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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur, der
Feuchtigkeit und des Kohlendioxidanteils der Luft in Räumen
gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine
Einrichtung zur Regelung der Temperatur, der Feuchtigkeit und des Kohlendioxidanteils
der Luft in Räumen gemäß Oberbegriff
des Anspruches 14.
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Die
Regelung des Raumklimas in Aufenthaltsbereichen von Menschen ist
eine wichtige Aufgabe zur Erhaltung und Verbesserung des Wohlbefindens
und der Leistungsfähigkeit dieser Menschen. Die „Behaglichkeit'
dient als subjektiver Maßstab von Temperaturempfinden,
relativer Luftfeuchtigkeit und empfundener Luftqualität.
Die empfundene Raumlufttemperatur ist abhängig vom Standort
im Raum, der Oberflächentemperatur der Raumumschließungsflächen,
der Lufttemperatur und -bewegung und vom Übertragungssystem,
mit dem Wärme eines Heizsystems an die Raumluft übertragen
wird sowie von den Außenklimabedingungen. Die Raumluftfeuchte
wird bestimmt von der Wasserbeladung, die ebenfalls von den Außenbedingungen
geprägt ist und von den Quellen, die Wasserdampf an die
Raumluft abgeben. Die Raumluftqualität wird bestimmt durch
die Luftinhaltstoffe. Diese sind von Außenquellen beeinflusst.
In erheblichen Umfang werden Luftinhaltstoffe aber auch aus Materialien
und Prozessen im Raum selbst emittiert. Hauptsächlich trägt
der Mensch durch seinen Atem und seine Aktivitäten zur Verschlechterung
der Raumluftqualität bei. Im Mittel kann davon ausgegangen
werden, dass im Rahmen des Stoffwechsels pro Person und Stunde eine
Wärmemenge von 70–100 Wh, 35–60 g Wasserdampf und
10–30 l Kohlendioxid an die Umgebungsluft abgegeben werden.
Die Anzahl der Luftinhaltstoffe und ihre gesundheitlichen Auswirkungen,
u. a. als Folge ihrer Konzentration in der Raumluft, sind vielfältig
und nur aufwändig bestimmbar.
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Der
CO2-Konzentrationswert der Raumluft (Anteil
des CO2-Gases an dem Gemisch Luft) kann, da
relativ zu anderen Luftinhaltstoffen leicht zugänglich,
als Maß zur Bestimmung der Luftqualität in Wohnräumen
und allgemein von Aufenthaltsräumen dienen. CO2 kann
in hoher Konzentration ebenfalls unser Wohlbefinden beeinflussen.
Die durchschnittliche Außenluftkonzentration beträgt
zurzeit 370 ppm (parts per million), was 0,037 Volumenprozent entspricht.
Die maximal zugelassene Arbeitsplatzkonzentration von CO2 beträgt 5000 ppm. Allgemein sollte
in Aufenthaltsräumen die CO2-Konzentration
von 1000 ppm nicht überschritten werden. Steigt die Konzentration über
diesen Wert, kann sich dies durch Konzentrationsschwierigkeiten,
Kopfschmerzen oder anderen Symptomen bemerkbar machen. Behaglichkeit
kann also durch die Messgrößen Lufttemperatur, Luftfeuchte
und CO2-Konzentration definiert werden.
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Im
Februar 2003 ist für den Wohnbau in Deutschland die Energieeinsparungsverordnung (EnEV)
in Kraft getreten. Sie erweitert das Regelwerk des Niedrigenergiestandards
für Neubauten und unter bestimmten Vorraussetzungen auch
für bestehende Wohngebäude. Schon in der zuvor
gültigen Wärmeschutzverordnung (WSVO) wurden Anforderungen
an den Wärmedurchgang der Umfassungsfläche von
Gebäuden sowie an die Lüftungswärmeverluste gesetzlich
festgelegt. Zum Zwecke der Energieeinsparung wurde schon damals
der Jahresheizwärmebedarf von Neubauten begrenzt. Die EnEV
baut verschärft in der aktuellen Version vom Februar 2008
auf diesen Vorgaben auf und fordert hoch wärmegedämmte
Gebäude, um Heizenergie zu sparen und Ressourcen zu schonen.
