DE4319659A1

DE4319659A1 - Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen

Info

Publication number: DE4319659A1
Application number: DE4319659A
Authority: DE
Inventors: Peter Bork; Edmund Dipl Ing Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 1994-12-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Tem peratur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer Heizungs- und/oder Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der durch Temperatur und Feuchte bestimmte Luftzustand in Räumen wird von inneren und äußeren Lasten beeinflußt. Bei den inneren Lasten handelt es sich z. B. um Wärme, die von Maschinen oder elektrischen Geräten, von Beleuchtungs körpern oder von Personen, die sich im Raum aufhalten, abgegeben wird, sowie um die z. B. von Personen oder Pflanzen ausgedünstete Feuchtigkeit. Äußere Lasten sind z. B. Sonne, Wind und Regen, die durch Strahlung, Konvek tion oder Luftaustausch auf die Raumluft einwirken. Die Werte der Raumlufttemperatur und der Raumluftfeuchte sind somit Schwankungen unterworfen, wodurch sowohl die thermi sche Behaglichkeit der Personen als auch die Qualität von in den Räumen gelagerten oder produzierten Erzeugnissen beeinträchtigt werden kann. Mit Hilfe von Heizungs- und/oder Klimaanlagen wird die Wirkung der oben genannten Ein flußgrößen dadurch gemindert bzw. völlig kompensiert, daß die Leistung der zur Verfügung stehenden Heizungs- oder Klimaaggregate an die jeweils herrschenden Störgrößen an gepaßt wird. Mit Hilfe von Automatisierungsmitteln, die auf die genannten Aggregate regelnd und steuernd ein wirken, wird der gewünschte Raumluftzustand rasch erreicht und eingehalten.

Aus der DE-PS 34 39 288 ist ein derartiges Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mit tels einer mehrere Klimaaggregate enthaltenden Luftauf bereitungsanlage bekannt. In Abhängigkeit der thermischen Zustände der Außenluft und der Umluft sowie des Sollwertes für den Zuluftzustand werden Außenluftzustandsbereiche festgelegt, wobei für jeden der Außenluftzustandsbereiche gilt, daß der Sollzustand der Zuluft mit einer bestimm ten, dem Außenluftzustandsbereich zugeordneten Klima aggregatekombination und Betriebsart energiesparend erreicht werden kann.

Je nach der Raumnutzung können aber unterschiedliche Raum luftkonditionen gewünscht und unterschiedlich große Tole ranzbereiche erlaubt sein. Toleranzbereiche werden bei der Sollwertvorgabe des bekannten Verfahrens jedoch nicht be rücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Ver fahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen zu finden, mit dem der Energieverbrauch der Hei zungs- und/oder Klimaanlage weiter vermindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf. Vorteilhafte Weiter bildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß beim Betrieb von Hei zungs- und/oder Klimaanlagen eine erhebliche Menge Energie eingespart wird. Dazu werden die Sollwerte der Temperatur- oder Feuchteregelung in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Störgrößenauswirkung festgelegt. Der Energieaufwand ist nämlich immer dann am geringsten, wenn die Sollwerte so nahe wie möglich an den allein von den Störgrößen beein flußten Istwerten liegen. Dabei liegen die Sollwerte im Bereich der thermischen Behaglichkeit, und der Einfluß der Heizungs- und/oder Klimaanlage wird minimiert. Zudem wird der Kontrast zwischen klimatisierten und unklimatisierten Räumen verringert, so daß ein Wechsel zwischen den Räumen angenehmer wird.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Toleranzfeld für den Raumluftzustand, darge stellt in einem h-x-Diagramm,

Fig. 2 bis 5 für ein Fuzzy-System Zugehörigkeits funktionen der variablen Feuchtegehalt x, Tempera tur t, relative Luftfeuchte PHI bzw. der Sollwerte für die Temperatur t_S1, die relative Luftfeuchte PHI_S1 und den Feuchtegehalt x_S und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Soll wertbestimmung.

