DE19830588C2

DE19830588C2 - System zur Verminderung von Luftströmungs-Störungen

Info

Publication number: DE19830588C2
Application number: DE19830588A
Authority: DE
Inventors: Kirk H Drees
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: ITMI981552A1; DE19830588A1; US5769315A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein HVAC-Systeme und insbesondere ein Verfahren sowie ein entsprechendes System zur Verminderung von Zuführlufttemperatur-Störungen in Mehr zonen-Systemen mit veränderlichem Luftvolumen unter Verwendung einer stufenweisen DX-Kühlung.

Luftkonditionierungs-Systeme (Klimaanlagen-Systeme) mit veränderlichem Luftvolumen (VAV) werden häufig bei kleinen bis mittleren wirtschaftlichen Anwendungen eingesetzt. Bei einem prototypischen Mehrzonen-VAV-System wird Außenluft mit rück geführter Luft gemischt, bevor diese gemischte Luft dann der System-Kühlung oder den Heizelementen zugeführt wird. Nach der Behandlung durch die System-Kühlung bzw. durch die Heizelemente wird die Luft in eine der Zonen geleitet, die durch das System mit Hilfe einer VAV-Box reguliert werden. Die VAV-Box, die einen Temperaturregler (Thermostat) und eine einstellbare Luftklappe enthält, die durch eine VAV-Box-Steuerung gesteuert wird, reguliert die Luftströmung in die Zone, so daß eine Zonen-Temperatur bei oder nahe einem Zonen-Temperatur-Sollwert gehalten werden kann.

Bei herkömmlichen VAV-Luftkonditionierungs-Systemen wird eine Direkt-Expansions-Wicklung (DX) verwendet, um Wärme und Feuchtigkeit aus der Mischung von rückgeführter Luft und Außen luft zu entfernen. Die Kühlungs-Kapazität der DX-Wicklung steht direkt mit der Anzahl von System-Betriebs-Kompressoren und/oder dem Status der Kompressor-Endlader sowie der Geschwindigkeit der Luftströmung durch die Wicklung in Beziehung. Eine Wicklungs- Kapazität kann jedoch nur in relativ großen, diskreten Stufen oder Abschnitten vergrößert oder verkleinert werden. Daher ist es sehr schwierig, die Wicklungs-Kapazität als eine Funktion der Steuerungs-Ausgabe gleichmäßig einzustellen. Da die Zeit konstante einer Wicklung recht klein, normalerweise in einem Bereich von 1-3 Minuten, und die minimale Veränderung der relativen Wicklungs-Kapazität in Stufen relativ groß ist, normalerweise 25% der Gesamtkapazität, treten folglich in der Zuführlufttemperatur beträchtliche und oft auch schnelle Veränderungen auf.

Die beträchtlichen Veränderungen in der Zuführlufttemperatur bilden eine Quelle von thermodynamischen Zonen-Störungen, wenn die Zonen-Energie-Advektion, die als die thermische und kineti sche Energie definiert ist, die mit einer Fluidbewegung über eine Steuervolumenfläche in Beziehung steht, oder die Zonen- Wärmeübertragungsgeschwindigkeit verändert wird. Die Energie- Advektion kann daher negative Auswirkungen auf die Zonen-Tempe ratur-Steuerungsgenauigkeit und -stabilität haben. Da die Zonen- Instabilität zu einer beträchtlichen mechanischen Abnutzung der VAV-Box-Komponenten führen kann, wie beispielsweise des Box- Betätigungsgliedes, der Verbindungen sowie der Luftklappe, ist es gewünscht, diese Parameter zu minimieren.

Aus der DE 31 48 795 C2 sind ein Verfahren und ein Induk tionsgerät zur Beeinflussung der Lufttemperatur eines Raumes bekannt. Bei diesem Gerät wird allerdings lediglich die Luft temperatur gesteuert. Spezielle Maßnahme zur Verminderung von Luftströmungs-Störungen sind nicht offenbart.

Die DE 34 05 007 A1 beschreibt eine modulare elektronische Steuerung und spezieller deren Anwendung in Kammern zur Simula tion von Umweltbedingungen. Hinweise, wie in einem Mehrzonen- Luftkonditionierungssystem Luftströmungs-Störungen vermindert werden können, sind in dieser Schrift nicht erläutert.