Eine Reihe weiterer Verordnungen und Richtlinien, wie die DIN
4108 (Wärmeschutz im Hochbau), die DIN
EN 832 (Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden)
und die DIN V 4701 Teil 10 (energetische Bewertung
heiz- und raumlufttechnischer Anlagen) ermöglichen es Bauherren,
immer neuere, noch besser den Wärmeverlust über
die Bauteile begrenzende Materialien einzusetzen. Die reduzierten
Transmissionswärmeverluste und die verringerten unkontrollierten
Lüftungswärmeverluste aufgrund luftdichter Bauweise
führen zu einer bedeutsamen Verringerung der Lüftungswärmeverluste und
auch zur Reduzierung der Luftwechselraten, also des Luftaustauschs
Raumluft gegen Außenluft. In schlecht belüfteten
Räumen führt dies zu hygienischen Problemen, zu
Schimmelpilzbefall und bis zur Zerstörung der Bausubstanz.
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Große
Wärmeenergieverluste treten aber auch in modernen und gut
isolierten Gebäuden auf, wenn das Lüftungsverhalten
der Bewohner zu übermäßig langen Fensteröffnungszeiten
führt, Die bedarfsgerechte Gebäudelüftung
ist in der Lage, die energetischen und hygienischen Probleme in
Aufenthaltsräumen zu lösen. Der Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) definiert eine bedarfsgeregelte
Lüftung wie folgt: ”Unter einer bedarfsgeregelten
Lüftung ist eine optimierte Betriebsweise zu verstehen,
bei der der Luftvolumenstrom während der Nutzungszeit mittels
einer Regelung dauernd an den Bedarf angepasst wird. Berücksichtigt
werden hierbei die Aspekte Raumluftqualität und thermische
Behaglichkeit”. Dabei sollen Sensoren die einzelnen Raumluftparameter
als Regelgröße erfassen. Über eine geeignete
Regelstrategie können dann Aktoren (Stellglieder) einen
bauphysikalisch und raumhygienisch erwünschten Raumluftzustand gewährleisten.
Lösungen für die Raumbelüftung (die Aktoren)
sind bereits am Markt erhältlich, zum Beispiel als zentrale
oder dezentrale Lüftungskonzepte und in Kombination mit
Wärmerückgewinnungsmethoden. Die unzureichende
Information der Öffentlichkeit, von Architekten, Planern
und Handwerkern behindern zurzeit noch die rasche Ausbreitung dieser Techniken
im Markt. Verstärkt wird diese Problematik durch die Tatsache,
dass bisher keine geeigneten Sensoren zur Erfassung der Luftqualität
in Büro- und Wohnräumen verfügbar sind
und bisher eingesetzte kombinierte Regelsysteme der anderen Raumparameter
als teuer und kompliziert eingeschätzt werden. Außerdem
sind keine Konzepte bekannt, die unabhängig von der Außenlufttemperatur
die Innenraumparameter regeln. Die Verringerung der Wärmeverluste
der energetischen Prozesse im Innern durch innere Wärmequellen
und solare Einstrahlungen durch Fenster erlangen dabei eine immer
größere Bedeutung.
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Sämtliche
bekannten Regelungen der Raumparameter von Heizungs- und Lüftungsanlagen im
Bereich der Haustechnik verwenden als maßgebliche Ausgangsgröße
der jeweiligen Regelstrategie die Außentemperatur. Diese
hat in den modernen, hochwärmegedämmten und gegen
hohe Lüftungswärmeverluste geschützten
Gebäuden nur noch minimalen Einfluss auf die für
die Herstellung behaglicher Raumluftzustände erforderlichen
Stellgrößen. Innere Wärmelasten und solare
Wärmeeinstrahlungen beeinflussen die Raumtemperatur in
je größerem Umfang, je geringer die Wärmeverluste
eines Raumes beziehungsweise eines Gebäudes sind. Raumluftfeuchten
werden in nicht klimatisierten Gebäuden nicht geregelt.
Objekte, wie zum Beispiel Passivhäuser haben aufgrund der
kontinuierlichen, aus bauphysikalischen, energietechnischen und
gesundheitlichen Gründen praktizierten Lüftung
wegen der in der Heizperiode niedrigen absoluten Wasserbeladung
der Außenluft das Problem eines sich zum Teil außerhalb
der Behaglichkeitsgrenzen einstellenden, trockenen Raumluftzustands
nach Erwärmung der Außenluft. Gebäude
ohne Lüftung kennen diesen Effekt zwar auch, dort wird
jedoch durch gezieltes „Nichtlüften” bei
tiefen Außentemperaturen diesem Effekt entgegengewirkt.
Wohnungslüftung ist aus gesundheitlichen Gründen
unverzichtbar. Die bedarfsgerechte Regelung der zuzuführenden
Frischluftmengen wird zurzeit noch aufgrund des Fehlens eines preiswerten
und effizienten Sensors nicht angewandt.
