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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines energieoptimierten bzw. wirkungsgradoptimierten Betriebs von wenigstens zwei oder einer Vielzahl von Ventilatoren zur Erzeugung eines bestimmten Betriebszustands in einem Lüftungssystem.
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Die Verwendung von mehreren Ventilatoren oder Ventilatorgruppen mit einer Vielzahl von einzelnen Ventilatoren zur Erzeugung eines definierten Volumenstromes bei variabler Druckerhöhung oder eines definierten Drucks bei variablem Volumenstrom kann unter verschiedenen Betriebsbedingungen der beteiligten Ventilatoren erfolgen, die jeweils einen anderen Gesamtenergiebedarf und demnach auch einen anderen Gesamtwirkungsgrad mit sich bringen.
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Beim Einsatz von mehreren Ventilatoren oder Ventilatorbaugruppen oder Kombinationen daraus zeigt sich in der Praxis das Problem, diese je nach lüftungstechnischer Aufgabe so einzusetzen, dass, das jeweilige System in der Gesamtheit mit einem optimierten oder optimalen Gesamtenergiebedarf bzw. Gesamtwirkungsgrad betrieben wird.
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Somit besteht ein Bedarf nach einem Regelungsverfahren für eine Anzahl von wenigstens zwei Ventilatoren, welche als System relativ zueinander derart geregelt werden, dass bei einem vorgegebenen Sollwert (Volumenstrom dV/dt – im Folgenden auch kurz V genannt – oder Druckerhöhung Δpsys) für wenigstens einen der Ventilatoren aus der Anzahl der Ventilatoren der Gesamtenergiebedarf und der Gesamtwirkungsgrad des Systems optimiert wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung sowie eine Regeleinrichtung für eine Mehrzahl von Ventilatoren und/oder Ventilatorgruppen bereit zu stellen, mit dessen Hilfe eine Energieoptimierung und Wirkungsgradverbesserung des Gesamtsystems erzielt werden kann, ohne dass zusätzliche bauliche Maßnahmen an einzelnen der Ventilatoren vorgenommen werden müssten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Konzeption einer Regeleinrichtung und das Regelungsverfahren für die Mehrzahl an Ventilatoren darauf beruhen, dass alle Ventilatoren eines Systems ihren Betriebszustand sowie ihr jeweils energetisches Optimierungspotential kennen. Auf dieser Basis kann eine Regeleinrichtung die Aufteilung der Luftmengen auf die einzelnen Ventilatoren bzw. das Druckangebot im System so einstellen, dass ein Betrieb der einzelnen Ventilatoren sowie des Gesamtsystems mit optimalem Wirkungsgrad erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist daher eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Regeln eines Systems aus einer Anzahl n von mindestens zwei Ventilatoren und/oder Ventilatorgruppen vorgesehen, zur Erzeugung eines definierten Sollwertes entweder eines definierten Volumenstromes im System bei variabler Druckerhöhung oder umgekehrt bei einem variablen Volumenstrom und bei fester Druckerhöhung, mit den folgenden Schritten, wobei es sich bei dem genannten Druck bzw. der Druckerhöhung, jeweils um die statische Druckerhöhung Δpst handelt:
- a) Ermitteln des Betriebszustandes der Ventilatoren;
- b) Ermitteln des energetischen Optimierungspotential des bzw. der jeweiligen Ventilatoren (vorzugsweise auch Abspeichern der Optimierungsdaten);
- c) Vergleichen des ermittelten Betriebszustands im zuvor genannten Schritt a) mit dem jeweils optimierten Betriebszustand des bzw. der Ventilatoren aus Schritt b), um daraus eine Optimierungsempfehlung bezogen auf (wenigstens) einen Ventilator zu erhalten und
- d) Korrektur des jeweils variablen Sollwertes (Volumenstromes oder Druckerhöhung) durch Änderung des Betriebspunktes bzw. des aktuellen Betriebszustand wenigstens eines Ventilators je nachdem welcher vorgegebene Sollwert fest und welcher Sollwert variabel ist, um wenigstens einen der Ventilatoren in einen energetisch optimierten oder optimalen Betriebspunkt zu bringen und dadurch den Wirkungsgrad ηG des Systems zu erhöhen. Der jeweils fest vorgegebene Sollwert bleibt dabei durch eine separate Regelung unverändert.
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Unter „energetisch optimiertem Zustand” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Zustand zu verstehen, bei dem ein Ventilator nach Anpassen seines Betriebszustandes einen besseren Wirkungsgrad besitzt, als zu dem Zeitpunkt vor der Anpassung und damit zugleich einen „energetisch optimierten Zustand” für das gesamte System, bei der die Summe der Leistungsaufnahmen aller Ventilatoren nach einer Optimierungsanpassung geringer ist, als zum Zeitpunkt vor der Anpassung.