In der EP 0 786 711 B1 ist eine störungsunempfindliche Klimaanlage offenbart, bei der in einem Speicher bestimmte Steuerparameter gespeichert gespeichert werden, die von einem programmierten Prozessor verwendet werden, um eine Einrichtung zum Bereitstellen von klimatisierter Luft zu steuern. Das Ein stellen einer Luftströmungsgeschwindigkeit für konditionierte Luft, die einer klimagesteuerten Zone zugeführt wird, um Luft strömungs-Störungen in einem Mehrzonen-Luftkonditionierungs system zu vermindern, ist jedoch nicht erläutert.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren zu schaffen, mit Hilfe dessen die Zonen-Luftstörungen vermindert werden, die durch die Luft verursacht werden, die von dem VAV-System geliefert wird, wobei gleichzeitig die Zonen-Temperatur bei oder nahe einem Zonen-Temperatur-Sollwert gehalten wird. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftkonditionierungs-Einheit zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Steuerungsverfahren zum Vermindern von Zuführlufttemperatur-Störungen in VAV-Syste men unter Verwendung von stufenweiser DX-Kühlung. Bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren wird die Wärme-Advektion oder die Wärme übertragungsgeschwindigkeit geschätzt, die mit einer temperaturgesteuerten Zone in Beziehung steht. Ein Temperatursteuerungs system mit geschlossener Regelschleife stellt fortwährend den Wert der geschätzten Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ein, um die Luftklappe in der VAV-Box und dadurch die Luftströmung in die Zone zu steuern, um die Zonen-Temperatur bei oder nahe einem Zonen-Temperatur-Sollwert zu halten.

Inbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein entsprechendes System, durch das Luftströmungs-Störungen in einem Mehrzonen-Luftkonditionierungs-System vermindert wer den. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Einstellen einer Luft strömungsgeschwindigkeit für konditionierte (klimatisierte) Luft, die einer klimagesteuerten Zone zugeführt wird, durch Einstellen einer Zonen-Luftklappe, um eine Zonen-Temperatur bei einem Zonen-Temperatur-Sollwert zu halten; Messen der Abweichung der Zonen-Temperatur von dem Zonen-Sollwert bei ersten und bei zweiten Abtast-Zeitpunkten innerhalb einer Abtast-Periode; Abschätzen einer Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit auf Basis der Sollwert-Abweichung bei dem zweiten Abtast-Zeitpunkt; und Einstellen der Luftströmungsgeschwindigkeit durch Einstellen einer Zonen-Luftklappe in Reaktion auf den abgeschätzten Wert aus dem Schritt des Abschätzens der Zonen-Wärmeübertragungs geschwindigkeit, um Zonen-Luftströmungs-Störungen zu vermindern.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm von einem herkömm lichen Luftkonditionierungs-Systems mit veränderlichem Luftvolumen, bei dem das erfindungsgemäße Steuerungs verfahren Anwendung findet;

Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des Steuerungs verfahrens der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des normierten Strömungs-Koeffizienten x_cv als eine Funktion der normierten Luftklappen-Position x_d;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das das Luftklappen-Steuerungs verfahren zeigt, das mit einem bevorzugten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der DX-Wicklungs- Kapazität und der Zuführlufttemperatur t_sa als eine Funktion der Luftströmungsgeschwindigkeit;

Fig. 6 ist eine Maschine mit endlichem Zustand zur Schleifen steuerungs-Entkopplung gemäß dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine Maschine mit endlichem Zustand von dem Ver fahren, das mit dem Erkennen von Zuführluft-Störungen über Netzwerk-Informationen in Beziehung steht; und

Fig. 8 ist eine Maschine mit endlichem Zustand von dem Ver fahren, das mit dem Erkennen von Zuführluft-Störungen innerhalb einer VAV-Terminaleinheit-Steuerung in Bezie hung steht.

In Fig. 1 ist ein DX-VAV-Luftkonditionierungs-System allge mein mit 10 bezeichnet. Das System 10 enthält ein Rohrleitungs system mit einer Rückführluft-Rohrleitung 14 und einer Außen luft-Rohrleitung 16, die mit der Rückführluft-Rohrleitung in Verbindung steht. Die Rohrleitung 14, 16 führen die zurückge führte Luft, die eine Temperatur t_ra hat, mit der Außenluft zusammen, die eine Temperatur t_oa hat. Die sich ergebende Luft mischung, die eine Temperatur t_ma hat, wird in eine Mischluft- Rohrleitung 18 ausgegeben. Ein Gebläse 20 bläst die Luftmischung in eine Luftkonditionierungs-Einheit 22 (Klimaanlagen-Einheit), die sowohl ein Kühlungselement 24 als auch ein Heizelement 26 zum Konditionieren (Klimatisieren) der Mischluft enthält. Die Kühlungseinheit 24 hat Direkt-Expansions-Kühlwicklungen (DX), mit Hilfe derer die Luftmischung in Reaktion auf System-Kühl parameter abgekühlt und entfeuchtet wird. Die Luftkonditionie rungs-Einheit 22 gibt konditionierte Zuführluft, die eine Tempe ratur t_sa hat, in eine Zuführluft-Rohrleitung 28 aus, um eine oder mehrere zu kühlende System-Zonen zu kühlen, wie zum Bei spiel die Zone 1, Zone 2 oder Zone 3, wie in Fig. 1 gezeigt.

