DE19834275A1

DE19834275A1 - Verfahren zum optimierten Steuern und Regeln von Klimaanlagen

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Publication number: DE19834275A1
Application number: DE19834275A
Authority: DE
Inventors: Bernd Glueck; Heiko Schiller
Original assignee: Rud Otto Meyer GmbH and Co KG
Current assignee: Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2000-02-24

Abstract

Es soll ein Verfahren verbessert werden zum Steuern und Regeln von Klimaanlagen, die aus Einzelaggregaten mit einstellbaren Leistungen bestehen, um eine vorgegebene Zielfunktion zu erfüllen, wobei ein in einem definierten Bereich liegender Raumzustand bezüglich Temperatur und Feuchte bewirkt wird und wobei Randbedingungen hinsichtlich der zulässigen Luftzustände nach jedem Aggregat vorgegeben sein können. Hierbei soll es möglich sein, daß eine universelle Optimierung unter Vorgabe verschiedener Zielfunktionen durchführbar ist, und deren Umsetzung einen stabilen Betrieb ohne die geschilderten Nachteile gewährleistet und es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Optimierungsstrategie mit einer konventionellen Regelung zu verknüpfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Regeln von Klima anlagen, die aus Einzelaggregaten mit einstellbaren Leistungen bestehen, um eine vorgegebene Zielfunktion zu erfüllen, wobei ein in einem defi nierten Bereich liegender Raumzustand bezüglich Temperatur und Feuchte bewirkt wird und wobei Randbedingungen hinsichtlich der zuläs sigen Luftzustände nach jedem Aggregat vorgegeben sein können.

Wesentlich für die Regelung von Klimaanlagen ist die enge Verknüpfung der Temperaturregelung mit der Feuchteregelung, d. h. eine Raumtempe raturänderung bewirkt auch eine Feuchteänderung im Raum und umge kehrt.

Als gebräuchliche Varianten haben sich die Raumtemperaturregelung mit der Führungsgröße Außentemperatur und die Raumfeuchteregelung als Taupunktregelung oder direkte Feuchteregelung herausgebildet.

Bei der sogenannten Taupunktregelung wird die Temperatur nach dem Wäscher, die bei hohen Befeuchtungsgraden nahe an der Sättigungs kurve liegt, als Regelgröße verwendet. Bei 100%-iger Befeuchtung, d. h. bis zur Kurve ϕ = 1 wären Lufttemperatur, Feuchtkugeltemperatur und Taupunkttemperatur identisch. Dieses Regelungsverfahren ist bei sehr vielen Anlagen angewendet worden, da die Einfachheit - vor allem bezüg lich der Sensorik - meistens einen störungsfreien Betrieb gewährleistet. Die Nachteile des Verfahrens, die darin bestehen, daß die mit fest einge steiften Sollwerten arbeitende Regelung, nicht auf veränderliche Feuchte daten reagieren kann, und daß zur Erzielung eines definierten Taupunktes der Wäscher ständig betrieben werden muß, so auch im Sommer bei vor geschalteter Entfeuchtung mittels eines Oberflächenkühlers, wodurch sich energetische Mehraufwertungen ergeben, sind schwerwiegend.

Diese Nachteile sind bei der nachfolgend betrachteten direkten Feuchte regelung nicht gegeben.

Die stark veränderlichen Einsatzbedingungen - unter denen eine Klima anlage arbeiten muß - erfordern die Umschaltung von Aggregaten, um den Sollwert einer Regelgröße einzuhalten. So beispielsweise vom Vor wärmer zum Kühler und umgekehrt. Man spricht dann von Folgeschaltun gen bzw. Sequenzschaltungen.

Zur Simulation der konventionell geregelten Luftaufbereitungsprozesse und zur Betriebskostenermittlung der gesamten raumlufttechnischen An lagen ist ein sehr flexibel nutzbares, leistungsfähiges Programm bekannt. Mit diesem Arbeitsmittel können sowohl vorhandene - evtl. nicht mehr wirtschaftlich arbeitende Anlagen- als auch moderne Anlagenplanungen bezüglich ihrer Funktion und der zu erwartenden Betriebskosten betrach tet werden.

