DE102012108018A1

DE102012108018A1 - Verfahren zur bedarfsgerechten Regelung einer Vorrichtung für eine Schichtlüftung und Vorrichtung für eine Schichtlüftung

Info

Publication number: DE102012108018A1
Application number: DE102012108018.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Hesselbach; Mirko Schäfer; Rüdiger Detzer
Original assignee: Universitaet Kassel; Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Universitaet Kassel De; Rud Otto Meyer Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-06
Also published as: WO2014032891A1; PT2890936T; MX354984B; EP2890936A1; HUE033436T2; MX2015002535A; DK2890936T3; PL2890936T3; EP2890936B1; ES2619103T3

Abstract

Um ein Verfahren (100) zur Regelung einer Vorrichtung (10) für eine Schichtlüftung in einem zu belüftenden Raum (11), wobei sich eine Schichtgrenze (12) zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht (13) und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht (14) bildet (V2)/bereitzustellen, welche den Energiebedarf einer Vorrichtung zur Schichtlüftung durch eine flexible, vollautomatische, bedarfsgerechte Regelung der Höhe der Schichtgrenze senkt, wird vorgeschlagen, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) an mindestens einem Ort (16) im zu belüftenden Raum (11) ermittelt wird (V4), dass der Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen wird (V5), und dass einer Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert durch Regelung der Vorrichtung (10) für eine Schichtlüftung entgegen gesteuert wird (V7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung für eine Schichtlüftung in einem zu belüftenden Raum, wobei sich eine Schichtgrenze zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht bildet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung für eine Schichtlüftung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Technisches Gebiet
Für die Belüftung von Räumen, insbesondere hoher Produktionshallen, haben sich mehrere Konzepte etabliert. Konventionelle Lüftungssysteme wie die sogenannte Mischbelüftung erzeugen ein gleichmäßiges Temperatur- und Schadstoffniveau in dem zu belüftenden Raum durch eine starke Zuluftströmung im Deckenbereich. Dadurch wird nahezu das gesamte Raumluftvolumen in Bewegung gesetzt. Insbesondere bei hohen Raumhöhen wird so ein erheblicher Bereich des Raumes klimatisiert, welcher für Menschen und Produktionsprozesse nicht benötigt wird.
Bei der sogenannten Schichtlüftung wird hingegen die Zuluft über Luftauslässe in Bodennähe in den zu belüftenden Raum eingebracht. Oberhalb von sich im Raum befindlichen thermischen Quellen, wie zum Beispiel Produktionsanlagen, maschinentechnischen Einrichtungen oder sich im Raum befindlichen Personen, entstehen thermische Konvektionsströmungen. In den Konvektionsströmungen steigt die durch die thermischen Quellen erwärmte Raumluft aufgrund ihrer geringeren Dichte in den oberen Raumbereich, und transportiert so auch Schadstoffe aus dem Aufenthaltsbereich der sich im Raum befindlichen Personen in eine über diesem Bereich liegende Luftschicht. Beim Betrieb einer Vorrichtung zur Schichtlüftung bildet sich somit eine Schichtgrenze zwischen einer geodätisch unteren ersten Luftschicht und einer geodätisch oberen zweiten Luftschicht aus. Die Höhe der Schichtgrenze über der Bodenebene des zu belüftenden Raumes hängt dabei im Wesentlichen von der in die erste untere Luftschicht eingeführten Luftmenge und der aus der oberen zweiten Luftschicht abtransportierten Luftmenge ab. Idealerweise werden die zu- und abgeführten Luftmenge, also die Zuluftmengen und die Abluftmengen, so eingestellt, dass sich die Schichtgrenze in einer Höhe von beispielsweise 2,5 Metern über der Bodenebene des Raumes stabilisiert. Dadurch ist zum einen gesichert, dass die Schadstoffbelastung in dem Produktionsbereich, in dem sich Menschen aufhalten, deutlich verringert ist, bei gleichzeitig minimiertem Energiebedarf für den Betrieb der Lüftungssysteme. Weiteren Einfluss auf die sich bei Betrieb einer Vorrichtung zur Schichtlüftung einstellenden Bedingungen der Raumluft, insbesondere der Dynamik der Konvektionsströmungen, hat die Temperatur der Zuluft.