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Aus
der
DE 199 13 848
A1 ist ein Klimatisierungsverfahren für die Klimatisierung
von Fahrzeugen und insbesondere Flugzeugen bekannt, das die CO
2-Konzentration als zusätzlich Regelgröße
mit einbezieht und als eine wesentliche Steuergröße
für die Regelung anderer das Klima in dem Fahrzeug bedingender
Parameter ansieht. Über eine genauere Ausgestaltung dieser
Regelung der CO
2-Konzentration sowie die
Abhängigkeiten mit anderen Regelparametern kann dieser
Entgegenhaltung allerdings nichts entnommen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, mit einem einheitlichen
Regelungskonzept nicht nur die Temperatur, sondern auch die relative Luftfeuchtigkeit
und die CO2-Konzentration der Raumluft zu
regeln, wobei zu beachten ist, dass diese Größen
sich gegenseitig in erheblichem Maß beeinflussen.
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Die
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Ein richtung aus
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 14 in Zusammenwirken
mit den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung der Temperatur,
der Feuchtigkeit und des Kohlendioxidanteils der Raumluft eines
Raumes unter Nutzung eines Lüftungsgerätes, mit
dem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Kohlendioxidanteil
der Raumluft jeweils unabhängig voneinander eingestellt
werden können. Ein derartiges gattungsgemäßes
Verfahren wird dadurch weiter entwickelt, dass ein innerer Mehrgrößenregler
die relative Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur am Ausgang eines
Lüftungsgerätes regelt, wobei für den
inneren Mehrgrößenregler aus der Temperatur und
der relativen Luftfeuchtigkeit am Ausgang des Lüftungsgerätes
die absolute Luftfeuchtigkeit am Ausgang des Lüftungsgerätes
berechnet und dem inneren Mehrgrößenregler neben
der Temperatur am Ausgang des Lüftungsgerätes
als Istwert wieder aufgegeben wird, ein dem inneren Mehrgrößenregler überlagerter äußerer
Mehrgrößenregler die relative Luftfeuchtigkeit und
die Lufttemperatur der Raumluft des zu regelnden Raumes regelt,
wobei für den äußeren Mehrgrößenregler
aus der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit des zu regelnden
Raumes die absolute Luftfeuchtigkeit der Raumluft berechnet und
dem äußeren Mehrgrößenregler
neben der Temperatur des zu regelnden Raumes als Istwert wieder
aufgegeben wird, und ein unabhängig von dem ersten und
dem zweiten Mehrgrößenregler arbeitender weiterer
Regler den Kohlendioxidanteil der Raumluft über das Lüftungsgerät
direkt oder über eine unterlagerte Luftvolumenstromregelung
einstellt.
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Die
erfindungsgemäße Regelungsstruktur zeigt eine
kaskadierte Anwendung von vorzugsweise adaptiv ausgelegten Mehrgrößenreglern
und kann vorrangig in Gebäuden mit niedrigen Wärmeverlusten,
die mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung
ausgestattet sind, zum Einsatz kommen. Hierbei wird für
den inneren Regelkreis z. B. am Austritt des Einblasrohres eines
Lüftungsgerätes, das einen Raum klimatisiert,
eine Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftvolumen
pro Zeiteinheit durchgeführt. Aufgrund der Abhängigkeiten
von relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur wird aus diesen Messwerten
die absolute Luftfeuchtigkeit berechnet und dem inneren Mehrgrößenregler
neben der gemessenen Temperatur als Istwert für die zweite Regelgröße
wieder aufgegeben. Der äußere Regel kreis dieser
Kaskadenstruktur beinhaltet zwei weitere Regler. Für die
Regelung der Raumtemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit des
Raumes kommt auch hier ein vorzugsweise modelladaptiver Mehrgrößenregler
zum Einsatz, der die Luftfeuchtigkeit des Raumes auf der Basis der
absoluten Luftfeuchtigkeit regelt. Die Sollwertberechnung der absoluten Luftfeuchtigkeit
erfolgt auch hier aus der gewünschten Raumtemperatur und
der gewünschten relativen Luftfeuchtigkeit des Raumes.
In schon für den inneren Regelkreis beschriebener Weise
wird auch für diesen äußeren Regelkreis
die Regelgröße absolute Luftfeuchtigkeit des Raumes
aus der tatsächlichen Raumlufttemperatur und der tatsächlichen
relativen Feuchtigkeit der Raumluft berechnet und dem äußeren
Mehrgrößenregler als Istwert aufgeschaltet. Die Stellgrößen
des äußeren Mehrgrößenreglers
können dabei die Sollwerte hinsichtlich der Temperatur
und der absoluten Wasserbeladung des inneren Mehrgrößenreglers
darstellen. Vorzugsweise bei Überschreiten eines bestimmten
Grenzwertes der CO2-Konzentration der Raumluft
tritt ein weiterer modelladaptiver Regler in Aktion, der über
die Veränderung des Luftdurchsatzes die Reduktion dieser CO2-Konzentration in der Raumluft beeinflusst.