Jede der Zonen enthält eine VAV-Box 30, 32, 34, die die Strömung der Zuführluft aus der Zuführluft-Rohrleitung 28 in die Zonen steuert. Jede VAV-Box 30, 32, 34 enthält einen Temperatur regler 36, 38, 40 in Kombination mit einer VAV-Kaskadensteuerung 42, 44, 46. Jeder Temperaturregler 36, 38, 40 erfaßt die zuge hörige Zonen-Temperatur und erzeugt ein Temperatursignal, das zu der jeweiligen Steuerung 42, 44, 46 zurückgeführt wird. Die Steuerung wiederum steuert die Position der zugehörigen VAV- Box-Luftklappe 50, 52 oder 54. Die VAV-Box-Luftklappe wiederum steuert die Strömung der Zuführluft in die Zone, um die zugehö rige Zonen-Temperatur bei oder nahe dem Zonen-Temperatur-Soll wert zu halten. Die Steuerungen steuern die Zonen-Temperaturen mit minimalen Schwankungen der Zonen-Temperatur, die normaler weise durch Zonen-Störungen verursacht werden, die durch Ener gie-Advektion in der Zone entstehen, die wiederum durch die Luftkonditionierungs-Systeme hervorgerufen werden, und zwar durch normalerweise beträchtliche Minimal-Veränderungen der relativen Wicklungs-Kapazität.

In der Fig. 2 ist ein detailliertes, schematisches System- Modell 60 des auf einer VAV-Steuerung basierenden Temperatur- Steuerungsverfahrens gezeigt, das mit jeder der Zonen in Bezie hung steht. Das Steuerungsverfahren wird durch Programmieren der Steuerungen 42, 44, 46 realisiert, und zwar mittels herkömmli chen Programmiermethoden. Insbesondere berechnet ein Programm- Block mit Befehlen 62, der in jeder der Steuerungen, wie zum Beispiel in der Steuerung 42, programmiert ist, den Wert Q_zn, der der geschätzte Wert der Wärme-Advektion in der Zone ist und der normalerweise als die Zonen-Temperaturübertragungsgeschwin digkeit bezeichnet wird. Der abgeschätzte Wert für die Zonen- Wärmeübertragungsgeschwindigkeit wird mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet:

begrenzt durch

_zn,n = MAX{MIN{_zn,n, _MAX}, _MIN} (Gl. 1A)

wobei Q_zn,n eine Abschätzung der Wärme-Advektion in die Zone bei dem n-ten Abtast-Zeitpunkt ist, Q_zn,n-1 eine Abschätzung der Wärme- Advektion in die Zone bei dem (n - 1)-ten Abtast-Zeitpunkt ist, Q_MAX die maximale Wärme-Verstärkung für den Raum ist, Q_MIN die minimale Wärme-Verstärkung für den Raum ist, K_c die Proportional- Regler-Verstärkung ist, Y_l die Regler-Integralzeit ist, Δθ die Abtast-Periode ist, und e_n der Fehler bei dem n-ten Abtast-Zeit punkt ist.

Bei der obigen Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ist der Steuerungs-Fehler definiert durch:

e_n = _zn - t_zn,meas. (Gl. 2)

wobei t_zn der Zonen-Temperatur-Sollwert und t_zn,meas. die gemessene Zonen-Temperatur ist.

Ein Vorteil der Verwendung der Geschwindigkeits-Form des PI-Algorithmus ist der, daß keine Initialisierung der Ausgabe Q_zn erforderlich ist, um den Algorithmus zu starten, wenn er unter brochen wurde. Die primäre Begrenzung des Geschwindigkeits-Algo rithmus besteht darin, daß der Integral-Modus enthalten sein muß. Anderenfalls fällt der Sollwert aus dem Proportional- Ausdruck heraus, außer direkt nach einer Veränderung des Sollwertes. Dadurch wird im Laufe der Zeit ein Wegdriften des Prozesses vom Sollwert verursacht. Die Werte für Q_MIN und Q_MAX können aus den Konstruktionsplänen entnommen werden oder mit Kenntnis der Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen einfach berechnet oder durch einfache Heuristik bestimmt werden.