Bei bestehenden Vorrichtungen zur Schichtlüftung wird die zugeführte Luftmenge üblicherweise auf einen repräsentativen stationären Betriebszustand der Produktion eingestellt. Da keine automatische Anpassung an den laufenden Produktionsprozess zum Beispiel an Produktions- oder Mitarbeiterpausen oder Schichtwechsel erfolgt, verschiebt sich die Höhe der Schichtgrenze in energetisch ungünstige und vom Menschen und Maschinen nicht benötigte Bereiche. Auch wird die Höhe der Schichtgrenze empfindlich durch die Anordnung der thermischen Quellen innerhalb des zu belüftenden Raumes, wie auch von der Ausführung und Anordnung der lufttechnischen Einrichtung bestimmt. Bei der Installation einer Vorrichtung zur Schichtlüftung in einem Raum, beispielsweise in einer Fertigungshalle, ist daher eine strömungstechnische Optimierung erforderlich. Bei Änderung der Produktionsbedingungen, zum Beispiel bei Einbau neuer Produktionsanlagen, muss durch eine weitere aufwendige Vermessung der herrschenden Luft- und Strömungsbedingungen die Vorrichtung zur Schichtlüftung neu justiert werden.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2007 045 044 A1 ist ein Klimagerät bekannt, welches mit einem oder mehreren konventionellen impulsarmen Schichtlüftungsdurchlässen im Raum kombiniert werden kann. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Klimageräten miteinander kombiniert werden, um eine flexible Klimatisierung einer größeren Fabrikhalle zu ermöglichen. Durch Verschieben eines oder mehrerer Klimageräte im Raum können individuelle Bedürfnisse erfüllt werden.
Jedoch bleibt auch bei bekannten Lüftungssystemen das energetische ungünstige Verschieben der Schichtgrenze bei sich ändernden laufenden Produktionsprozessen bestehen. Auch ist es oft aus Platzgründen nicht möglich, Klimaanlagen innerhalb der Produktionsstätten zum Zweck der Stabilisierung der Schichtgrenze zu verschieben.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche den Energiebedarf einer Vorrichtung zur Schichtlüftung durch eine flexible, vollautomatische, bedarfsgerechte Regelung der Höhe der Schichtgrenze senkt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der im Anspruch 1 angegebenen Merkmalskombination, sowie durch eine, zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildete, Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung für eine Schichtlüftung in einem zu belüftenden Raum bildet sich eine Schichtgrenze zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht aus, wird der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze an mindestens einem Ort im zu belüftenden Raum ermittelt, wird der Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen, und wird einer Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert durch Regelung der Vorrichtung für eine Schichtlüftung entgegengesteuert. In vorteilhafter Weise kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein optimaler Betrieb der Vorrichtung für eine Schichtlüftung gewährleistet werden, welche flexibel auf sich ändernde Raumluftbedingungen, beispielsweise bedingt durch veränderte Produktionszustände, reagiert. Durch Anpassung von beispielsweise der Lüftungsleistung während Produktionspausen kann der Energiebedarf durch geringere Ventilatorleistungen sowie damit einhergehenden geringeren erforderlichen Kühlleistungen des Zuluftvolumenstroms gesenkt werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die Betriebsparameter der Vorrichtung für eine Schichtlüftung, insbesondere der zugeführte Luftstrom bzw. die zugeführten Luftmenge und/oder die Temperatur der zugeführten Luft und/oder der abgeführte Luftstrom bzw. die abgeführte Luftmenge geregelt. So kann in vorteilhafter Weise durch geeignete Wahl der Temperatur der zugeführten Luft die Stärke der Thermikströmungen eingestellt werden. Weiterhin kann die Temperatur der zugeführten Luft entsprechend bekannter Behaglichkeitskriterien für das Arbeiten am Arbeitsplatz eingestellt werden. Durch Einstellen der Volumenströme der Zu- und/oder Abluft wird neben der Höhe der Schichtgrenze die pro Zeiteinheit aus dem zu belüftenden Raum ausgetragene Schadstoffmenge bestimmt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der zugeführte Luftstrom, insbesondere pulsarm in den zu belüftenden Raum eingeleitet. Durch die impulsarme Einführung der Zuluft werden Luftverwirbelungen und Querströmungen verhindert, und eine Stabilisierung der Schichtgrenze bevorteilt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze aus einem oder mehreren der an dem mindestens einen Ort im zu belüftenden Raum gemessenen Parameter der Raumluft bestimmt. Die gemessenen Parameter sind dabei insbesondere die Temperatur, die Schadstoffkonzentration, der Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung der Raumluft, sowie die Luftfeuchtigkeit. Auch die an dem mindestens einen Ort gemessenen Gradienten der vorgenannten Parameter können zur Bestimmung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze dienen. So kann beispielsweise die Schichtgrenze durch einen großen Temperaturgradienten angezeigt werden. Jedoch ist mit einem entsprechenden funktionalen Zusammenhang prinzipiell jede Kombination der an dem mindestens einen Ort gemessenen Parameter der Raumluft zur Ermittlung des Ist-Werts der Höhe der Schichtgrenze über der Bodenebene geeignet. Auch eine Kombination von mehreren Werten eines an mehreren Orten gemessenen Parameters oder mehrerer an mehreren Orten gemessenen Parametern ist zur Ermittlung des Ist-Werts der Höhe der Schichtgrenze geeignet, insbesondere kann die in unterschiedlichen repräsentativen Höhen gemessene Temperatur und/oder Schadstoffkonzentration zur Ermittlung des Ist-Werts der Höhe der