DE102009007591B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftkonditionierung - Google Patents

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung mittels einer lufttechnischen Anlage anzugeben, die eine zielgenaue und energieeffiziente Einstellung eines durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierten Zielluftzustandes ermöglicht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung.
• Hintergrund der Erfindung
• Lufttechnische Anlagen für Arbeitsstätten und Versammlungsräume werden häufig zur Aufrechterhaltung nicht nur der Raumluftqualität, sondern auch der thermischen Behaglichkeit eingesetzt. Dafür werden diese Anlagen in der Regel mit Anlagenkomponenten so ausgerüstet, dass damit wenigstens drei thermodynamische Luftbehandlungen durchgeführt werden können: Erwärmen, Kühlen und Entfeuchten. Die Anlagen müssen so geregelt und gesteuert werden, dass beide Ziele (Aufrechterhaltung der Raumluftqualität und der thermische Behaglichkeit) erreicht werden, obgleich im Raum durchaus wechselnde thermische Lasten und Stofflasten vorhanden sein können und für die sich im Raum befindlichen Personen ein aus hygienischen Gründen notwendiger Außenluftmassenstrom eingehalten werden muss.
• Der Behaglichkeitsbereich in klimatisierten Arbeitsstätten ist bezüglich der Temperatur und der Luftfeuchte definiert. So wird in der einschlägigen Norm von 2006, der DIN EN ISO 7730 die operative Temperatur für den Kühlfall für Büroräume der Kategorie B in einem Bereich von 24,5°C ± 1,5 K angegeben. Die DIN EN 13779 von 2007 schlägt für den Sommer für die Feuchtebeladung einen Bereich zwischen 6 und 12 g/kg vor.
• Aus Gründen der Energieeinsparung und der Reduktion der Betriebskosten sollten die Raumlufttemperatur und die relative Feuchte über das Jahr nach einem Sollwertprogramm gefahren werden, das im Sommer höhere Werte für die Raumlufttemperatur und auch höhere Werte für die relative Feuchte als im Winter vorsieht. Durch diese gleitende Fahrweise wird den jahreszeitlich bedingten Kühl- und Feuchtelasten Rechnung getragen.
• In der Prozesslufttechnik werden häufig sehr viel engere Toleranzen bezüglich der Temperatur und der Luftfeuchte gefordert.
• Die Thermodynamik der feuchten Luft wird als Psychrometrie bezeichnet. Hierbei stellt die Luft ein Gas-Dampf-Gemisch dar, in dem als Dampf diejenige Komponente bezeichnet wird, die im betrachteten Temperatur- und Druckbereich als Flüssigkeit oder als Festkörper kondensieren kann. Die übrigen Komponenten werden zu der Komponentengruppe „Gas” zusammengefasst und bleiben für den betrachteten Temperaturbereich in ihrer Menge unverändert.
• Bei dem in der Prozess- und Raumlufttechnik vorliegenden Temperatur- und Druckbereich kann feuchte Luft als ein Gemisch idealer Gase angesehen werden. Da sich bei vorgegebener Temperatur nicht beliebige Dampfmengen mit dem nicht-kondensierenden Gas mischen, werden drei Zustände unterschieden. Beim ungesättigten Zustand liegt nur die Gasphase vor. Der Partialdruck des Dampfes ist kleiner als der Sättigungsdruck des Dampfes im Gemisch. Im gesättigten Zustand entspricht der Partialdruck des Dampfes gerade dem Sättigungsdruck des Dampfes im Gemisch. Gasphase und beginnende Kondensatphase haben dieselbe Temperatur T (thermisches Gleichgewicht) und denselben Gesamtdruck (mechanisches Gleichgewicht). Im übersättigten Zustand liegen Gas- und Kondensatphase vor. In der Gasphase gelten die Beziehungen des gesättigten Zustands.
• Zur Darstellung der Luftzustände feuchter Luft und der Zustandsänderungen werden verschiedene Diagramme verwendet. Die bekanntesten Diagrammformen sind das Mollierdiagramm (Europa) und das Carrierdiagramm (Amerika). Bei Mollier wird die Enthalpie (h_1+x) des Gemisches als Ordinate und die Feuchtebeladung x als Abszisse gewählt. Die Enthalpie hängt sowohl für den ungesättigten Bereich als auch für den übersättigten Bereich linear von der Temperatur ab. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines vereinfachten Mollierdiagramms für einen vorgegebenen Gesamtdruck.
• Da sich der in der Prozess- und Raumlufttechnik interessierende Bereich der ungesättigten Luft im rechtwinkligen Koordinatensystem nur bedingt darstellen lässt, hat Mollier ein schiefwinkliges Diagramm gewählt, bei dem die Isotherme für 0°C im ungesättigten Bereich gerade eine Waagerechte ergibt. Demzufolge verlaufen die Koordinatenlinien h_1+x = konstant in diesem schiefwinkligen Koordinatensystem von links oben nach rechts unten (vgl. 1).
• Die Kühlung und die Entfeuchtung der Luft in zentralen lufttechnischen Anlagen erfolgt in der Regel mittels Luftkühler, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Leistungsregelung wird entweder durch Veränderung der Kühlmitteleintrittstemperatur (beimischgeregelter Luftkühler) oder durch Veränderung des Kühlmittelmassenstroms bei gleichbleibender Kühlmitteleintrittstemperatur (Mengenregelung) verwirklicht. Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche hydraulische Schaltungen, die auch unterschiedliche Zustandsänderungen der Luft beim Durchströmen des Wärmeübertragers (Luftkühlers) hervorrufen. Es handelt sich einerseits um ein System, bei dem der Luftkühler mit einer Beimischregelung versehen ist. Dadurch wird die Eintrittstemperatur des in den Luftkühler eingespeisten Kühlmittels geregelt. Andererseits sind Systeme bekannt, bei denen der Luftkühler mit einer Mengenregelung versehen ist. Bei konstanter Kühlmitteleintrittstemperatur wird die dem Luftkühler zugeführter Kühlmittelmenge geregelt.