Der Programm-Block 62 gibt den geschätzten Wert Q_zn in einen Vorwärtsregelungs-Programm-Block 64. Der Vorwärtsregelungs-Pro gramm-Block 64 erzeugt ein Signal, das an die zugehörige Zonen- Luftklappe ausgegeben wird, um die Luftklappen-Position und somit die Strömung der Zuführluft in die zugehörige Zone zu steuern. Der Vorwärtsregelungs-Programm-Block ist durch eine Gleichung realisiert, die mit einer Luftklappen-Abbildung kombiniert ist, wie durch die folgende Gleichung dargestellt:

wobei ω_sa die Zuführluftgeschwindigkeit, ρ_air die Dichte der Zonen-Luft und c_p,air die spezifische Wärme der Zonen-Luft ist.

Eine Luftklappen-Abbildung setzt die Luftklappen-Strömungs geschwindigkeit mit der Luftklappen-Position in Beziehung. Ein Beispiel einer Abbildungs-Funktion ist durch die folgende Glei chung (Gleichung 4) angegeben, durch die die Strömunggeschwin digkeit mit der normierten Luftklappen-Position X_d in Beziehung gesetzt ist, und zwar als eine Funktion der Luftklappen-Auto rität N und des statischen Drucks P_static. Der Wert von N kann auf einen Wert zwischen 0 und 1 festgelegt sein, oder er kann als Low, Normal oder High festgelegt sein.

wobei:

X_a,inherent = f(X_d, Luftklappen-Konstruktion)

Der Vorwärtsregelungs-Programm-Block 64 gibt das normierte Luftklappen-Positions-Signal X_d aus der Steuerung 42 über einen Digital/Analog-Wandler 66 aus. Das analoge Ausgabe-Signal wird dann verwendet, um die Position der VAV-Box-Luftklappe einzu stellen, wie durch das Modell G_d bei 70 dargestellt. Die aktuelle Luftklappen-Position wird entsprechend der Position eingestellt, die mit Hilfe des Vorwärtsregelungs-Programm-Blocks 64 berechnet wird. Die Luftklappe G_d 70 steuert dann die Zuführluftströmungs geschwindigkeit ω_sa, die mit der temperaturgesteuerten Zone in Beziehung steht. Die Zuführluftströmungsgeschwindigkeit ω_sa zusammen mit der Zuführlufttemperatur t_sa und der Wärmeüber tragungsgeschwindigkeit Q_zn dienen dazu, die Zonen-Temperatur t_zn vorzugeben, wie durch das mathematische Modell G_zn bei 74 gezeigt.

Die Zonen-Temperatur t_zn wird mit Hilfe des Temperaturreglers oder Temperatur-Gebers erfaßt, wie durch das Modell G_tt bei 76 dargestellt. Der Temperaturregler 76 erzeugt ein Signal, das über einen Antialiasing-Filter AAF bei 78 einem Analog/Digital- Wandler 80 zugeführt wird. Das entstandene digitale Signal ent spricht der gemessenen Zonen-Temperatur t_zn,meas bei 82. Das Signal 82 wird anschließend mit einem Zonen-Tempertur-Sollwert signal t_zn 84 multiplexiert, das durch die Steuerung 42 gesetzt wird. Die multiplexierten Signale 82, 84 werden dem Programm- Block 62 zugeführt, und eine neue Abschätzung der Wärmeüber tragungsgeschwindigkeit wird berechnet.

Die normierte Strömungsgeschwindigkeit der inherenten Luft klappen-Charakteristik X_d,inherent steht normalerweise in Beziehung zu X_d, und zwar über eine empirische Beziehung mit Koeffizienten, die der Luftklappen-Konstruktion und der Verbindung zugehörig sind. Polynome zweiter und dritter Ordnung werden mormalerweise verwendet, aber andere lineare oder nichtlineare empirische Ausdrücke sind ebenso geeignet. Für Darstellungs-Zwecke wird P_n(X_d) als ein Polynom des Grades "n" bezeichnet, das X_d,inherent mit X_d in Beziehung setzt. Für ein Polynom dritten Grades kann die Abbildung, die durch Gleichung 4 angegeben ist, auch anders geschrieben werden, wie durch Gleichung 5 gezeigt ist:

Die Energie-Bilanz (Gleichung 3) und die exemplarische Luft klappen-Abbildung (Gleichung 5 oder irgendeine andere Abbildung) kann dann kombiniert werden, um die Abschätzung von Q_zn mit einer Luftklappen-Position X_d in Beziehung zu setzen, wie dies in Gleichung 6 gezeigt ist:

Der Wert von P_static kann als ein konstanter, vorbestimmter Wert angenommen werden, oder er kann über ein Netzwerk aktuali siert werden, wenn der Druck-Sollwert verändert wurde. Die obige Gleichung 6 kann wie folgt aufgelöst werden:

wobei Q_zn die geschätzte Zonen-Temperaturübertragungsgeschwindig keit, N die Luftklappen-Autorität, P_static der statische Zonen- Druck, T_sa die Temperatur der Zuführ luft, T_zn die gemessene Zonen- Temperatur, ρ_air die Dichte der Zonen-Luft, und C_p,air die spezi fische Wärme der Zonen-Luft ist.