Im Hinblick auf die thermische Behaglichkeit für die Raum lufttemperatur t und die Raumluftfeuchte x sind Toleranzen zugelassen, die sich auf der Basis des h-x-Diagramms für feuchte Luft nach Mollier gemäß Fig. 1 veranschaulichen lassen. Die Grenzen eines Toleranzbereiches 1 werden gebildet durch die Kurven für relative Luftfeuchte PHI₁ = 35%, PHI₂ = 65%, für Temperatur t₁ = 22°C, t₂ = 27°C und für Feuchtegehalt x = 11,5 g/kg. Erfin dungsgemäß werden die Sollwerte t_soll für die Temperatur und PHI_soll für die relative Feuchte bzw. x_soll für den Feuchtegehalt auf die nahegelegene Grenze innerhalb des Toleranzfeldes 1 gelegt, wenn der aktuelle Raumluftzustand außerhalb des Feldes liegt. Fällt der aktuelle Raumluft zustand hingegen in das Toleranzfeld 1, so können die Sollwerte t_soll und PHI_soll bzw. x_soll gleich den aktuel len Istwerten sein. In diesem Fall ist jedoch zusätzlich zu berücksichtigen, welche Aggregate der Klimaanlage zu dem aktuellen Raumluftzustand beitragen. Um den Energie aufwand beim Betrieb dieser Aggregate zu minimieren, müssen die Sollwerte t_soll und PHI_soll bzw. x_soll auf die Toleranzfeldgrenze hin verschoben werden. Diese Sollwert korrektur muß dabei in einer Richtung erfolgen, die der Wirkung der beteiligten Aggregate entgegengerichtet ist. Wenn z. B. nur ein Heizaggregat beteiligt ist, geschieht dies durch Korrektur des Temperatur-Sollwertes zu tieferen Werten hin. Bei mehreren beteiligten Aggregaten können vorteilhaft der Energieverbrauch der einzelnen Aggregate einbezogen und die Sollwerte t_soll und PHI_soll bzw. x_soll so vorgegeben werden, daß sie mit geringstem Energie verbrauch erreichbar sind.

Vorteilhaft kann zur Ausführung des Verfahrens ein Fuzzy- System eingesetzt werden. Auf der Basis des Toleranzfeldes 1 und der zum Ausgleich von Störgrößen aktiven Heizungs- und Klimaaggregate lassen sich Fuzzy-Regeln formulieren, die in Verbindung mit der erforderlichen Klassifizierung der Signalbereiche mit linguistischen Werten die Ermitt lung und Aktualisierung der jeweils energiesparendsten Sollwerte ermöglichen. Die Grundlagen geeigneter Fuzzy- Systeme sind z. B. in dem Aufsatz "Fuzzy Control - heuristische Regelung mittels unscharfer Logik" von Hans-Peter Preuß, veröffentlicht in der Zeitschrift "atp" 34 (1992) Heft 4, Seiten 176 bis 183 und Heft 5, Seiten 239 bis 246, beschrieben. In einem Fuzzy-System kann die Anzahl der Ein- und Ausgangsgrößen des Fuzzy- Funktionsbausteins grundsätzlich beliebig sein. Zum Entwurf eines Fuzzy-Systems werden zunächst die numeri schen Wertebereiche der Ein- und Ausgangsgrößen durch linguistische Werte, wie "klein", "mittel" oder "groß", qualitativ charakterisiert. Jeder linguistische Wert wird durch eine Zugehörigkeitsfunktion beschrieben. Diese quantifiziert die qualitative Aussage eines linguistischen Wertes in der Weise, daß sie ihren Wahrheitswert für jeden auftretenden zahlenmäßigen Wert einer Prozeßgröße angibt. Durch diesen Vorgang, der auch als Fuzzifizierung bezeich net wird, wird der Betriebsbereich des betrachteten Pro zesses in "unscharfe" Teilbereiche unterteilt. Die Anzahl der Teilbereiche entspricht der Anzahl linguistischer Werte einer Eingangsgröße, bei mehreren Eingangsgrößen der Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten von linguistischen Werten verschiedener Eingangsgrößen. Für jeden dieser Teilbereiche oder auch zusammengefaßt für mehrere Teil bereiche wird die Funktion des Fuzzy-Systems durch WENN-DANN-Regeln bestimmt. Diese Regeln werden in einer Regelbasis hinterlegt. In jeder Regel wird für eine Kombination von linguistischen Werten der Eingangsgröße, z. B. durch eine Verknüpfung mit den Operatoren "UND" oder "ODER", im Bedingungsteil eine Folgerung als linguisti scher Wert für jeweils eine der Ausgangsgrößen bestimmt. Zur Berechnung der Wahrheitswerte der Bedingungsteile werden die aus den Zugehörigkeitsfunktionen der einzelnen Eingangsgrößen ermittelten Wahrheitswerte entsprechend den in den Regeln verwendeten Operatoren verknüpft. In der als Inferenz bezeichneten Berechnung der Folgerungen der ein zelnen Regeln wird beispielsweise die in einer Regel durch den entsprechenden linguistischen Wert benannte Zugehörig keitsfunktion der Ausgangsgröße auf den Wahrheitswert begrenzt, den der Bedingungsteil der Regel liefert. Bei der sogenannten Komposition werden die Wirkungen der Regeln bezüglich einer Ausgangsgröße einander überlagert, z. B. durch eine Maximalwertbildung aller Zugehörigkeits funktionen der Ausgangsgröße. Zum Schluß erfolgt die als Defuzzifizierung bezeichnete Berechnung des Wertes der Ausgangsgröße. Dies geschieht z. B. durch Berechnung der Lage des Schwerpunktes der von allen begrenzten Zugehörig keitsfunktionen eingeschlossenen Fläche über dem Werte bereich der Ausgangsgröße.