• Während im Fall der Temperaturregelung die Kühlmitteleintrittstemperatur des Luftkühlers durch die Mischung von Kühlmittel aus dem Kühlkreis der Kältemaschine mit weitestgehend konstanter Temperatur und dem Rücklauf des Kühlers bestimmt wird (beimischgeregelter Kühler), entspricht im Falle der Mengenregelung die Kühlmitteleintrittstemperatur am Luftkühler gerade der Temperatur, die seitens der Kälteanlage (Kaltwassersatz) zur Verfügung gestellt wird (mengengeregelter Kühler). Unabhängig von der geforderten Übertragungsrate des Wärmeübertragers bleibt beim beimischgeregelten Kühler der Kühlmittelmassenstrom weitestgehend konstant. Beim mengengeregelten Kühler dagegen wird der Wärmeübertrager mit konstanter Kühlmitteleintrittstemperatur, dafür aber mit variablem Kühlmittelstrom, beaufschlagt.
• Eine Entfeuchtung der Luft erfolgt immer dann, wenn die von der Luft berührte Oberfläche irgendwo im Kühler bezüglich der Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur der feuchten Luft liegt. Da Luftkühler strömungstechnisch eine Mischung aus reinem Kreuzstrom und reinem Gleich- oder Gegenstrom darstellen, erfolgt die Kondensation des Wasserdampfes aus der Luft bei örtlicher Unterschreitung des Taupunkts häufig nur in einem Teil des Luftkühlers. Deshalb setzt sich die Zustandsänderung des gesamten durch den Luftkühler strömenden feuchten Luftmassenstroms aus einem gekühlten Teilstrom ohne Entfeuchtung (trockene Kühlung), einem gekühlten Teilstrom mit Entfeuchtung (feuchte Kühlung) und einem Teilstrom, der nicht mit der gekühlten Oberfläche in Berührung gekommen ist und den Luftkühler deshalb ohne jede Zustandsänderung wieder verlässt zusammen. Je nach der Konstruktion des Luftkühlers, der Kühlmitteleintrittstemperatur und dem Massenstrom des Kühlmediums verändern sich die Verhältnisse der jeweiligen Teilluftströme für einen gegebenen Ausgangszustand der feuchten Luft.
• Mit einem beimischgeregelten Luftkühler kann ein Luftstrom nur dann völlig ohne Entfeuchtung gekühlt werden, wenn die Wassereintrittstemperatur des Kühlmediums die Taupunkttemperatur der feuchten Luft nicht unterschreitet (vgl. 2, Strecke 1-2). Erst wenn die Kühlmitteleintrittstemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur der feuchten Luft liegt, setzt eine Kondensation von Wasserdampf, also eine Entfeuchtung, für einen Teilluftstrom ein (vgl. 2, Strecke 2-3).
• Idealisiert kann man sich vorstellen, dass bei unendlichem Kühlmittelmassenstrom der gesamte Luftmassenstrom bis zum Taupunkt abgekühlt werden muss, bevor der Entfeuchtungsvorgang überhaupt einsetzt. Wird nach dieser Vorstellung Wasserdampf aus dem Luftmassenstrom kondensiert, so muss die Luft bis zum Taupunkt der gewünschten Feuchtebeladung abgekühlt werden, was in der Regel die Notwendigkeit zum Nacherwärmen der entfeuchteten Luft mit sich bringt, da Luft mit hoher relativer Feuchte aus hygienischen Gründen nicht durch das Kanalnetz gefördert werden sollte.
• Bei einem mengengeregelten Luftkühler findet im Kühlfall bei einer Wasserdampfbeladung oberhalb eines Grenzwertes, der unter anderem von der Vorlauftemperatur (= Kühlmitteleintrittstemperatur) des Kühlmediums abhängig ist, immer eine Entfeuchtung statt, da die Vorlauftemperatur, unabhängig von der Kühllast, als konstant angenommen werden kann (vgl. 2, Strecke 1-4). Demzufolge ist die Oberflächentemperatur des Luftkühlers am Kühlmitteleintritt nahe der durch die Kältemaschine zur Verfügung gestellten Kühlmittelvorlauftemperatur. In der Regel wird diese Vorlauftemperatur bei konventionellen Anlagen bei etwa 6°C liegen. Der Endpunkt der Zustandsänderung der gemischten Teilströme der Luft liegt auf der Verbindungslinie zwischen dem Zustandspunkt des Luftstroms vor dem Kühler (Punkt 1 in 2) und der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers (Punkt 4' in 2). Die Steigung der Zustandsänderung im Mollierdiagramm ist bei gegebener Kühlerkonstruktion für jeden Ausgangspunkt der feuchten Luft also nur vom Ausgangspunkt selbst und von der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers (Punkt 4' in 2) abhängig.
• Praktisch kann bei dieser bekannten Schaltungsart zwischen zwei Betriebsarten unterschieden werden: entweder der Grad der Entfeuchtung bestimmt die Luftaustrittstemperatur aus dem Luftkühler, oder die notwendige Kühlung bestimmt den Entfeuchtungsgrad. Der gewünschte Endpunkt in Temperatur und Feuchte lässt sich also auch hier nicht allein mit dem Luftkühler punktgenau einstellen. Um einen fixen Luftzustand zu erreichen, muss der Luftstrom nach dem Luftkühler also entweder erwärmt werden (Entfeuchtung bestimmt die Kühlung), oder der Luftstrom muss befeuchtet werden (Kühlung bestimmt die Entfeuchtung).
• Für die Erzielung eines gewünschten Luftzustandes bezüglich der Temperatur und der Wasserdampfbeladung haben beide bekannten Schaltungen Vor- und Nachteile. Beim beimischgeregelten Luftkühler muss im Entfeuchtungsfall immer tiefer gekühlt werden, als es die Kühllast erfordert. Das Betreiben eines Luft-Nacherwärmers ist also zwingend notwendig, um den gewünschten Luftzustand zu erhalten. Im Falle des mengengeregelten Luftkühlers kann, je nach Luftzustand, entweder eine Nacherwärmung des Luftstromes notwendig werden, oder eine Luftbefeuchtung.
• Die punktgenaue Erzielung eines gewünschten Luftzustandes zwischen den Grenzen der beiden herkömmlichen Schaltungen ist im Kühlfall nur bei der gemeinsamen Anwendung beider Schaltungsarten möglich, wobei im Falle von Teil-Umluftbetrieb ein mengengeregelter Luftkühler im Außenluftpfad und ein beimischgeregelter Luftkühler nach der Mischkammer installiert werden. Hierbei vergrößert sich aber der Energieaufwand zur Luftförderung, weil ein zweiter Luftkühler einen zusätzlichen luftseitigen Druckverlust darstellt.
