DE4330646A1

DE4330646A1 - Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer raumlufttechnischen Anlage

Info

Publication number: DE4330646A1
Application number: DE4330646A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Ing Glueck
Original assignee: Rud Otto Meyer GmbH and Co KG
Current assignee: Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1993-09-10
Filing date: 1993-09-10
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2013-09-11
Also published as: ES2105450T3; EP0643271A1; EP0643271B1; DE4330646C2; DE59402998D1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer raumlufttechnischen Anlage, die aus einer Anzahl von Einzelaggregaten zur Luftzustandsänderung besteht und als Eingangsströme Außenluft und Abluft direkt oder indirekt nutzt, wobei die Steuerung der Einzel klimaaggregate und die Prozeßführung so erfolgt, daß die Zuluft einen vorgegebenen Raumluftzustand bewirkt.

Die Luftaufbereitung in modernen Anlagen erfolgt nach Regelungsstrategien, die eine energetische Teilopti mierung beinhalten. Dabei werden die verschiedenen Energieformen nur kalorisch bewertet, und zugelassene Bereiche des Raumluftzustandes sind nur ungenügend nutzbar.

Um ein Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte in Räumen anzugeben, mit dem eine mehrere Klimaaggre gate enthaltenden Luftaufbereitungsanlage für jeden Zustand der Außenluft mit möglichst geringem Energie verbrauch betrieben wird, ist bereits ein Verfahren für eine Luftaufbereitungsanlage angegeben worden, welche als Klimaaggregate mindestens eine Mischkammer zum Mischen der Außenluft mit Abluft der Räume, ein Heizaggregat, ein Kühlaggregat und eine Befeuchtungs einrichtung enthält, und mit die aktuellen Luftzustän de liefernden Meßfühlern für die Abluft, die Außen- und die Zuluft, wobei aufgrund der gespeicherten raum lufttechnischen Betriebsparameter der Klimaaggregate, des aktuellen Zustandes der Außenluft und der Abluft, des Sollzustandes der Zuluft sowie des Mindestvolumen anteils der Außenluft in der Zuluft jeweils eine Teil kombination von Klimaaggregaten betrieben wird, mit welcher der Sollzustand der Zuluft erreichbar ist, wo bei vorgesehen ist, daß aufgrund der gespeicherten raumlufttechnischen Betriebsparameter der Klimaaggre gate, des aktuellen Zustandes der Abluft, des Sollzu standes der Zuluft sowie des Mindestvolumenanteils der Außenluft in der Zuluft Grenzen von Außenluft-Zustands bereichen berechnet werden, denen jeweils die energe tisch günstigste Teilkombination der Klimaaggregate und deren Betriebsart zugeordnet werden, mit denen der Sollzustand der Zuluft erreichbar ist, daß die Zugehö rigkeit des jeweils herrschenden Außenluftzustandes zu einem Außenluft-Zustandsbereich ermittelt wird und daß die diesem Außenluft-Zustandsbereich zugeordnete Teil kombination die Klimaaggregate und deren Betriebsart freigegeben werden. Dabei kann vorgesehen werden, daß jedem Klimaaggregat ein eigener Regelkreis zugeordnet wird, wobei in Abhängigkeit von der jeweilig optimalen Betriebsweise, die sich aus der Zuordnung des Außen luft-Zustandspunktes zu einem der Außenluft-Zustands bereiche ergibt, die einzelnen Regler mit den aktuel len Eingangsgrößen versorgt und nicht benötigte Klima aggregate gesteuert abgeschaltet werden (DE-OS 34 39 288).

In der Zentrale einer Klimaanlage wird der Luftstrom einer gezielten Zustandsänderung unterworfen. Der all gemeinste Fall besteht darin, daß der Anlage Außenluft AU vom Zustand (tAU; xAU) sowie Abluft aus dem Raum AB vom Zustand (tAB; xAB) zuströmt und daraus in den Raum eintretende Zuluft ZU vom Zustand (tZU; xZU) aufzube reiten ist (Fig. 8). Die technisch möglichen Zustandsände rungen sind an die eingesetzten Aggregate gebunden. So kann ein üblicher Lufterhitzer nur längs einer Isohygren (x=const) die Luft erwärmen, ein adiabat arbeitender Wäscher nur längs der Feuchtkugelisothermen (tf = const) befeuchten usw . . Die Auswahl der eingesetzten Aggre gate, ihre Reihenfolge, die vorgesehenen Regelkreise und ihre Sequenzen bestimmen die Prozeßführung. Der Außenluftzustand AU ändert sich witterungsbedingt; oft ist auch der Raumsollwert gleitend an die Außenluft temperatur tAU gebunden, so daß der Abluftzustand AB ebenfalls variabel ist. Diese Tatsache und die zeit lich wechselnde Raumbelastung (Enthalpie- und Feuchte zunahme) erfordern einen angepaßten und damit verän derlichen Zuluftzustand ZU. Diese laufenden Variation en der Lufteintrittszustände in die Zentrale und die zugehörig geforderten Luftaustrittszustände aus der Zentrale sind durch einfach wirkende Regelkreise nicht realisierbar. Entsprechende Verknüpfungen (Sequenzen), die Aggregate abschalten und andere in Folge zuschal ten, müssen vorgesehen werden. Die Wahl der Aggregate sowie ihre Betriebspunkte bestimmen die Prozeßführung und somit die energetischen sowie finanziellen Aufwen dungen, d. h. die Betriebskosten der Anlage über den Jahresgang. Zahlreiche ausgefeilte Regelungsstrategien wurden entwickelt und durch Computersimulationen sowie durch den Praxiseinsatz getestet. Sie arbeiten bei sorgfältiger Planung sehr gut. Dennoch haften diesen Strategien noch systemimmanente Nachteile an:

1. Das Auflösen des Gesamtprozesses in einzelne Regel kreise bzw. bei Beachten der Sequenzen in Regel kreiskomplexe gestattet nur die Optimierung von Prozeßteilen (Fig. 2). Eine Summe optimaler Teilpro zesse führt aber nicht zwangsläufig zu einem Optimum des Gesamtprozesses.
2. Die Vorgabe der Regelstrategie ist vom investierten Zeitaufwand sowie von der Intelligenz des Planers abhängig; das Ergebnis - die Betriebskosten - somit stark subjektiv beeinflußt. Bei der Vielzahl der im Jahresgang zu erwartenden Luftzustandsvarianten muß die Strategie der Prozeßführung ohnehin von Verein fachungen - z. B. von zusammengefaßten Zustandsbe reichen ausgehen (Fig. 3).
3. Üblicherweise können die behaglichen oder technolo gisch erforderlichen Raumluftzustände in relativ großen Bereichen schwanken. Dies betrifft die Raum lufttemperatur und in ganz besonderem Maße die Raumluftfeuchte. Soweit für diesen Fall bisher über haupt Regelungsstrategien entwickelt wurden, gehen sie von sehr vereinfachten Vorstellungen aus. Eine typische, oft nicht zutreffende Annahme legt den "optimalen" Raumpunkt stets auf den Rand des zuläs sigen Bereiches (Fig. 4).
4. Die Strategien gehen von kontinuierlichen Zielfunk tionen - z. B. der Minimierung des Energieeinsatzes - aus. Eine aggregatespezifische Bewertung der Ener gie ist üblicherweise nicht möglich. Somit können Strategien, die sich lediglich auf Enthalpiediffe renzen gründen, die evtl. verfügbare Umweltenergie nicht bevorzugt nützen (Fig. 5).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu bilden, daß eine universelle Optimierung unter Vorgabe verschiedener Zielfunktionen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ge kennzeichneten Merkmale gelöst.

Es handelt sich dabei um eine universelle Optimierungs technik auf der Grundlage der dynamischen Optimierung. Die Zielfunktionen sind frei gestaltbar und können bei spielsweise Energieaufwendungen, Betriebskosten oder umweltrelevante Belastungen minimieren. Als Ergebnis werden die optimale Prozeßführung, die Betriebszustän de und Leistungen der Aggregate sowie der optimale Raumluftzustand im zugelassenen Bereich exakt angege ben. Bei Umsetzung dieses Verfahrens mittels einer mo dernen Datenverarbeitung ist es als idealer Vergleichs prozeß, zur Summierung der Zielfunktion über einen vor gegebenen Nutzungszeitraum und zum praktischen Anla genbetrieb direkt nutzbar.