Wird jedoch dieser Grenzwert nicht überschritten, so wird z.
B. ein definierter Mindestluftvolumenstrom eingehalten. Für
Gebäude- und Hausbesitzer könnte eine erfindungemäß geregelte
Lüftung gestützt mit Erfassung der Raumluftqualität
neben gesteigerter Behaglichkeit und größerem
Komfort auch finanzielle Vorteile bringen. Künftig könnten
bedarfsgerechte Lüftungskonzepte in die Energiebilanz des
Niedrigenergiestandards mit einbezogen werden. Die bessere Energiebilanz
wird zu Betriebskosteneinsparungen und zur Verringerung der CO2-Emissionen aus den Raumluftparametern beitragen.
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Ein
adaptives Verhalten der Mehrgrößenregler kann
vorteilhaft sein, da die erfindungsgemäße Regelung
in wärmetechnisch völlig unterschiedlichen Räumen
zum Einsatz kommen kann und jahreszeitliche und klimatische Veränderungen
ebenfalls zu Buche schlagen, die sich in zeitvarianten Parametern der
betrachteten Regelstrecke niederschlagen. Das Gesamtsystem wird
geregelt, indem adaptiv die von einander abhängigen Größen
Sollwerte Raumtemperatur, Raumluftfeuchte und CO2-Konzentration
der Raumluft über die in kurzzeitigen Intervallen gemessenen
Größen Zuluft-/Raumtemperatur, Zuluftfeuchte und
Luftvolumenstrom beeinflusst werden. Hierzu können in weiterer
Ausgestaltung die modelladaptiven Regler ein Parallelmodell verwenden,
das das Verhalten des geschlossenen Regelkreises beschreibt, wo bei
der Regler die Abweichung zwischen Parallelmodell und zu regelnder
Regelgröße minimiert. Auch ist es denkbar, dass
ein der Regelstrecke parallel geschaltetes Korrekturnetzwerk mit
differenzierende Eigenschaften auftretendes nichtminimalphasiges
Verhalten der Regelstrecke kompensiert. Zusätzlich kann
ein Vorfilter das Führungsverhalten des modelladaptiven
Reglers ohne Beeinflussung des Störverhaltens verändern.
Adaptive Regler lernen durch die Reaktion der Regelstrecke auf Stellgrößen
dazu. Sie verändern ständig ihre Reglerparameter,
wobei sie bestrebt sind, sich optimal auf die Regelstrecke anzupassen.
Es ist lediglich notwendig, den Regler vor dem Start mit bestimmten
Vorkenntnissen, wie z. B. Verstärkung der Regelstrecke
und Lerngeschwindigkeit zu versorgen. Dadurch ist es möglich,
einen Regler zu verwenden, ohne dass man die Regelstrecke sehr genau
kennt oder weiß, wie sich die Regelstrecke verändern
kann. Im Bereich Heizen, Klima, Lüften von Gebäuden
ist es der Fall, dass die Regelstrecke (hier: das Gebäude)
nur aufwändig beschreibbar ist. Ändern sich doch
ständig die Anzahl, Tätigkeit und Anforderungen
von Menschen innerhalb von Gebäuden genau so wie äußere Gegebenheiten.
Die drei Regelgrößen Temperatur, Luftvolumenstrom
und relative Feuchte der Luft sind zudem direkt voneinander abhängig
und beeinflussen sich gegenseitig, was das Ausregeln dieser Größen
zusätzlich erschwert. Dabei muss die Raumluftqualität
möglichst dem Bedarf entsprechend gehalten werden, um den
nötigen Komfort für die Bewohner zu gewährleisten.
Modelladaptive Regler gehen von einem vorgebbaren Parallelmodell
aus, über das das Verhalten des geschlossenen Regelkreises
definiert werden kann. Der Adaptionsprozess versucht dabei den Regler
so einzustellen, dass die Abweichung e zwischen Parallelmodell und
Regelgröße minimiert wird.
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Falls
sich bei einem Lüftungsgerät der Luftvolumenstrom
nicht vorgeben lässt, ist eine unterlagerte Luftvolumenstromregelung
denkbar, die einen Standard-PIDT1-Regler beinhalten kann. Derartige Regler
sind Standard-Baugruppen und in ihrem Verhalten stabil und einfach
zu konfigurieren. Ein derartiger unterlagerter Regler kann derart
konfiguriert werden, dass bei Unterschreitung des Grenzwertes der
Regelung für den Kohlendioxidanteil in der Raumluft dem
Raum ein vorgebbarer Mindestvolumenstrom von Außenluft,
vorzugsweise einem Mindestvolumenstrom für einen 0,2-fachen
mechanischen Mindestluftwechsel zugeführt wird. Damit ist immer
sicher gewährleistet, dass ein entsprechender Luftaustausch
erfolgt, so dass sich andere Schadstoffe oder andere Stoffe als
CO2, die das Raumklima negativ beeinflussen,
nicht in der Raumluft übermäßig anreichern
können.