Aus dem Aufsatz "Fuzzy Control - werkzeugunterstützte Funktionsbaustein-Realisierung für Automatisierungsgeräte und Prozeßleitsysteme" von Hans-Peter Preuß, Edmund Lin zenkirchner und Steffen Alender, veröffentlicht in der Zeitschrift "atp" 34 (1992) Heft 8, Seiten 451 bis 460, ist die modulare Realisierung eines Fuzzy-Systems mit Funktionskomponenten zur Fuzzifizierung, als Regelwerk und zur Defuzzifizierung bekannt. Der Vorteil einer Realisie rung des Fuzzy-Systems mit modularen Funktionsbausteinen besteht darin, daß es aufwandsarm auf der vorhandenen Hardware eines bausteinorientierten Automatisierungs- oder Prozeßleitsystems zum Einsatz gebracht und mit bereits vorhandenen Funktionen kombiniert werden kann.

In Fig. 2 sind Zugehörigkeitsfunktionen 2 . . . 6 lingui stischer Werte "sehr klein", "klein", "mittel", "groß" und "sehr groß" für den Feuchtegehalt x der Raumluft darge stellt. Die hier rechteckigen Zugehörigkeitsfunktionen 2 . . . 6 korrespondieren mit der Bereichseinteilung auf der waagerechten Achse in Fig. 1, die die Skala für den Feuchtegehalt x repräsentiert. Ebenso zeigt Fig. 3 Zugehörigkeitsfunktionen 7 . . . 11 jeweils der linguisti schen Werte "sehr klein", "klein", "groß", "recht groß" bzw. "sehr groß" für die Temperatur t und Fig. 4 Zugehörigkeitsfunktionen 12 . . . 15 der linguistischen Werte "sehr klein", "klein", "groß" bzw. "sehr groß" für die relative Luftfeuchte PHI. Die Bereichsgrenzen der Zugehörigkeitsfunktionen 7 . . . 15 sind durch das Toleranz feld 1 in Fig. 1 bestimmt.

Mit Zugehörigkeitsfunktionen 16 und 17 in Fig. 5 werden jeweils die Wertebereiche der Sollwerte für die Temperatur t_S1, den Feuchtegehalt x_S und die relative Luftfeuchte PHI_S1 in zwei gleich große Teilbereiche unterteilt, denen die linguistischen Werte "klein" und "groß" zugeordnet sind.

In Fig. 1 sind die relevanten Arbeitsbereiche durch dick gezeichnete Linien gegeneinander abgegrenzt. Das Regelwerk des Fuzzy-Systems wird durch Angabe der Folgerungen für die einzelnen Teilbereiche als Bedingungsteil der Regeln festgelegt. So lautet z. B. die vollständige Regel für den Arbeitsbereich 18:
WENN (Temperatur = "sehr klein" und relative Luftfeuchte = "sehr klein")
DANN (Temperatur-Sollwert t_S1 = "klein" und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = "klein").