Schichtgrenze benutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die örtliche Abhängigkeit der an mehreren Orten und/oder in mehreren Höhen gemessenen Werte eines oder mehrerer Parameter mit einer mathematischen Funktion modelliert bzw. wird eine mathematischen Funktion an die örtliche Abhängigkeit der an mehreren Orten und/oder in mehreren Höhen gemessenen Werte eines oder mehrerer Parameter angepasst. Weiter wird mittels analytischer oder iterativer Verfahren, insbesondere durch analytische oder iterative Bestimmung des Ortes des maximalen Gradienten der Funktion des oder der gemessenen Parameter, bevorzugt der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze über mindestens einem Ort der Bodenebene ermittelt. Besonders bevorzugt wird eine mathematische Funktion an den höhenabhängigen Verlauf der in mehreren unterschiedlichen Höhen gemessenen Werte eines oder mehrerer Parameter, insbesondere an den höhenabhängigen Temperaturverlauf und/oder an den höhenabhängigen Verlauf der Schadstoffkonzentration angepasst. Bevorzugt wird durch analytische oder iterative Bestimmung des maximalen Temperatur- und/oder Schadstoffkonzentrationsgradienten der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze ermittelt. Als Anpassungsfunktion an beispielsweise den höhenabhängigen Temperaturverlauf oder Schadstoffkonzentrationsverlauf eignen sich insbesondere Polynomfunktionen und/oder Sigmoidfunktionen. Jedoch kann auch jede andere geeignete Funktion als Anpassungsfunktion dienen. Weiter bevorzugt können neben den Extremwerten der Gradienten des Temperaturverlaufs oder der Schadstoffkonzentration auch die Extremwerte weiterer Parameter, insbesondere weiterer der oben genannten Parameter, bestimmt werden. Ebenso kann bevorzugt auch eine mehrdimensionale analytische oder iterative Bestimmung der Extremwerte der gemessenen Parameter durchgeführt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können durch Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Strömungsrichtung der Raumluft insbesondere an den Wänden des zu belüftenden Raumes auftretende Fallströmungen ermittelt werden, und durch entsprechende Ansteuerung und Regelung der Vorrichtung für eine Schichtlüftung eine dadurch entstehende Vermischung der oberen und unteren Luftschicht vermieden werden. Fallströmungen treten dabei insbesondere an außen liegenden Wänden des zu belüftenden Raumes durch Abkühlung der sich in der zweiten geodätisch oberen Luftschicht befindlichen erwärmten Raumluft auf. Mit besonderem Vorteil lässt sich durch Messung der Temperatur bzw. des Temperaturgradienten an mindestens einem Ort im Raum der aktuelle Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze bestimmen.
Weiter bevorzugt werden in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens vorbestimmte Werte eines oder mehrerer Parameter, insbesondere vorbestimmte Werte eines oder mehrerer der oben genannten Parameter Temperatur, Schadstoffkonzentration, Druck, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung und Luftfeuchtigkeit, deren Gradienten, sowie die Zeit, dazu benutzt, einen Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze an dem mindestens einen Ort im zu belüftenden Raum festzulegen. Vorteilhafterweise lässt sich somit für bestimmte Zeiträume, insbesondere bei Schichtende oder Schichtwechsel, oder für Zeiten niedriger Produktionsauslastung eine energetisch vorteilhafte geringere Lüftungsleistung, insbesondere durch Absenken des Soll-Werts der Höhe der Schichtgrenze, vorbestimmen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Größe der Änderung der Betriebsparameter der Vorrichtung zur Schichtlüftung, insbesondere die Amplitude der Regelsignale mittels einer, insbesondere in ein Computerprogramm implementierten, Vorschrift ermittelt. Die Regelsignale dienen dann als Eingangssignale für die Änderung der Betriebsparameter. Besonders bevorzugt hängt die Amplitude der Regelsignale von der Größe der Abweichung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze vom Soll-Wert ab. Diese Abhängigkeit kann beispielsweise linear oder quadratisch sein. Durch den funktionsartigen Zusammenhang der Amplitude der Regelsignale von der Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert wird vorteilhafterweise erreicht, dass bei einer großen Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert durch eine entsprechend große Amplitude des Regelsignals ein schnelles Regeln des Ist-Wertes an den Soll-Wert heran möglich wird. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze an mehreren Orten und/oder in mehreren Höhen über insbesondere mehreren Orten der Bodenebene in dem zu belüftenden Raumes ermittelt wird. Durch die mehrfache Bestimmung der Ist-Höhe der Schichtgrenze an mehreren Orten lässt sich in vorteilhafter Weise ein repräsentatives Bild des Verlaufes der Schichtgrenze über den zu belüftenden Raum ermitteln und ein präziseres Regeln der Vorrichtung zur Schichtlüftung wird möglich mit vorteilhafter Energieersparnis.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Größe der Regelsignale direkt aus den Abweichungen der gemessenen Werte der Parameter der Raumluft von den vorbestimmten Werten der Parameter bestimmt. So kann beispielsweise anstatt der Höhe der Schichtgrenze eine bestimmte Schadstoffkonzentration als Soll-Wert vorbestimmt werden, und der Ist-Wert der gemessenen Schadstoffkonzentration kann durch verfahrensgemäße Regelung der Vorrichtung zur Schichtlüftung an den Soll-Wert heran geregelt werden. Auch eine Kombination der gemessenen Parameter der Raumluft kann entsprechend einer Kombination von Soll-Werten dieser Parameter durch Regelung der Vorrichtung zur Schichtlüftung verändert werden.