Das obige Resultat ist schwer zu implementieren, und zwar wegen seiner Größe und der Anzahl an Wurzeln. Jedoch können numerische Verfahren verwendet werden, um nach X_d aufzulösen, da alle unabhängigen Variablen, die in Gleichung 7 gezeigt sind, entweder bekannt sind, geschätzt werden können oder als Null angenommen werden können. Eine Aufzählung der numerischen Verfahren umfaßt: Newton-Verfahren, Quasi-Newton-Verfahren, Sekanten-Verfahren, Verfahren der direkten Suche, Brent- Verfahren etc.

Bei einer bevorzugten Ausführung, bei der die Speicher- und Mikroprozessor-Anforderungen minimiert sind, ist der normierte Strömungs-Koeffizient als eine Funktion der normierten Luft klappen-Position entweder durch ein Polynom ersten Grades oder durch ein Polynom zweiten Grades realisiert, und zwar für drei bezeichnete Autoritätswerte (Low, Medium, High). Die sich ergebenden Graphen sind in Fig. 3 bei 90, 92 bzw. 94 gezeigt. Analytische Lösungen sind unten für jeden der drei bezeichneten Fälle angegeben.

Bezeichnung = Low-Autorität

Bezeichnung = Medium-Autorität

Bezeichnung = High-Autorität

Für alle Gleichungen (Gleichungen 8-10) wird der Wert X_d auf Werte zwischen 0,0 und 1,0 gezwungen, wie nachfolgen gezeigt ist.

x_d = Max{Min{X_d, 1.0}, 0.0} (Gl. 11)

Die Prozent-Ausgabe-Befehl für die Luftklappe wird erhalten durch:

DmprCmd = X_d.100% (Gl. 12)

Durch das vorstehend erläuterte Zonen-Temperatursteuerungs verfahren werden Luftströmungs-Störungen in der temperatur gesteuerten Zone vermindert. Wenn sich der Wert von einer unab hängigen Variable (t_sa, Q_zn, t_zn) verändert, dann wird eine neue Luftklappen-Position berechnet. Daher können Störungen, die durch schnelle Veränderungen in dem Wert von t_sa bewirkt werden, mit minimaler Unterbrechung des thermodynamischen Gleichgewichts der Zone schnell entfernt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist ein Flußdiagramm 100 gezeigt, durch das das Verfahren der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Bei 102 berechnet die VAV-Steuerung den Zonen- Fehler (Gleichung 2). Bei Schritt 104 schätzt die Steuerung die Zonen-Wärmebelastung mit Hilfe eines Inkremental-Proportional- Integral-Verfahrens (PI) (siehe Gleichung 1). Bei Schritt 106 begrenzt die Steuerung die Zonen-Wärmebelastung Q_zn,n (siehe Gleichung 1A). Nach der Abschätzung der Begrenzung der Zonen- Wärmebelastung bestimmt die Steuerung, ob die Autoritätsbezeich nung Low, Medium oder High ist, wie in den Schritten 108, 110 bzw. 112 angegeben ist. Wenn die Steuerung bestimmt, daß die Autoritätsbezeichnung Low ist, dann wird die Luftklappen-Posi tion X_d mit Hilfe der Gleichung 8 bei Schritt 114 berechnet. Wenn die Steuerung bestimmt, daß die Autoritätsbezeichnung Medium ist, dann wird die Luftklappen-Position X_d mit Hilfe der Gleichung 9 in Schritt 116 berechnet. Wenn die Steuerung bestimmt, daß die Autoritätsbezeichnung High ist, dann wird die Luftklappen-Position X_d mittels der Gleichung 10 in Schritt 118 berechnet.

Es sei angemerkt, daß für alle Bezeichnungen, wie sie in den Schritten 114, 116 und 118 berechnet werden, X_d auf Werte zwi schen 0,0 und 1,0 gezwungen wird, wie in Schritt 120 angegeben. Der Prozent-Ausgabe-Befehl für die Luftklappe wird dann berech net, wie bei 122 angegeben.