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Weiterhin
ist es denkbar, dass die Adaption der adaptiven Regler abgeschaltet
wird, wenn die Veränderungen der Regelgrößen
vorgebbare Grenzen unterschreiten. Adaptive Regler können
sich nur dann adaptieren, wenn im System genügend Signalbewegung
vorhanden ist. Wird hier eine Grenze unterschritten, weil die Regelgrößen
sich zeitlich nicht mehr ändern, wird die Adaption ausgeschaltet,
um ein „Einschlafen” der Adaption zu verhindern.
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Von
Vorteil ist es, wenn bei erstmaligem Betrieb der adaptiven Regler
jedem Regler Vorgabewerte für die Regelparameter zur Verfügung
gestellt werden, die einen sicheren Betrieb der Regelung und eine
schnelle Adaption der Regler erlauben. Bei einem „Cold-Boot”,
wie er bei der Inbetriebnahme des Systems zur Anwendung kommt, wird
der Regler mit Parametern versorgt, die zwar nicht optimal sind, aber
als a priori-Werte einen ersten sicheren Betrieb der Regelung und
ein schnelles Lernverhalten der Regler garantieren sowie Instabilitäten
vermeiden.
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Denkbar
ist es auch, dass bei Wiederaufnahme des Regelbetriebs der adaptiven
Regler nach einer Abschaltung oder einem Stromausfall jedem Regler
Vorgabewerte für die Regelparameter zur Verfügung
gestellt werden, die aus vorherigen Betriebszuständen der
Regler abgespeichert wurden. Damit nach einem Stromausfall der Lernvorgang
der Adaptivregler nicht zwangsläufig von neuem beginnt, werden
die aktuellen Reglerparameter in regelmäßigen
Zeitabständen in einem nichtflüchtigen Speicher der
Reglerimplementierung gespeichert. Bei einem „Warm-Boot” des
Systems werden diese Werte als Startwerte in die Regler geladen,
um längere Adaptionszeiten zu vermeiden.
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Ebenfalls
kann in einer weiteren Ausgestaltung die Erfassung von Lufttemperatur,
Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidanteil der Raumluft für
jeden Raum eines Gebäudes getrennt erfolgen. Durch Einzelraumregelung
oder auch durch Zonenbildung können Variationen von Raumnutzungen
unterschiedlich behandelt werden. So kann z. B. zwischen Wohn- und
Schlafbereichen unterschieden werden. Ebenso geeignet ist das neue
Regelkonzept für dezentrale Raumluftkonditionierungskonzepte.
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Die
Erfindung beschreibt weiterhin eine Regeleinrichtung zur Regelung
der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und des Kohlendioxidanteils
der Raumluft eines Raumes, aufweisend ein Lüftungsgerät,
mit dem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Kohlendioxidanteil
von Luft jeweils unabhängig voneinander eingestellt werden
kann. Eine derartige Regeleinrichtung, die vorzugsweise zur Durchführung
des Regelverfahrens gemäß Anspruch 1 eingesetzt
werden kann, wird dadurch weiter gebildet, dass sie eine kaskadierte
Regelstruktur aufweist bestehend aus einem inneren Mehrgrößenregler
zur Regelung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur
am Ausgang eines Lüftungsgerätes, wobei für
den inneren Mehrgrößenregler aus der Temperatur
und der relativen Luftfeuchtigkeit am Ausgang des Lüftungsgerätes
die absolute Luftfeuchtigkeit am Ausgang des Lüftungsgerätes
berechnet und dem inneren Mehrgrößenregler neben
der Temperatur am Ausgang des Lüftungsgerätes
als Istwert wieder aufgegeben wird, einem dem inneren Mehrgrößenregler überlagerten äußeren
Mehrgrößenregler zur Regelung der relativen Luftfeuchtigkeit
und der Lufttemperatur der Raumluft des zu regelnden Raumes, wobei
für den äußeren Mehrgrößenregler
aus der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit des zu regelnden
Raumes die absolute Luftfeuchtigkeit der Raumluft berechnet und
dem äußeren Mehrgrößenregler
neben der Temperatur des zu regelnden Raumes als Istwert wieder
aufgegeben wird, einem unabhängig von dem ersten und dem
zweiten Mehrgrößenregler arbeitender weiterer
Regler zur Einstellung des Kohlendioxidanteils der Raumluft.
