DE69322504T2

DE69322504T2 - Steuerung der lüftungsrate und der raumluftqualität

Info

Publication number: DE69322504T2
Application number: DE69322504T
Authority: DE
Inventors: Kirk H. West Lafayette In 47906 Drees; George J. Brookfield Wi 53005 Janu; Mark W. Brown Deer Wi 53223 Tellier
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1992-10-15
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2013-10-13
Also published as: EP0637368B1; JPH07505213A; DE69322504D1; US5292280A; EP0637368A1; AU5356394A; CA2123491A1; MX9306416A; EP0637368A4; ATE174421T1; WO1994009324A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Lüftungsrate und der Raumluftqualität bei einem Heiz-, Lüftungs- und Klima-(HVAC = Heating, Ventilation and Air Conditioning)System, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Außenluftvolumenumlaufs in einem HVAC-System unter Verwendung der Messung von Spurengaskonzentrationen.
Raumluftqualität ist ohne Frage notwendigerweise von höchster Wichtigkeit. Nicht nur sind Benutzer von Gebäuden, z. B. von Büroräumen und dergleichen zunehmend besorgt um und sich bewußt über Gesundheitsfragen, sondern in jüngster Zeit haben auch technische Verbände Normen herausgegeben, die die Minimalbelüftungsraten für annehmbare Raumluftqualität angeben. Zum Beispiel hat die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. (ASHRAE) die ASHRAE- Norm 62-1989 mit dem Titel "Ventilation for Acceptable Indoor Quality" herausgegeben. Die ASHRAE-Normen dienen generell dazu, die Industrie und die Öffentlichkeit durch Vorschläge für sichere Praktiken zu unterstützen, und die Einhaltung dieser Normen ist vollständig freiwillig.
Dennoch werden solche Normen unter der Aufsicht von ASHRAE entwickelt und stellen einen durch besorgte Interessen erreichten Konsens bezüglich der Hauptthemen in den Normen dar. Außerdem werden viele ASHRAE- Normen wie z. B. ASHRAE6-Norm 62-1989, mehr und mehr in die örtlichen Bauvorschriften aufgenommen.
ASHRAE 62-1989 gibt alternative Möglichkeiten zur Sicherstellung annehmbarer Raumluftqualität an: Ein Lüftungsratenverfahren und ein Raumluftqualitätsverfahren. Angenehme Luftqualität wird mit dem Lüftungsratenverfahren dadurch erreicht, daß zirkulierende Luft einer bestimmten Qualität und Menge für einen bestimmten Raum vorgesehen wird. Ähnlich wird angenehme Luftqualität innerhalb des Raumes beim Raumluftqualitätsverfahren durch Überprüfen bekannter spezifizierbarer Verunreinigungen erreicht.
Im einzelnen schreibt ASHRAE-62-1989 die erforderlichen Versorgungsmengen von Außen- bzw. Umgebungsluft für angenehme Raumluftqualität in Wohnungen, Instituten und kommerziellen Einrichtungen vor. Wie in der Norm angegeben, umfassen die Versorgungsmengen einen angemessenen Sicherheitsrahmen und berücksichtigen die unterschiedlichen Gesundheitszustände bei Menschen. Die Mengen sind eine Funktion von u. a. den jeweiligen Umgebungsverhältnissen (d. h. Raucherlounge, Büroräume) und der Zahl der sich darin Aufhaltenden. Der ASHRAE-Umgebungsluftbedarf für die Belüftung reicht von ungefähr 0,4 (z. B. in Büro-Empfangsbereichen) bis 1,7 m³/min. pro Person (z. B. in Raucherlounges) als Minimum an vorgeschriebener erforderlicher Menge geeigneter Umgebungsluft.
Die Raumluftqualität ist auch eine Funktion von vielen Variablen, einschließlich unter anderem der Qualität der Umgebungsluft, der Gestaltung der Räume, dem Design und der Wartung des Ventilationssystems sowie dem Vorhandensein und der Stärke von Verschmutzungsquellen. Ein gut ausgelegtes Ventilationssystem muß all diese Variablen berücksichtigen, um ein vernünftiges Niveau der Raumluftqualität aufrechtzuerhalten.
Es gibt viele Quellen für Raumverunreinigungen. Menschen und ihre Aktivitäten produzieren ein breites Sortiment von organischen und anorganischen Chemikalien. Körperpflegeprodukte, Kopierer und andere Büromaschinen geben Chemikalien ab. Die Zunahme von pilzartigen bzw. -haltigen Materialien kann zu Sporen in der Luft führen. Abgestandenes Wasser kann die Verbreitung und Zunahme schädlicher Bakterien bewirken. Büromöbel, Trennwände, Farbe, Bodenbeschichtungen und Reinigungsmittel geben Chemikalien in die Luft ab. Risse in Wänden und Böden können zum Eintritt von Radon-Gas in das Gebäude führen.
Die Außenluft selbst kann Quelle unerwünschter Verunreinigungen sein. Dies ist insbesondere bei Gebäuden in großen, verkehrsdurchfluteten Stadtbereichen der Fall oder an Stellen, an denen der Außenlufteintritt nahe Verladungsstellen, Garagen oder Gebäude-Ablufteinrich-tungen liegt.