Während bekannte Verfahren vorsahen, daß jedem Klima aggregat ein eigener Regelkreis zugeordnet wird, wobei in Abhängigkeit von der jeweilig optimalen Betriebs weise, die sich aus der Zuordnung des Außenluft-Zu standspunktes zu einem der Außenluft-Zustandsbereiche ergibt, die einzelnen Regler mit den aktuellen Ein gangsgrößen versorgt und nicht benötigte Klimaaggre gate gesteuert abgeschaltet werden, war es bisher nicht vorgesehen, eine Verfahrensweise so vorzusehen, daß ein Optimum im Gesamtergebnis dadurch erreicht wird, daß einerseits die einzelnen Klimaaggregate mög licherweise nicht optimal arbeiten und andererseits kein spezieller Zielpunkt für den Zuluftzustand, son dern ein Zielbereich für den Luftzustand im Raum-Auf enthaltsbereich vorgegeben wird, der es ermöglicht, unter Berücksichtigung der erfaßten Eingangsgrößen diesen variabel zu nützen - ggf. an den Randbereich zu gehen -, der ein Optimum in der Betriebsweise zuläßt.

Der Kerngedanke für das erfindungsgemäße Verfahren be steht darin, daß erkannt worden ist, daß in erster Linie eine technische Strategie der Prozeßführung er forderlich ist. Diese legt gemäß der Zielfunktionen (minimale Kosten oder minimale Umweltbelastung oder minimaler Energieaufwand oder . . ) und variabel vereinbarten Randbedingungen (alle Zustands punkte müssen im ungesättigten Gebiet liegen, Einsatz einer Wärmerückgewinnungseinrichtung, einer Mischkammer usw.) den optimalen Weg - d. h. den Einsatz der Aggre gate - fest. Als Endziel ist ein Gebiet, welches bei spielsweise gemäß DIN 1946 Teil 2 außentemperaturabhängig definiert wird, fixiert. Würden alle technischen Voraus berechnungen exakt zutreffen, könnte die Klimaanlage nach dieser Strategie betrieben werden. Weicht beispiels weise die Raumbelastung ab, so muß dies die Regelung korrigieren.

Es ist deutlich, daß primär die Strategie den optima len Weg festlegt. Theoretisch könnte man nur mit der Strategiebetrachtung auskommen, wenn bei jeder real festgestellten Abweichung sofort eine Neubestimmung der Strategie erfolgen würde. Für den praktischen Be trieb wird es jedoch für zweckmäßiger gehalten, mit einer zweistufigen Anlagenintelligenz zu arbeiten:

I. In vorgegebenen Zeitabständen wird der Ausgangs punkt (Außenluftzustand) abgefragt, das Zielgebiet darauf aufbauend neu festgelegt und die optimale Steuer-Strategie errechnet. Der optimale Weg gibt an, welche Aggregate zu betreiben sind. Sie werden eingeschaltet.
II. Die betriebsbereiten Aggregate sind bezüglich ih rer Leistung so zu regeln, daß
- - die gewünschte, optimale Zustandsänderung erfolgt,
- - Abweichungen ausgeglichen werden,
- - der Betrieb schwingungsfrei realisiert wird.

Die bekannten Verfahren waren dadurch geprägt, daß ausgehend von der Regelung immer bessere und umfang reichere strategische Zielstellungen integriert wur den ("Grundstrukturen und Steueralsorithmen zur wirt schaftlichen Betriebsweise von Klimaanlagen und Mög lichkeiten der Prozeßbewertung", Abschnitt 4, Diss. von U. Feder, TU Dresden, 1993). Gemäß der erfindungsgemäßen Überlegungen muß die Rangfolge jedoch gerade umgekehrt sein.

Die erforderliche Luftzustandsänderung vom Außenluft punkt AU zum Zuluftpunkt ZU ist nur in den seltensten Fällen auf geradlinigem Weg längs Δh/Δx AU-ZU = const möglich. Den physikalischen und technischen Gegeben heiten Rechnung tragend, wird eine Aneinanderreihung von Zustandsänderungen in den verschiedenen Aggregaten erforderlich sein. Allgemein ist die Richtung der Zu standsänderung im Aggregat k durch (Δh/ΔX) k, darstell bar. Ist weiterhin die Änderung der Feuchte (Δx)k be kannt, dann folgt sofort die Enthalpieänderung zu

Damit ergeben sich formal für den Gesamtprozeß:

Die Gln. (2) und (3) stellen die Nebenbedingungen dar. Die Auswahl der einzusetzenden Aggregate k = 1 . . . n und die dort vor zunehmende Feuchteänderung ((Δx)k hat so zu erfolgen, daß die Zielfunktion, die die Kosten, den Energieaufwand oder umweltrelevante Größen bein haltet, zum Minimum wird:

Fig. 1 zweidimensionales Abarbeitungsschema der dynamischen Optimierung für die Variablen t und x. Vom Außenluftpunkt AU ausgehende Zustandsänderungen und am Zuluftpunkt ZU ankommende Zustandsände rungen sind komplett dargestellt. Da zwischenliegende Zustandsänderungen sind der besseren Übersicht wegen nur beispielhaft eingetragen.

Fig. 2 Beispiel für eine bekannte Regelung ei ner Klimaanlage. Die Strategie hat das Ziel, optimale Teilprozesse zu führen.

Fig. 3 Außenluftanteile MA sind vorgegebenen Außenluftenthalpiebereichen zugeordnet. Der Versatz zwischen je zwei Isenthal pen berücksichtigt den gleitenden Raum sollwert in Abhängigkeit von der Außen lufttemperatur. Die Außenluftanteile MA können durch fixierte Klappenstellungen an der Mischkammer realisiert werden.

Fig. 4 Zulässiger Raumluftzustand (schraffier ter Bereich) und zugehöriger Zuluftzu stand (doppeltschraffierter Bereich) verknüpft durch die Raumzustandsände rung Δh/Δx. Der im Sinne der Zielfunk tion optimale Prozeß endet nicht zwangs läufig auf einer Begrenzung des Berei ches. Der Zuluftpunkt ZU ist beispiels weise kostengünstiger zu erreichen als der Punkt ZU1. Damit ergibt sich der Raumpunkt R als Optimum.

Fig. 5 Gegenüberstellung einer zusammengesetz ten Prozeßführung (Heizen und Befeuch ten) vom Außenluftpunkt AU zum Zuluft punkt ZU. Wird die Heizenergie von der Temperatur unabhängig (kalorisch) be wertet, so sind die Prozeßverläufe 1 und 2 völlig gleichwertig. Berücksich tigt man dagegen, daß bis zur Heiztem peraturgrenze tHG Umweltenergie (z. B. Abwärme) kostengünstiger oder sogar ko stenlos anfällt, so ist der Prozeßver lauf 2 zu bevorzugen.

Fig. 6 Prinzipielles Abarbeitungsschema der dynamischen Optimierung. Die Temperatur erhöhung im Erhitzer ist von der zuge führten Leistung abhängig. Der Tempera turabfall im Wäscher wird durch die Tem peraturdifferenz - Eintrittstemperatur minus Feuchtkugeltemperatur - und den Befeuchtungswirkungsgrad beeinflußt. Es sind unendlich viele Zustandsverläufe möglich.

Fig. 7 Abarbeitungsschema der dynamischen Op timierung nach Einteilung der Zielge biete in feste Abschnitte Δt. Die End punkte werden jeweils auf die Mitte der Abschnitte gelegt.

Fig. 8 Prinzipschaltung einer bekannten Klima anlage mit Kennzeichnung der signifikan ten Luftzustände.

Fig. 9 Schematische Einteilung des h,x-Dia gramms in Zustandsabschnitte (i; j). (Die Sättigungslinie entspricht nicht der Realität!).

Fig. 10 Unterprogramm FELD zur Bestimmung des Feldes (i*; j*) für die Parameterpaarung (t*; x*) und das Unterprogramm FELDINV zur Zuordnung der Zustandspaarung (t*; x*) aus dem Feld (i*; j*). Die Zustands kennung "*" wurde im Hinblick auf das spätere Gesamtprogramm gewählt. Sie kennzeichnet die jeweilige Übergabeva riable zur Unterscheidung der im Haupt programm geltenden Variablen.

Fig. 11 Hauptprogramm zur Ermittlung der opti malen Luftzustandsänderungen im Klima prozeß.

Fig. 12 Unterprogramm EIN zur Organisation der Dateneingabe.

Fig. 13 Unterprogramm AUS zur Organisation der Datenausgabe.

Fig. 14 Unterprogramm OPTI zur Ermittlung der Luftzustandsänderung in den Aggregaten, Überprüfung des Endpunktes auf Zulässig keit und ggf. Aktualisierung der Spei cherinhalte.