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Somit geht mit dem Ermitteln des energetischen Optimierungspotentials im o. g. Schritt b) einher, bei welchen konkreten Betriebszuständen ein bestimmter Ventilator jeweils in einen energetisch optimierten Zustand gebracht werden kann. Diese Betriebsdaten können im Regelungsverfahren dazu genutzt werden, den betreffenden Ventilator in einen bestimmten Betriebszustand zu überführen.
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Mit Vorteil erfolgt der Schritt d) dergestalt, dass eine Mehrzahl, eine oder mehrere Ventilatorbaugruppen oder alle Ventilatoren in einen jeweils gegenüber dem nicht korrigierten Betriebspunkt energetisch optimierten oder optimalen Betriebspunkt gebracht werden.
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Es kann weiter vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass bei dem Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads ηG des Systems mit dieser Vorrichtung bei einem definierten festen Sollwertes (entweder Volumenstrom oder Druckerhöhung) ein oder mehrere der Ventilatoren hierzu komplett abgeschaltet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im oben genannten Schritt a) die Ermittlung des Betriebszustandes der Ventilatoren dadurch erfolgt, dass wenigstens der Volumenstrom V und die Drehzahl n der jeweiligen Ventilatoren ermittelt und deren Druckerhöhung Δpst, die Leistungsaufnahme P und der Wirkungsgrad ηG als Funktion des Volumenstroms und der Drehzahl erfasst bzw. ermittelt werden, welche vorzugsweise in der Motorelektronik der Vielzahl von Ventilatoren hinterlegt werden.
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Die Druckerhöhung Δpst und die Leistungsaufnahme P des jeweiligen Ventilators werden dabei bevorzugt aus dessen Volumenstrom V und dessen Drehzahl n ermittelt. Insgesamt ist vorgesehen, die Größen Druckerhöhung Δpst, Leistungsaufnahme P und Wirkungsgrad ηG als Funktionen f = f (V, n) zu erfassen und für das Regelungsverfahren verfügbar zu haben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter bevorzugt so ausgestalten, dass zum Ermitteln des Optimierungspotentials im oben genannten Schritt b) ein optimierter Volumenstrom Vopt und eine optimierte Druckerhöhung Δpopt ermittelt werden.
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Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass aus dem Vergleich der Betriebszustände aus Schritt a) und Schritt b) eine Optimierungsempfehlung in Form einer Anpassung des aktuellen Betriebszustandes einer oder mehrere der Ventilatoren erfolgt, wobei
- – die Optimierungsempfehlung bei einem definierten konstant zu haltendem Volumenstrom VG,Soll darin besteht, eine Druckerhöhung oder Drucksenkung vorzunehmen, je nachdem ob die optimierte Druckerhöhung Δpopt größer oder kleiner ist, als die ermittelte Druckerhöhung Δpst oder
- – die Optimierungsempfehlung bei einem definierten konstant zu haltendem Druck ΔpG,Soll darin besteht, den Volumenstrom zu erhöhen oder zu senken, je nachdem ob der optimiert Volumenstrom Vopt größer oder kleiner ist, als der ermittelte Volumenstrom V.
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Vorzugsweise wird bei der Ermittlung der Optimierungsempfehlung zur Anpassung des Betriebszustands bei Schritt c) berücksichtigt, welcher Ventilator bzw. Ventilator-Gruppe den jeweils höchsten Leistungsbeitrag bei der Luftförderung im System besitzt, wobei die Erfassung der Leistungsaufnahme P jedes Ventilators jeweils vor und nach einer Korrektur in Schritt d) erfolgt und ermittelt wird, ob die Gesamtsumme aller Leistungsaufnahmen P der Ventilatoren als Reaktion auf den Optimierungsschritt gegenüber der zuvor ermittelten Gesamtsumme aller Leistungsaufnahmen P reduziert wurde.
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Im Falle dass die Gesamtsumme aller Leistungsaufnahmen P nach dem Optimierungsschritt nicht reduziert wurde, wird die Anpassung im zuvor durchgeführten Optimierungsschritt wieder rückgängig gemacht.