Die Regeln für die übrigen Arbeitsbereiche werden in ana loger Weise gebildet. Als Folgerungen werden dabei verwen det:
Für Arbeitsbereich 19
Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = Istwert der relativen Luftfeuchte und Temperatur-Sollwert t_S1 = "klein",
für Arbeitsbereich 20
Temperatur-Sollwert t_S1 = "klein" und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = "groß",
für Arbeitsbereich 21
Temperatur-Sollwert t_S1 = Temperatur-Istwert und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = "groß",
für Arbeitsbereich 22
Sollwert der Temperatur t_S1 = Temperatur-Istwert und Sollwert des Feuchtegehalts x_S = "groß",
für Arbeitsbereich 23
Sollwert der Temperatur t_S1 = "groß" und Sollwert des Feuchtegehalts x_S = "groß",
für Arbeitsbereich 24
Sollwert der Temperatur t_S1 = "groß" und Sollwert der relativen Luft feuchte PHI_S1 = Istwert der relativen Luftfeuchte,
für Arbeitsbereich 25
Sollwert der Temperatur t_S1 = "groß" und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = "klein",
für Arbeitsbereich 26
Sollwert der Temperatur t_S1 = Istwert der Tempe ratur und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = "klein" und
für Arbeitsbereich 1, der gleichzeitig dem Toleranz feld entspricht,
Sollwert der Temperatur t_S1 = Istwert der Tempera tur und Sollwert der relativen Luftfeuchte PHI_S1 = Istwert der relativen Luftfeuchte.

Diese Schlußfolgerungen können mit Rücksicht auf den für jedes Klimaaggregat typischen Luftzustandsverlauf formu liert werden.

Ein entsprechendes Fuzzy-System ist in Fig. 6 darge stellt. Meßwerte der Raumlufttemperatur t, der relativen Luftfeuchtigkeit PHI, des Feuchtegehalts x sowie die Stellsignale y_H, v_K und y_B einer Heiz-, Kühl- bzw. Be feuchtungseinrichtung werden Funktionsbausteinen 27 . . . 32 zur Fuzzifizierung zugeführt. Diese geben die ermittelten Wahrheitswerte der Zugehörigkeitsfunktionen an ein Regel werk 33 weiter. Die Zahl der Wahrheitswerte wird durch die Anzahl der eingezeichneten Verbindungen zwischen den Funk tionsbausteinen 27 . . . 32 zur Fuzzifizierung und dem Regelwerk 33 angedeutet. Mit nachgeschalteten Funktions bausteinen 34 . . . 39 zur Defuzzifizierung werden entspre chend den Vorgaben des Regelwerks Sollwerte t_S1, PHI_S1, x_S, t_S2 und PHI_S2 der Temperatur, der relativen Luft feuchte und des Feuchtegehalts ermittelt. Mit Hilfe zweier Integrierglieder 40 und 41 können Werte zur Sollwert korrektur aus den Ausgangssignalen t_S2 und PHI_S2 erzeugt werden. Eine Verknüpfung dieser Werte mit den Sollwerten t_S1 und PHI_S1 wird mit Summiergliedern 42 und 43 durch geführt. Ein Signal N (Null setzen) bewirkt bei Raumluft zuständen außerhalb des Toleranzbereichs ein Rücksetzen der Integrierglieder 40 und 41 auf Null, so daß die Soll werte t_S1 und PHI_S1 unkorrigiert wirksam werden. Wenn der Feuchtegehalt x wie in diesem Ausführungsbeispiel auf maximal 11,5 g/kg zu begrenzen ist, aber die relative Feuchte PHI geregelt wird, dann ist eine Umrechnung des Feuchtegehalts auf den entsprechenden Wert der relativen Feuchte PHI erforderlich. In Fig. 6 wird dies durch eine Einheit 44 durchgeführt, deren Eingangsgrößen die Soll werte t_S1 und x_S sind und welche als Ausgangsgröße einen Sollwert PHI_S3 der relativen Feuchte liefert. Der Sollwert PHI_soll der relativen Feuchte wird durch Auswahl des Maximalwertes des Sollwertes PHI_S3 und des mit dem Summierglied 43 gebildeten Sollwertes mit Hilfe eines Funktionsbausteins 45 ermittelt.