Die meisten Luftverschmutzungen können unter einer der folgenden Kategorien subsumiert werden: Feststoffe, anorganische Verbindungen, flüchtige organische Verbindungen oder Mikroben und deren Produkte. Feststoffe umfassen unter anderem Tabakrauch, Staub und dergleichen. Anorganische Luftverschmutzungen umfassen Gase, wie Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Ozon oder Radon, sowie als Feststoffe z. B. Asbest oder Glasfaser. Zu den flüchtigen organischen Verbindungen gehören solche, die z. B. durch Reinigungsmittel, Körperpflegemittel, Möbel, Teppiche, Klebstoffe, Farben und Menschen erzeugt bzw. verursacht werden.
Wie zuvor erwähnt, besteht eine brauchbare Methode, die Anforderungen an die Ventilationsrate zu erfüllen, darin, schädliche Substanzen zu messen und unterhalb der Sicherheitsgrenzen zu halten bzw. zu steuern, wie dies durch das ASHRAE Indoor Air Quality Procedure erreicht wird.
Diese Maßnahme ist jedoch inhärent sehr rigoros, weil sie alte Verschmutzungen berücksichtigt, und die Umsetzung ist schwierig, weil nur unzureichende Kenntnisse hinsichtlich der Konzentrations-Sicherheitsgrenzwerte für die Tausenden von Kombinationen potentieller Raumluftverschmutzungen existieren. Zusätzlich ist es ein erheblicher finanzieller Aufwand, Sensoren zu installieren, um alle diese Verschmutzungen zu überwachen.
Eine andere Möglichkeit, die Ventilationsbestimmungen zu erfüllen, besteht darin, fortlaufende Messungen der Luftdurchflußrate vorzunehmen, so daß sie auf ein spezifiziertes Maß eingeregelt werden kann. Eine bekannte Praxis besteht darin, die Klappe für die Zufuhr der Umgebungsluft auf eine feste Minimumstellung zu setzen, die sicherstellt, daß eine geeignete Durchflußsteuerung unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt ist. Jedoch sind die Ergebnisse nur in einigen Fällen marginal annehmbar, wie z. B. in einem konstantvolumigen Lüftersystem, aber in den meisten Systemen mit variablen Umluftvolumen nicht annehmbar.
Daher sind Messungen und Kontrollen des geschlossenen Kreislaufluftumsatzes höchst erwünscht, um einen spezifizierten Betrag an Ventilationsluft als Zufuhr in einen Raum zu garantieren. Das Messen des Ventilationsluftflusses kann jedoch sehr schwierig sein und die genaue Anwendung teuer.
Zum Beispiel kann die Durchflußrate von Ventilations- (d. h. Außen-)Luft unter Verwendung eines Durchflußmessers ermittelt werden. Die bekannteste Technik zum Messen von Luftdurchflüssen ist die Pitot-Rohr- Station. Derartige Stationen verwenden im allgemeinen ein festgelegtes Muster an Pitot-Rohren. Die Pitot-Rohre an diesen Stationen messen den Staudruck der Luft während sie die Rohre passiert; die entsprechende Luftgeschwindigkeit steht in einem bestimmten, bekannten Verhältnis zum Staudruck. Zum Messen des Durchflusses an Umgebungsluft werden diese Stationen typischerweise nahe dem Umgebungslufteinlaß installiert, wo die maximale Luftgeschwindigkeit im allgemeinen weniger als 153 m/min. beträgt. Da der zur Geschwindigkeit von 153 m/min. gehörende Staudruck nur 4 Pa beträgt, kann bereits ein sehr kleiner Fehler am Ausgang des Differentialdrucktransmitters, der zur Verarbeitung des Pitot-Rohrsignales eingesetzt ist, einen großen Fehler in der errechneten Luftgeschwindigkeit hervorrufen. Aus diesem Grund sind Pitot-Rohrstationen im allgemeinen nicht einsatzfähig für Luftgeschwindigkeiten unter 4,1 m/s, es sei denn, es werden außerordentlich genaue Differentialdrucktransmitter mit automatischem Nullabgleich eingesetzt. Unglücklicherweise können jedoch die hohen damit verbundenen Kosten bei vielen Anwendungsfällen den Einsatz verhindern. Demzufolge sind Pitot-Rohr-Luftdurchsatzstationen nicht in der Lage, die erforderliche Meßgenauigkeit zu liefern, wenn sie in einer typischen Außenluftzufuhranlage eingebaut werden.
Ein weniger bekannter Typ Meßstation benutzt ein Gitter von thermisch sensitiven Widerständen (erhitzte Heißleiter), um den Luftstrom zu messen. Wenn an einen Thermistor (Heißleiter) Spannung angelegt wird, kann das Verhältnis zwischen der Luftgeschwindigkeit, der Lufttemperatur und dem Spannungsabfall bestimmt werden. Solche Werte werden generell unter Verwendung von Mikroprozessoren ermittelt. Diese Stationen sind in der Lage, Luftgeschwindigkeiten unterhalb 153 m/min. genau zu messen. Wegen der hohen Empfindlichkeit dieser Bauteile bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten können jedoch schon geringe Turbulenzen die Genauigkeit der Durchflußmessung negativ beeinflussen. Unglücklicherweise sind Einlässe für Umgebungsluft typisch sehr turbulente Umfelder. Darüber hinaus müssen komplizierte Feldkalibrierungsmaßnahmen ergriffen werden und es ist oft sehr schwierig, den Einfluß von sich ändernder Lufttemperatur genau zu kompensieren. Somit sind thermische Meßstationen keine sehr gute Lösung des Problems einer genauen Messung der Durchflußmenge der Umgebungsluft.