Fig. 15 Zielfunktionen der Etappenfelder e und e + 1 mit dazwischen angeordnetem Luft erhitzer. Ausgehend von drei Startpunk ten im Etappenfeld e ergibt sich eine Auffüllung im Etappenfeld e + 1 durch unterschiedliche Heizintensitäten, die von z aus gesteuert werden.

Fig. 16 Unterprogramm ABLUFT zur Ermittlung des Luftzustandsverlaufes im Abluftweg, aus gehend vom Optimierungsergebnis (Etap penfeld e = eR).

Fig. 17 Unterprogramm ZUSTANDG zur Berechnung aller relevanten Zustandsgrößen für feuchte Luft, ausgehend von t* und x* nach (1).

Fig. 18 Unterprogramm ZUSTAND zur Berechnung der Zustandsgrößen *, h* und t* für feuchte Luft, ausgehend von t* und x* nach (1).

Fig. 19 Unterprogramm ZUSTANDH zur Berechnung der Temperatur t* für feuchte Luft, ausge hend von h* und x* nach (1).

Fig. 20 Unterprogramme PS und TS zur Wiedergabe der Verdampfungs- und Sublimationskurve von Wasser für die Zusammenhänge PS (t*) und TS (p*) nach (1).

Fig. 21 Unterprogramme RAUMU und RAUMO zur Er mittlung von Luftzustandsänderungen im unteren und oberen Raumabschnitt.

Fig. 22 Unterprogramm ERHITZER zur Lufterwär mung.

Fig. 23 Unterprogramm WAESCHER zur adiabaten Luftbefeuchtung.

Fig. 24 Unterprogramm DAMPFBEF zur Luftbefeuch tung mit Dampf.

Fig. 25 Unterprogramm KUEHLER zur Luftkühlung und Entfeuchtung.

Fig. 26 Unterprogramme LUEFTER und ALUEFTER zur Druckerhöhung des Zu- bzw. Abluftstro mes.

Fig. 27 Unterprogramme MISCHER und AMISCH zur Zusammenführung von zwei Luftströmen.

Fig. 28 Unterprogramme WRGT und AWRGT zur Wärme rückgewinnung aus dem Abluftstrom.

Fig. 29 Typische Zustandsänderung bei Wärme rückgewinnungseinrichtungen in Komfort- Klimaanlagen.

Fig. 30 Etappenfelder e = 1 bis e = 4, die die Werte der Zielfunktion in Abhängigkeit von ganzzahligen t- und x-Werten in ei ner dem h,x-Diagramm analogen Form für Beispiel 1 angeben.

Fig. 31 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen, der Kostenaufwendungen und der signifi kanten Aktionen für Beispiel 1 (Rechner ausdruck).

Fig. 32 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 1, dargestellt im h,x-Dia gramm.

Fig. 33 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 1, Winterbe trieb mit Wärmerückgewinner.

Fig. 34 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 2, Winterbe trieb mit Mischer.

Fig. 35 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 3, Winterbe trieb mit Wärmerückgewinner und Mischer.

Fig. 36 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 1, Sommerbe trieb mit Wärmerückgewinner.

Fig. 37 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 2, Sommerbe trieb mit Mischer.

Fig. 38 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2, Variante 3, Sommerbe trieb mit Wärmerückgewinner und Mischer.

Fig. 39 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 3 bei einem sommerlichen Außenluftzustand tAU = 22°C; xAU = 8 gW/kgtL. Der Wärmerückgewinner ist außer Betrieb. Der Mischer steht auf 100% Außenluft. Der Wäscher arbeitet mit dem kleinsten Befeuchtungsgrad, so daß der Raumpunkt sich im zugelassenen Raumzu standsfeld einstellt.

Fig. 40 Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 3 bei einem sommerlichen Außenluftzustand tAU = 33°C; xAU = 8 gW/ kgtL. Bis auf Vor- und Nachwärmer wer den alle Aggregate betrieben. Es wird nur Außenluft eingesetzt.

Das Arbeitsprinzip der dynamischen Optimierung zeigt Fig. 6, wobei zunächst nur die Variable t und drei Aggregate (Erhitzer, Wäscher, Erhitzer) betrachtet werden. Von AU aus ist ZU auf unendlich vielen Wegen erreichbar. Diese theoretische Datenmenge kann nicht verarbeitet werden.

Fig. 7 zeigt den möglichen Ausweg; die "Etappenziele" der Zu standsänderung werden in Abschnitte der Größe Δt eingeteilt und alle in diesem Abschnitt endenden Zustandsverläufe mit der mitt leren Temperatur des Abschnittes etikettiert. Damit gibt es zwischen AU und ZU nun endlich viele Wege. Die zahlreichen phy sikalischen und technischen Randbedingungen, die beispielsweise Temperaturen an bestimmten Etappenzielen begrenzen, sind leicht zu berücksichtigen (siehe t_B,Grenz in Fig. 7).

Parallel zu jeder technisch-physikalisch möglichen Zustandsände rung wird das Additiv der Zielfunktion K_k ermittelt und zur bisherigen Zielfunktionssumme addiert. Enden mehrere Zustands änderungen im gleichen Abschnitt, so wird stets die Zustands änderung abgespeichert, deren Zielfunktion den kleinsten Wert aufweist. Zu jedem Abschnitt eines Etappenzieles sind

- die bis dahin gültige Zielfunktionssumme und
- die Abschnittskennzeichnung, aus der die Zustandsänderung entsprang ("Quelle"),

zu vermerken. Dies ist notwendig, denn erst am Endpunkt ZU kann man an Hand der Zielfunktionssumme die letzte optimale Zustands änderung lokalisieren. Die schrittweise Rückverfolgung über die jeweiligen Quellpunkte ermöglicht es, den gesamten optimalen Prozeßverlauf zu kennzeichnen.

In Wirklichkeit ist der dargestellte Lösungsweg aufwendiger, denn die dynamische Optimierung muß zweidimensional für die Variablen Temperatur t und Feuchte x geführt werden. Fig. 1 zeigt den schematischen Lösungsweg. Zwischen den aufeinanderfol genden Zustandsverläufen wird jeweils ein Etappenfeld e angeord net. In ihm können alle relevanten Daten, wie Zielfunktionssumme und Quelle der ankommenden Zustandsänderung vermerkt werden. Folgende Kennzeichnungen sind zu verwenden:

e Nummer des Etappenfeldes
i Nummer des Temperaturabschnittes
j Nummer des Feuchteabschnittes.

Für die spätere Algorithmierung und Programmierung erweisen sich diese Ordnungskennungen als besonders vorteilhaft. Auf die ge reihte Numerierung der Aggregate k kann dagegen verzichtet wer den, wenn man die Aggregate den am Eintritt liegenden Etappen feldern e zuordnet.

Im weiteren erfolgen zahlreiche Hinweise auf Datenfluß pläne für das Verfahren und einzelne Verfahrensmaßnahmen, um hierdurch die tatsächliche technische Abwicklung dar zustellen und zu erläutern.

Jedes in Fig. 1 dargestellte Etappenfeld e kann man sich als t, x-Diagramm für feuchte Luft vorstellen. Der besseren Anschau lichkeit wegen sei jedoch das allseits eingeführte h,x-Diagramm zur bildlichen Darstellung verwendet, dennoch aber bei den Va riablen t und x verblieben. Der Bereich des ablaufenden Klima prozesses wird in 60 Temperatur- und 25 Feuchteabschnitte, also in 1500 Felder eingeteilt. Die Abmessungen eines Feldes betragen Δt = 1 K bzw. Δx = 0,001 kg_W/kg_tL. Es wird der Bereich -19,5°C t < 40,5°C; 0 x < 0,0245 kg_W/kg_tL abgedeckt. Die Feldnummern ergeben sich mit t in °C und x in kg_W/kg_tL zu:

i = INT (t + 20,5); j = INT (1000 x + 1,5) (5).

Beispiele

Die vorgegebenen Zustandspunkte t; x werden durch die Zuordnung in Zustandsabschnitte (i; j) mit einem Fehler 0,5 K und 0,0005 kg_W/kg_tL wiedergegeben. Dies wird aus Fig. 9 deutlich.

Für die inverse Zuordnung gelten:

t = i - 20 in °C; x = (j - 1) / 1000 in kg_W/kg_tL (6).

Beispiele

Die zu den Gln. (5) und (6) gehörigen Unterprogramme FELD und FELDINV sind in Fig. 10 dargestellt.