Eine weiterführende Möglichkeit einer deutlichen Prozeßverbesserung ist dadurch gegeben, daß man genau definierten Außenluftzustandsberei chen (Feldern) unterschiedliche Regelungsstrategien zuordnet. So kann beispielsweise nur die Klappenstellung vom Außenluftzustand abhängig gesteuert werden, aber auch die gesamte Prozeßstrategie von Feld zu Feld unterschiedlich entworfen werden. Es existiert eine Vielzahl von Vorschlägen, so beispielsweise von

GLÜCK, B.: Entwurf einer Klimaanlage: Diplomarbeit Nr. 234 am Institut für Thermodynamik und Energiewirtschaft, TU Dresden 1967
KRESLIN, A.: Thermodynamische Analyse von Regelungsprozessen ei ner Einzonenklimaanlage. Luft- und Kältetechnik (1972) Heft 5
KRESLIN, A.: Automatische Steuerung von Klimaanlagen. Verlag Litera tur für Bauwesen: Moskau 1972
BORK, P.: Energieeinsparung bei Lüftungs- und Klimaanlagen mit Hilfe verbesserter Automatisierungskonzepte, atp (1986) Heft 4
BORK, P.: Verfahren zur Optimierung des Energieverbrauchs einer Luftaufbereitungsanlage. Patentschrift 3439288, München 1986
MÜLLER, K.: Energieeinsparung an ausgeführten Anlagen mit Dampfbe feuchtung. VDI-Berichte 542 Verlag Düsseldorf
FEDER, U.: Grundstrukturen und Steueralgorithmen zur wirtschaftlichen Betriebsweise von Klimaanlagen und Möglichkeiten der Prozeßbewertung. Dissertation TU Dresden 1992
FEDER, U.: Patentschrift DD 295 706 A5

zur Bereichseinteilung (Feldeinteilung) der Außenluftzustände und Pro zeßführung. Die Regelungen entsprechen in allen diesen Fällen konven tionellen Verfahren.

Wie kompliziert die Feldeinteilungen sein können, zeigt Fig. 1 aus der Dis sertation von Feder, U. (1992). Die Feldbegrenzungen entspringen unter schiedlichen Festlegungen. Beispielsweise sind dies:

- Isothermen
- Isohygren
- Isenthalpen
- Mischungsverhältnisse
- Arbeitskurven von Aggregaten, z. B. bei Wäschern die Feuchtkugel temperatur
- Grenzkostenverhältnisse.

Letztere werden aus Betriebskostenvergleichen bei unterschiedlichem Ag gregateeinsatz abgebildet und stellen sehr häufig eingesetzte Feldbegren zung dar.

Fig. 1 verdeutlicht nicht nur die vielfältigen Möglichkeiten der Bereichsge staltung, sondern auch die damit verbundenen Nachteile. Dies sind:

- Voraussetzung für die Bereichsermittlung ist eine äußerst exakte Auslegung der Anlage, die nicht immer gegeben ist.
- Innerhalb der Bereiche werden Regelungsstrategien verwirklicht, die wiederum auch Folgeschaltungen einschließen. Damit ergeben sich sehr häufige Aggregateumschaltungen, die teilweise auch Hystere sen bewirken. Dies bedeutet, daß die mitunter sehr kleinen Felder an ihren Grenzen noch von Hystereseerscheinungen überlagert werden. Damit ist ein ordnungsgemäßer stabiler Anlagebetrieb kaum möglich.
- Die Feldeinteilungen sind für jede Anlagenschaltung in Abhängigkeit der eingesetzten Aggregate (z. B. Sprüh- oder Dampfbefeuchter), des Betriebsfalles (Sommer, Winter) und der jeweils gültigen Kostenver hältnisse zu ermitteln. Diese Aufgabe ist nur mit großem Aufwand und Intellekt lösbar, denn jeder denkbare Betriebszustand muß im voraus gedanklich analysiert werden. Die Umschaltung zwischen den wechselnden Betriebsfällen während der Übergangszeit ist nicht praktikabel. Weiterhin ändern sich oftmals die Kostenverhältnisse, die eine völlige Überarbeitung (Veränderung der Grenzkostenkurven) nach sich ziehen.

Wegen der genannten Nachteil wird diese immer detaillierte Gestaltung der Bereiche als veraltete Problemlösung betrachtet.

Die sehr schwierige, zeitaufwendige Aufgabe, d. h. - das Durchdenken und Optimieren aller möglichen Betriebszustände der Anlage, welches auch subjektive Züge trägt und zu komplizierten Feldeinteilungen führt - wird durch das Optimierungs- und Steuerungsverfahren, das aus der DE 43 30 646 C1 bekannt ist, gegenstandslos.