Wenn alternativ die Umgebungs- und Rückluftströme adiabatisch gemischt werden, können Massen- und Energiegesetze benutzt werden, um die Ventilationsrate auf der Basis der gemessenen Temperaturen der Außenluft, der Rückluft und der gemischten Luft zu kalkulieren. Zum Beispiel kann die Außenluftdurchflußrate (CFMoa) basierend auf der Außentemperatur (Toa), der Rücklufttemperatur (Tra), der Temperatur der gemischten Luft (Tma) sowie der Durchflußrate der gemischten Luft (CFMma) nach der folgenden Gleichung ermittelt werden:
Ein typisches Layout für ein Gebläsesystem wie es in Fig. 1 dargestellt ist, kann benutzt werden, um die vorstehende Gleichung umzusetzen. Transmitter oder Sensoren zum Messen von Tra, Tma, Toa, und CFMma werden vorzugsweise wie in Fig. 1 dargestellt positioniert. Wenn jedoch die Differenz zwischen Tra und Toa klein wird, können, bereits kleine Abweichungen in den Messungen von Tra oder Toa große Fehler bei der Berechnung der Außenluftdurchflußrate hervorrufen. Soweit Temperaturmeßfehler von ±0,56ºC innerhalb der Industrienorm liegen, ergeben sich nicht hinnehmbare Meßwerte, wenn die Differenz zwischen der Rück- und der Außenlufttemperatur weniger als 5,5ºC beträgt. Die meisten Gegenden haben während erheblich langer Zeit zwischen der Außen- und der Rücklufttemperatur eine Differenz von weniger als 5,5ºC. Daher können auf der Basis des thermischen Energieabgleichs nur in wenigen Anwendungsfällen die Außenluftdurchflußraten kalkuliert werden.
Mehrpunkt-Proben sind auch bekannt. Zum Beispiel offenbart das US- Patent 3 369 405 ein Sammelsystem zum gleichzeitigen Aufnehmen an mehreren Punkten. Die Proben werden in separaten Behältern aufbewahrt und dann schubweise einem Analysegerät zugeführt. Weiterhin ist in dem US-Patent 4 090 392 ein automatisches Gas-Analyse-system vorgeschlagen worden, bei dem fortlaufende Analysen einer Zahl von Proben vorgenommen werden. Mehrere Sammel- bzw. Probenrohre und Belüftungsleitungen werden benutzt, um auf alle Fälle eine frische Probe an einem Punkt nahe dem Probenanalysator, in Form eines Absorptionsspektrometers, sicherzustellen. Ein Multiplexer in Form eines Dreiwege- Steuerventils sorgt für Sequenzdurchgänge der Proben zum Analysegerät. Außerdem wird in dieser Veröffentlichung der Gebrauch von Probeneingaben zum automatischen Nullabgleich und zur Spanneneinstellung des Analysegeräts offenbart. Ein analoges System für Gasproben in großen Rohren und Leitungen wird in dem US-Patent 4 051 731 beschrieben.
EP-A-0 042 287 und WO-A-89/06608 beschreiben jeweils zwei Sensoren zum Messen einer Komponente der Versorgungsluft und der Luft in einem Fahrzeug, wobei die Menge von Außenluft in Abhängigkeit von diesen gemessenen Werten gesteuert wird.
Keines dieser Systeme liefert jedoch eine genaue, indirekte Methode und Vorrichtung zum Messen der Durchflußrate von Außen-Ventilationsluft, was wichtig ist z. B. um die Einhaftung von Standards für die Innenluftqualität zu sichern. Es besteht somit seit langem der bisher ungelöste Bedarf nach einer genauen und verläßlichen Methode sowie Vorrichtung zum Kontrollieren der Belüftungsraten und Innenluftqualität.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft ein genaues, indirektes Verfahren und Gerät zum Messen der Durchflußraten von Außen-, Ventilationsluft, mit denen die Grenzen und Nachteile der zuvor diskutierten Techniken überwunden werden. Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei einem Ventilationssystem angewandt, bei dem eine Versorgungsleitung für gemischte Luft zum zu versorgenden Bereich führt, sowie eine Rückleitung für abgezogene Rückluft vom System, eine Rückführleitung zum wiedereinbringen von Rückluft in die Versorgungsleitung und Ansaug- und Ausblasleitungen zum Abluftein- oder -auslaß zwischen der Umgebung und dem Belüftungssystem vorgesehen sind.
Die Art, auf die die vorliegende Erfindung dies erreicht, wird im einzelnen im Rahmen der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert. Generell jedoch bestimmen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung indirekt die Durchflußrate von Außen-(oder Aufbereitungs-)luft aus dem Verhältnis der Differenz zwischen der Konzentration eines Spurengases in der Rückluft und der Konzentration in der Versorgungsluft zur Differenz zwischen der Konzentration von Spurengas in der Rückluft und der Konzentration in der Außenluft. Um eine genaue und gleichmäßige Messung zu garantieren, werden außerdem eine automatische Kalibrierungsmethode und eine Vorrichtung dazu vorgeschlagen.