Der Datenflußplan des Hauptprogramms ist in Fig. 11 dargestellt. Zunächst werden alle Feldgrößen auf den Ausgangszustand gesetzt. Es sind dies:

K[e; i; j] = -1
Zielfunktion (z. B. Kostenfunktion), die die Summe der Aufwendungen bis zum Zustandspunkt e; i; j erfaßt;
Qi[e; i; j] = 0	Quellfunktionen, die angeben, von welchem
Qj[e; i; j] = 0	Feld (e-1; Qi; Qj) die Zustandsänderung zum Feld (e; i; j) führt;
A[e; i; j] = 0	Aktion, die eine kennzeichnende Größe der Zustandsänderung von (e-1; Qi; Qj) nach (e; i; j) vermerkt (z. B. Leistung eines Erhitzers; Stellung der Mischklappe usw.).

Es erfolgt dann die Dateneingabe mit dem Unterprogramm EIN. Sie wird später vorgestellt.

Zwischen den Etappenfeldern e; e + 1 usw. ist jeweils ein Ag gregat angeordnet, welches eine Luftzustandsänderung vornimmt. Bei bekannten Eintrittsbedingungen ist die physikalisch, techni sche Beschreibung gut durchführbar. Problematisch sind lediglich die Aggregate Mischer (MI) und Wärmerückgewinner (WR), die über einen zweiten Eingang eine Rückkopplung aus dem nachfolgenden Prozeßverlauf erhalten. Dies ist besonders kompliziert, wenn der gewünschte Raumzustand keinen Fixwert darstellt, sondern wenn es sich um einen Zielbereich handelt. In diesem Fall muß eine ite rative Rechnung erfolgen. Der Ablauf wird durch die Steuergröße SGG < 0 bestimmt. Ein Anfangswert folgt aus der Mittelung der Begrenzungen für den Raumluftzustand:

(tmax[eR] + tmin[eR])/2

(xmax[eR] + xmin[eR])/2.

Wird am Ende der Berechnung ein Unterschied zu diesen Annahmen von < 1 K oder < 1 g_W/kg_tL festgestellt, beginnt eine erneute Iterationsrechnung ab Sprungmarke (1).

Das Kernstück des Hauptprogramms stellt das Unterprogramm OPTI dar, in ihm werden alle technisch möglichen Zustandsänderungen in den Aggregaten zwischen den Etappenfeldern e = 1 (Außenluft zustand) und e = eR (Raumzustand) berechnet und bewertet (Ein zelheiten im separaten Abschnitt).

Das optimale Ziel wird ausgewählt, indem im zugelassenen Zielge biet der Wert mit der kleinsten Zielfunktion - z. B. den nie drigsten Kosten - ermittelt wird. Anschließend erfolgt eine Rückverfolgung des optimalen Weges mit Kennzeichnung der signi fikanten Etappenwerte:

topt[e]; xopt[e]; Kopt[e]; Akt[e].

Mit dem Unterprogramm ABLUFT wird die den Raumaufenthaltsbereich verlassende Luft weiter verfolgt.

Nach Abschluß der Iterationen werden mit dem Unterprogramm AUS alle interessierenden Größen ausgegeben.

Die Unterprogramme zur Datenein- und -ausgabe EIN und AUS sind in den Fig. 12 und 13 detailliert dargestellt.

Der Algorithmus zur Optimierung und der zugehörige Ablaufplan ist im Unterprogramm OPTI (Fig. 14) veranschaulicht. Es werden alle Etappenfelder von e = 1 (Außen luftzustand AU) bis e = eR - 1 (Raumeintritt) und innerhalb dieser wiederum alle i = 1 . . . 60 sowie j = 1 . . . 25 abgearbei tet, wenn die Zielfunktion K[e; i; j] 0 ist. Zu Beginn stellt der Außenluftzustand einen Quellpunkt dar, da im UP EIN der Außenluftpunkt im Etappenfeld e = 1 mit K[1; i*; j*) = 0 besetzt wurde.

Mittels UP FELDINV folgen t und x. Die Zustandsänderungen in den zwischen e und e + 1 angeordneten Aggregaten kann in verschiede nen Stufen vorgenommen werden. So sind in einem Erhitzer bei spielsweise Temperaturerhöhungen um 1 K, 2 K usw. bis zu einer Endtemperatur von z. B. 40°C möglich. Diese Intensitätsvaria tionen werden durch den Zähler z gesteuert. Ist die technisch mögliche Endstufe der Zustandsänderung erreicht, so wird die Steuergröße zmax = 1, ansonsten zmax = 0 gesetzt.

Als AGGREGAT[e] können Mischer, Erhitzer, Kühler, Dampfbefeuch ter, Wäscher, Lüfter und thermische Wärmerückgewinner durch die gleichnamigen Unterprogramme aufgerufen werden. Gleichfalls wird die Aufenthaltszone des Raumes (Raum-unten) als Aggregat aufge faßt. Mit diesem sei der Weg der zu optimierenden Zustandsände rungen abgeschlossen.

Die Enddaten der Luftzustandsänderung tn (neue Temperatur) und xn (neue Feuchte) sowie das Additiv der Zielfunktion ΔK werden berechnet. Ist im betrachteten Aggregat technisch keine Zu standsänderung durchführbar, so wird ΔK < 0 gesetzt.

Das Unterprogramm ZUSTAND liefert die zu tn und xn gehörigen Werte: relative Feuchte ϕn, spezifische Enthalpie hn und Tau punkttemperatur tτn.

Liegen die neuen Zustandswerte im zulässigen Zielgebiet

tmin[e + 1] tn tmax[e + 1] (7)

xmin[e + 1] xn xmax[e + 1] (8)

ϕmin[e + 1] ϕn ϕmax[e + 1] (9)

hmin[e + 1] hn hmax[e + 1] (10)

tτmin[e + 1] tτn tτmax[e + 1] (11)

und gilt außerdem ΔK 0, dann wird die betrachtete Zustands änderung akzeptiert (Im Zusammenwirken mit Gl.(5) ist es sinn voll, die Grenzwerte für t mit ± 0,5 K und für x mit ± 0,0005 kg_W/kg_tL zu tolerieren.). Sie findet endgültig Aufnahme, wenn für die Zielfunktion des neuen Punktes in; jn

K[e + 1; in; jn] < 0 (12)

oder

K[e; i; j] + ΔK < K[e + 1; in; jn] (13)

gilt. Es folgen dann die Speicherbelegungen:

K[e + 1; in; jn] = K[e; i; j] + ΔK (14)

Qi[e + 1; in; jn] = i (15)

Qj[e + 1; in; jn] = j (16)

A[e + 1; in; jn] = Aktion (17).

Letzteres stellt ein typisches Merkmal der durchgeführten Zu standsänderung dar.

Bild 15 zeigt zwei aufeinanderfolgende Etappenfelder; dazwischen befindet sich ein Lufterhitzer, der beispielsweise pro 1 K Tem peraturerhöhung einen Kostensummanden von ΔK = 2 DM/h verur sacht.

Das Unterprogramm ABLUFT (Fig. 16) zeigt den Algorithmus zur Abluftverfolgung und den detaillierten Ab lauf. Ausgehend vom Etappenfeld (e = eR) und den optimalen Raum zustandswerten (t = topt[eR]; x = xopt[eR]) werden bis zum Etap penfeld (emax - 1) die möglicherweise einsetzbaren AGGREGATE [e], wie z. B. Raum-oben, Ablüfter, Abzweig-Mischer und Abluft- Wärmerückgewinner, betrachtet. Die durch diese Aggregate bewirk ten Zustandsänderungen sind Inhalt der entsprechenden Unterpro gramme. Die Austrittsgrößen (tn; xn) werden dem nächsten Etap penfeld

topt[e + 1] = tn (18)

xopt[e + 1] = xn (19)

zugeordnet. Die Zielfunktion erfährt keine weitere Veränderung

Kopt[e + 1] = Kopt[eR] (20);

die aggregattypische Handlung wird vermerkt

Akt[e + 1] = Aktion (21).

Die im Abluftweg auftretenden Beeinflussungen der Zielfunktion - beispielsweise der Betriebskosten für den Ablüfter - sind bereits im Optimierungsalgorithmus mit zu berücksichtigen, da die eigentliche Optimierung am Etappenfeld e = eR abgeschlossen wird. Dies ist leicht möglich, indem die Antriebskosten beim Zulüfter bereits mit zu erfassen sind (siehe UP: LUEFTER). Ana log kann nötigenfalls auch bei der stets zweiteiligen Abwärme rückgewinnung vorgegangen werden.