• In Recknagel et al.: Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 05/06, Oldenburg Industrieverlag, 2005, sind Bauarten für Lüftkühler und Luftentfeuchter beschrieben. Mit Hilfe von Luftentfeuchtungsgeräten wird angesaugte Luft gekühlt und entfeuchtet. Offenbart sind Kühleinrichtungen, die auf dem Prinzip der Mengenregelung basieren, bei der das der Kühleinrichtung zugeführte Kühlmittel bei konstanter Kühlmitteleinrittstemperatur hinsichtlich des zugeführte Massenstroms geregelt wird.
• Eine mengengeregelte Kühleinrichtung ist weiterhin aus dem Dokument DE 2 116 857 A bekannt.
• Eine Kühlung mittels Trockeneis ist im Dokument DE 10 2005 012 926 B4 offenbart.
• Das Dokument DE 198 49 662 A1 beschreibt eine thermo-hygro-aktitves Bauteil, dass als Kühldecke oder Fußbodenheizung ausgebildet sein kann.
• Im Dokument DE 34 42 001 A1 wird eine Klimatisierung von geparkten Flugzeugen behandelt, bei denen so tiefe Lufttemperaturen erreicht werden müssen, dass für die Kühlung keine Kaltwassersätze Anwendung finden können.
• Im Dokument DE 44 31 041 C2 ist eine selbst regelnde Heizung für Kraftfahrzeuge offenbart.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung mittels einer lufttechnischen Anlage anzugeben, die eine zielgenaue und energieeffiziente Einstellung eines durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierten Zielluftzustandes ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Luftkonditionierung nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung nach dem unabhängigen Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
• Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein mittels einer lufttechnischen Anlage, bei dem ein durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierter vorgegebener Zielluftzustand für Luft mit einem Ausgangsluftzustand eingestellt wird, indem die Luft mit dem Ausgangsluftzustand mit Hilfe eines Luftkühlers gekühlt und entfeuchtet wird, wobei eine dem Luftkühler zugeordnete Kühlmittelzuführeinrichtung für ein dem Luftkühler zugeführtes Kühlmittel beim Kühlen und Entfeuchten der Luft sowohl einen Kühlmittelmassenstrom als auch eine Kühlmitteleintrittstemperatur dem Ausgangsluftzustand und dem vorgegebenen Zielluftzustand entsprechend regelt.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung geschaffen, die folgende Merkmale aufweist: einen Luftkühler, welcher konfiguriert ist, zum Einstellen eines durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierten vorgegebenen Zielluftzustandes Luft mit einem Ausgangsluftzustand zu kühlen und wahlweise zu entfeuchten, und eine an den Luftkühler angeschlossene Kühlmittelzuführeinrichtung für ein dem Luftkühler zuzuführendes Kühlmittel, welche konfiguriert ist, sowohl einen Kühlmittelmassenstrom als auch eine Kühlmitteleintrittstemperatur dem Ausgangsluftzustand und dem vorgegebenen Zielluftzustand entsprechend zu regeln.
• Mithilfe der vorgeschlagenen Techniken kann insbesondere eine Raumluftkonditionierung ausgeführt werden.
• Luftkühler mit herkömmlichen hydraulischen Schaltungen sind im Kühlfall nur bedingt in der Lage, gewünschte Luftzustände einzustellen. Bekannte beimischgeregelte Luftkühler verschwenden Kühlenergie immer dann, wenn neben der reinen Kühlleistung auch eine Entfeuchtung notwendig wird. Dagegen sind mengengeregelte Luftkühler energetisch dann ineffizient, wenn eine Entfeuchtungsleistung nicht erforderlich ist. Mit der Erfindung werden diese Nachteile nun überwunden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und bei der Vorrichtung wird eine punktgenaue Regelung von Luftkühlung und -entfeuchtung vereint in der Kühlmittezuführeinrichtung vorgenommen. Sowohl die Menge als auch die Eintrittstemperatur des Kühlmittels für den Luftkühler werden in der Kühlmittelzuführeinrichtung geregelt. Dies ermöglicht auf energieeffiziente Art und Weise eine punktgenaue Einstellung eines gewünschten Zielluftzustandes.
• Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer hydraulischen Schaltung der Kühlmittelzuführeinrichtung ausgeführt wird.
• Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer von der Kühlmittelzuführeinrichtung umfassten, integrierten Regelschaltung ausgeführt wird, bei der eine beimischgeregelte Schaltung mit einer fördermengengeregelten Pumpeinrichtung gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine integrierte Regelschaltung gebildet, welche eine Integration der beimischgeregelten Schaltung sowie der mengengeregelten Schaltung darstellt. Die Beimischung von Kühlmittel zum Einstellen der Kühlmitteleintrittstemperatur kann mit Hilfe einer Beimischung von Kühlmittel aus dem Rücklauf des Luftkühlers erfolgen.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer von der Kühlmittelzuführeinrichtung umfassten Reihenschaltung einer beimischgeregelten und einer mengengeregelten Schaltung ausgeführt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzuführeinrichtung nur aus der beimischgeregelten und der mengengeregelten Schaltung besteht.
• Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Mollierdiagramms für einen vorgegebenen Gesamtdruck,
• 2 eine schematische Darstellung der bekannten Zustandsänderung von feuchter Luft im Falle einer Kühlung,
• 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Luftkonditionierung mit einer integrierten Regelschaltung, bestehend aus einer beimischgeregelten Schaltung mit einer fördermengengeregelten Pumpeinrichtung,