Darüber hinaus werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Genauigkeit in der Bestimmung der Außenluftdurchflußrate angegeben, wobei ein Einzelsensor in geeigneter Weise ausgelegt ist, um in Folge die verschiedenen Spurengaskonzentrationsniveaus zu messen. Auf diese Weise werden den herkömmlichen Sensoren anhaftende Meßfehler minimiert oder sogar eliminiert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Verfahren und Vorrichtungen vorgesehen, um die Durchflußrate von Aufbereitungsfluiden zu bestimmen, die benutzt werden, um ein Mischungsfluid aus dem Aufbereitungsfluid und einem Rücklauffluid in einem Raum umzuwälzen. Die Vorrichtung weist mindestens einen Sensor auf zum Messen einer Komponente des Aufbereitungsfluids und Erzeugen eines ersten Signals, das für die Aufbereitungsfluidkomponente repräsentativ ist, zum Bestimmen derselben Komponente des Rückflußfluids und zum Erzeugen eines zweiten Signals, das repräsentativ für die Rückflußfluidkomponente ist, sowie zum Ermitteln derselben Komponente des Versorgungsfluids und Erzeugen eines dritten Signals, das die Versorgungsfluidkomponente repräsentiert. Die Vorrichtung umfaßt auch ein Umwälzgerät zum Einführen des Misch- oder Versorgungsfluids in das Volumen bzw. den Raum. Die Durchflußrate des Aufbereitungsfluids kann somit aus dem Verhältnis der Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Signal und der Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Signal bestimmt werden.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Bestimmen der Durchflußrate von Außenluft vor, die in ein System zum Zirkulieren gemischter Luft, die Außen- und Rücklaufluft enthält, in einem Gebäude oder dergleichen, eingeführt wird. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: Zirkulieren von Versorgungsluft in dem Gebäude, Entnehmen von Rücklaufluft aus dem Gebäude und Rückführen zumindest eines Teils der Rücklaufluft in das Gebäude. Die Konzentration einer Komponente in der Rücklaufluft wird gemessen und eine Rücklaufluftkomponentenkonzentration festgestellt, die Konzentration derselben Komponente in der Außenluft wird gemessen und eine Außenluftkomponentenkonzentration festgestellt und die Konzentration derselben Komponente in der Versorgungsluft wird gemessen und eine Versorgungsluftkomponentenkonzentration ermittelt. Die Durchflußrate von Außenluft wird dann aus dem Verhältnis der Differenz zwischen der Rücklaufluftkomponentenkonzentration und der Versorgungsluftkomponentenkonzen-tration zur Differenz zwischen der Rücklaufluft-komponentenkonzentration und der Außenluftkomponentenkonzentration bestimmt.
Die Erfindung schlägt des weiteren ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zum Steuern der Menge der Außenluft vor, die in ein System zum Zirkulieren von Versorgungsluft in einem Raum eingegeben wird, wobei die Vorrichtung Zufuhrsteuermittel, Rückführsteuermittel, Außenluftsensoren, Rücklaufluftsensoren und Versorgungsluftsensoren besitzt. Das Verfahren kalibriert die Versorgungsluftsensoren und die Rücklaufluftsensoren und umfaßt das Öffnen der Eingangssteuermittel, das Schließen der Rückführsteuermittel, das Kalibrieren der Versorgungsluftsensoren auf die Außenluftsensoren, das Schließen der Eingangs- oder Zuführsteuermittel, das Öffnen der Rückführsteuermittel und das Kalibrieren der Rückführluftsensoren auf die Versorgungsluftsensoren.
Ein Steuersystem zum Kalibrieren der verschiedenen Sensoren, die gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet werden, wird ebenfalls vorgeschlagen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 Ein typisches Luftzirkulationssystem zur Verdeutlichung des Standes der Technik;
Fig. 2 ein Luftzirkulationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Luftzirkulationssystem mit kurzgeschlossener Luftführung vom Gebäudeabzug zur Gebäude-Außenluftansaugung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Art, wie die vorliegende Erfindung mit Hardware in einer ersten bevorzugten Ausführungsform umgesetzt werden kann;
Fig. 5 ein Schema zur Darstellung der Umsetzung der Erfindung im Rahmen eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 ein schematische Steuerdiagramm zur Darstellung der Umsetzung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 7 eine schematische Einzelsensorausführung;
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Nullpunkt-Verschiebungsfehlers;
Fig. 9 eine graphische Darstellung eines Bereichs-verschiebungsfehlers;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einem Vielfachsensor;
Fig. 11 eine detaillierte schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des Multiplexers in Fig. 10; und
Fig. 12 eine graphische Darstellung der Zeitsequenz bezüglich des Multiplexors gemäß den Fig. 10 und 11.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Heizungs-, Umwälz- und Klima- (HVAC)Luftkreislauf 200 besitzt eine Außenluftleitung 202, eine Versorgungsluftleitung 204, eine Rücklaufluftleitung 206 und eine Rückführleitung 208. Während des normalen Betriebs wird Außenluft durch die Leitung 202 angesaugt, in der die Außenluft mit rückgeführter Luft aus der Rückführleitung 208 gemischt wird, so daß ein Gemisch von Außenluft und rückgeführter Luft erzeugt wird, die nachfolgend als "Versorgungsluft" bezeichnet wird. Versorgungsluft wird durch die Versorgungsleitung 204 in den zu versorgenden Raum eingespeist. Rücklaufluft wird von diesem Raum über die Rücklaufleitung 206 abgesaugt. Ein Teil der Luft aus der Rücklaufleitung 206 wird in die Rücklaufleitung 208 abgezweigt und mit der Außenluft gemischt, um die Versorgungsluft zu bereiten; der Teil der Rücklaufluft in der Rücklaufleitung 206, der nicht in die Rückführleitung 208 abgezweigt wird, wird aus dem System ausgeblasen.