Bei allen Rechnungen zur Prozeßführung bilden die thermodynami schen Beziehungen die Basis. Die Grundlagen und zusammengefaßte Algorithmen sind bekannt. Sie werden vorausgesetzt und kommen in drei Unterprogrammen zur Anwen dung. Als Luftdruck (Gesamtdruck) p wird der Eingabewert für den Außenluftzustand (Unterprogramm EIN) allgemeingültig für alle Etappen des Klimaprozesses verwendet.

Unterprogramm ZUSTANDG (Fig. 17)

Alle relevanten Zusammenhänge (G deutet auf "global" hin) werden ausgehend von den bekannten Parametern t* und x* berechnet. Verfügbar sind: relative Feuchte ϕ* (ϕ* = 2 charakterisiert übersättigtes Gebiet bei t* < 0°C; ϕ* = 3 desgl. bei t* 0°C), spezifisches Volumen v*, Dichte ρ*, spezifische Enthalpie h*, Feuchtekugeltemperatur tf*, Taupunkttemperatur tτ*, Feuchtegehal te xW und xS, Partialdrücke pW, pL.

Unterprogramm ZUSTAND (Fig. 18)

Hierbei handelt es sich um eine verkürzte Version von ZUSTANDG mit den Ergebnissen ϕ*, h*, tτ*, xW.

Unterprogramm ZUSTANDH (Fig. 19)

Bei den kalorischen Berechnungen zur feuchten Luft treten viel fach die spezifische Enthalpie h* und die Feuchte x* als Ergeb nisse auf. Zur Weiterrechnung muß die Temperatur t* bestimmt werden. Dies erfolgt mit vorliegendem Unterprogramm (H deutet auf die Eingangsgröße h* hin).

In Fig. 20 sind die Verdampfungs- und Sublimationskurve in wech selseitiger Parameterzuordnung pS*(t*) bzw. tS*(p*), die an zahl reichen Stellen der Berechnung benötigt werden, als Unterpro gramme oder Subroutinen formuliert.

Die Zustandsänderung, die die Luft beim Durchströmen des Raumes erfährt, wird in zwei Abschnitten betrachtet. Im Aufenthalts bereich (unterer Raum) werden

ΔHR W Enthalpiestrom ("trockene und feuchte Wärme")
ΔWR kg_W Feuchtestrom

zugeführt. Im oberen Raum erfolgt nur noch die Übergabe von

ΔHRO W trockener Wärmestrom,

der beispielsweise aus der Leuchtenwärme resultiert.

Vorgegeben ist weiterhin

kg/s Luftmassestrom.

Damit sind die beiden Unterprogramme RAUMU und RAUMO (Fig. 21) nutzbar, woraus die Parameter am jeweiligen Austritt (tn; xn) folgen. Als "Aktion" wird die Richtung der Zustandsänderung (ΔHR/ΔWR) im unteren Raumabschnitt bzw. die reine Temperatur erhöhung (tn-t) im oberen Raumabschnitt vermerkt. Die "Endpara meter des unteren Raumes" müssen definitionsgemäß den geforder ten Raumsollwerten entsprechen. Das bedeutet, daß damit der zu optimierende Klimaprozeß endet. Die Zustandsänderung im oberen Raumbereich wird inhaltlich bereits zum Abschnitt "Verfolgung der Abluft" gerechnet.

Die Berechnungsalgorithmen sind in Datenflußplänen ausführlich dokumentiert. Sie werden deshalb nur kurz charakterisiert. Generell stellen die nachfolgenden Algorithmen nur Beispiele dar, die jederzeit veränderbar sind. Theoretisch könnten sogar die exakten Aggregateberechnungen integriert werden, so daß der Approximationsgenauigkeit keine Grenzen gesetzt sind. Hier soll jedoch in erster Linie die Richtigkeit des Lösungsweges demon striert werden. Als Zielfunktion sei eine Kostenfunktion ver wendet.

Erhitzer: Unterprogramm ERHITZER (Fig. 22)

Beginnend bei der Eintrittstemperatur t erfolgt in z Stufen eine Temperaturerhöhung um je 1 K bis zu einer Endtemperatur tn = 40°C

tn = t + z (22).

Die absolute Feuchte bleibt bei der Erwärmung konstant

xn = x (23).

Die übertragene Leistung beträgt

Δ = (1,01 + 1,86 x) (tn - t) in kW (24).

Unterhalb der Grenztemperatur tn tHG wird mit spezifischen Kosten kx = k1H, darüber mit kx = k2H - jeweils in DM/kWh - gerechnet. Damit sind kostengünstige oder kostenlose Umwelten ergieangebote optimal nutzbar. Die Aufwendungen betragen

ΔK = Δkx in DM/h (25).

Unter "Aktion" wird die Leistung Δ gespeichert.

Das Unterprogramm WAESCHER ist in Fig. 23 dargestellt.

Es wird ein geregelter Wäscher zugrunde gelegt. Beim ersten Berechnungsdurchgang (z = 0) erfolgt die Bestimmung der zu t und x gehörigen Feuchtkugeltemperatur tf* und die zu t* = tf* gehö rige Sättigungsfeuchte xf. Vereinfachend werden die linearen Schrittweiten

bestimmt. Damit ergeben sich dann in z = 20 Schritten die Aus trittsgrößen

tn = t - z Δtf (28)

xn = x + z Δxf (29)

und weiter der Befeuchtungsgrad

Liegt er im technisch möglichen Bereich - die Grenzwerte sind im UP EIN eingegeben worden -

ηBmin ηB ηBmax (31)

oder ist z = 0, dann werden die Kosten bestimmt.

Ausgehend von der Beziehung

mit

ΔP_w Differenzdruck der Sprühwasserpumpe
_w Wasserstrom
η_P Pumpen- und Motorwirkungsgrad
p_el spezifischer Preis der Elektroenergie

und dem erforderlichen Wassermassestrom

folgt

ΔK = Δp_w _w ρ_w ^-1 η_P ^-1k_el (34).

Mit Δp_w = 2 bar, ρ_w = 1000 kg/m³, C = 4 (Annahme für einen be stimmten Wäschertyp) und kW = p_el/η_P in DM/kWh ergibt sich in der Flußbildschreibweise

ΔK = -0,05 ln (1 - ηB) kW in DM/h (35).

Unter "Aktion" wird der Befeuchtungsgrad vermerkt.

Das Unterprogramm DAMPFBEF ist in Fig. 24 dargestellt.

Im ersten Berechnungsschritt (z = 0) werden zugehörig zum Ein gabewert Dampfdruck pDB die Enthalpie des Sattdampfes ΔhD nach (1) und zum Lufteintrittszustand (t; x) mit UP ZUSTAND die Ent halpie der Luft h bestimmt.

Die Befeuchtung erfolgt in z = 10 Schritten jeweils um 1 g_W/kg_tL. Entsprechend erhöhen sich die Enthalpie- und Feuchtewerte:

Das UP ZUSTANDH liefert das zugehörige tn. Die Kosten ergeben sich zu

wobei die spezifischen Energiekosten kDB aus dem spezifischen Preis der Elektroenergie p_el und dem Wirkungsgrad der Dampferzeu gung η_D nach kDB = p_el/η_D in DM/kWh zu bilden sind. Bei nichtelek trischer Dampferzeugung ist eine entsprechende Anpassung vor zunehmen.

Unter "Aktion" werde die Feuchtezunahme in g_W/kg_tL gespeichert.

Das Unterprogramm KUEHLER ist in Fig. 25 dargestellt.

Zur Ermittlung des Zustandsverlaufes im Oberflächenkühler wird ein einfaches Modell gewählt, das mit dem sogenannten Rippenwir kungsgrad des Kühlers ηK und dem Bypaßfaktor By arbeitet. Im ersten Berechnungsschritt (z = 0) erfolgt für den Lufteintritts zustand die Bestimmung der zu t und x gehörigen Werte h und tτ. Schrittweise wird die mittlere Kaltwassertemperatur um je 1 K abgesenkt

tKW = t - z (39).

Die untere Grenze beträgt tKW = 6°C.

Mit dem Rippenwirkungsgrad berechnet sich die mittlere Oberflä chentemperatur zu

tK = t - ηK (t - tKW) (40).