• 4 Symbole für Elemente des Analagenschemas in 5 und
• 5 ein vereinfachtes Anlagenschema einer Nur-Luft-Anlage mit Wärmerückgewinnung und Umluftpfad, wobei eine Befeuchtung mittels eines Dampfbefeuchters erfolgt.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Luftkonditionierung (Kühlung und Entfeuchtung) mit einer integrierten Regelschaltung, bei der eine beimischgeregelte Schaltung mit einer fördermengengeregelten Pumpeinrichtung gebildet ist. Die integrierte Schaltung ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine hydraulische Schaltung ausgeführt, die auch als „Optimized Dehumidification Control Loop” (OpDeCoLo) bezeichnet werden kann.
• Bei der Vorrichtung in 3 ist an einen Luftkühler 10 eine Kühlmittelzuführeinrichtung 11 gekoppelt, die mit einem Mischventil 12, einer drehzahlgeregelten Pumpe 13 sowie einem Durchgangsventil 14 zum Einstellen eines Strömungswiderstandes gebildet ist. Das Mischventil 12 ist an einen Rücklauf 15 gekoppelt, um dem jeweiligen Regelungsmechanismus entsprechend, Kühlmittel als Mischung aus dem Rücklauf 15 und dem von der Kältemaschine zur Verfügung gestellten Kühlmittel 16 als Vorlauf mit der gewünschten Temperatur und Menge in den Luftkühler 10 einzuspeisen.
• Die Schaltung in 3 entspricht der beimischgeregelten Schaltung, bei der aber anstelle einer Pumpe mit konstanter Fördermenge entweder die drehzahlgeregelte Pumpe 13 installiert wird, oder eine Pumpe mit konstanter Drehzahl mit einem Bypass (nicht dargestellt) versehen wird. Stark vereinfacht ausgedrückt wird die Entfeuchtung der Luft mittels Wahl der Kühlwassereintrittstemperatur, die Kühlleistung hingegen mittels des Kühlmittelmassenstroms bestimmt. Die Gesamtkühlleistung aus Kühlung und Entfeuchtung des Luftkühlers 10 ergibt sich also als eine Kombination aus Kühlmittelmassenstrom und Kühlmitteleintrittstemperatur.
• Mit der vorgeschlagenen Schaltung lassen sich Zustandsänderungen erzielen, die sich in einer anderen Ausführungsform auch mit einer Reihenschaltung aus einem mengengeregelten und einem beimischgeregelten Luftkühler verwirklichen lassen.
• Die Drehzahlregelung der Pumpe 13 kann entweder bei konstantem Förderdruck mittels Veränderung des Strömungswiderstands des Durchgangsventils 14 oder aber auch mit Hilfe eines Frequenzumformers (nicht dargestellt) erfolgen. Im Falle der gewünschten trockenen Kühlung, werden der Luftkühler 10 und der Kühlmittelmassenstrom so ausgelegt, dass die Kühlleistung mit einer Kühlmitteleintrittstemperatur oberhalb des jeweiligen Taupunkts der feuchten Luft erbracht wird. Dies erfordert in vielen Fällen einen größer dimensionierten Luftkühler als im Fall einer mengengeregelten hydraulischen Schaltung oder einer beimischgeregelten Schaltung mit feuchter Kühlung.
• Energetisch gesehen ist der mengengeregelte Luftkühler im Falle gewünschter Entfeuchtung sehr viel effizienter, als der beimischgeregelte Luftkühler. Das Einsparpotenzial für die Vorrichtung zur Luftkonditionierung nach 3 gegenüber dem bekannten mengengeregelten Luftkühler ergibt sich für alle Ausgangsluftzustände, die eine Kühlung erfordern und deren Feuchtebeladung unterhalb der, zum Beispiel aus Behaglichkeitsgründen, maximalen Feuchtebeladung im Zielzustand liegen und deren Taupunkt oberhalb der Kühlmitteleintrittstemperatur einer herkömmlichen mengengeregelten hydraulischen Schaltung liegt. Gerade in diesem Bereich, der keine Entfeuchtung benötigt, wäre ein beimischgeregelter Luftkühler energetisch günstiger als ein mengengeregelter Luftkühler. Für Ausgangsluftzustände, deren Feuchtebeladung oberhalb der maximalen Luftfeuchte im Zielluftzustand liegt, sind die Abstände des Ausgangsluftzustandes von der maximal zulässigen Feuchtebeladung und der Temperatur des Zielbereichs für das Einsparpotenzial ausschlaggebend. Ausgangsluftzustände mit hoher Lufttemperatur aber geringer Entfeuchtungslast führen bei mengengeregelter Schaltung in der Regel zu einer überhöhten Entfeuchtung. Dagegen führen Ausgangszustände mit hoher Feuchtebeladung bei nur geringer Temperaturdifferenz zum Zielbereich immer zu einer Unterkühlung des Luftmassenstromes.
• Nachfolgend werden die Auswirkungen der hydraulischen Schaltung des Luftkühlers auf den spezifischen Kühlenergiebedarf für eine lufttechnische Anlage untersucht.
• Für den Vergleich wurde eine Nur-Luft-Anlage (vgl. 5) mit einer rekuperativen Wärmerückgewinnung und einer Umluftsteuerung (Economizer Mode) gewählt. Das Einsparpotenzial der Vorrichtung zur Luftkonditionierung nach 3 wird jeweils auf den mengengeregelten Luftkühler bezogen. Der gegebenenfalls zur Nacherwärmung oder Befeuchtung erforderliche Energiebedarf wird in diesem Vergleich zur Vereinfachung nicht betrachtet, wodurch sich das errechnete Einsparpotenzial gegenüber dem Realfall verringert.
• Eine Nur-Luft-Anlage mit rekuperativer Wärmerückgewinnung (WRG) und einer Umluftklappensteuerung entspricht dem Stand der Technik für lufttechnische Anlagen, die hohe thermische Lasten bei wechselnder Personenbelegung abzuführen haben. Für diesen Vergleich wurde als Wärmerückgewinnung ein Kreislaufverbundsystem gewählt, das sich bei Bedarf durch Abschalten der Pumpe leicht überbrücken lässt und darüber hinaus die Möglichkeit bietet, Außenluft- und Fortluftstrom räumlich getrennt führen zu können. Vorhandene Anlagen werden häufig mit solchen Systemen nachgerüstet. Tabelle 1: Randbedingungen zur Bestimmung des Energiebedarfs zur Luftkühlung in Abhängigkeit der hydraulischen Schaltung des Luftkühlers