Um sowohl den ASHRAE-Normen zu genügen, wie beispielsweise dem ASHRAE-Standard 62-1989, als auch das gesamte Wohlbefinden und die Gesundheit der im Gebäude Befindlichen zu erhalten, ist es wünschenswert, die Menge an Außenluft in der Versorgungsluft zu steuern bzw. zu regeln. Tatsächlich können in solchen Gemeinden, die sich bei ihren lokalen Gebäudeverordnungen nach ASHRAE-Standard 62-1989 richten, Wächter erforderlich sein, um für die Aufrechterhaltung vorgeschriebener Minimalanteile an Außenluft in der Versorgungsluft zu sorgen.
Wie zuvor dargelegt, ist der Volumenfluß von Außenluft in ein Gebäude generell eine Funktion von u. a. der Art des Gebäudes (z. B. Büro-, Industrie-, Wohn-) und der Zahl der Personen innerhalb des Gebäudes. Zum Beispiel erfordert die ASHRAE-Norm für ein Bürogebäude 0,57 m³/min. pro Person. Wenn also 100 Menschen in einem bestimmten Bürogebäude zu erwarten sind, dann sollte ein Außenluftvolumenfluß von 57 m³ pro Minute aufrechterhalten werden. Da die Gebäudebelegung fluktuiert, z. B. während des frühen Morgens, wenn Menschen typischerweise zur Arbeit kommen, und während des Mittags und am Ende des Tages, wenn die Menschen das Gebäude verlassen, sollte die Außenluftrate auch entsprechend fluktuieren. Die Gebäudewächter müssen somit die erforderliche Außenluftdurchflußmenge mit verschiedenen anderen Überlegungen koordinieren, wie z. B. der Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Teilchenkonzentration im Gebäude, mit der Notwendigkeit, die anzuwendenden ASHRAE-Normen zu erfüllen, und das in einer energie- und somit kostengünstigen Weise.
Die Erfinder haben eine Mengenflußrelation vorgeschlagen, die die indirekte Bestimmung der Außenluftvolumenflußrate auf u. a. der Konzentration eines Spuren (Test-)gases an verschiedenen Punkten innerhalb des HVAC- Systems 200 zu basieren zuläßt.
Insbesondere kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein nicht toxisches, physiologisch ungefährliches Spurengas der Rücklaufluft in der Rücklaufleitung 206 zugegeben werden. Das spezielle Spurengas sollte entweder ein solches sein, das in der Außenluft grundsätzlich in bekannter, konstanter Konzentration vorliegt, oder ein solches, das in der Außenluft überhaupt nicht vorkommt.
Unter der Annahme, daß das der Rücklaufluft zugegebene Spurengas in ihr gleichmäßig verteilt ist, ist die Konzentration an Spurengas in der Rückführleitung 208 identisch mit der in der Rücklaufleitung 206. Da die Konzentration des Spurengases in der Außenluft bekannt ist, oder ohne weiteres bestimmt werden kann, ist die Konzentration an Spurengas in der Versorgungsleitung 204 maßgebend für das Verhältnis von Außenluft zu (recycelter) Rücklaufluft in der Versorgungsleitung 204. Die folgende Gleichung gibt dieses Verhältnis an: Gleichung (1)
wobei CFMoa und CFMsa, die Volumenflußmengen (in cm³/min.) an Außenluft (oa) bzw. Versorgungsluft (sa) bedeuten; Gra bezeichnet die Spurengaskonzentration der Rücklaufluft; Gsa steht für die Spurengaskonzentration in der Versorgungsluft und Goa steht für die Konzentration an Spurengas in der Außenluft.
Die Erfinder haben festgestellt, daß Kohlendioxid (CO&sub2;), durch Menschen während des Atmens produziert, aus einer Reihe von Gründen ein besonders nützliches Spurengas ist. Zum Beispiel bleibt die CO&sub2;-Konzentration von Außenluft recht konstant über kurze Zeiträume und ist recht gleichförmig im gesamten Bereich der Vereinigten Staaten, und zwar zwischen 370 und 440 ppm und im allgemeinen über 400 ppm in Abhängigkeit vom Ort.
Demzufolge kann die Durchflußmenge von Außenluft in einem HVAC- System 200 als Funktion der Durchflußmenge von Versorgungsluft bestimmt werden, die leicht direkt gemessen werden kann, und des Verhältnisses der Differenz zwischen der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft und der CO&sub2;-Konzentration in der Versorgungsluft zur Differenz zwischen der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft und der CO&sub2;-Konzentration in der Außenluft: Gleichung (2)
wobei CFMoa und CFMsa wie zu Gleichung 1 definiert sind; CO2ra der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft, CO2sa der CO&sub2;-Konzentration in der Versorgungsluft und schließlich CO2oa der CO&sub2;-Konzentration in der Außenluft entsprechen.