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Diese Maßnahmen des Anpassens werden zyklisch solange wiederholt, bis sich ein definierter Gesamtwirkungsgrad oder ein jeweils zum vorherigen Zyklus optimierter Gesamtwirkungsgrad ergibt oder man sich diesem asymptotisch nähert, wobei die Maßnahmen nach einer definierten Anzahl von Zyklen oder bei einem definierten Betriebspunkt abgebrochen werden.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft demnach eine Regeleinrichtung zum Ausführen eines wie zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei die Regeleinrichtung folgendes aufweist:
- – Erfassungsmittel zum Ermitteln mindestens des Volumenstroms und der Drehzahl n einzelner und aller Ventilatoren;
- – Ermitteln eines energetischen Optimierungspotentials der jeweiligen Ventilatoren, wie Vopt = f(n), ΔpST,opt = f(n), welche drehzahlkonstant (mit der Drehzahl n) erreicht werden können;
- – einen Komparator zum Vergleichen von ermittelten Betriebszuständen und optimierten Betriebszuständen, um daraus eine spezifische Optimierungsempfehlung zu gewinnen;
- – Mittel zur Anpassung des jeweils variablen Sollwertes (Volumenstrom oder Druckerhöhung) durch Änderung des Betriebszustandes wenigstens eines Ventilators je nachdem welcher Sollwert im System fest vorgegeben ist, um wenigstens einen der Ventilatoren in einen energetisch optimierten oder optimalen Betriebszustand zu bringen und dadurch den Wirkungsgrad ηG des Systems zu erhöhen.
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Es gibt verschiedene praktische Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Diagramm, welches den Zusammenhang der Leistungsaufnahme P zu dem Volumenstrom V und der Drehzahl n eines beispielhaften Ventilators zeigt;
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2 ein Diagramm, welches den Zusammenhang der Druckerhöhung Δpst (statischer Druck) zu dem Volumenstrom V und der Drehzahl n eines beispielhaften Ventilators zeigt;
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3 ein Diagramm, welches den Zusammenhang des Wirkungsgrads ηst zu dem Volumenstrom V und der Drehzahl n eines beispielhaften Ventilators zeigt;
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4 ein Diagramm, welches den Verlauf des optimalen Volumenstroms in Abhängigkeit der Drehzahl eines Ventilators darstellt;
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5 ein Diagramm, welches den Verlauf des optimalen statischen Drucks Δpopt in Abhängigkeit der Drehzahl eines Ventilators darstellt;
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6 ein Diagramm, welches den Verlauf des optimalen Wirkungsgrades ηopt in Abhängigkeit der Drehzahl eines Ventilators darstellt;
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7 eine Gegenüberstellung zweier Zustände eines Ventilators bei einem konstanten Volumenstrom im System, wobei der statische Druck im System reduziert wurde, um das Druckangebot Δpst für den Ventilator zu erhöhen, um damit den Wirkungsgrad zu erhöhen;
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8 eine schematische Ansicht eines dezentralen Ventilatorsystems mit Ventilatoren als Volumenstromregler
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9 ein Beispiel für variablen Druck,
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10 drei Diagramme eines Ausführungsbeispiels von 6 Ventilatoren, die in einem Fan-Grid parallel zusammengeschaltet sind, wovon aber jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Ventilatoren aktiv eingeschaltet ist und
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11 ein Beispiel für variablen Volumenstrom.
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In den Figuren weisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hin.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Ermitteln des Betriebszustandes auf die 1 bis 3 verwiesen. In den 1 bis 3 ist hierzu jeweils ein Diagramm gezeigt, welches den Zusammenhang zwischen jeweils der Leistungsaufnahme P bzw. der Druckerhöhung Δpst (statischer Druck) und dem Wirkungsgrad ηst sowie dem Volumenstrom V und der Drehzahl n eines beispielhaften Ventilators aus der Gruppe der Ventilatoren zeigt. Diese Größen n, V, P, Δpst und ηst repräsentieren erfassbare Betriebszustände bzw. dazu korrelierende Werte, die im Regelungsverfahren verwendet werden.
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In den 4 bis 6 ist erläutert, wie die Optimalpunkte des Volumenstroms Vopt und der Druckerhöhung Δpopt und der entsprechend zugeordnete Wirkungsgrad ηopt, welche drehzahlkonstant mit der gemessenen Drehzahl, erzielt werden können. Die 4 zeigt hierzu ein Diagramm, welches das Optimierungspotential des Volumenstroms Vopt in m3/h in Abhängigkeit der Drehzahl n eines Ventilators in einem Bereich zwischen der Drehzahl n = 0 bis etwa n = 3200 Umdrehungen pro Minute zeigt.
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Die 5 zeigt ein Diagramm, welches das Optimierungspotential des statischen Drucks Δpopt in Abhängigkeit der Drehzahl n eines Ventilators darstellt und die 6 zeigt das Optimierungspotential des Wirkungsgrades ηopt in % in Abhängigkeit der Drehzahl n eines Ventilators.
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Die 7 zeigt eine Gegenüberstellung zweier Zustände eines Ventilators bei einem konstanten Volumenstrom im System, wobei der statische Druck im System reduziert wurde, um das Druckangebot Δpst für den Ventilator zu erhöhen, um damit den Wirkungsgrad zu erhöhen, wie dies in der rechten Abbildung gezeigt ist.