Insbesondere bevorzugt wird der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze über insbesondere mehreren Orten der Bodenebene des zu belüftenden Raumes geregelt. So ist es vorteilhafterweise möglich, durch gezieltes Zuführen von Zuluft bzw. Frischluft in einzelnen Bereichen des zu belüftenden Raumes den lokalen Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze zu beeinflussen. Durch die Belüftung von Teilbereichen des zu belüftenden Raums kann die Lüftungsleistung reduziert werden, was vorteilhafterweise zu einer Energieersparnis führt. Weiterhin kann durch lokale Anpassung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze ungewünscht auftretenden Querströmungen der Raumluft innerhalb des zu belüftenden Raums, insbesondere innerhalb der Produktionshalle, begegnet werden. Derartige Querströmungen können zum Beispiel durch sich rasch ändernde thermische Strömungen entstehen, Öffnen und Schließen von Türen, oder sich aufgrund von verändernden Außentemperaturen abkühlenden oder erwärmenden Seitenwänden. Weiter bevorzugt können derartige Querströmungen durch Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrichtung an repräsentativen Orten des Raumes ermittelt werden.
Eine weitere Lösung des Problems besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Schichtlüftung von Räumen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine zur Zuführung von Luft in eine geodätisch untere erste Luftschicht ausgebildete Vorrichtung, und mindestens eine zur Abführung von Luft aus einer geodätisch oberen zweiten Luftschicht ausgebildete Vorrichtung, sowie mindestens eine im zu belüftenden Raum anordbare Messvorrichtung und mindestens eine zur Regelung der Vorrichtung zur Schichtlüftung ausgebildete Regeleinrichtung. Mit erfindungsgemäßem Vorteil kann aus den von der mindestens einen im zu belüftenden Raum anordbaren Messvorrichtung ermittelten Werten der Parameter der Raumluft, insbesondere der Werte der Temperatur, der Schadstoffkonzentration, des Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit, der Strömungsrichtung, der Luftfeuchtigkeit und/oder deren Gradienten, der aktuelle Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze bestimmt werden. Weiter kann mittels der Regeleinrichtung einer Abweichung des Ist-Wertes von einem vorbestimmten Soll-Wert entgegengeregelt werden. Dadurch wir vorteilhaftweise der Energiebedarf der Lüftungsanlage durch geringere Ventilatorleistungen sowie damit einhergehenden erforderlichen Kühlleistung des Zuluftvolumenstroms bewirkt.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist diese zur Beeinflussung einer sich im Betrieb zwischen der geodätisch unteren ersten Luftschicht und der geodätisch oberen zweiten Luftschicht ausgebildeten Schichtgrenze ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Schichtgrenze insbesondere situationsabhängig, ortsabhängig, zeitabhängig, abhängig vom Betriebszustand und/oder vordefiniert, bevorzugt durch Regelung der Schichtlüftung durch die Regeleinrichtung, beeinflussbar. Je nach Tageszeit, Produktionsauslastung oder Schichtbetrieb, kann somit situationsabhängig die Vorrichtung zur Schichtlüftung geregelt werden, was zu einer besonders vorteilhaften Energieersparnis führt. Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung zur ortsabhängigen Beeinflussung der Schichtgrenze ausgebildet ist. Es kann somit ortsabhängig eine Stabilisierung der Schichtgrenze erreicht werden, was mit weiterem Vorteil zu einer Energieersparnis führt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Schichtlüftung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine im zu belüftenden Raum anordbare Messvorrichtung insbesondere zur Messung der Temperatur und/oder des Temperaturgradienten und/oder des Druckes und/oder des Druckgradienten und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Strömungsrichtung und/oder der Schadstoffkonzentration und/oder des Gradienten der Schadstoffkonzentration und/oder der Luftfeuchtigkeit und/oder des Gradienten der Luftfeuchtigkeit der Raumluft ausgebildet ist.