Weiterhin ist gemäß Fig. 2 ein Sensor 210 für die Versorgungsluft- Durchflußrate vorteilhafterweise in der Versorgungsleitung 204 in hinreichendem Abstand von dem Punkt angebracht, an dem die Rücklaufluft und die Außenluft vermischt werden, wodurch eine konstante Luftgeschwindigkeit (und damit Staudruck) über den Querschnitt der Versorgungsleitung 204 in der Nähe des Sensors 210 sichergestellt wird.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird dem Fachmann ohne weiteres verständlich, daß die Stelle, an der die Rücklaufluft aus dem Gebäude abgesaugt wird, in Fig. 3 bei Punkt 206A, oft in unmittelbarer Nähe der Stelle liegt, an der Außenluft in das System angesaugt wird, mit Punkt 202A gekennzeichnet. Bei solchen Anordnungen wird Rücklaufluft, die aus der Rücklaufleitung 206 an der Stelle 206A abgezogen wird, wieder in das System an der Stelle 200A eingesogen, ein Phänomen das als "Kurzschluß" (short cycling) bekannt ist. Wenn ein derartiger "Kurzschluß" eintritt, bedeutet dies, daß die in die Außenluftleitung 202 eintretende "Außen"-luft tatsächlich eine Kombination echter (frischer) Außenluft und abgezogener Rücklaufluft ist. Bei Anlagen, bei denen der Auslaß der Rücklaufluft in der Nähe des Einlasses der Außenluft liegt, kann ein nennenswerter "Kurzschluß" eintreten.
Im Rahmen einer Möglichkeit der vorliegenden Erfindung kann das generelle Prinzip der Mengenflußverhältnisse gemäß Gleichung 2 auch auf das "Kurzschluß"-Phänomen gemäß Fig. 3 angewandt werden. Insbesondere führt eine Analyse am Punkt B in Fig. 3 zur folgenden Gleichung: Gleichung (3)
wobei CFMfa der Durchflußrate frischer Luft entspricht, d. h. der Außenluft, die keine "Kurzschluß"-Rücklaufluft enthält, CFMoa der Volumendurchflußrate der Mischung von frischer Luft und "Kurzschluß"-Rücklaufluft entspricht; CO2ra der CO&sub2;-Konzentration der Rücklaufluft, CO2fa der CO&sub2;- Konzentration frischer Luft (unvermischt mit "kurzgeschlossener" Rücklaufluft) und CO2oa der CO&sub2;-Konzentration von Außenluft, nämlich der mit "Kurzschluß"-Rücklaufluft vermischten Frischluft entspricht. Wenn die Gleichungen (2) und (3) kombiniert und vereinfacht werden, ergibt sich die Gleichung (4): Gleichung (4)
Die Menge an in das Gebäude gelangender Frischluft kann durch Gleichung (4) ermittelt werden. Der Prozentanteil frischer Außenluft, der in die Versorgungsluftleitung 204 gelangt, kann durch das Verhältnis der Differenzen aus Gleichung (4) wie folgt angegeben werden: Gleichung (5)
wobei der %FOA der prozentuale Anteil von frischer nicht "kurzgeschlossener" Außenluft ist, die in das System eintritt.
Es ist wichtig festzuhalten, daß eine direkte Durchflußmessung (Luftdurchflußmeßstationen) nicht in der Lage ist, den Effekt von "Luftkurzschlüssen" zwischen Absaug- und Außenluftströmen oder zwischen Rücklauf- und Mischluftströmen festzustellen oder zu kompensieren, soweit direkte Messungen Luftgeschwindigkeit und/oder Druck überwachen.
Weiterhin ist es in den Fällen, in denen Spurengas verwendet wird, das entweder in Außenluft nicht vorhanden ist, oder das über eine gewisse Zeit in der Außenluft konstant ist, ausreichend, die CO&sub2;-Konzentrationen lediglich der Rücklaufluft und der Versorgungsluft gemäß Gleichung (4) zu überwachen; der bekannte Wert kann dann einfach anstelle der Variablen CO2fa eingesetzt werden.
Da der Prozentanteil frischer Außenluft gleich dem Verhältnis in Gleichung (5) ist, kann die Durchflußrate an frischer Außenluft durch Multiplikation dieses Verhältnisses mit der Durchflußrate der Versorgungsluft (d. h. Gleichung (4)) ermittelt werden. Wie zuvor schon angegeben, ist die Durchflußrate von Versorgungsluft typischerweise leichter zu bestimmen als die von Frischluft, wegen solcher Einflüsse wie z. B. niedrige Frischluftzufuhrgeschwindigkeit bedingt durch Umweltfaktoren (Wind, Schnee, Regen, Reste). Weiterhin führt die typischerweise kurze Länge der Frischluftleitung zu turbulenten Druck- und Geschwindigkeitscharakteristiken in der Frischluftleitung. Die Versorgungsluftleitung hat demgegenüber größere Luftgeschwindigkeit und ist typischerweise verhältnismäßig länger als die Frischluftleitung, so daß die Versorgungsleitung als Durchflußglättung wirkt und relativ leicht den Luftdruck (und somit die Luftgeschwindigkeit) messen läßt.
In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit einem musterhaften HVAC-System 400 dargestellt. Das System 400 umfaßt eine Versorgungsleitung 14 mit einem Versorgungsgebläse 18, das mit dieser zusammenwirkt, einen Raum 10 (z. B. ein Bürogebäude) mit einem mechanischen Abzug 12, eine Rückführleitung 22, eine Absaugleitung 26 mit einem Absaugauslaß 28 am Ende und eine Außenluftleitung 32 mit einem Außenlufteinlaß 34 an ihrem Ende. Das System 400 besitzt außerdem ein Kontrollsystem 43 mit einer Steuerung 46, ein Leitungsnetz 48, einen Rücklaufluftsensor 42 zur Messung der Luft in der Rücklaufleitung 16, einen Versorgungsluftsensor 40 zum Messen der Versorgungsluft in der Versorgungsleitung 14 und einen Außenluftsensor 44 zum Messen der Außenluft in der Außenluftleitung 32. Im Zusammenhang mit den hier erörterten Ausführungsbeispielen wird die Außenluft in der Außenluftleitung 32 hinter der Rückführleitung 22 als "Außenluft" bezeichnet, die verschiedene Anteile von rückgeführter Rücklaufluft (siehe Fig. 3) enthalten kann; die Außenluft wird von "Frischluft" unterschieden, die nicht mit "kurzgeschlossener" Rücklaufluft vermischt ist.