Die Tatsache, daß mit Fuzzy-Systemen neben nahezu be liebig nichtlinearen Übertragungsgliedern auch linear wirkende Proportionalglieder realisiert werden können, wird bei diesem Ausführungsbeispiel genutzt. Zur Sollwert bestimmung bei Lage des Raumluftzustandes innerhalb des Toleranzfeldes 1 weist das Fuzzy-System Proportionalglied Charakter auf, für Zustände der Raumluft außerhalb des Toleranzfeldes 1 verhält es sich hingegen wie eine Nicht linearität, nämlich wie ein Mehrpunktschalter. Aus den Meßwerten der Raumlufttemperatur t, der relativen Feuchte PHI und des Feuchtegehalts x der Raumluft werden die drei Sollwerte t_S1, PHI_S1 und x_S abgeleitet. Sie liegen auf einer Grenzlinie des Toleranzfeldes 1, solange sich der Raumluftzustand außerhalb des Toleranzfeldes 1 befindet, und sind gleich den Istwerten, wenn der Raumluftzustand innerhalb des Toleranzfeldes 1 liegt.

Mit dem Fuzzy-System werden aus den Stellsignalen y_H, y_K und y_B der Aggregate, die aus Signalen der Stellungsrück meldung oder der Weg-Endschalter der Klimaaggregate ab geleitet werden können, Korrekturwerte für die Sollwerte t_S1, PHI_S1 und x_S im Sinne geringeren Energieverbrauchs ermittelt. Weist der für die Korrekturwerte zuständige Zweig des Fuzzy-Systems dabei ein Verhalten ähnlich dem eines Dreipunktgliedes auf, so erfolgt die Sollwert korrektur mit nahezu gleichbleibender Geschwindigkeit; hat es hingegen etwa Proportionalglied-Charakter, so wird eine veränderliche Korrekturgeschwindigkeit erzielt.

Claims

1. Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer Heizungs- und/oder Klima anlage und mit den aktuellen Luftzustand liefernden Meß fühlern für die Raumluft, dadurch gekenn zeichnet,

- daß für den Sollwert des Raumluftzustandes ein Toleranz feld (1) vorgegeben ist,
- daß, wenn der aktuelle Raumluftzustand innerhalb des Toleranzfeldes (1) liegt, der Sollwert des Raumluft zustandes ausgehend von dem aktuellen Raumluftzustand als Istwert in einer Richtung zur Toleranzfeldgrenze verschoben wird, die der Wirkung der beteiligten Aggregate der Heizungs- und/oder Klimaanlage entgegen gerichtet ist, und
- daß, wenn der aktuelle Raumluftzustand außerhalb des Toleranzfeldes (1) liegt, der Sollwert des Raumluft zustandes auf der nahegelegenen Toleranzfeldgrenze gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß der Sollwert in Abhängigkeit vom Istwert derart gewählt wird, daß er mit der energetisch günstigsten Teilkombination der Aggregate erreichbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sollwert mit einem Fuzzy-System bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet,

- daß in dem Fuzzy-System Fuzzy-Funktionen mit Pro portionalglied-Charakter verwendet werden, wenn sich der Istwert innerhalb des Toleranzfeldes (1) befindet, und
- daß Fuzzy-Funktionen mit dem Charakter von Mehrpunkt schaltern verwendet werden, wenn sich der Istwert außerhalb des Toleranzfeldes (1) befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß Eingangsgrößen des Fuzzy-Systems die Temperatur (t), die relative Luftfeuchte (PHI) und der Feuchtegehalt (x) der Raumluft sowie die Stellgrößen (y_H, y_K, y_B) der ver fügbaren Aggregate der Heizungs- und/oder Klimaanlage sind und
- daß als Ausgangsgrößen des Fuzzy-Systems die Sollwerte (t_soll, PHI_soll) der Temperatur und der relativen Feuchte der Raumluft geliefert werden.