Die neue Optimierungsstrategie liefert für jede Anlage mit gegebener Ag gregatebestückung, jeden Außenluftzustand und für einen vorgegebenen, zulässigen Raumluftzustandsbereich die im Sinne einer definierten Ziel funktion günstigste Prozeßführung. Als Zielfunktion können niedrigste Be triebskosten, geringster Energieverbrauch u. a. m. gelten. Diese günstige Prozeßführung ist frei von subjektiven Einflüssen und gilt somit als ein Vergleichsprozeß, an dem nun alle anderen Prozeßführungen gespiegelt werden können. Man kann bei entsprechender Gegenüberstellung fest stellen, wo man mit der jeweils geplanten oder realisierten konventionellen Variante steht und welches Optimierungspotential noch verfügbar ist, wie nachstehend anhand von Beispielen erläutert wird.

Beispiel 1

Eine Anlage zur Büroklimatisierung nach Fig. 2 mit den Folgeschaltungen gemäß Fig. 3 wird mit einem Simulationsprogramm (Schiller, H.: ROM-h,x- Modul) für konventionelle Regelungsstrategien untersucht. Die Eingabe daten lauten:

Raumluftzustand:
t = 22°C; x = 8 g_w/kg_tL. (ϕ = 48%)
Aggregate- und Raumdaten:
Vorwärmer: maximale Leistungsaufnahme 15 kW
Nachwärmer: maximale Leistungsaufnahme 10 kW
Kühler: η_K = 0,9; By = 0,9
maximale Kühlmedientemperatur 6°C
Wäscher: stetige Regelung
η_B,min. = 0 η_B,max = 0,95
Pumpenleistung: 0,2 kW
Zu- und Ablüfter: ungeregelt; V = 1000 m³/h; Δp = 450 Pa;
η = 0,8
Raum programminternes Lastmodell
keine statischen Heiz- und Kühlflächen
keine Luftinfiltration
Grundfläche 60 m², 4 Außenfassaden
Heizlast nach DIN 4701 2 kW
Personenzahl 10

Energie- und Stoffpreise

Wärme	0,08 DM/kWh
Kälte	0,10 DM/kWh
Elt	0,25 DM/kWh
Wasser	8,00 DM/m³

Wetterdaten:
TRY 03 (Ruhrgebiet mit Refernzstation Essen und Ballungsgebiete des norddeutschen Flachlandes, z. B. Hamburg, Berlin)
Zeitpläne
alle Tage als Werktage von 5.00 bis 19.00 Uhr

Lösung

Zunächst werden mit dem Simufationsprogramm zur Kontrolle Einzel punktberechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse (Zustandsverläufe der Luft im Klimaprozeß bei unterschiedlichen Außenluftzuständen und Raumlasten unter Beachtung des gegebenen, konstanten Raumsollzu standes) finden sich grafisch dargestellt in Fig. 4. Es bedeuten dabei:

Fall A: t_a = 12°C; x_a = 1 g_w/kg_tL; innere Last und max. Heizlast berücksichtigt
Fall F: t_a = 32°C; ϕ_a = 40%; innere Last und max. Kühlleistung berücksichtigt
Fall B: t_a = 20°C; x_a = 2 g_w/kg_tL;
Fall C: t_a = 27°C; ϕ_a = 30%
Fall D: t_a = 20°C; ϕ_a = 65%
Fall E: t_a = 23°C; ϕ_a = 80%

Bei den Fällen B bis E ist nur die innere Last berücksichtigt.

Erwartungsgemäß zeigt sich, daß der Raumsollzustand bis auf einen ite rationsbedingten Toleranzbereich bei allen betrachteten Zustandsverläu fen erreicht wird. Die Leistung der Aggregate ist entsprechend angepaßt, d. h. die Regelung erfüllt ihre Aufgabe fehlerfrei.

Eine Jahressimulation liefert die erforderlichen Energie- und Stoffsummen:

Das Aufstellen der Feldeinteilungen und der zugehörigen Regelungen mit den entsprechenden Sequenzen zur Betriebskostensenkung wäre nicht direkt zielführend, sondern trüge zufällige Aspekte.

Es stellt sich die Frage, wie weit können bei der gegebenen Aufgabe und bei unveränderter Aggregatereihung durch eine verbesserte Regelungs strategie die Betriebskosten sinken.

Optimaler Vergleichsprozeß

Zur Beantwortung der gestellten Frage "Minimierung der Betriebskosten" wird mit dem in der Patentschrift 43 60 646 C1 eingeschlossenem Opti mierungsalgorithmus simuliert. Die bisher verwendeten, unterschiedlichen Regelungsstrategien sind bei der Optimierungsrechnung bedeutungslos, da sie keine Vorgabe darstellen, sondern das Ergebnis der Optimierung sind. Zu definieren ist aber der zulässige Raumzustandsbereich. Er wird mit

t = 22°C . . . 26°C
ϕ = 30% . . . 65%; x ≦ 11, 5 g_w/kg_tL

fixiert. Die Aggregate- und Raumdaten, die Energie- und Stoffpreise, die Wetterdaten sowie Zeitpläne entsprechen selbstverständlich den bisheri gen Annahmen.