  Bezeichnung	Wert
  Raumlufttemperatur	25°C
  Raumluftbeladung	1 g/kg über Außenluft
  Lufterwärmung durch Ventilatoren	1 K jeweils
  Lufttemperatur nach Luftkühler (angestrebt)	18°C
  Beladung nach Kühler (angestrebt)	6 bis 10 g/kg
  Rückwärmzahl WRG	0,5
  Umluftanteil	0 oder 50%
  Kühlmittelvorlauftemperatur	6°C
  Kühlmittelrücklauftemperatur	12°C

• Betrieben werden soll die lufttechnische Anlage so, dass für den Sommerfall die WRG nur dann aktiv ist, wenn die Temperatur der Außenluft (ODA) die der Fortluft (EHA) übersteigt. Der vorbehandelten Außenluft (PODA) nach der WRG wird in der Mischkammer nur dann Umluft (RCA) beigemischt, wenn die Umluft eine geringere Temperatur als der vorbehandelte Außenluftstrom (PODA) aufweist. Die Feuchtebeladung der Umluft wurde infolge von Feuchtequellen im Raum um jeweils 1 g/kg höher als die der Außenluft angenommen. Die Randbedingungen des Vergleichs sind in Tabelle 1 dargestellt.
• Die Umluftbeimischung reduziert nicht nur die durch den Luftkühler zu erbringende Temperaturabsenkung, sondern verringert auch die Differenz zwischen der Feuchtebeladung der Außenluft und dem Sollwert nach dem Luftkühler.
• Die Berechnung der Luftzustände, die sich nach dem Luftkühler einstellen, beruhen auf vereinfachten Ansätzen. Für den beimischgeregelten Luftkühler, wurde angenommen, dass der Kühlvorgang bis zum Erreichen der Taupunkttemperatur ohne Kondensatausfall erfolgt. Im Falle des mengengeregelten Luftkühlers wurde angenommen, dass die Zustandsänderung jeweils auf einer Geraden zwischen dem Ausgangspunkt und einer der Oberflächentemperatur des Kühlers proportionalen Temperatur liegt. Die Vorrichtung zur Luftkonditionierung nach 3 stellt jeweils eine Kombination aus beiden Schaltungsarten her, wobei im Grenzbereich entweder ein beimischgeregelter oder ein mengengeregelter Kühler vorliegt.
• Die sich nach dem mengengeregelten Luftkühler einstellende mittlere Wasserdampfbeladung und die mittlere Lufttemperatur für den Fall des mengengeregelten Luftkühlers wurde nach dem Strahlensatz wie folgt ermittelt:

  

  mit

x1

Wasserdampfbeladung vor dem Luftkühler [kg/kg_{trockene Luft}]

xK

Wasserdampfbeladung bei mittlerer Oberflächentemperatur des Luftkühlers t_K [kg/kg_{trockene Luft}]

xLK

mittlere Wasserdampfbeladung nach dem Luftkühler [kg/kg_{trockene Luft}]

t1

Lufttemperatur vor dem Luftkühler [°C]

tK

mittlere Oberflächentemperatur des Luftkühlers [°C]

tLK

mittlere Lufttemperatur am Austritt des Luftkühlers [°C]

• Bei Vorgabe einer gewünschten Wasserdampfbeladung x_LK stellt sich demzufolge eine mittlere Lufttemperatur am Austritt des Luftkühlers t_LK ein:

  

  bei Vorgabe der gewünschten mittleren Austrittstemperatur aus dem Luftkühler ergibt sich eine mittlere Wasserdampfbeladung von:

  
• Die Enthalpiedifferenz Δh_Kühlen zwischen dem Ausgangspunkt 1 (t₁, x₁) vor dem Luftkühler und dem Austrittspunkt LK (t_LK, x_LK) nach dem Luftkühler errechnet sich zu:

  

  mit

r0

Verdampfungswärme von Wasser bei 0°C [kJ/kg]

cpD

spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfes [kJ/(kg·K)]

cpL

spezifische Wärmekapazität der trockenen Luft [kJ/(kg·K)]

• 4 zeigt Symbole für Elemente des Analagenschemas in 5, in welcher ein vereinfachtes Anlagenschema einer Nur-Luft-Anlage mit Wärmerückgewinnung und Umluftpfad dargestellt ist, wobei eine Befeuchtung mittels eines Dampfbefeuchters erfolgt.
• Obgleich 5 eine vollständige Nur-Luft-Anlage zeigt, geht in die Abschätzung des Energieeinsparpotenzials nur der Kühlenergiebedarf (Luftkühlung und Entfeuchtung) ein. Weder Nacherwärmung noch Befeuchtungsleistungen werden in diesem Vergleich berücksichtigt.
• Für den vorliegenden Anlagentyp wurde der Kühlenergiebedarf für zwei hydraulische Schaltungen für verschiedene Klimata untersucht. Dazu wurden statistische Wetterdaten gemäß DIN 4710 von 2003 für die Außenluftwerte gewählt und der jährliche spezifische Kühlenergiebedarf für den Fall der mengengeregelten hydraulischen Schaltung sowie des OpDeCoLo miteinander verglichen. Der Vergleich wurde für Potsdam (Binnenklima, Flachland), Bremerhaven (Nordseeklima), Mannheim (Rheingraben) und Hof (Binnenklima, Bergland) durchgeführt. Die Ergebnisse des spezifischen Jahreskühlenergiebedarfs sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Spezifischer Jahreskühlenergiebedarf für einen Luftmassenstrom von 1 kg/h für ausgewählte Orte in Deutschland.