Liegt diese über der Taupunkttemperatur der Luft tτ, so verläuft die Zustandsänderung auf einer Isohygren

xn = x (41)

ansonsten werde die zu tK gehörige Sättigungsfeuchte xK bestimmt und mit Hilfe des Bypaßfaktors die Austrittsfeuchte der Luft

xn = x - By (x - xK) (42)

berechnet. Die Enthalpie an der Kühleroberfläche hK wird ermit telt. Eine "Mischung" dieses Luftzustandes mit der eintretenden Luft ergibt näherungsweise die Enthalpie am Austritt

hn = h - By (h - hK) (43)

Mit UP ZUSTANDH folgt tn. Liegt die mittlere Kaltwassertempera tur tKW über der Grenztemperatur tKG, so gelten die spezifischen Kosten kx = k1K, sonst kx = k2K.

Die übertragene Leistung berechnet sich zu

Δ = (h - hn) in kW (44)

Die erforderlichen Kosten ergeben

ΔK = Δkx in DM/h (45)

Die Unterprogramme LUEFTER und ALUEFTER sind in Fig. 26 dargestellt.

Ausgehend vom Lufteintrittszustand (t; x) und den daraus be stimmten Größen h* und v* folgt die Enthalpieerhöhung im Zu- bzw. Ablüfter

Dabei bedeuten:

v* (m³/kg) spezifisches Volumen
Δp (Pa) Druckerhöhung (ΔpZ Zulüfter; ΔpA Ablüfter)
p (Pa) Vordruck (näherungsweise gleich dem Außenluftdruck)
ηL Wirkungsgrad (ηLZ Zulüfter; ηLA Ablüfter)
Isentropenexponent für Luft ( = 1,4).

Die Feuchte bleibt konstant

xn = x (47)

woraus mit der neuermittelten Enthalpie unter Verwendung von UP ZUSTANDH die Endtemperatur tn folgt. Die Kosten für den Zu- und Ablüfter werden gemeinsam beim Zulüfter - der in der Optimie rungsstrecke liegt - erfaßt:

Unter "Aktion" werde die Temperaturerhöhung gespeichert.

Die Unterprogramme MISCHER und AMISCH sind in Fig. 27 dargestellt.

Der durch die Klappen an der Mischkammer einstellbare Außenluft anteil MA (Außenluftmassestrom/Mischluftmassestrom) wird in Schritten (z = 0 bis z = 10) erhöht

MA = 1 - 0,1 z (49)

Liegt er im zugelassenen Bereich

MAmin MA MAmax (50)

folgen die Berechnungen

xn = MA x + (1 - MA) xMII (51)

hn = MA h + (1 - MA) hMII (52).

Vorgegeben sind dabei die Luftzustände (x; t) und für den zwei ten Zustrom (xMII; tMII), woraus mit UP ZUSTAND h und hMII er mittelt werden.

Aus xn und hn folgt mit UP ZUSTANDH endgültig tn. Als Kosten funktion sei

ΔK = kM in DM/h (53)

verwendet. In der Regel wird jedoch kM = 0 gelten. Der charak teristische Außenluftanteil MA wurde unter "Aktion" vermerkt.

Das UP AMISCH betrachtet lediglich den Abzweig im Abluftweg, der zur Mischkammer führt. Die Parameter der Abluft ändern sich dadurch natürlich nicht.

Die Unterprogramme WRGT und AWRGT sind in Fig. 28 dargestellt.

Wegen der Variantenvielzahl von Wärmerückgewinneinrichtungen findet ein einfaches, jedoch recht allgemeingültiges Modell Anwendung. Es basiert auf dem Gütegrad (Betriebscharakteristik) ΦWRGT. Ausgehend von den Eintrittsgrößen (t; x) folgen die End werte der Zustandsänderung:

tn = t + ΦWRGT (tWRGTII - t) (54)

xn = x (55).

tWRGTII stellt die abluftseitige Lufteintrittstemperatur in den Wärmerückgewinner dar. Der übertragene Wärmestrom beträgt dann

ΔWRGT = (1,01 + 1,86 x) (tn - t) in kW (56)

woraus aufbauend die Kostenfunktion

ΔK = | ΔWRGT | kWRGT in DM/h (57)

formuliert wird. Es kann vielfach auch sinnvoll sein,

ΔK = kWRGT oder ΔK = kWRGT in DM/h (58)

anzusetzen bzw. kWRGT = 0 zu verwenden. Die spezifischen Kosten sind im UP EIN entsprechend zu modifizieren. "Aktion" speichert den Betriebszustand des Wärmerückgewinners (0 außer Betrieb; 1 in Betrieb).

Fig. 29 zeigt, daß bei Komfortklimaanlagen die Zuluft-Zustands änderung üblicherweise längs einer Isohygren verläuft. Die Ab luft-Zustandsänderung kann im Winterfall sowohl nach a, bei tieferen Temperaturen t aber auch nach b verlaufen. In der Regel interessiert der Abluft-Austrittszustand nicht mehr, denn es handelt sich meistens um Fortluft. Dennoch soll im UP AWRGT (Fig. 28) der Austrittszustand qualitativ richtig erfaßt werden. Die Abfrage Akt[eWR+1] gibt an, ob der Wärmerückgewinner betrie ben wurde. Wenn nein, dann gelten

tn = t
xn = x,

ansonsten werden mit UP ZUSTAND die Enthalpie am Eintritt des Abluftstromes h* und die im Zuluftstrom übertragene Enthalpiedif ferenz ΔWRGT bestimmt. Mit der Enthalpie am Austritt des Ab luftstromes

hn = h* - ΔWRGT

und x folgen aus UP ZUSTANDH die Größen tn = t* und tτ*. Liegt der Austrittszustand nahe an der Sättigungskurve, so wird

xn = xS - 0,001 kg_W/kg_tL

gesetzt und mit UP ZUSTANDH erneut tn bestimmt. Unter "Aktion" werde wiederum der Betriebszustand des Wärmerückgewinners ge speichert.

Werden Wärmerückgewinner und Mischer kombiniert in Anlagen ein gesetzt, so sind die Algorithmen bezüglich der Kostenfunktionen so zu gestalten, daß die jeweils realen oder überhaupt keine Masseströme Verwendung finden.

Bei der numerischen Abarbeitung der Beispiele und der zugehöri gen Ergebnisdarstellung der Prozeßverläufe im h,x-Diagramm ist zu beachten, daß durch die Einteilung in Abschnitte von 1 K und 1 g_W/kg_tL (siehe Fig. 9) Fehler von der halben Abschnittsgröße entstehen können. Außerdem sind die zulässigen Fehlerschranken bei der Hauptprogramm-Iterationsschleife ebenfalls mit 1 K und 1 g_W/kg_tL festgelegt.

Beispiel 1

Eine einfache Teilklimaanlage - bestehend aus Vorwärmer, Wä scher, Nachwärmer - soll Außenluft (-14°C, 1 g_W/kg_tL) so aufbe reiten, daß der Endzustand im Bereich t = (20 . . . 24)°C; ϕ = (0,30 . . . 0,65) bzw. x < 11,5 g_W/kg_tL liegt. Für die Zwischenzu stände existieren keinerlei Begrenzungen. Die spezifischen Kosten betragen:

Wärmeenergie bis zu t_Luftaustritt von 25°C:
k1H = 0,05 DM/kWh
Wärmeenergie über t_Luftaustritt von 25°C:	k2H = 0,15 DM/kWh
Betriebsenergie für Befeuchterpumpe inclusive Wirkungsgrad:	kW = 0,35 DM/kWh

Der Wäscher ist regelbar im Bereich: ηBmin = 0,50; ηBmax = 0,95. Es sind = 8,8 kg/s (ca. 27 500 m³/h) Luft aufzubereiten. Der Prozeßverlauf ist so zu bestimmen, daß minimale Kosten entstehen.

Zur Optimierung des Anlagenbetriebs wird das vorgestellte Programmsystem eingesetzt.

Um den Lösungsweg verständlich zu machen, seien im Fig. 30 die einzelnen Etappenfelder, die angelehnt an ein h,x-Diagramm ge staltet und mit der Zielfunktion "Kosten in DM/h" gefüllt sind, ausgedruckt. Die Zwischenergebnisse werden kurz charakterisiert:

Etappenfeld e = 1

Es ist nur der Außenluftzustand (- 14°C; 1 g_W/kg_tL) mit den Ko sten 0 DM/h belegt.

Etappenfeld e = 2

Die Aufheizung erfolgt in 1 K-Schritten, die Feuchte bleibt konstant. An den möglichen Endpunkten sind die Kosten vermerkt. Die höheren spezifischen Energiekosten bei Temperaturen < 25°C werden durch den abgebildeten Kostensprung deutlich.