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In der 8 ist eine schematische Ansicht eines dezentralen Ventilatorsystems mit Ventilatoren als Volumnstromregler gezeigt. Es ist ein Lüftungssystem aus einer Lüftungszentrale 10, umfassend einen Luftfilter 11, ein Ventilator 1, zwei Heizregister 13 und ein dazwischen liegendes Kälteregister 14 gezeigt, die über einen Lüftungskanal 15 mit einem Dämpfer 16 verbunden sind. Von dem Dämpfer 16 führt der Lüftungskanal 15 zu zwei Lüftungssträngen 15a, 15b in denen jeweils ein Ventilator 1 mit einem Dämpfer 16 und ein Luftdurchlass 17 vorgesehen sind. Ferner ist ein Sammler Δpsys vorgesehen. Die Ventilatoren 1 sind mit Erfassungmittel 19 steuerungstechnisch verbunden, wobei dieses System beispielhaft als Volumenstromregelsystem ausgebildet ist, bei dem der Volumenstrom über die dezentralen Ventilatoren 1 mit dem beschriebenen Verfahren variabel geregelt wird, um den Druck im System einzuregeln.
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Über die Lüftungszentrale 10 kann der Systemdruck für die dezentralen Ventilatoren 1 gemäß einer Optimierungsempfehlung eingestellt werden. Dies bedeutet:
- – Δpst < Δpopt: Die Lüftungszentrale 10 soll den Systemdruck im Sammler Δpsys reduzieren, so dass die einzelnen Ventilatoren 1 mehr Druck überwinden müssen bzw.
- – Δpst > Δpopt: Die Lüftungszentrale 10 soll den Systemdruck im Sammler Δpsys erhöhen, so dass die einzelnen Ventilatoren 1 entlastet werden und weniger Druck erzeugen müssen.
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In einem anderen nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind z. B. 6 Ventilatoren im Parallelbetrieb zu einem Fan-Grid zur volumenstromvariablen Anwendung zusammengeschlossen.
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Befindet sich der Volumenstrom V links vom Optimum, d. h. die Bedingung V < Vopt herrscht vor, so kann eine Optimierung dadurch erreicht werden, dass beteiligte Ventilatoren 1 abgeschaltet werden. In der 8 sind von oben nach unten die Situationen dargestellt, dass zunächst 6 Ventilatoren 1 im Fan-Grid arbeiten, dann nur noch 5 Ventilatoren 1 und darunter nur noch 4 Ventilatoren 1, wobei die anderen Ventilatoren 1 dann abgeschaltet wurden.
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Die im Fan-Grid verbleibenden Ventilatoren 1 müssen im Sinne der Optimierungsempfehlung jeweils mehr Volumen bei gleichem Systemdruck (in diesem Beispiel 500 Pa) liefern, arbeiten damit aber insgesamt optimal, so dass sich im System ein höherer Wirkungsgrad einstellt.
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Die einzelnen Ventilatoren arbeiten im Betriebspunkt mit einem Volumenstrom V von 10.000 m3/h bei 500 Pa jeweils optimal. Ein Betriebspunkt mit einem Volumenstrom V von 40.000 m3/h bei 500 Pa, kann wahlweise mit 6 bzw. 5 oder 4 Ventilatoren im Parallelbetrieb erreicht werden. Dabei ergeben sich die folgenden Daten:
Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die statische Druckerhöhung bei 6 Ventilatoren ηst = 56%, Leistung 100% (P = 9846 W);
Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die statische Druckerhöhung bei 5 aktiven Ventilatoren ηst = 59%, Leistungsreduzierung –5% (P = 9374 W) und
Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die statische Druckerhöhung bei 4 aktiven Ventilatoren ηst = 62%, Leistungsreduzierung –10% (P = 8988 W).
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In den 9 und 11 sind die Zusammenhänge zwischen Volumenstrom Vsys und Druck Δpsys für die Beispiele für variablen Druck bei konstantem Volumenstrom bzw. variablem Volumenstrom bei konstantem Druck jeweils für 6 bzw. 4 Ventilatoren dargestellt.
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Eine solche Lösung stellt eine beispielhafte Umsetzung der Erfindung dar, wobei das Regelungsverfahren für die Ventilatoren darauf beruht, dass mehrere Ventilatoren des Fan-Grids ihren Betriebszustand sowie ihr jeweils energetisches Optimierungspotential kennen. Auf dieser Basis erfolgt die Aufteilung der Luftmengen auf die einzelnen Ventilatoren bei gleichbleibendem Systemdruck so, dass ein Betrieb von nur vier Ventilatoren zu einem optimierten Wirkungsgrad von ηst = 62% führt.