Mit besonderem Vorteil lässt sich durch die Messung der vorgenannten Parameter der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze über der Bodenebene an mindestens einem Ort im Raum bestimmen. Ebenso ist es möglich Luftströmungen, insbesondere thermisch verursachte Querströmungen bzw. Fallströmungen an den Wänden zu bestimmen, und durch Regelung der Vorrichtung durch das Regelsystem diesen Störungen, insbesondere diesen Störungen der Schichtgrenze, entgegenzuregeln.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Schichtlüftung sind mindestens zwei Messvorrichtungen vorgesehen, welche in insbesondere unterschiedlichen geodätischen Höhen an bevorzugt unterschiedlichen Orten im zu belüftenden Raum beabstandet anordbar sind. Durch Anordnung der Messvorrichtungen in unterschiedlichen geodätischen Höhen und an unterschiedlichen Orten im Raum können die Messwerte an repräsentativen Schichten und Orten innerhalb des Raumes bestimmt werden, was vorteilhafterweise zu einer präziseren Bestimmung des örtlichen Verlaufs der Schichtgrenze sowie möglichen Querströmungen und thermischen Strömungen genutzt werden kann.
Eine weitere Lösung des Problems besteht in einem Raum gemäß Anspruch 14 umfassend eine Vorrichtung zur Schichtlüftung zur bedarfsgerechten Belüftung nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
1 ein Flussdiagramm des Ablaufes des Verfahrens zur Steuerung einer Vorrichtung zur Schichtlüftung, und
2 ein Schnittbild eines zu belüftenden Raum mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schichtlüftung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 und 2 stellen das Verfahrens (100) zur Regelung einer Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung in einer bevorzugten Ausführungsform sowie eine zur Durchführung des Verfahrens (100) ausgebildete und sich in einem zu belüftenden Raum (11) befindliche Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung dar. Anhand von 1 wird das Verfahren (100) in Form eines Flussdiagramm ist dargestellt.
Das Verfahren (100) umfasst folgende Schritte:

(V1) Start der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung,
(V2) Ausbildung einer Schichtgrenze (12) zwischen erster unterer Luftschicht (13) und zweiter oberer Luftschicht (14),
(V3) Messung der Parameter der Raumluft (15) an mindestens einem Ort (16) im zu belüftenden Raum (11),
(V4) Ermittlung des Ist-Wertes der Schichtgrenze (12),
(V5) Vergleich des Ist-Wertes mit vorbestimmten Soll-Wert,
(V6) Ermittlung der Amplitude der Regelsignale,
(V7) Regelung der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung,
(V8) Auswertung externer Abbruchbedingungen,
(V9) Wiederholung der Verfahrensschritte (V3) bis (V8), oder
(V10) Ende des Verfahrens.

Nach Start der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung (V1), welcher beispielsweise zu Schichtbeginn erfolgen kann, bildet sich im laufenden Betrieb durch Einleiten von Zuluft (17) in den Bodenbereich (18) des zu belüftenden Raumes (11) bei gleichzeitigem Abführen von Abluft (19) aus dem Deckenbereich (20) des zu belüftenden Raumes (11) eine Schichtgrenze (12) zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht (13) und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht (14) aus (V2). Die dem zu belüftenden Raum (11) in den Bodenbereich (18) zugeführte Luft (17) weist bevorzugt eine geringe Schadstoffkonzentration auf. Die zugeführte Zuluft (17) erwärmt sich über den sich im Raum (11) befindlichen Produktionsanlagen (21) bzw. über den sich im Raum (11) befindlichen Personen (22), und steigt aufgrund der verringerten Dichte von erwärmter Luft im Raum (11) auf, wobei sich im Arbeitsbereich (23) der Personen (22) befindliche Schadstoffe vermittels der entstehenden Konvektionsströme (24) in den oberen Bereich (25) des Raumes (11) transportiert werden. Die erwärmte und mit einer höheren Schadstoffkonzentration belastete Luft wird darauffolgend als Abluft (19) aus dem oberen Bereich (25) des zu belüftenden Raumes (11) abgeführt. Zur Stabilisierung der Schichtgrenze (12) müssen die Betriebsparameter der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung, entsprechend der Produktionsbedingungen, d. h. beispielsweise entsprechend der Verteilung der Produktionsanlagen (31) innerhalb des Raumes (11) sowie der zeitlichen Auslastung der Produktion, eingestellt werden. Die Betriebsparameter der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung sind dabei insbesondere der zugeführten Luftstrom (17a) bzw. die zugeführte Luftmenge (17), die Temperatur der zugeführten Luft (17) und der abgeführte Luftstrom (19a) bzw. die abgeführte Luftmenge (19).