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Weiterhin
kann das Lüftungsgerät eine regelbare Zusatz-Heizeinrichtung
zur Einstellung der Raumtemperatur aufweisen, durch die eine entsprechende
Einstellung der Raumtemperatur für den Fall zu niedriger
Raumtemperaturen erfolgen kann. Hierzu kann im Lüftungsgerät
eine Wärmepumpe, vorzugsweise eine Luft-/Luft-Wärmepumpe
und weiter vorzugsweise mit einem frequenzgesteuerten Kompressor
vorgesehen werden, die die in der abgesaugten Raumluft vorhandene
Wärmeenergie zu einem großen Teil zurück
gewinnt und der angesaugten Außenluft wieder zuführt.
Damit lassen sich die Wärmeverluste im Sinne einer kontrollierten
Raumlüftung mit Wärmerückgewinnung verringern.
Ebenfalls ist es denkbar, dass das Lüftungsgerät
eine Luftkühlungseinrichtung umfasst, um auch bei höheren
Außentemperaturen und damit höheren Temperatur
der angesaugten Außenluft eine entsprechende Temperierung
der Raumluft zu gewährleisten.
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Für
den Fall, dass die Wärmepumpe bei Betrieb unterhalb ihrer
betriebstechnischen Grenzfrequenz betrieben werden müsste,
kann die Wärmepumpe zeitlich intermittierend mit jeweils
geringster Leistung betrieben werden. Hierdurch läuft die
Wärmepumpe mit einem frequenzgesteuerten Kompressor während
der eigentlichen Einschaltzeiten oberhalb ihrer betriebstechnischen
Grenzfrequenz und damit im wirtschaftlichen Bereich, während
im Stillstand keine unzulässigen Verluste aufgrund unwirtschaftlichen
Betriebsverhaltens auftreten können.
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Von
Vorteil ist es weiter, wenn in dem Lüftungsgerät
drehzahlgesteuerte Ventilatoren angeordnet sind, mit denen die Raumluft
zugeführt wird. Durch entsprechende Lüftersteuerung
kann der Volumenstrom der der Raumluft zugeführten Außenluft bzw.
die abgesaugte Raumluft entsprechend optimal geregelt werden.
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Denkbar
ist es weiterhin, dass in dem Lüftungsgerät eine
Luftbefeuchtungseinrichtung, vorzugsweise ein Ultraschallbefeuchter
vorgesehen ist. Hierdurch kann der Feuchtegehalt der Raumluft optimal
eingestellt und das Komfortempfinden in dem Raum anwesender Personen
auch im Falle trockener angesaugter Außenluft erhöht
werden. Denkbar ist hierbei, dass die Luftbefeuchtungseinrichtung
das zugeführte Wasser über eine Umkehr-Osmose-Anlage
filtert. Umgekehrt kann in dem Lüftungsgerät auch eine
Luftentfeuchtungseinrichtung vorgesehen sein für den Fall,
dass die angesaugte Außenluft besonders hohe Feuchtegrade
aufweist.
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Von
Vorteil ist es weiterhin, wenn an der Auslassöffnung des
Lüftungsgerätes und im zu regelnden Raum Sensoren
zur Erfassung von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und
Luftvolumenstrom angeordnet sind. Hierdurch ist erst eine stabile
und präzise Regelung der Raumluftparameter möglich.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeigt die Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 – zeigt
die Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Einrichtung,
die selbstlernend und unter Verzicht auf die Berücksichtigung
der Außentemperatur die Auswirkung der Veränderung
der mittels Temperatursensoren, Feuchtesensoren und CO2-Sensoren
erfassten Grö ßen als Maß zur Regelung
der vom Raumnutzer eingestellten Sollwerte verwendet,
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2 – die
grundsätzliche Struktur der verwendeten, modelladaptiven
Regler einer Regeleinrichtung gemäß 1.
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In
der 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen
Einrichtung dargestellt, die selbstlernend und unter Verzicht auf
die Berücksichtigung der Außentemperatur die Auswirkung
der Veränderung der mittels Temperatursensoren, Feuchtesensoren
und CO2-Sensoren erfassten Größen
als Maß zur Regelung der vom Raumnutzer eingestellten Sollwerte
verwendet.