Lösung der Optimierungsrechnung

Auch hier werden wiederum Einzelpunktberechnungen vorangestellt. Die in Fig. 5 eingetragenen Prozeßverläufe sind plausibel und enden stets im zugelassenen Raumzustandsbereich (Behaglichkeitsbereich).

Das Ergebnis der Jahressimulation lautet:

Auswertung des Optimierungspotentials

Die kostengünstigste Betriebsweise der betrachteten Klimaanlage wird dann erreicht, wenn man zu jeder Zeit den optimalen Vergleichsprozeß realisiert. Der zulässige Raumzustandsbereich (Behaglichkeitsbereich) ist bezüglich seiner Grenzkurven durch DIN 1946, Teil 2 festgelegt. Nur mit der Optimierungsstrategie gemäß DE 43 30 646 C1 kann man diesen Bereich im Sinne der Zielfunktion voll ausnützen.

Setzt man die Aufwendungen für den Vergleichsprozeß gleich 100%, so ergeben sich bei optimaler Prozeßführung bezüglich der Zielfunktion "mi nimale Betriebskosten" nur noch Aufwendungen von 62,9%. Aus diesen Ergebnissen folgert:

- Die bemerkenswerten Unterschiede in den Betriebskosten unter streichen die Notwendigkeit der Optimierung. Es sei angemerkt, daß als konventionelle Variante eine Anlage mit regelbarem Wäscher - also kein taupunktgeführter Prozeß - verwirklicht wird, und dennoch Mehrkosten von 59% entstehen.
- Selbst wenn die rechnerisch ermittelte Optimierungsstrategie prak tisch nicht umsetzbar wäre, bietet diese doch den übergroßen Vorteil eines "unbestechlichen Gutachters", der gnadenlos vorhandene Mängel erdachter Regelungsvarianten sichtbar macht.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß man einen objektiv ermittelten, op timalen Klimaprozeß mit definierter Zielfunktion - z. B. bezüglich der Ko sten - führen kann. Der Verlauf ist nicht durch eine vorgegebene Rege lungsstrategie beeinflußt. Bei der praktischen Umsetzung erscheint es am sinnvollsten eine Einzelregelung für jedes Aggregat mit den errechneten Zustandswerten als direkt vorgegebene Sollwerte vorzunehmen. Bei der praktischen Umsetzung gibt es jedoch einige Schwierigkeiten:

- Die Aggregate sind üblicherweise platzsparend direkt aneinander geflanscht, so daß kaum eine repräsentative Meßmöglichkeit über den Querschnitt vorhanden ist.
- Die Verteilung der Zustandsgrößen und Masseströme ist üblicher weise nicht homogen über den Querschnitt der Aggregate verteilt, sondern konstruktionsbedingt ortsabhängig. Selbstverständlich müßte diese Messung einen repräsentativen Mittelwert bezogen auf den Massestrom darstellen. Derartige selbstintegrierende Sensoren bzw. Sensorschaltungen sind aus Gründen zu hoher Kosten in der Regel nicht einsetzbar.
- Ein weiteres Problem stellen die meist unterschiedlichen Zeitkon stanten der Temperatur- und Feuchtefühler dar, so daß es beim in stationären Betrieb zu Fehlbestimmungen des Luftzustandes kom men kann.
- Die Optimierungsrechnung wird in vorgegebenen Zeitschritten wie derholt, d. h. die Ergebnisse der Strategie werden in Zeitetappen ak tualisiert. Zwischenzeitliche Änderungen des Außenluftzustandes, der Raumlasten oder der Aggregatekenngrößen führen zu Abwei chungen des Raumzustandes, so daß dieser im ungünstigsten Fall außerhalb des Behaglichkeitsbereiches liegen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb von Klimaanlagen dahingehend weiterzubilden, daß eine universelle Optimierung unter Vorgabe verschiedener Zielfunk tionen möglich ist, und deren Umsetzung einen stabilen Betrieb ohne die geschilderten Nachteile gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Dazu wird erfindungsgemäß die Optimierungsstrategie gemäß der DE 43 30 646 C1 mit einer konventionellen Regelung ver knüpft. Die Grundlage des Verfahrens ist durch folgende Merkmale ge kennzeichnet:

- Ausgewählte Aggregate einer Klimaanlage werden konventionell ge regelt, wobei die Auswahl so zu erfolgen hat, daß Raumlufttempera tur sowie Raumluftfeuchte beeinflußbar sind und in der Realität auf tretende Störungen bei stabilem Anlagenbetrieb beherrscht werden. Als Entscheidungshilfe für die Auswahl des konventionell geregelten Abschnittes können Optimierungsrechnungen für mehrere Außen luftzustände und Raumbelastungen durchgeführt und die optimierte Prozeßführung visualisiert werden. Bei relativ konstanter Feuchtelast ist nur eine Raumtemperaturregelung ausreichend.
- Der Umfang der konventionellen Regelung - d. h. deren Freiheitsgrad - ist soweit einzugrenzen, daß der durch Optimierung erzeugte Ver gleichsprozeß im praktischen Betrieb weitestgehend realisiert wird.
- Eindeutig und praktikabel umsetzbare Optimierungsergebnisse wer den den Stellorgangen der Aggregate direkt zugeleitet (Beispiel: Steuerung des Außenluftanteils einer Mischkammer).
- Die Zuordnung der Aggregate in den regelbaren und in den steuer baren Teil der Klimaanlage hat für alle Aggregate, deren Leistung beeinflußbar ist, zu erfolgen.
- Die Anlage wird mit vordefinierten Stellsignalen für die gesteuerten und geregelten Aggregate in Betrieb genommen.
- Nachdem ein nahezu stationärer Luftaufbereitungsprozeß abläuft, wird aus dem Zuluftzustand und dem Abluftzustand des Raumes (bzw. des angeschlossenen Systems) die Zustandsänderung im Raum ermittelt.
- Unter Zugrundelegung der Anlagenschaltung (d. h. der Aggregaterei hung und der Apparatedaten), des Außenluftzustandes, der Raum belastung und des zulässigen Behaglichkeitsbereiches für den Raum wird für die definierte Zielfunktion - in der Regel sind dies die Be triebskosten - eine Optimierung des Klimaprozesses durchgeführt. Die getroffene Aufteilung in einen regelbaren und steuerbaren Anla genteil sowie die im konventionell betriebenen Anlagenabschnitt verwirklichten Regelungsstrategien gehen in das Optimierungsver fahren nicht ein.
- Die Ergebnisse der Optimierungsrechnung werden in zwei Etappen umgesetzt. Der optimale Raumzustand wird als Temperatur- und Feuchtesollwert der konventionellen Regelung vorgegeben. Die di rekt gesteuerten Aggregate erhalten aktualisierte Stellsignale gemäß der Optimierungsrechnung.
- Die Optimierungsrechnung wird in größeren Zeitabständen - z. B. stündlich - wiederholt. Zwischenzeitlich bleiben der Raumzustand als Sollwert und die Stellsignale an die steuerbaren Aggregate unverän dert.
- Es ist auch möglich nach der Optimierungsrechnung einen Bewer tungsfilter der Ergebnisse einzusetzen, bevor die praktische Umset zung auf die Aggregate bzw. den konventionell arbeitenden Rege lungsteil erfolgt. Damit können große Änderungen der Optimierungs ergebnisse gegenüber der vorherigen Phase auf ihre Plausibilität und sinnvolle Umsetzbarkeit überprüft werden. Treten große Änderungen auf, so könnten diese beispielsweise mit eine Dämpfungsfaktor be legt werden um Schwingungen der konventionellen Regelkreise zu vermeiden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird wie folgt be schrieben:

- Ist die Klimaanlage im Aufbau so einfach, daß der konventionell ge regelte Teil zur Beeinflussung von Raumlufttemperatur sowie Raumluftfeuchte bereits alle vorhandenen Aggregate einer Klimaan lage einbezieht, so besteht die Kombination zur Optimierungsstrate gie nur noch in der Vorgabe des optimalen Raumzustandes.
- Für zahlreiche Außenluftzustände- vorzugsweise für eine gleichmä ßige Punkteverteilung im Bereich der Testrefernzjahrdaten - und für zugeordnete Raumbelastungen wird der optimale Klimaprozeß rech nerisch bestimmt. Mit den In- und Outputs ist dann ein radiales, neu ronales Netzwerkes zu trainieren und in der Regelung der Klimaan lage zu implementieren.
- Im praktischen Einsatz sind nun nicht mehr die detaillierten Optimie rungsrechnungen vorzunehmen, sondern für die jeweils aktuellen Eingangsgrößen werden durch das neuronale Netz die interessie renden Raumzustandsgrößen ermittelt. Folgende Zuordnungen sind praktikable Beispiele:
- Die Ergebnisse - Raumlufttemperatur und -feuchte - stellen die Sollwerte für die konventionell arbeitende Regelung dar.
- Ergänzend ist auch hier der Einbau eines Filters möglich. Man würde beispielsweise das Ergebnis prüfen, ob sie im zulässigen Behaglich keitsfeld liegen. D. h., wenn es sich um einen "Ausreißer" handelt, dann sollte der Vorgängerzustand beibehalten und damit ein stabiler Anlagenbetrieb gesichert werden.