Zur Regelung dieser Betriebsparameter werden in dem Verfahren (100) an mindestens einem Ort (16) im zu belüftenden Raum (11) Parameter der Raumluft (15) gemessen (V3). Die gemessenen Parameter können dabei beispielsweise die Temperatur T, der Temperaturgradient dT/dH bezüglich der Höhe (H) über der Bodenebene (26) des zu belüftenden Raumes (11), und die Schadstoffkonzentration sein (V3). Aus den gemessenen Parametern der Raumluft (15) wird mit einer Funktion der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) über der Bodenebene (26) ermittelt (V4).
Zur Ermittlung (V4) der Höhe der Schichtgrenze (12) kann eine mathematische Funktion an den Verlauf der in mehreren Höhen (H) gemessenen Werte eines Parameters, beispielsweise der Temperatur, angepasst werden. Mit analytischen oder Iterativen Verfahren wird dann der Ort des maximalen Gradienten des Temperaturverlaufes bestimmt. In diesem Fall kann die Schichtgrenze (12) durch einen großen Temperaturgradienten dT/dh angezeigt werden. Jedoch ist mit einer entsprechenden Funktion prinzipiell jede Kombination der gemessenen Parameter der Raumluft (15) zur Ermittlung des Ist-Werts der Höhe der Schichtgrenze (12) über der Bodenebene (26) geeignet (V4). Entsprechend der für den zu belüftenden Raum (11) vorbestimmten Werte der Parameter der Raumluft (15) an den Messorten (16a, 16b) wird ein Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) über der Bodenebene (26) bestimmt. Daraufhin wird der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) mit dem Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) verglichen (V5). Eine Vorschrift, beispielsweise eine in ein Computerprogramm implementierte Vorschrift, ermittelt nun die Größe, d. h. Die Amplitude der Regelsignale (V6) aus der ermittelten Abweichung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze (12) von dem Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12). Die Regelsignale werden dabei so bestimmt, dass der Abweichung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze (12) von dem Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) durch Veränderung der Betriebsparameter der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung entgegengewirkt wird. Die Regelsignale dienen als Eingangssignale für die Regelung der Vorrichtung zur Schichtlüftung (V7). Solange keine externen Abbruchbedingungen, beispielsweise ein Produktionsstop, vorliegen (V8) wird das Verfahren (100) mit erneuter Messung der Parameter der Raumluft (15) fortgesetzt (V3) und wiederholt.
Die vorbestimmten Parameter der Raumluft (15) und damit auch der Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) können auch zeitlich veränderlich sein. Es ist dadurch möglich, zum Beispiel in Arbeitspausen den Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) tiefer anzusetzen was sich vorteilhaft auf die Energiebilanz des Verfahrens (100) auswirkt, da eine geringere Ventilatorleistung und damit einhergehend eine geringere Kühlleistung des zugeführten Luftvolumenstroms (17a) erforderlich ist. Weiter ist es auch möglich die Größe der Regelsignale direkt aus den Abweichungen der gemessenen Werte der Parameter der Raumluft (15) von den vorbestimmten Werten der Parameter der Raumluft (15) zu bestimmen. Somit kann das Verfahren (100) auch so ausgestaltet sein, dass anstatt der Höhe der Schichtgrenze (12) beispielsweise eine bestimmte Schadstoffkonzentration als Soll-Wert vorbestimmt wird, und der Ist-Wert der gemessenen Schadstoffkonzentration durch Regelung der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung verändert wird (V7). Auch eine Kombination der gemessenen Parameter der Raumluft (15) kann entsprechend einer Kombination von Soll-Werten dieser Parameter durch Regelung der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung verändert werden (V7).
2 stellt einen Raum (11) umfassend einer Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung dar, welche zur Anwendung des Verfahrens (100) zur Regelung einer Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung ausgebildet ist.
Durch Betrieb der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung hat sich zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht (13) und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht (14) eine Schichtgrenze (12) ausgebildet. Der ersten geodätisch unteren Luftschicht (13) wird durch Schichtlüftungsdurchlässe (27, 28) der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung ein bestimmter Luftvolumenstrom (17a) zugeführt. Ein erster Schichtlüftungsdurchlass (27) befindet sich an einer Raumwand (29) und ist an einen Zuluftkanal (30) angeschlossen. Weiterhin kann ein zweiter Schichtlüftungsdurchlass (28) eines Fassadenklimageräts (31), welches eine Vorrichtung (32) zur Regelung der Zulufttemperatur umfasst, in einer Außenwand (33) des Raumes (11) vorgesehen sein. Die Schichtlüftungsdurchlässe (27, 28) können dabei mit Ausströmgittern (34) versehen sein, welche eine impulsarme Zuführung von Zuluft (17) in die erste Luftschicht (13) ermöglichen. Oberhalb von thermischen Quellen (21, 22), wie beispielsweise Produktionsanlagen (21) oder sich im zu belüftenden Raum (11) befindlichen Personen (22), entstehen durch Erwärmung der Luft aufsteigende Konventionsströme (24), welche Schadstoffe aus dem Bodenbereich (18) in den oberen Bereich (25) des Raumes (11) transportieren. In der Decke (35) des zu belüftenden Raumes (11) befinden sich Vorrichtungen (36) zur Abführung der sich in der zweiten geodätisch oberen Luftschicht (14) befindlichen erwärmten und schadstoffbelasteten Abluft (19). Die Vorrichtungen (36) zur Abführung der Abluft (19) sind dafür mit einem Abluftkanal (37) verbunden.