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Verwendet
zur Beeinflussung der Temperatur θ, der Feuchte φ und
des Volumenstroms V der Luft in dem Raum R wird ein Lüftungsgerät
LG, das im einfachsten Fall eine voneinander unabhängige Einstellung
der Temperatur θ, der Feuchte φ und des Volumenstroms
V, der aus dem Raum R abgesaugten Luft erlaubt und dem Raum R eine
Grundluftmenge zur Verfügung stellt. Geregelt wird das
Verhalten des Lüftungsgerätes durch eine kaskadierte
Anordnung mehrerer Regler RCI, RCA und RCC. Dabei regelt in einem
inneren Regelkreis IR ein innerer Mehrgrößenregler
RCI die relative Luftfeuchtigkeit %φAus und
die Lufttemperatur θAus am Ausgang
des Lüftungsgerätes LG, wobei für den
inneren Mehrgrößenregler RCI aus der Temperatur θAus und der relativen Luftfeuchtigkeit %φAus am Ausgang des Lüftungsgerätes
LG in einem entsprechenden Baustein Fabs die absolute
Wasserbeladung Xabs Aus am Ausgang des Lüftungsgerätes
LG berechnet und dem inneren Mehrgrößenregler
RCI neben der Temperatur θAus am Ausgang
des Lüftungsgerätes LG als Istwert wieder aufgegeben
wird. Diesem inneren Regelkreis IR ist ein äußerer
Regelkreis AR kaskadiert überlagert, in dem ein äußerer
Mehrgrößenregler RCA die relative Luftfeuchtigkeit
%φRaum und die Lufttemperatur θRaum der Raumluft des zu regelnden Raumes
R regelt, wobei für den äußeren Mehrgrößenregler
aus der Temperatur θRaum und der
relativen Luftfeuchtigkeit %φRaum des
zu regelnden Raumes R in einem entsprechenden Baustein Fabs die absolute Wasserbeladung der Raumluft
XabsR berechnet und dem äußeren Mehrgrößenregler
RCA neben der Temperatur θRaum des
zu regelnden Raumes R als Istwert aufgegeben wird. Parallel und
unabhängig davon arbeitet in einem weiteren Regelkreis
CR ein weiterer Regler RCC und stellt mittels eines konventionellen
Standard-PIDT1-Reglerbausteins den Kohlendioxidan teil CO2Raum der Raumluft über das Lüftungsgerät
LG direkt ein, indem etwa ein regelbarer Ventilator in dem Lüftungsgerät
LG entsprechend angesteuert wird und den Volumenstrom V zugeführte
Außenluft beeinflusst. Als Vorgabewerte für die
Regler werden die Ausgangswerte für die gewünschte
Temperatur θRaum, die gewünschte
relative Luftfeuchtigkeit %φRaum und
den gewünschten Grenzwert für CO2Raum vorgegeben,
wobei die Vorgabewerte für die gewünschte Temperatur θRaum und die gewünschte relative
Luftfeuchtigkeit %φRaum ebenfalls über
einen entsprechenden Baustein Fabs in die
absolute Luftfeuchtigkeit der Raumluft XabSR umgerechnet
wird.
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Dabei
erfolgt die Regelung nicht wie herkömmlich durch das Ein-
und Ausschalten eines Zweipunktreglers, sondern kontinuierlich.
Dieses Regelungskonzept gibt den in der Regel kleinen Leistungen
regenerativer Wärmebereitstellungen oder der Wärmerückgewinnung
gegenüber dem Zweipunktregelkonzept in der bisherigen Ausgestaltung erhöhten
Einsatzraum. Der Wert der relativen Raumluftfeuchte %φRaum wird ebenfalls in seiner Wechselwirkung
mit den erstgenannten Raumparametern geregelt und auf dem eingestellten
Sollwert gehalten. Im vorliegenden Fall erfolgt die Befeuchtung
der Raumluft etwa durch einen Dampfbefeuchter oder einen Ultraschallzerstäuber.
Eine Entfeuchtung der Raumluft und deren Kühlung sind problemlos
in das Regelkonzept zu integrieren.
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Für
den Grundaufbau der beschriebenen Heizungsregelung wird ein Lüftungsgerät
LG mit Wärmepumpe verwendet, welches einen frequenzgesteuerten
Kompressor enthält. Durch den Frequenzumrichter besteht
die Möglichkeit, den Kompressor der Wärmepumpe
hinsichtlich seiner Leistung zu regeln. Grundsätzlich sind
an dieser Stelle jedoch auch andere Heizungskonzepte denkbar. Die Ventilatoren
für die Förderung des erforderlichen Luftvolumenstroms
V durch das Lüftungsgerät LG werden über
eine geeignete Elektronik bezüglich Ihrer Drehzahl gesteuert.
Damit wird der Luftvolumenstrom geregelt. Die Luftfeuchte wird z.
B. durch eine spezielle, geregelte Ultraschallbefeuchtung der Zuluft
zur Verfügung gestellt. Das dem Ultraschallbefeuchter zugeführte
Wasser wird etwa über eine Umkehr-Osmose-Anlage gefiltert.