Das Kontrollsystem 43 enthält außerdem einen Rückführregler, der mit der Rückführleitung 22 zusammenwirkt, einen der Absaugleitung 26 zugeordneten Absaugregler 30 und einen auf die Außenluftleitung 32 einwirkenden Außen- bzw. Ansaugregler 36. Eine Durchlaufstation 38 ist an geeigneter Stelle der Versorgungsleitung 14 zugeordnet, um das Fördervolumen der Versorgungsluft in das Gebäude 10 zu überwachen.
Durch Steuern des Schließgrades der entsprechenden Klappen 30, 24 und 36 kontrolliert die Steuerung 46 den Zustrom von Außenluft in das Gebäude 10 in Abhängigkeit u. a. des in Gleichung (4) angegebenen Verhältnisses.
Für den Fachmann ist klar, daß der Komplex bzw. das Gebäude oder der Raum 10 konventionelle Belüftungsleitungen und andere bekannte Verteileinrichtungen besitzt, die hier nicht dargestellt sind. Zusätzlich zu den durch das HVAC-System 400 bewirkten Belüftungsvorgängen wird ein bestimmter Betrag an Luft unausweichlich aus dem Gebäude 10 abgesaugt, nämlich durch einen oder mehrere mechanische Abzüge, z. B. Abzugsgebläse und Abflußentlüftungen in Küche und Bad. Bei normalen Gebäuden tritt außerdem durch verschiedene Risse, poröse Oberflächen, Lücken, Decken, Böden, Wände, Kamine und offene Fenster Luft ein und aus.
Obgleich das Versorgungsgebläse 18 so ausgelegt wird, daß Versorgungsluft in das Gebäude 10 gedrückt wird, und das Rücklaufgebläse 20 entsprechend zum Abzug der Rücklaufluft aus dem Gebäude 10 ausgelegt ist, ist es für den Fachmann klar, daß jede geeignete Gebläseauslegung oder dergleichen die umlaufende Luft befriedigend durch das Gebäude 10 zirkulieren lassen kann. Zum Beispiel können ein oder mehrere Gebläse an verschiedenen Punkten entlang eines oder mehrerer Versorgungsleitungen 14 und Rücklaufleitungen 16 zusätzlich oder anstelle der entsprechenden Gebläse 18 und 20 vorgesehen werden.
Während des normalen Betriebes wird Außenluft in die Leitung 32 gesaugt, woraufhin die Konzentration des Spurengases (z. B. CO&sub2;) der Außenluft durch den Sensor 44 gemessen wird. Der Außenluftsensor 44 sendet ein entsprechendes Signal an die Steuerung 46. Während die Außenluft durch die Leitung 32 fließt, z. B. in Fig. 4 von links nach rechts, wird sie mit rezirkulierender Rücklaufluft bzw. Umluft aus der Leitung 22 gemischt, woraufhin die entstandene Versorgungsluft (d. h. die Mischung aus Außenluft und Umluft) durch die Versorgungsleitung 14 geblasen wird. Der Versorgungsluftsensor 40 ist so ausgelegt und angeordnet, daß er die Spurengaskonzentration in der Versorgungsleitung 14 mißt und ein entsprechendes Signal an die Steuerung 46 übermittelt. Je nach Typ des in der Station 38 eingesetzten Sensors wird ein Parameter der Versorgungsluft gemessen und ein dafür maßgebliches Signal von der Station 38 an die Steuerung 46 übermittelt. Wenn z. B. die Station 38 ein Pitot-Rohr aufweist, kann ein Drucksignal, das maßgeblich für die Durchflußrate (CFMsa) ist, von der Station 38 zur Steuerung 46 übertragen werden.
Die Versorgungsluft wird durch die Leitung 14 in den Gebäudekomplex 10 eingeführt und in diesem mit einem konventionellen Belüftungssystem (nicht dargestellt) umgewälzt. Der Rücklaufluftsensor 42 ist so ausgelegt und angeordnet, daß er die Konzentration an Spurengas in aus dem Gebäude 10 abgezogener und durch die Leitung 16 strömender Rücklaufluft mißt. Der Sensor 42 übermittelt ein für die Spurengaskonzentration in der Rücklaufluft repräsentatives Signal an die Steuerung 46. Abhängig von dem Schließgrad der entsprechenden Schieber bzw. Klappen 24, 30 und 36 wird ein Teil der Rücklaufluft zurück in das Gebäude 10 geführt und zwar über die Rückführleitung 22; der Rest der Rücklaufluft, der nicht zurückgeführt wird, wird vom HVAC-System 400 am Absaugauslaß 28 ausgestoßen. Wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 3 erörtert wurde, ist es denkbar, daß ein gewisser Betrag der am Auslaß 28 ausgestoßenen Rücklaufluft kurzerhand wieder in den Außenlufteinlaß 34 gelangt.