Etappenfeld e = 3

Zwischen e = 2 und e = 3 ist der Wäscher installiert. Wird er nicht betrieben, so bleiben die bisherigen Werte erhalten (siehe Reihe x = 1 g_W/kg_tL). Geht er in Betrieb, so folgen Luftzustände mit x < 1 g_W/kg_tL, wobei nur die technisch möglichen Endpunkte (ηB = 0,5 . . . 0,95 und tf = const) belegt sind. Geringe Abwei chungen und Fehlstellen im geschlossenen Gebiet entstehen durch den Übergang von t; x auf i; j, der mit UP FELD vorgenommen wird.

Etappenfeld e = 4

Von jedem in e = 3 belegten Abschnitt erfolgt eine Aufwärmung in 1 K Stufen. Gemäß geltender Kostenfunktion werden die Ergebnisse vermerkt. Es treten hierbei besonders deutlich hervor, daß

- technisch gleiche Endpunkte stets überspeichert werden mit den kostengünstigsten Zustandsänderungen;
- nur die im zugelassenen Zielgebiet liegenden Luftzustände eingetragen werden.

Fig. 31 faßt nach Auswahl der niedrigsten Kosten im Zielgebiet und Rückverfolgung der jeweils vorangegangenen Quelle den opti malen Weg der Zustandsänderungen mit Angabe der jeweils signifi kanten "Aktion" zusammen. Fig. 32 zeigt den Verlauf im h,x-Dia gramm.

Beispiel 2

Es ist der optimale Prozeßverlauf für eine Hörsaal-Klimatisie rung im Winter- und Sommerfall zu ermitteln. Es sind gegeben:

Die aufgeführte Anordnung der Aggregate und des Raumes entspricht der Rich tung des Luftdurchganges. Es sind für beide Betriebsfälle folgende Varianten zu untersuchen:

Variante 1: Wärmerückgewinner; kein Mischer
Variante 2: Mischer; kein Wärmerückgewinner
Variante 3: Wärmerückgewinner und Mischer.

Der Luftmassestrom beträgt idealerweise stets = 8,8 kg/s.

Die Möglichkeiten des Optimierungsverfahrens werden voll genutzt. Sowohl der Wärmerückgewinner als auch der Mischer be sitzen eine Ankopplung an den Abluftstrom, so daß iterative Berechnungen notwendig sind. Trotz des enormen Rechenaufwandes betragen die PC-Bearbeitungszeiten nur ca. 1 Minute. Die optima len Ergebnisse sind in den Fig. 33 bis 38 dargestellt. Die tabellarische Zusammenfassung zeigt die deutlichen Vorteile des Mischkammereinsatzes (MI) und die zusätzliche Kopplung mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung (WR):

Beispiel 3

Die sommerliche Raumbelastung, der zulässige Raumluftbereich sowie die Aggregatezusammenstellung mit Wärmerückgewinner und Mischer gelten wie in Beispiel 2 beschrieben. Variiert wird lediglich der sommerliche Außenluftzustand. Die Ergebnisse der optimalen Prozeßverläufe werden in den Fig. 39 und 40 vor gestellt und in den Figurenbeschreibungen charakterisiert.

Vorteilhafterweise ist eine automatisierte Ermittlung des zulässigen Raumbereiches möglich.

Zugehörig zur Außenlufttemperatur können mit sehr geringem Auf wand die zulässigen Raumluft-Zustandsbereiche, bei Komfortkli maanlagen z. B. nach DIN 1946 Teil 2, formuliert werden. Damit ist die Eingabe zu vereinfachen. Weiter wird durch Ergänzung einer äußeren Abarbeitungsschleife die Berechnung einer Folge von Außenluftzuständen automatisiert möglich.

Auch ist die Ermittlung von Zielfunktions-Intervallsummen möglich.

Häufig interessieren die Energie- oder/und Kostenaufwendungen für den Betrieb einer Klimaanlage während eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise für ein Jahr. Die Außenluftzustände können dabei nach Temperatur, Feuchte und zugehöriger Häufigkeit gemäß DIN 4710 vorgegeben werden, oder ihre Beschreibung erfolgt mit Hilfe des Test-Referenzjahres. Die Summenbildung der Ziel funktion ist problemlos möglich. Da die untersuchten Zustands änderungen jeweils optimale Betriebsabläufe darstellen, wird die Zielfunktion zum Minimum. Das Ergebnis repräsentiert somit einen optimalen Vergleichsprozeß.

Auch die Optimierung des Massestromes kann mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.

Der im Sinne der Zielfunktion optimale Weg der Luftzustandsände rungen gilt für den vorgegebenen Massestrom. In der Regel nehmen die Energie- und Kostenaufwendungen mit sinkendem Massestrom ebenfalls ab. Der minimale Luftstrom wird durch hygienische, teilweise auch durch bauphysikalische Erfordernisse vorgegeben. Direkt an den Luftstrom ist die sich einstellende Temperaturdif ferenz Raumtemperatur minus Zulufttemperatur gekoppelt. Für sie gelten behaglichkeits- und luftführungsbedingte Grenzwerte, die zu beachten sind.

Generell kann eine Optimierung des Massestromes (bzw. des Volu menstromes) folgendermaßen vorgenommen werden:

- Berechnung der Zielfunktion Z (z. B.: KSUM) und der Tempe raturänderung der Zuluft im Raum (Δt_ZU = topt[eR] - topt [eR - 1] für ein vorgegebenes ;
- Liegt über dem zulässigen Minimalwert und Δt_ZU im zulässi gen Bereich wird solange eine Luftstromreduzierung (z. B.: ₁ = 0,95 ; ₂ = 0,95 ₁ usw.) und eine Neuberechnung des optimalen Weges durchgeführt, bis einer der Grenzwerte erreicht ist. Sind die Leistungen der Bauteile vom Luft wechsel abhängig, so muß dies in den entsprechenden Algo rithmen berücksichtigt werden. Die Randbedingungen bedürfen gegebenenfalls auch der Anpassung, so beispielsweise der zulässige Außenluftanteil des Mischers MAmin. Die zu den ₁; ₂ usw. gehörigen Zielfunktionsgrößen Z₁; Z₂ usw. werden vermerkt und das Minimum bestimmt. Damit ist dann der opti male Luftdurchsatz determiniert.
Bei speziellen Zielfunktionen wäre es auch denkbar, daß über dem Erstwert liegende Luftdurchsätze das Ergebnis positiv beeinflussen. Technisch sinnvolle, maximale Luft durchsätze sind zu postulieren.
- Zum Auffinden des optimalen Luftstromes sollten bei größe rer Variationsbreite die bekannten mathematischen Lösungs verfahren angewendet werden.

Summiert man die Zielfunktion - beispielsweise die Betriebsko sten - über einen Jahres Zeitraum für verschiedene Konfiguratio nen der Klimaanlage, so kann die optimale Aggregatebestückung ermittelt werden. Typische Beispiele sind die Gegenüberstellung von Dampfbefeuchter, regelbarem Wäscher und nichtregelbarem Wäscher oder die Überprüfung der Wirtschaftlichkeit von Wärme rückgewinnern u. a. m.

Es wäre auch denkbar, in der Klimaanlage einen Dampfbefeuchter und einen Wäscher gleichzeitig vorzusehen und zu prüfen, welches Aggregat unter welchen Bedingungen bei der Optimierung ausge wählt wird. Gegebenenfalls wären die Betriebszeiten über ein Jahr zu ermitteln und danach die Auswahl zu treffen.

Der verfahrensgemäße Betrieb der raumlufttechnischen Anlage ist nachstehend dargestellt.

Die Optimierung des Luftaufbereitungsprozesses liefert Aussagen über den im Sinne der Zielfunktion günstigsten Raumluftzustand und die Betriebszustände der einzelnen Aggregate. Diese optimale Strategie ist ein absolut neuwertiges Ergebnis von sehr großer Bedeutung für die Steuerung und Regelung von RLT-Anlagen. Die Auswahl der zu betreibenden Bauteile und ihre Leistungen liegen vor. Entsprechende Steuerungen können auf dieser Grundlage vor genommen werden, z. B.:

- Wärmerückgewinner in Betrieb setzen;
- Wäscherpumpe einschalten;
- Klappen am Mischer in die berechnete Stellung fahren;
- Kälte- oder Wärmebereitstellung, falls nicht ständig verfüg bar, in Betrieb nehmen.