Es sei weiter angemerkt, daß das Steuerungsverfahren der vorliegender Erfindung sorgfältig implementiert werden muß, und zwar wegen des Vorhandenseins von Prozeß-Interaktionen. In diesem Fall wirkt die manipulierte Variable der neuen Kaskaden steuerung negativ auf die gesteuerten Variablen von anderen Regelschleifen, nämlich die Steuerung für den statischen Druck und die Steuerung für die Verdampfung. Dies findet statt, da die Kaskadensteuerung wirksam die Zonen-Zeitkonstante aus dem System entfernt, durch die normalerweise die schnellere "Single Input Single Output, SISO" Verdampfer-Wicklung und die Regelschleifen für die Steuerung des statischen Drucks entkoppelt sind.

Eine Instabilität, die mit Prozeß-Interaktionen in Beziehung steht, kann leicht durch ein Beispiel gezeigt werden. Der Graph der DX-Wicklungs-Kapazität und von t_as als eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist bei 130 in Fig. 5 gezeigt, wobei unterstellt wird, daß die Zonen-Belastungen angestiegen sind, so daß ein zusätzlicher Verdampfer (Stufe) hinzugefügt wird. Dadurch wird bewirkt, daß der Wert von t_sa um mehr als 5-10°C abfällt. Die VAV-Terminaleinheit-Kaskadensteuerung wird daher unmittelbar die t_sa-Störung entfernen, indem die Luftströmungs geschwindigkeit in jeder Zone reduziert wird. Diese schnelle Reduzierung der Luftströmungsgeschwindigkeit des Systems führt zu einer beträchtlichen Störung bei der statischen Drucksteuerung des Versorgungsgebläses. Ununterbrochene, unkontrollierte Oszillationen treten auf, bis die Regelschleife für die Steue rung des statischen Drucks wieder optimal eingestellt ist. Gleichzeitig wird die Strömungsgeschwindigkeit durch die Ver dampfer-Wicklung reduziert, wodurch bewirkt wird, daß der Wert von t_sa noch weiter abfällt.

Ohne eine Einrichtung zur Verhinderung weiterer Korrekturen werden die Kaskadensteuerungen in den VAV-Boxen wieder reagie ren, wodurch die Luftströmungsgeschwindigkeit des Systems weiter reduziert wird. Dieser Kreislauf kann sich fortsetzen, bis die System-Kapazität und die Strömungsgeschwindigkeit nicht mehr in der Lage sind, die thermischen Erfordernisse der Zone zu erfül len, und die Zonen-Temperatur weicht vom Sollwert ab. Das An steigen der Zonen-Temperatur führt eventuell dazu, daß Q_zn (und folglich auch ω_sa) ansteigen, so daß die Zonen-Temperaturen im Laufe der Zeit zum Sollwert zurückkehren. Es ist offensichtlich, daß diese Dynamik des Prozesses nicht gewünscht ist.

Um diese unerwünschte Prozeß-Dynamik zu verhindern, sind vier mögliche Lösungen vorgeschlagen. Die einfachste Lösung besteht darin, die Anzahl der Zonen, die die Steuerung verwen den, bei der die t_sa-Störung entfernt wird, auf einen relativ kleinen Prozentsatz der gesamten Anzahl von Zonen zu begrenzen. Dann bewirkt die Kapazität der anderen Zonen eine ausreichende Entkopplung, um eine Stabilität zu erreichen. Jedoch haben die System-Fachleute oft keine ausreichende Erfahrung mit dieser Möglichkeit.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Ausgabe von G_FFW aus dem Funktions-Block 64 zu filtern, beispielsweise mit einem Tiefpaß-Filter erster Ordnung. Die Filter-Gewichtung kann einge stellt werden, und zwar entweder manuell oder mit Hilfe automa tischer Einrichtungen, um den gewünschten Kompromiß zwischen der System-Stabilität und dem Entfernen von Störungen zu erreichen.

Die dritte Möglichkeit besteht darin, die t_sa-Messung zu filtern. Die Filter-Gewichtung würde dann so eingestellt werden, bis ein geeigneter Kompromiß zwischen dem Entfernen von Störun gen und einer guten System-Stabilität erreicht ist.

Das vierte Verfahren zur Verbesserung der System-Stabilität besteht darin, wahlweise die Zuführlufttemperatur-Störungen zu entfernen. Mit anderen Worten, die Quelle der t_sa-Störung muß erkannt werden, und nur die Störungen, die mit der Veränderung der Anzahl von Betriebsstufen in Beziehung stehen, werden ent fernt.

In der bevorzugten Ausführung werden die dritte und die vierte Möglichkeit miteinander kombiniert. Das bei 140 in Fig. 6 gezeigte Diagramm stellt die erforderliche Logik dar. Bei dieser Ausführung wird der Wert t_sa, der in Gleichungen 7 bis 10 verwendet wird, mit Hilfe eines digitalen Filters erster Ordnung, der eine Zeitkonstante Y_sa hat, herausgefiltert. Der Wert von Y_sa wird in Reaktion auf eine Störung bei 140 einge stellt.