Durch die in den Konvektionsströmen (24) aufsteigende Luft können sich in der zweiten oberen Luftschicht (14) Luftverwirbelungen (38) ausbilden. An der Außenwand (33) des zu belüftenden Raumes (11) kann bei niedrigen Außentemperaturen eine Abkühlung der sich im oberen Raumbereich (25) befindlichen erwärmten Luft stattfinden, was zu Fallströmungen (39) entlang der Außenwand (33) führt. Weiter können sich bedingt durch die Fallströmungen (39) oder durch sich ändernde thermische Konvektionsströme (24) Querströmungen (40) der Raumluft (15) ausbilden.
Die zur Durchführung des Verfahrens (100) ausgebildete Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung weist mehrere an unterschiedlichen Orten (16a, 16b) und in unterschiedlichen Höhen angeordnete Messevorrichtungen (41) auf. Die Messevorrichtungen (41) können dabei an den Wänden (29, 33) des zu belüftenden Raumes (11) oder sich an in diesem Raum (11) befindlichen Säulen (42) etc. angebracht sein. Aus den von den Messevorrichtungen (41) ermittelten Werten der Parameter der Raumluft (15), beispielsweise der Temperatur und/oder der Schadstoffkonzentration, wird mittels eines in einer Regelvorrichtung (43) ausgeführten Computerprogrammes der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) ermittelt. Aufgrund der Vielzahl der sich an unterschiedlichen Orten (16a, 16b) befindlichen Messvorrichtungen (41) kann der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) an mehreren Orten (16a, 16b) bestimmt werden. Daraufhin wird durch die Regelvorrichtung (43) der Ist-Wert mit einem vorbestimmten Soll-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) verglichen und ausgehend von der Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert die Amplitude der Regelsignale zur Änderung der Betriebsparameter der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung ermittelt.
Bezugszeichenliste

100: Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung zur Schichtlüftung
10: Vorrichtung zur Schichtlüftung
11: Zu belüftender Raum
12: Schichtgrenze
13: Erste geodätisch untere Luftschicht
14: Zweite geodätisch obere Luftschicht
15: Raumluft
16: Ort im zu belüftenden Raum
16a: Erster Messort
16b: Zweiter Messort
17: Zuluft
17a: zugeführter Luftstrom
18: Bodenbereich
19: Abluft
19a: abgeführter Luftstrom
20: Deckenbereich
21: Produktionsanlagen
22: Person
23: Arbeitsbereich
24: Konvektionsströme
25: Oberer Raumbereich
26: Bodenebene
27: Erster Schichtlüftungsdurchlass
28: Zweiter Schichtlüftungsdurchlass
29: Raumwand
30: Zuluftkanal
31: Fassadenklimagerät
32: Vorrichtung zur Temperaturregelung der Zuluft
33: Außenwand
34: Ausströmgitter
35: Decke
36: Vorrichtung zur Abführung von Abluft
37: Abluftkanal
38: Luftverwirbelungen
39: Fallströmungen
40: Querströmungen
41: Messvorrichtung
42: Säule
43: Regelvorrichtung
V1: Beginn des Verfahrens, Start der Vorrichtung zur Schichtlüftung
V2: Ausbildung einer Schichtgrenze
V3: Messung der Parameter der Raumluft
V4: Ermittlung des Ist-Wertes der Höhe der Schichtgrenze
V5: Vergleich des Ist-Werts mit Soll-Wert
V6: Ermittlung der Amplitude der Regelsignale
V7: Regelung der Vorrichtung zur Schichtlüftung
V8: Auswertung externer Abbruchbedingungen
V9: Wiederholung des Verfahrens ab V3
V10: Ende des Verfahrens, Abschalten der Vorrichtung zur Schichtlüftung
H: Höhe über Bodenebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007045044 A1 [0005]

Claims

Verfahren (100) zur Regelung einer Vorrichtung (10) für eine Schichtlüftung in einem zu belüftenden Raum (11), wobei sich eine Schichtgrenze (12) zwischen einer ersten geodätisch unteren Luftschicht (13) und einer zweiten geodätisch oberen Luftschicht (14) bildet (V2), dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) an mindestens einem Ort (16) im zu belüftenden Raum (11) ermittelt wird (V4), dass der Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen wird (V5), und dass einer Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert durch Regelung der Vorrichtung (10) für eine Schichtlüftung entgegen gesteuert wird (V7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter der Vorrichtung (10) für eine Schichtlüftung, insbesondere der zugeführte Luftstrom (17a) bzw. die zugeführte Luftmenge (17) und/oder die Temperatur der zugeführten Luft (17) und/oder der abgeführte Luftstrom (19a) bzw. die abgeführte Luftmenge (19), geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) aus einem oder mehreren der an mindestens einen Ort (16) im