­ tung geeignet. Im Bürobereich ist jedoch die Kombination Kühldecke/Quelluftauslässe vorzu­ ziehen, aufgrund der möglichst hohen thermischen Behaglichkeit (niedrige Luftgeschwindig­ keiten und Turbulenzgrade im Aufenthaltsbereich). Eine Zuluftuntertemperatur von 4 K gilt allgemein als Auslegungskriterium für den Konfortbereich, wobei anteilig 2 K zur Bodenluf­ terwärmung (in Höhe von 0,1 m) und 2 K für die vertikale Temperaturverteilung in der Auf­ enthaltszone (Höhenbereich 0,1 bis 1,2 m) veranschlagt werden. Mit zunehmender Raum­ höhe ändert sich die Lufttemperatur kaum noch, zumindest bei den gebräuchlichen Raum­ höhen von 2,4 . . . 2,6 m.
Der Zweipunktregler 27 (vgl. Fig. 4, d) hat bei niedrigen Außenlufttemperaturen (Winterfall) die Aufgabe, eine Mindesttemperatur der Abluft am Eintritt des Sorptionsregenerators 1 ein­ zuhalten, um die Kondensationswärme des Kältekreislaufes zur Temperierung der Zuluft ohne Inanspruchnahme des Zuluftheizers 12 dosiert zu nutzen. Sinkt die Temperatur unter die untere Schalttemperatur, dann öffnet das Magnetventil 12 der Bypassleitung, während das Magnetventil 11 des Teilkondensators 16 schließt. Steigt die Temperatur wieder an und erreicht die obere Schalttemperatur, dann gehen die Ventile 11 und 12 in die Ausgangsposi­ tion zurück. Für den Einstellwert des Reglers kann eine Solltemperatur von ca. 30°C und eine Schalthysterese von ±2 . . . 3 K als Orientierung gegeben werden. Wird die Mindesttem­ peratur der Abluft am Eintritt des Sorptionsregenerators zu niedrig gewählt, dann müßte die Zuluft nachgeheizt werden und am Austritt könnte der Abluftzustand unter Umständen ins Nebelgebiet geraten. Wird sie zu hoch gewählt, dann ist bei extrem niedrigen Außenlufttem­ peraturen die erwünschte Rückauffeuchtung der Zuluft nicht mehr gegeben, d. h. die Raum- oder Abluft ist zu trocken.
Beispielhaft sind die Luftzustandsverläufe in einem autarken sorptions- und kältemaschinen­ gestützten Klimagerät/Kühldecke-System mit Quelluftauslässen und einer Kühlleistung von 14 kW (Kühldecke ca. 75%, Luftkühler ca. 25%) dargestellt. Die Solltemperatur der Raum- oder Abluft (Zustand e) wurde im Sommer an die Obergrenze des Behaglichkeitsgebietes gelegt, im Winter an die Untergrenze, um den Erfordernissen der Energieökonomie zu ent­ sprechen. Im Sommer (Fig. 5) besteht Entfeuchtungsbedarf (Zustandsänderung a-b), Sorptionsgenerator 7) und Kühlbedarf (Zustandsänderungen b-c, Wärmeregenerator 8 und c-d, Luftkühler 21) für die angesaugte Außenluft AU bzw. Zuluft ZU. Im Winter (Fig. 5) hingegen ist eine Auffeuchtung und Erwärmung (Zustandsänderung a-b, Sorptionsregene­ rator 7) erforderlich. Es ist zu erkennen, daß die Kondensationswärme des Kältekreislaufes im Sommer nur zum Teil für die Regeneration des Sorptionsregenerators benötigt wird (Ab­ luftzustandsänderung f-g, Kondensator 23) und im Winter nur so weit, daß der Luftheizer nicht in Anspruch genommen werden muß (nur für Null-Kühllast erforderlich).
Bezugszeichen
1
Klimagerät
2
Kühldecke
3
Außenluftklappe
4
Fortluftklappe
5
Zuluftventilator
6
Abluftventilator
7
Sorptionsregenerator
8
Wärmeregenerator
9
Verdichter
10
Kaltwasserpumpe
11
Magnetventil
12
Magnetventil
13
Zuluftheizer
14
Verdampfer
15
Zuluftkühler
16
Teilkondensator
17
Teilkondensator
18
Außenluftfilter
19
Abluftfilter
20
Expansionsventil
21
Dreiwegeventil
22
Führungsregler
23
Regler
24
Meßumformer
25
Regler
26
Signalwandler
27
Zweipunktregler

Claims (4)

1. Verfahren zum Regeln des thermischen Luftzustandes in Räumen, bei dem vorrangig der Zuluftstrom eines Klimagerätes die hygienische und hygrische Lüftungsaufgabe über­ nimmt und das vom Klimagerät erzeugte Kaltwasser überwiegend die Raumkühllast un­ ter Zwischenschaltung einer Kühldecke aufnimmt, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:
  • - Inbetriebnahme des Klimagerätes mittels Schalter und damit Öffnen der Außenluft­ klappe (3) und der Fortluftklappe (4), Inbetriebnahme des Zuluftventilators (5), des Abluftventilators (6), des Sorptionsregenerators (7), des Wärmeregenerators (8), des Verdichters (9), der Kaltwasserpumpe (10) und Öffnen des Magnetventils (11)
  • - Ansteuerung des Kältemittelverdichters (9) zur Drehzahlregelung und damit Lei­ stungsregelung mittels des Reglers (23) in Abhängigkeit von der manuellen Vorein­ stellung der wählbaren Raum- oder Ablufttemperatur am Führungsregler (22) und der sich daraus ergebenden Sollwertbestimmung der optimalen Kühldecken-Kaltwasser- Vorlauftemperatur bei konstantem Wassermassenstrom
  • - Ansteuern des Zuluftheizers (12) zur Heizleistungsregelung und des Sorptionsrege­ nerators (7) zur Drehzahlregelung im Regelbereich Heizen und Ansteuerung des Zu­ luftkühlers (21) zur Kaltwassermassenstromregelung und des Wärmeregenerators (8) zur Drehzahlregelung im Regelbereich Kühlen mittels des Zuluftreglers (25) in Ab­ hängigkeit von der Sollwerteinstellung des Führungsreglers (22) mit zwischenge­ schalteten Meßumformer (24) zur Sollwertkorrektur
  • - Ansteuerung der Magnetventile (11 und 12) mittels des Zweipunktreglers (27) zur wahlweisen Zu- und Abschaltung des Teilkondensators (16) in Abhängigkeit einer zu überwachenden Mindesttemperatur am Eintritt des Sorptionsregenerators (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Führungsregler (22) eingestellte Raum- oder Ablufttemperatur den Zulufttemperaturregler (25) selbsttätig auf einen Sollwert der Zulufttemperatur einstellt, der 4 K niedriger ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Unterschreiten einer eingestellten Mindesttemperatur von ca. 30°C der Abluft am Eintritt des Sorptionsrege­ nerators (7) die gesamte Kondensationswärme über den vor dem Sorptionsregenerator (7) befindlichen Teilkondensator (17), bei einer Schalthysterese von ±2 . . . 3 K, geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (22, 23, 25) PID- Verhalten haben.
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