Bei 142 wird eine boolesche Variable TsaDisturbance auf WAHR gesetzt, und zwar nachdem eine schnelle Veränderung der Zuführ lufttemperatur stattgefunden hat. Entweder eine lokale Informa tion oder eine Netzwerk-Information kann verwendet werden, um den Wert von TsaDisturbance zu bestimmen. Wenn ein Netzwerk vorhanden ist, dann kann jeder Veränderung in der Anzahl der aktiven Stufen der Kapazität zu jeder Terminaleinheit-Steuerung übermittelt werden. Diese Information kann dann verwendet wer den, um den Wert von TsaDisturbance zu bestimmen, wie bei 150 in Fig. 7 gezeigt ist.

In Fig. 7 ist der Wert von TIME2_MIN eine Funktion der Ver dampfer-Wicklungs-Zeitkonstanten und der Rohrleitungs-Transport verzögerung. Ein Wert von 15 Minuten kann beispielsweise als ein Standard verwendet werden. Wenn eine Netzwerk-Information nicht verfügbar ist, kann der Wert von TsaDisturbance alternativ lokal in den VAV-Terminaleinheiten bestimmt werden, und zwar mit Hilfe des in Fig. 8 bei 160 gezeigten Verfahrens.

Die Variable TsaDisturbance wird bei 162 auf WAHR gesetzt, wenn eine endliche Differenzenapproximation (FDA) der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit von t_sa, die in der Terminaleinheit gemessen wird, bei 164 einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Es sind zahlreiche Verfahren verfügbar, um FDAs für Ableitungen zu erhalten. Für diese Anwendung ist die folgende FDA bevorzugt:

wobei t_sa eine Approximation der Ableitung der Zuführlufttempe ratur bezüglich der Zeit ist, T ist das Zeitintervall zwischen jeder Berechnung, und die n ± 1 . . . 3 Indizes sind Vorwärts- oder Rückwärts-Abtast-Indizes. Gleichung 13 basiert auf einer quadra tischen Näherung über sieben Datenpunkte. Durch sie wird eine Glättung erreicht, die erforderlich ist, um eine Rausch-Verstär kung in der FDA zu verhindern. Es sei angemerkt, daß die Werte von t_sa in der obigen Gleichung nicht gefiltert sind. Es handelt sich um die aktuellen Temperaturen, die von dem Zuführlufttempe ratur-Sensor erfaßt wurden, der an der Terminaleinheit angeord net ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß mit Hilfe des Steuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung Luft- Störungen vermindert werden, die in einer temperaturgesteuerten Zonen bewirkt werden können, indem die zugehörige Luftkonditio nierungs-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit vermindert wird. Durch das Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung, sofern dies implementiert ist, wird das Auftreten von großen Temperatur- Schwankungen vermindert, die infolge der Abkühlung und Erwärmung von Luft entstehen, die über die VAV-Box in die temperaturgesteuerte Zone geleitet wird, während eine mechanische Abnutzung an den jeweiligen Komponenten der VAV-Box und eine Schwankung der Zuführlufttemperatur wirksam vermindert wird, um dadurch den entsprechenden Komfort zu maximieren, der mit der temperaturge steuerten Zone in Beziehung steht.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung von Luftströmungs-Störungen in einem Mehrzonen-Luftkonditionierungssystem, mit den Schritten:

a) Einstellen einer Luftströmungsgeschwindigkeit für konditionierte Luft, die einer klimagesteuerten Zone zugeführt wird, durch Einstellen einer Zonen-Luftklappe, um eine Zonen-Temperatur bei einem Zonen-Temperatur- Sollwert zu halten;
b) Messen der Abweichung der Zonen-Temperatur von dem Zonen-Sollwert bei ersten und bei zweiten Abtast-Zeitpunkten innerhalb einer Abtast-Periode;
c) Abschätzen einer Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit auf Basis der Sollwert-Abweichung bei dem zweiten Abtast- Zeitpunkt; und
d) Einstellen der Luftströmungsgeschwindigkeit durch Einstellen einer Zonen-Luftklappe in Reaktion auf den abgeschätzten Wert aus dem Schritt des Abschätzens der Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, um Zonen-Luft strömungs-Störungen zu vermindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Einstel lens der Zonen-Luftströmungsgeschwindigkeit das Einstellen einer Zonen-Luftklappe durch Steuerung einer Zonen-Variablen umfaßt, um die Strömungsgeschwindigkeit der konditionierten Luft in die Zone zu beeinflussen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Einstel lens der Zonen-Luftklappe durch den Schritt des Berechnens einer Zonen-Luftklappen-Funktion durch Abbilden der Luft strömungsgeschwindigkeit auf eine Zonen-Luftklappen-Position gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Abbildens der Luftströmungsgeschwindigkeit durch den Schritt des Steuerns des Zuführluftdrucks gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, außerdem mit dem Schritt des Verminderns von System-Instabilitäten, die durch Prozeß- Interaktionen bewirkt werden, durch die Schritte:

1. selektives Steuern der Zonen-Luftklappen-Funktion in jeder von einer vorbestimmten Anzahl von Zonen;
2. Filtern einer Ausgabe von einer Zonen-Luftklappen- Steuerungsfunktion;
3. Filtern einer Zuführlufttemperaturmessung; und
4. Entfernen von Zuführlufttemperatur-Störungen, die durch Veränderungen bei den Betriebssystem-Abkühlungsstufen bewirkt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Wert, der in dem Schritt des Einstellens der Zonen-Luftklappe verwendet wird, aus der Gruppe ausgewählt wird, die enthält: Zonen-Wärme übertragungsgeschwindigkeit, statischer Zonen-Druck, Zuführ lufttemperatur, Zonen-Sollwert-Temperatur, Luftgeschwindig keit und Steuerungsverstärkung.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Abschät zens einer Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit bei dem zweiten Abtast-Zeitpunkt auf Basis der Sollwert-Abweichung von der Abtast-Periode und der Regelungs-Integralzeit abhängig ist.

8. Luftkonditionierungs-Einheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 8, mit:
einem Luftkonditionierer;
einem mit dem Luftkonditionierer gekoppelten Regler, der die Menge an konditionierter Luft regelt, die in eine Zone eingeleitet wird;
einer funktional sowohl mit dem Luftkonditionierer als auch mit dem Regler gekoppelten Steuerung, die programmiert ist, um die Funktion des Luftkonditionierers und des Reglers zu steuern; und
einem über eine geschlossene Rückführungsschleife funk tional mit dem Regler und der Steuerung verbundenen Sensor, der die Zonen-Temperatur mißt und ein gemessenes Zonen- Temperatursignal zu der Steuerung überträgt;
wobei die Steuerung eine Abschätzung einer Zonen-Wärme übertragungsgeschwindigkeit auf Basis der gemessenen Tempe ratur und dem Zonen-Temperatur-Sollwert berechnet und die Funktion des Reglers auf Basis der abgeschätzten Zonen- Wärmeübertragungsgeschwindigkeit steuert, um Zuführluft- Störungen zu vermindern.

10. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 9, bei der der Regler eine Zuführluft-Rohrleitung, durch die eine Luft strömung von dem Luftkonditionierer über einen Rohrleitungs- Auslaß zu der Zone geleitet wird; und eine einstellbare Luftklappe enthält, die mit dem Rohr leitungs-Auslaß in der Nähe der geregelten Zone verbunden ist, wobei die Luftklappe die Strömung der konditionierten Luft in die Zone in Reaktion auf Luftklappen-Steuersignale von der Steuerung steuert.

11. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 10, bei der die Steuerung eine Vorwärtsregelung enthält, durch die eine Beziehung zwischen der geschätzten Zonen-Wärmeübertragungs geschwindigkeit und einer Position der einstellbaren Luft klappe abgebildet wird.

12. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 11, bei der die Vorwärtsregelung ein stationäres Energie-Gleichgewicht mit einer Luftklappen-Abbildung für Luftklappen-Steuerungszwecke in Beziehung setzt.

13. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 12, bei der die Luftklappen-Abbildung eine Luftklappen-Strömungsgeschwindig keit der konditionierten Luft mit einer Luftklappen-Position in Beziehung setzt.

14. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 9, bei der die abgeschätzte Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit außerdem eine Funktion der Proportional-Regler-Verstärkung und einer zuvor abgeschätzten Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit ist.

15. Luftkonditionierungs-Einheit nach Anspruch 14, bei der die abgeschätzte Zonen-Wärmeübertragungsgeschwindigkeit mit Hilfe der folgenden Formel berechnet wird:
wobei Q_zn,n eine Abschätzung der Wärmeübertragungsgeschwindig keit in die Zone bei dem n-ten Abtast-Zeitpunkt ist, Q_zn,n-1 eine Abschätzung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit in die Zone bei dem (n - 1)-ten Abtast-Zeitpunkt ist, K_c die Propor tional-Integral-Verstärkung ist, t_l die Regelungs-Integral zeit ist, D_a die Abtast-Periode ist, e_n der Fehler bei dem n-ten Abtast-Zeitpunkt ist und e_n-1 der Fehler bei dem (n - 1)-ten Abtast-Zeitpunkt ist.