Das trainierte Netzwerk gilt natürlich nur für die jeweilige Klimaanlage mit den verwendeten Randbedingungen, z. B. dem Lastspektrum. Zu den Randbedingungen gehören bei einer Optimierung mit der Zielfunktion "mi nimale Kosten" natürlich auch die Preisrelationen der Energieträger. Das Netz ist somit bei einem Umbau der Anlage, bei Energiepreisänderungen usw. neu zu trainieren.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und dazugehöri ger Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Im Beispiel 1 der Beschreibung des Standes der Technik ist eine Anlage Fig. 2 mit dem Sequenzbild nach Fig. 3 zweifach mit einer Jahressimula tion betrachtet worden. Das Ziel bestand darin, das Optimierungspotential einer konventionellen Prozeßführungen gegenüber dem Vergleichsprozeß zu erkennen. Da die in Fig. 2 betrachtete Anlage exakt der kleinsten, mög lichen Aggregatereihung entspricht, mit der ein konventioneller Ersatzpro zeß zur Temperatur- und Feuchteregelung durchführbar ist, soll das Bei spiel erneut betrachtet werden. Die dortigen Eingabedaten gelten weiter hin unverändert.

Implementiert man formal den Ersatzprozeß in die Gesamtanlage (Fig. 2), dann stellt man fest, daß kein Aggregat "übrig" bleibt, das nach dem opti malen Ergebnis zu steuern wäre. Damit liegt der denkbar einfachste Kom binationsprozeß vor. Dies bedeutet, daß nur der zu jeder Stunde ermittelte optimale Raumzustand als Vorgabe zu dienen hat. Die stundenweisen Ergebnisse der Optimierungsrechnung finden als Sollwerte für den Raum zustand Eingang in die konventionelle Anlagensimulation. Es folgen die jährlichen Aufwendungen:

Bezüglich der Betriebskosten sind dies nur 65,9% der Variante mit kon ventioneller Regelung. Das Ideal - der Vergleichsprozeß - lag bei 62,9%. Dies ist ein sehr gutes Ergebnis, wenn man bedenkt, daß diesem Kombi nationsprozeß eine ganz konventionelle Regelung, die im gesamten Au ßenluftbereich gültig ist. (1-Feld-Verfahren), zugrunde liegt. Der Erfolg be ruht nur auf der Vorgabe des optimalen Raumpunktes aus dem Vergleich sprozeß. Die Abweichung zum Vergleichsprozeß (4,8%) kann durch eine Verfeinerung des Diskretisierungsgitters beim Optimierungsverfahren noch verringert werden.

Würde man auf eine stetige Feuchteregelung verzichten, d. h. die Aggre gate Vorwärme, Wäscher und Kühler werden nach dem Optimierungser gebnis bis zur nächstfolgenden Optimierungsrechnung gesteuert, dann wird nur noch eine Temperaturregelung über den Nachwärmer realisiert.

Dies ist ein durchaus praktikables Verfahren, wenn keine plötzlichen Feuchtelaständerungen zu erwarten sind. (Die Raumkühlung über Ober flächenkühler oder Wäscherbetrieb ist in diesem Fall in die Feuchtsteue rung infolge des komplexen Steuersignals bei der Optimierung einge schlossen.) Die Jahressimulation liefert:

Damit liegt man bei nur 63,0% der Betriebskosten der Basisvariante. Vom Vergleichsprozeß ist man bezüglich der Kosten nur noch um 0,2% vom Optimum entfernt.

Claims

1. Verfahren zum Steuern und Regeln von Klimaanlagen, die aus Ein zelaggregaten mit einstellbaren Leistungen bestehen, um eine vor gegebene Zielfunktion zu erfüllen, wobei ein in einem definierten Be reich liegender Raumzustand bezüglich Temperatur und Feuchte bewirkt wird und wobei Randbedingungen hinsichtlich der zulässigen Luftzustände nach jedem Aggregat vorgegeben sein können, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßverlauf als Kombinationsprozeß aus einer optimalen Steuerung und einer konventionellen Regelung mit Vorgabe der op timalen Sollwerte so bestimmt wird,