zu belüftenden Raum (11) gemessenen Parameter der Raumluft (15), insbesondere Temperatur, Schadstoffkonzentration, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung, Luftfeuchtigkeit und/oder deren Gradienten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mathematische Funktion, insbesondere ein Polynom oder eine Sigmoidfunktion, an die örtliche Abhängigkeit der an mehreren Orten und/oder in mehreren Höhen gemessenen Werte eines oder mehrerer Parameter, insbesondere an den höhenabhängigen Temperaturverlauf und/oder an den höhenabhängigen Verlauf der Schadstoffkonzentration, angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch analytische oder iterative Verfahren der maximale Gradient, insbesondere der maximale Gradient des höhenabhängigen Temperaturverlaufs und/oder der maximale Gradient des höhenabhängigen Schadstoffkonzentrationsverlaufs, ermittelt wird, und dass bevorzugt aus dem Ort/der Höhe des maximalen Gradienten, insbesondere des Temperaturverlaufes und/oder des Schadstoffkonzertrationsverlaufs, der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze über der Bodenebene ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Wert an dem mindestens einen Ort (16) im zu belüftenden Raum (11) durch vorbestimmte Werte der Parameter Zeit, Temperatur, Schadstoffkonzentration, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung, Luftfeuchtigkeit und/oder deren Gradienten festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Änderung der Betriebsparameter, insbesondere die Amplitude der Regelsignale, ermittelt wird (V5), und dass bevorzugt die Amplitude der Regelsignale von der Größe der Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert, beispielsweise linear oder quadratisch, abhängt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) an mehreren Orten (16a, 16b) und/oder in mehreren Höhen über insbesondere mehreren Orten der Bodenebene (26) des zu belüftenden Raums (11) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der Höhe der Schichtgrenze (12) über insbesondere mehreren Orten der Bodenebene (26) des zu belüftenden Raumes (11) geregelt wird.
Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung von Räumen (11), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens (100) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend mindestens eine, zur Zuführung von Luft (17) in eine geodätisch untere erste Luftschicht (13), ausgebildete Vorrichtung (27, 28), und mindestens eine zur Abführung von Luft (19) aus einer geodätisch oberen zweiten Luftschicht (14), ausgebildete Vorrichtung (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung mindestens eine, im zu belüftenden Raum (11) anordbare, Messvorrichtung (41) aufweist, und dass die Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung mindestens eine, zur Regelung der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung ausgebildete, Regeleinrichtung (43) aufweist.
Vorrichtung zur Schichtlüftung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung zur Beeinflussung einer sich im Betrieb zwischen der geodätisch unteren ersten Luftschicht (13) und der geodätisch oberen zweiten Luftschicht (14) ausbildenden Schichtgrenze (12) ausgebildet ist, wobei die Schichtgrenze (12) insbesondere situationsabhängig, ortsabhängig, zeitabhängig, abhängig vom Betriebszustand und/oder vordefiniert bevorzugte durch Regelung der Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung durch die Regeleinrichtung (43) beeinflussbar ist.
Vorrichtung zur Schichtlüftung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine, im zu belüftenden Raum (11) anordbare Messvorrichtung (41) insbesondere zur Messung der Temperatur und/oder des Temperaturgradienten und/oder des Drucks und/oder des Druckgradienten und/oder der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Strömungsrichtung und/oder der Schadstoffkonzentration und/oder des Gradienten der Schadstoffkonzentration und/oder der Luftfeuchtigkeit und/oder des Gradienten der Luftfeuchtigkeit der Raumluft (15) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Schichtlüftung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Schichtlüftung mindestens zwei Messvorrichtungen (41) umfasst, welche in insbesondere unterschiedlichen geodätischen Höhen an bevorzugt unterschiedlichen Orten (16a, 16b) im Raum (11) anordbar sind.
Raum (11) umfassend einer Vorrichtung (10) zur Schichtlüftung zur bedarfsgerechten Belüftung nach einem der Ansprüche 10 bis 13.