Problematischer verhält es sich mit der Regelung zur Leistungs anpassung der Aggregate. Es gibt dazu zwei Möglichkeiten:

- Jedes Aggregat erhält eine Einzelregelung mit dem errechneten Luftaustrittszustand als Sollwert.
- Mehrere Aggregate - z. B. Vorwärmer, Kühler, Nachwärmer (vgl. Fig. 2) - werden mit einer Regelung bei entsprechenden Ver knüpfungen und Sequenzen betrieben. Dies stellt im Sinne der Zielfunktion keinen "Rückschritt" dar, wenn Optimierungs- und Regelungsstrategie übereinstimmen oder wenn die Regelung nur in einem engbegrenzten Bereich "eigenmächtig" operieren darf.

Welche der beiden Varianten gewählt werden sollte, ist vor allem durch praktische Gesichtspunkte - beispielsweise Stabilitäts betrachtungen und Hardwareeinsatz - zu bestimmen.

Die Berechnung der optimalen Prozeßführung ist in rhythmischen Abständen zu wiederholen. Dabei sollten die realen Verhältnisse adaptiert werden. Dies bezieht sich auf die Leistungscharakteri stiken der Bauteile und auf die Zustandsänderungen im Raum. Geht man davon aus, daß die entsprechenden Ein- und Austrittsparame ter bekannt sind, so gibt es für die Adaption mehrere Möglich keiten:

- Die Zustandsänderung wird durch Ermittlung von Δh sowie Δx direkt bestimmt. Die Programmeingaben erfahren eine ent sprechende Korrektur. Dieses Vorgehen bietet sich zur Er fassung der realen Raumlasten an. Es ist aber auch denkbar, dieses Verfahren auf Aggregate der RLT-Anlage anzuwenden und eine Zuordnung beispielsweise zu den Luft- und Wasser eintrittstemperaturen herzustellen.
- Die im Optimierungsalgorithmus verwendeten Ersatzmodelle werden durch die realen Zustandsänderungen korrigiert. So sind beispielsweise aus den Eintritts- und Austrittstempe raturen der Luft und des Kaltwassers der Rippenwirkungsgrad und der Bypaßfaktor des Oberflächenkühlers für den vorgege benen Einsatzbereich realistisch bestimmbar.
- Die Modelle zur Nachbildung der Aggregatecharakteristiken können durch Auswertung stochastischer Zusammenhänge über längere Zeiträume und wechselnden Betriebsbedingungen be deutend verfeinert werden.

Claims

1. Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer raumlufttechnischen Anlage, die aus einer Anzahl von Einzelaggregaten von Luftzustandsänderung besteht und als Eingangs ströme Außenluft und Abluft direkt oder indirekt nutzt, wobei die Steuerung der Einzelklimaaggregate und die Prozeßführung so erfolgt, daß die Zuluft einen vorgegebenen Raumluftzustand bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßverlauf so bestimmt wird,

a) daß eine Zielfunktion "Minimierung der exergetisch, umweltrelevant, kalorisch oder kostenmäßig bewer teten Energieaufwendungen oder "Minimierung direkt eingesetzter Naturressourcen" erfüllt wird, wobei der Bewertungsmaßstab für jedes Einzelaggregat ggf. unterschiedlich festlegbar ist,
b) daß Randbedingungen, die Luftzustände am Austritt der Einzelaggregate 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 daraus abgeleiteter Größen begrenzen, sowie den Aggregateeinsatz hinsichtlich des Luftdurchsatzes, der heiz- oder kühlmedienseitigen Durchflußpara meter, der Leistung, der Zustandsgrößen der auf zubereitenden Luft oder aggregatespezifischer Charakteristiken einschränken, vorgegeben werden,
c) daß die technisch physikalisch realisierbare Zu standsänderungen in den einzelnen Aggregaten ermit telt werden,
d) daß der Gesamtprozeßverlauf durch Aneinanderreihung der Zustandsänderungen in den einzelnen Aggregaten realisiert wird und nach Erreichung der Zielfunktion die Steuerungsergebnisse durch Angabe der Luftzu standsparameter nach dem jeweiligen Aggregat so festgelegt wird,
e) daß danach der Betrieb jedes Aggregats einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt steuerbar oder regelbar ist, wobei im letzteren Fall die optimierten Luft austrittsparameter als Sollwerte verwendbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des vorgegebenen Raumluftzustandes ein durch die Parameter der Eingangsluftströme definierter Raumluftzustand oder hinsichtlich Temperatur und Feuchte ein definierter Raumluftzustandsbereich Verwendung fin det.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Prozeßführung auch eine Optimierung des Luftdurchsatzes einschließt, wobei hygienisch, luftführungstechnisch und/oder bauphysikalisch beding te Begrenzungen vorgebbar sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Prozeßführung für verschiedene Aggre gatereihungen ermittelt wird, um die im Sinne der Ziel funktion günstigste Aggregatebestückung zu bestimmen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Prozeßführung für eine Reihe von Aus senluftzuständen, die für einen vorgegebenen Zeitraum typisch sind, ermittelt wird und die Ergebnisse im Sin ne der Zielfunktion zusammengefaßt werden, um die Ge samtgröße der Zielfunktion anstelle einer momentan gel tenden Zielfunktionsgröße zu verwenden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die raumlufttechnische Anlage eine Anzahl Einzelaggregate, nämlich mindestens ein Heizaggregat (EH), ein Kühlaggregat (KU) und ein Befeuchtungs aggregat (WA) enthält und die aktuellen Luftzustände (Druck (p), Temperatur (t), Feuchte (x) ggf. auch andere Luftzustandsgrößen) liefernde Meßfühler für die Außen-, die Ab- und Zuluft aufweist, wobei auf grund der im Sinne der Zielfunktion unter Beachtung der raumlufttechnischen und aggregatespezifischen Randbedingungen ermittelten Optimierungsergebnisse alle Aggregate oder Teilkombinationen von Aggrega ten betrieben werden, mit denen der Raum-Sollzu standsbereich (t SOLL min . . . t SOLL max, x SOLL min . . . x SOLL max, phi SOLL min . . . phi SOLL max, tau SOLL min . . . tau SOLL max) erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß unter Beachtung der vorgegebenen, gespeicher ten Randbedingungen alle mit den Einzelaggrega ten möglichen Temperatur- und/oder Feuchteände rungen in i Temperaturabschnitten Δt 1 K und in j Feuchteabschnitten Δx 1 g/kg betrachtet werden und die Zielfunktionssumme K bestimmt wird, wobei als Ausgangspunkt der Außenluftzu stand (t AU, x AU) mit K = 0 gilt,
b) daß alle technisch möglichen Luftzustände nach je dem Aggregat in einem t,x-Etappenfeld e durch den bis zu diesem Zustandspunkt im Sinne der Zielfunktion erforderlichen Minimalaufwand (e, i, j) gekennzeichnet werden,
c) daß nur die Kmin(e,i,j) 0 Ausgangspunkte für die Zustandsänderung im nächsten Aggregat sein können,
d) daß die Zustandsänderung im Raum, ggf. geteilt in den Aufenthaltsbereich und einen oberen Be reich, technisch-physikalisch wie die Zustandsän derung in einem Aggregat betrachtet wird, jedoch kein Additiv zur Zielfunktionssumme hinzugefügt wird,
e) daß die im Raum-Aufenthaltsbereich mit Kmin (e,i,j) 0 belegten Zustandspunkte, t(e,i), x(e,j), die innerhalb des Raum-Sollbereiches liegen, unter Beachtung aller Randbedingungen die technisch möglichen Raumluftzustände, die mit dem Klimaprozeß erreichbar sind, darstellen,
f) daß der optimale lufttechnische Prozeß im Sinne der Zielfunktion im Raum-Aufenthaltsbereich durch den Zustandspunkt mit dem kleinsten, belegten Kmin(e,i,j)-Wert führt,
g) daß die Optimierung des lufttechnischen Prozes ses in rhythmischen Abständen wiederholt wird, wobei dies für vorgegebene Zeitintervalle oder in Abhängigkeit der gemessenen, ggf. zeitbezoge nen, Luftzustandsänderungen der Eingangsgrößen (Außen-, Ab- und/oder Zuluft) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aggregatespezifischen Randbedingungen und technisch mögliche Zustandsänderungen, ausgehend von den Vorgabewerten unter Verwendung der tatsäch lich gemessenen Luftzustandsänderung selbsttätig nach einer vorgegebenen Approximationsfunktion ver ändert und gespeichert werden.