a) daß ausgewählte Aggregate der Klimaanlage mit einer konven tionellen Regelung versehen werden, die die Raumlufttempe ratur und die Raumluftfeuchte beeinflussen kann, wobei der Umfang der konventionellen Regelung mit Temperatur- und Feuchteregelkreis nur auf diese Funktion einzugrenzen ist, wo bei im Falle relativ konstanter Feuchtelast nur eine Temperatur regelung ausreichend ist,
b) daß die restlichen, in ihrer Leistung einstellbaren Aggregate ei ner direkten Steuerung unterliegen,
c) daß die Anlage mit vordefinierten Stellsignalen für die gesteu erten und geregelten Aggregate in Betrieb genommen wird,
d) daß nach Erreichen eines nahezu stationären Luftaufberei tungsprozesses aus dem Zuluftzustand und dem Abluftzustand des Raumes bzw. des angeschlossenen Systems die Zustand sänderung im Raum ermittelt wird,
e) daß unter Zugrundelegung der Anlagenschaltung des Außen luftzustandes, der Raumbelastung und des zulässigen Behag lichkeitsbereiches für den Raum für die definierte Zielfunktion die Optimierung des Klimaprozesses unter Einbeziehung des folgenden Verfahrens durchgeführt wird, bei dem der Prozeß verlauf so bestimmt wird,
- a) daß eine Zielfunktion "Minimierung der exergetisch, umweltre levant, kalorisch oder kostenmäßig bewerteten Energieaufwen dungen" oder "Minimierung direkt eingesetzter Naturressour cen" erfüllt wird, wobei der Bewertungsmaßstab für jedes Ein zelaggregat ggf. unterschiedlich festlegbar ist,
- b) daß Randbedingungen, die Luftzustände am Austritt der Ein zelaggregate hinsichtlich der Temperatur, der absoluten Feuchte, der relativen Feuchte, der spezifischen Enthalpie und der Taupunkttemperatur - bezogen auf einen konstanten ggf. für jedes Einzelaggregat unterschiedlichen Luftdruck- oder dar aus abgeleiteter Größen begrenzen, sowie den Aggregateein satz hinsichtlich des Luftdurchsatzes, der heiz- oder kühlme dienseitigen Durchflußparameter, der Leistung, der Zustands größen der aufzubereitenden Luft oder aggregatespezifischer Charakteristiken einschränken, vorgegeben werden,
- c) daß die technisch physikalisch realisierbare Zustandsänderun gen in den einzelnen Aggregaten ermittelt werden,
- d) daß der Gesamtprozeßverlauf durch Aneinanderreihung der Zustandsänderungen in den einzelnen Aggregaten realisiert wird und nach Erreichung der Zielfunktion die Steuerungser gebnisse durch Angabe der Luftzustandsparameter nach dem jeweiligen Aggregat so festgelegt wird,
- e) daß danach der Betrieb jedes Aggregats einzeln oder in Grup pen zusammengefaßt steuerbar oder regelbar ist, wobei im letzteren Fall die optimierten Luftaustrittsparameter als Soll werte verwendbar sind,
f) daß die Ergebnisse der Optimierungsrechnung so umgesetzt werden, daß der optimale Raumzustand als Temperatur- und Feuchtesollwert der konventionellen Regelung vorgegeben wird und daß die direkt gesteuerten Aggregate aktualisierte Stellsig nale gemäß der Optimierungsrechnung erhalten,
g) daß die Optimierungsrechnung in größeren, mindestens jedoch stündlichen Zeitabständen wiederholt wird, daß zwischenzeit lich der Raumzustand als Sollwert und die Stellsignale an die steuerbaren Aggregate unverändert bleiben und daß die kon ventionelle Regelung Änderungen des Außenluftzustandes und der Raumlasten so kompensiert, daß der optimale Raumzu stand eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßverlauf als Kombinationsprozeß aus einer optimalen Steuerung und einer konventionellen Regelung mit optimalen Vorga ben für die Sollwerte so bestimmt wird,