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Die
von dem Lüftungsgerät LG zur Verfügung
gestellte Grundluftmenge dient bei einem z. B. 0,2-fachen mechanischen
Mindestluftwechsel zur kontrollierten Abfuhr der Raumluftinhaltstoffe,
die personenunabhängig aus dem Raum R abzuführen sind.
Bei steigender CO2-Konzentration wird dieser Volumenstrom
V der Luft erhöht.
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Ausgehend
von einem erhöhten mechanischen Luftwechsel wird die Luftmenge
des Lüftungsgerätes LG auf den Mindestwert gesenkt,
wenn die CO2-Konzentration sinkt. Die im
Lüftungsgerät LG integrierte Luft/Luftwärmepumpe
regelt abhängig vom eingestellten Sollwert θRaum selbsttätig die Zulufttemperatur
in Verbindung mit je nach Raumkenngröße erforderlicher
Zusatzwärmeversorgung. Der eingestellte Sollwert θRaum wird auch bei Änderung der Wärmelasten
auf dem eingestellten Wert gehalten.
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Im
oberen Leistungsbereich wird die Wärmepumpe über
einen Frequenzumrichter stufenlos in ihrer Wärmeleistung
gesteuert. Allerdings ist der Betrieb der Wärmepumpe unterhalb
einer bestimmten Frequenz (Leistung) aus betriebstechnischen Gründen
nicht möglich. In diesem unteren Leistungsbereich kann
die Wärmepumpe gepulst und mit minimaler Leistung betrieben
werden. Anstelle der frequenzgesteuerten Wärmepumpe können
auch gesteuerte andere Wärmeerzeuger oder gesteuerte Wärmeverteilungseinrichtungen
eingesetzt werden.
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Aufgrund
der Unterschiedlichkeit der Einsatzorte in der Regelung und der
unterschiedlichen jahreszeitlichen Betriebsbedingungen ist es notwendig,
die Regelung mit ihren Parametern ständig neu anzupassen.
Da dieser Vorgang automatisch ablaufen soll, wurde auf bestehende
regelungstechnische Verfahren der so genannten adaptiven Regelung
zurückgegriffen. In der beschriebenen Klimaregelung gibt
es zudem starke Abhängigkeiten der Regelgrößen
untereinander. Dies legt die Verwendung von Mehrgrößenreglern
RCI und RCA anstelle von Eingrößenregelkreisen
nahe.
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Die
adaptiven Regler RCI, RCA und RCC lernen durch die Reaktion der
Regelstrecke auf Stellgrößen dazu. Sie verändern
ständig ihre Reglerparameter, wobei sie bestrebt sind,
sich optimal auf die Regelstrecke anzupassen. Es ist lediglich notwendig, den
Regler vor dem Start mit bestimmten Vorkenntnissen, wie z. B. Verstärkung
der Regelstrecke und Lerngeschwindigkeit zu versorgen. Dadurch ist
es möglich, einen Regler zu verwenden, ohne dass man die
Regelstrecke sehr genau kennt oder weiß, wie sich die Regelstrecke
verändern kann. Im Bereich Heizen, Klima, Lüften
von Gebäuden ist es der Fall, dass die Regelstrecke (hier:
das Gebäude) nur aufwändig beschreibbar ist. Ändern
sich doch ständig die Anzahl, Tätigkeit und Anforderungen
von Menschen innerhalb von Gebäuden genau so wie äußere Gegebenhei ten.
Die drei Regelgrößen Temperatur, Luftvolumenstrom
und relative Feuchte der Luft sind zudem direkt voneinander abhängig
und beeinflussen sich gegenseitig, was das Ausregeln dieser Größen
zusätzlich erschwert. Dabei muss die Raumluftqualität
möglichst dem Bedarf entsprechend gehalten werden, um den
nötigen Komfort für die Bewohner zu gewährleisten.
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Modelladaptive
Regler gehen gemäß 2 dabei
von einem vorgebbaren Parallelmodell aus, über das das
Verhalten des geschlossenen Regelkreises definiert werden kann.
Der Adaptionsprozess versucht dabei den Regler so einzustellen,
dass die Abweichung e zwischen Parallelmodell und Regelgröße
minimiert wird. Ein Korrekturnetzwerk mit differentiellen Eigenschaften
verhindert die Kompensation eventuell auftretenden nichtminimalphasigen
Verhaltens der Regelstrecke. Über ein Vorfilter kann zusätzlich
das Führungsverhalten ohne Beeinflussung des Störverhaltens
verändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 4108 [0004]
- - DIN EN 832 [0004]
- - DIN V 4701 Teil 10 [0004]