  
• Den Ergebnissen ist zu entnehmen, dass der spezifische Jahreskühlenergiebedarf für den Ort Hof absolut gesehen nur etwa 1/3 des Jahreskühlenergiebedarfs von Mannheim ausmacht. Die prozentualen Einsparungen ergeben sich aus den Häufigkeiten und deren Verteilung. Hier bieten die Binnenklimata (Hof, Potsdam) mit 7,2% die höchsten prozentualen Einsparpotenziale für den OpDeCoLo. Mit nur 3,3% liegt die Einsparung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Raumluftklimatisierung für das Nordseeklima am niedrigsten, während in Mannheim eine um etwa 3,5% Prozent bessere Einsparung zu erwarten ist. Absolut gesehen sind die Einsparungen der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Raumluftklimatisierung für den Standort Mannheim am ausgeprägtesten, da hier die höchsten Absolutwerte für den Jahreskühlenergiebedarf zu erwarten sind.
• Für ein Gebäude, wie das Terminal I des Frankfurter Flughafens mit einer Luftleistung von etwa 22 Millionen m³/h bedeutete dies eine Ersparnis von 4,5·10⁶ kWh/a thermisch. Bei einer mittleren Leistungszahl der Kältemaschine über die Kühlperiode von 3,0 und einem Arbeitspreis von 8 Eurocent je kWh ergäbe sich eine Einsparung an Betriebskosten von etwa 120.000 Euro pro Jahr, wenn eine mengengeregelte Schaltung durch den OpDeCoLo ersetzt würde.
• Für die Erlangung des Einsparpotenzials wird in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen hardwareseitig eine drehzahlgeregelte Pumpe eingesetzt. Das Konzept einer zugehörigen Regeltechnik die nicht nur den Kühlmittelmassenstrom oder die Kühlmitteleintrittstemperatur, sondern auch das jeweilige Optimum aus Kühlmitteleintrittstemperatur und Kühlmittelmassenstrom einstellt ist unten dargestellt. Die Drehzahlregelung der Pumpe kann entweder über einen Frequenzumformer oder, wie in 3 gezeigt, mittels Veränderung des Strömungswiderstands mit Hilfe eines Ventils erfolgen. Der Kühlmittelmassenstrom könnte aber auch durch einen geregelten Bypass einer Pumpe mit konstanter Drehzahl den optimalen Bedingungen angepasst werden.
• Nachfolgend wird das Regelkonzept näher beschrieben.
• Bei der Kühlung ohne Entfeuchtung darf die Oberflächentemperatur des Kühlers an keinem Ort gleich oder unterhalb der Taupunkttemperatur der zu kühlenden feuchten Luft liegen. Deshalb darf in diesem Fall die Vorlauftemperatur des Kühlfluids für den Luftkühler die Taupunkttemperatur der feuchten Luft nicht unterschreiten. Da die Kühlleistung von der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers abhängig ist, kann die Luft nicht bis zur Sättigungslinie abgekühlt werden.
• Kühlmittelseitig ergibt sich:

  

  mit

Q.Kühlen

Kühlleistung des Luftkühlers [W]

ṁKühlmittel

Kühlmittelmassenstrom [kg/s]

cpKühlmittel

spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels [kJ/(kg·K)]

(tRücklauf – tVorlauf) und tVorlauf ≥ tTaupunkt

Temperaturdifferenz des Kühlmittels vor und nach dem Luftkühler [K]

• Luftseitig bestimmt sich die Kühlleistung gemäß Gleichung (4) zu: Q ._Kühlen = ṁ_Luft·Δh_Kühlen (6) Mit

ṁLuft

Luftmassenstrom [kg/s]

ΔhKühlen

Enthalpiedifferenz; hier bei konstanter Feuchtebeladung der Luft [kJ/kg]

• Bei der Kühlung mit Entfeuchtung muss als Regelgröße die mittlere Oberflächentemperatur t_k des Luftkühlers (entspricht der Temperatur im Punkt 4' in 2) bestimmt werden. Der Ausgangszustand wird durch die Parameter t₁ und x₁, der Zielzustand durch die Parameter t_LK (t₄ in 2) und x_LK (x₄ in 2) beschrieben. Mit dem Strahlensatz lässt sich aus Gleichung (1) die mittlere Oberflächentemperatur t_LK (t₄ in 2), die auf der Sättigungslinie liegt, iterativ bestimmen:

  

  mit

  

  und dem Sättigungsdruck p_s4' als Funktion der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers. Der barometrische Luftdruck p ist in Gleichung (8) in der gleichen Einheit wie der Sättigungsdruck p_s4' an zu geben.
• Die mittlere Oberflächentemperatur des Luftkühlers ergibt sich überschlägig zu

  

  mit C = Konstante für einen gegebenen Luftkühler (liegt in Abhängigkeit von der mittleren Kühlmitteltemperatur und der Luftaustrittstemperatur t_KL in der Regel zwischen 1 und 3).
• Daraus wird ersichtlich, dass sich der Zielzustand der Luft im Falle der Entfeuchtung auf einer gedachten Linie (in 2 entspricht dies der Strecke 1-4) befindet, deren Steigung für einen definierten Ausgangspunkt von der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers abhängt. Der Zielpunkt 4 ergibt sich also aus dem Kühlmittelmassenstrom und der mittleren Oberflächentemperatur des Luftkühlers t_4'. Letztere hängt natürlich wiederum vom Kühlmittelmassenstrom ab.
• Luftseitig errechnet sich die totale Kühlleistung gemäß Gleichung (6) aus der Kühlleistung für Luftkühlung und der Kühlleistung für Entfeuchtung. Auf der Kühlmittelseite lässt sich die Kühlleistung gemäß Gleichung (5) bestimmen.
• Für eine durch die Kälteanlage vorgegebene Rücklauftemperatur des Kühlmittels errechnet sich aus Gleichung (9) eine Vorlauftemperatur von t_Vorlauf = 2·(t_4' – C) – t_Rücklauf (10) und damit ein Kühlmittelmassenstrom für den Luftkühler von

  
• Bei vorgegebener Rücklauftemperatur bestimmt also die Vorlauftemperatur des Kühlmittels die Steigung zwischen dem Ausgangs- und dem Zielzustand der Luft im Mollierdiagramm, und damit die Entfeuchtungsleistung, während der Kühlmittelmassenstrom die Kühlleistung bestimmt. Demzufolge müssen diese beiden Größen in Abhängigkeit vom gemessenen Luft-Zustand nach dem Luftkühler geregelt werden.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Luftkonditionierung mittels einer lufttechnischen Anlage, bei dem durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierter vorgegebener Zielluftzustand für Luft mit einem Ausgangsluftzustand eingestellt wird, indem die Luft mit dem Ausgangsluftzustand mit Hilfe eines Luftkühlers (10) gekühlt und entfeuchtet wird, wobei eine dem Luftkühler zugeordnete Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) für ein dem Luftkühler (10) zugeführtes Kühlmittel beim Kühlen und Entfeuchten der Luft sowohl einen Kühlmittelmassenstrom als auch eine Kühlmitteleintrittstemperatur dem Ausgangsluftzustand und dem vorgegebenen Zielluftzustand entsprechend regelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer hydraulischen Schaltung der Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer von der Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) umfassten, integrierten Regelschaltung ausgeführt wird, bei der eine beimischgeregelte Schaltung mit einer fördermengengeregelten Pumpeinrichtung gebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des Kühlmittelmassenstroms und der Kühlmitteleintrittstemperatur mit Hilfe einer von der Kühlmittelzuführeinrichtung umfassten Reihenschaltung einer beimischgeregelten und einer mengengeregelten Schaltung ausgeführt wird.
5. Vorrichtung zur Luftkonditionierung, mit: – einem Luftkühler (10), welcher konfiguriert ist, zum Einstellen eines durch Luftfeuchte und Lufttemperatur charakterisierten vorgegebenen Zielluftzustandes Luft mit einem Ausgangsluftzustand zu kühlen und zu entfeuchten, und – einer an den Luftkühler (10) angeschlossene Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) für ein dem Luftkühler zuzuführendes Kühlmittel, welche konfiguriert ist, sowohl einen Kühlmittelmassenstrom als auch eine Kühlmitteleintrittstemperatur dem Ausgangsluftzustand und dem vorgegebenen Zielluftzustand entsprechend zu regeln.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) mit einer hydraulischen Schaltung gebildet ist, die konfiguriert ist, den Kühlmittelmassenstrom und die Kühlmitteleintrittstemperatur zu regeln.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführeinrichtung (11, ..., 14, 16) mit einer integrierten Regelschaltung ausgeführt ist, bei der eine beimischgeregelte Schaltung mit einer fördermengengeregelten Pumpeinrichtung gebildet ist und die konfiguriert ist, den Kühlmittelmassenstrom und die Kühlmitteleintrittstemperatur zu regeln.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuführeinrichtung mit einer Reihenschaltung ausgeführt ist, bei der eine beimischgeregelte und eine mengengeregelte Schaltung in Reihe geschaltet sind.

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