a) daß alle in ihrer Leistung einstellbaren Aggregate der Klimaan lage in die konventionelle Regelung zur Beeinflussung von Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte einbezogen sind,
b) daß die Kombination zur Optimierungsstrategie nur noch in der Vorgabe des optimalen Raumzustandes besteht,
c) daß für zahlreiche Außenluftzustände - vorzugsweise für eine gleichmäßige Punkteverteilung im Bereich der Testreferenz jahrdaten - und für zugeordnete Raumbelastungen der opti male Klimaprozeß unter Einbeziehung des folgenden Verfah rens durchgeführt wird, bei dem der Prozeßverlauf so bestimmt wird,
- a) daß eine Zielfunktion "Minimierung der exergetisch, umweltre levant, kalorisch oder kostenmäßig bewerteten Energieaufwen dungen" oder "Minimierung direkt eingesetzter Naturressour cen" erfüllt wird, wobei der Bewertungsmaßstab für jedes Ein zelaggregat ggf. unterschiedlich festlegbar ist,
- b) daß Randbedingungen, die Luftzustände am Austritt der Ein zelaggregate hinsichtlich der Temperatur, der absoluten Feuchte, der relativen Feuchte, der spezifischen Enthalpie und der Taupunkttemperatur - bezogen auf einen konstanten ggf. für jedes Einzelaggregat unterschiedlichen Luftdruck- oder dar aus abgeleiteter Größen begrenzen, sowie den Aggregateein satz hinsichtlich des Luftdurchsatzes, der heiz- oder kühlme dienseitigen Durchflußparameter, der Leistung, der Zustands größen der aufzubereitenden Luft oder aggregatespezifischer Charakteristiken einschränken, vorgegeben werden,
- c) daß die technisch physikalisch realisierbare Zustandsänderun gen in den einzelnen Aggregaten ermittelt werden,
- d) daß der Gesamtprozeßverlauf durch Aneinanderreihung der Zustandsänderungen in den einzelnen Aggregaten realisiert wird und nach Erreichung der Zielfunktion die Steuerungser gebnisse durch Angabe der Luftzustandsparameter nach dem jeweiligen Aggregat so festgelegt wird,
- e) daß danach der Betrieb jedes Aggregats einzeln oder in Grup pen zusammengefaßt steuerbar oder regelbar ist, wobei im letzteren Fall die optimierten Luftaustrittsparameter als Soll werte verwendbar sind,
d) daß mit den Inputs Außenlufttemperatur, Außenluftfeuchte, trockene und feuchte Raumlast, Uhrzeit, spezieller Betriebszu stand und Outputs optimale Raumlufttemperatur, optimale Raumluftfeuchte dann ein neuronales Netzwerkes - vorzugs weise mit radialer Struktur - trainiert wird und daß das zugehö rige Auswertemodul in die Regelung der Klimaanlage imple mentiert wird,
e) daß im praktischen Einsatz zu den jeweils aktuellen Eingangs größen (Außenlufttemperatur, Außenluftfeuchte, trockene und feuchte Raumlast, Uhrzeit, spezieller Betriebszustand) vom Auswertemodul des neuronalen Netzwerkes der zugehörige optimale Raumzustand bestimmt wird,
f) daß das Ergebnis der Optimierung so umgesetzt wird, daß der optimale Raumzustand als Temperatur- und Feuchtesollwert der konventionellen Regelung vorgegeben wird.
g) daß die Optimierung in größeren, mindestens jedoch stündli chen Zeitabständen wiederholt wird, daß zwischenzeitlich der Raumzustand als Sollwert unverändert bleibt und daß die kon ventionelle Regelung Änderungen des Außenluftzustandes und der Raumlasten so kompensiert, daß der optimale Raumzu stand eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse der Optimierungsrechnung vor der praktischen Umsetzung zur Steuerung der Aggregate oder als Sollwerte für den konventionell arbeitenden Regelungsteil einen Bewertungsfilter pas sieren müssen, in dem die Ergebnisse auf ihre Plausibilität und sinn volle Umsetzbarkeit überprüft werden, und daß bei Überschreiten von Änderungen gegenüber der vorherigen Zeitphase diese mittels vordefinierter Funktionen gedämpft werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verfahren nach aa) bis ee) anstelle des vorgegebenen Raumluftzustandes ein durch die Parameter der Eingangsluftströme definierter Raumluftzustand oder hinsichtlich Temperatur und Feuchte ein definierter Raumluftzustandsbereich Verwendung findet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verfahren nach aa) bis ee) die optimale Prozeßführung auch eine Optimierung des Luftdurchsatzes einschließt, wobei hy gienisch, luftführungstechnisch und/oder bauphysikalisch Begren zungen vorgebbar sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verfahren nach aa) bis ee) die optimale Prozeßführung für verschiedene Aggregatereihungen ermittelt wird, um die im Sinne der Zielfunktion günstigste Aggregatebestückung zu bestimmen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verfahren nach aa) bis ee) die optimale Prozeßführung für eine Reihe von Außenluftzuständen, die für einen vorgegebenen Zeitraum typisch sind, ermittelt wird und die Ergebnisse im Sinne der Zielfunktion zusammengefaßt werden, um die Gesamtgröße der Zielfunktion anstelle einer momentan geltenden Zielfunktionsgröße zu verwenden.