DE4330646A1 - Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer raumlufttechnischen Anlage - Google Patents
Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer raumlufttechnischen AnlageInfo
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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 tB,Grenz in Fig. 7).
Parallel zu jeder technisch-physikalisch möglichen Zustandsände
rung wird das Additiv der Zielfunktion Kk 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.
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 kgW/kgtL. Es wird der Bereich
-19,5°C t < 40,5°C; 0 x < 0,0245 kgW/kgtL
abgedeckt. Die Feldnummern ergeben sich mit t in °C und x in
kgW/kgtL zu:
i = INT (t + 20,5); j = INT (1000 x + 1,5) (5).
Die vorgegebenen Zustandspunkte t; x werden durch die Zuordnung
in Zustandsabschnitte (i; j) mit einem Fehler 0,5 K und
0,0005 kgW/kgtL wiedergegeben. Dies wird aus Fig. 9 deutlich.
Für die inverse Zuordnung gelten:
t = i - 20 in °C; x = (j - 1) / 1000 in kgW/kgtL (6).
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 gW/kgtL 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
kgW/kgtL 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.
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.
Hierbei handelt es sich um eine verkürzte Version von ZUSTANDG
mit den Ergebnissen ϕ*, h*, tτ*, xW.
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 kgW Feuchtestrom
ΔWR kgW 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.
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
ΔPw Differenzdruck der Sprühwasserpumpe
w Wasserstrom
ηP Pumpen- und Motorwirkungsgrad
pel spezifischer Preis der Elektroenergie
w Wasserstrom
ηP Pumpen- und Motorwirkungsgrad
pel spezifischer Preis der Elektroenergie
und dem erforderlichen Wassermassestrom
folgt
ΔK = Δpw w ρw -1 ηP -1kel (34).
Mit Δpw = 2 bar, ρw = 1000 kg/m³, C = 4 (Annahme für einen be
stimmten Wäschertyp) und kW = pel/ηP 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 gW/kgtL.
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 pel und dem Wirkungsgrad der Dampferzeu
gung ηD nach kDB = pel/ηD in DM/kWh zu bilden sind. Bei nichtelek
trischer Dampferzeugung ist eine entsprechende Anpassung vor
zunehmen.
Unter "Aktion" werde die Feuchtezunahme in gW/kgtL 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).
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,
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 kgW/kgtL
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 gW/kgtL (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 gW/kgtL festgelegt.
Eine einfache Teilklimaanlage - bestehend aus Vorwärmer, Wä
scher, Nachwärmer - soll Außenluft (-14°C, 1 gW/kgtL) so aufbe
reiten, daß der Endzustand im Bereich t = (20 . . . 24)°C; ϕ =
(0,30 . . . 0,65) bzw. x < 11,5 gW/kgtL liegt. Für die Zwischenzu
stände existieren keinerlei Begrenzungen. Die spezifischen Kosten
betragen:
Wärmeenergie bis zu tLuftaustritt von 25°C: | |
k1H = 0,05 DM/kWh | |
Wärmeenergie über tLuftaustritt 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:
Es ist nur der Außenluftzustand (- 14°C; 1 gW/kgtL) mit den Ko
sten 0 DM/h belegt.
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.
Zwischen e = 2 und e = 3 ist der Wäscher installiert. Wird er
nicht betrieben, so bleiben die bisherigen Werte erhalten (siehe
Reihe x = 1 gW/kgtL). Geht er in Betrieb, so folgen Luftzustände
mit x < 1 gW/kgtL, 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.
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.
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.
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):
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 (ΔtZU = topt[eR] - topt [eR - 1] für ein vorgegebenes ;
- - Liegt über dem zulässigen Minimalwert und ΔtZU 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 (7)
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.
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