Wie zuvor erwähnt und den Fachleuten bekannt, kann jedes geeignete Gas als Spurengas oder Testgas im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird CO&sub2; als Spurengas benutzt. In diesem Fall weisen einer oder mehrere der betreffenden Sensoren 40, 42 und 44 vorzugsweise nicht-dispersive Infrarot- oder photo-akkustische CO&sub2;-Sensoren auf, die so eingestellt sind, daß sie ein der CO&sub2;-Konzentration in der den Sensor umgebenden Luft korrespondierendes Spannungssignal erzeugen.
Die Steuerung 46 ist mit dem Versorgungsgebläse 18, dem Rücklaufgebläse 20, der Rückführklappe 24, der Absaugklappe 30, der Ansaugklappe 36, der Station 38, dem Versorgungsluftsensor 40, dem Rücklaufluftsensor 42 und dem Außenluftsensor 44 mittels eines Leitungsnetzes 48 verbunden. Die Steuerung 46 sendet somit Signale über das Netz 48, um den Betrieb des Versorgungsgebläses 18, des Rücklaufgebläses 20, der Rückführklappe 24, der Absaugklappe 30 und der Ansaugklappe 36 zu steuern. Darüberhinaus empfängt die Steuerung 46 über das Leitungsnetz 48 Kontrollsignale von der Station 38, dem Versorgungsluftsensor 40, dem Rücklaufluftsensor 42 und dem Außenluftsensor 44.
Gemäß Fig. 5 kann eine alternative Ausführungsform der Erfindung so gestaltet sein, daß der Versorgungsluftsensor 40 mit der Versorgungsleitung 14 zwischen dem Versorgungsgebläse 18 und dem Gebäude 10 gekoppelt ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 kann in Situationen bevorzugt werden, in denen Schichtenbildung in der gemischten Luft in der Versorgungsleitung 14 auftreten kann. Wenn z. B. sowohl die Rückführklappe 24 als auch die Ansaugklappe 36 offen sind, neigt die gemischte Luft zu Schichten. Die Mischluft wird dann solange nicht gut gemischt sein, bis sie sich eine beträchtliche Entfernung von der Mischstelle befindet.
Temperaturschichtungen in Versorgungsleitungen sind bekannt; da der Wärmetransport in Gasen durch kinetischen Energieübergang zwischen Gasmolekülen stattfindet, steigert die Temperaturschichtung die Schichtenbildung der CO&sub2;-Konzentration noch weiter. Die durch das Versorgungsgebläse 18 erzeugte Turbulenz zusammen mit der zusätzlichen Zeit für stattfindende Diffusion sichert eine homogene Luftmischung und eine genaue Messung der CO&sub2;-Konzentration durch den Mischluftsensor 40.
Fig. 6 zeigt, daß die Funktionen der Steuerung 46 mit jeder geeigneten Hardware durchgeführt werden können. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Funktionen der Steuerung 46 in einem logischen Fließschaltkreis 600 umgesetzt, der einen automatischen Nulleinstellungsschaltkreis 602, einen Verteilregler 79 mit automatischem Nullabgleich, entsprechende Addierwerke 64, 66, entsprechende Subtraktionseinrichtungen 68, 70, einen Teiler 72 und einen Vervielfacher 78 besitzt.
Der Versorgungsluftsensor 40 erzeugt und gibt ab ein Signal 40S, das repräsentativ für die Spurengas-(z. B. CO&sub2;) Konzentration der Versorgungsluft ist; der Rücklaufsensor 42 erzeugt und gibt ab ein Signal 42S, das die Spurenkonzentration in der Rücklaufluft repräsentiert. Entsprechende Ausgangssignale 40S und 42S werden dem Schaltkreis 602 aufgegeben, der nachfolgend noch eingehend diskutiert werden wird. Außerdem wird das Rücklaufluftausgangssignal 42S an den Steckerstift (1) des Addierwerks 64 angelegt; ähnlich wird das Versorgungsluftausgangssignal 40S dem Steckerstift (1) zugeführt. Wie nachfolgend noch im Zusammenhang mit dem Logikkreis 602 erörtert werden wird, werden an den Steckerstift (2) des Addierwerks 64 ein erstes Vorspannsignal 58S und an den Steckerstift (2) des Addierwerks 66 ein zweites Vorspannsignal 60S angelegt.
Das Rücklaufluftausgangssignal 42S und das erste Vorspannsignal 58S werden durch das Addierwerk 64 in geeigneter Weise kombiniert, um ein effektives Rücklaufluftkonzentrationssignal 64S zu erzeugen. Ähnlich werden das Versorgungsluftausgangssignal 40 und das zweite Vorspannsignal 60S durch das Addierwerk 66 kombiniert, um ein effektives Versorgungsluftkonzentrationssignal 66S zu erzeugen.
Das Rücklaufluftkonzentrationssignal 64S und das Versorgungsluftkonzentrationssignal 66S werden dem Subtrahierer 68 zugeführt, der ein erstes Differentialsignal 68S produziert, das repräsentativ für die Differenz zwischen dem effektiven Rücklaufluftkonzentrationssignal 64C und dem effektiven Versorgungsluftkonzentrationssignal 66S (CO2ra - CO2sa) ist. Der Ausgang des Subtrahierers 68, nämlich das erste Differentialsignal 68S, entspricht dem Zähler in den Gleichungen (4) und (5).
Der Nenner in den Gleichungen (4) und (5) wird durch den Subtrahierer 70 in folgender Weise erzeugt. Das effektive Rücklaufluftkonzentrationssignal 64S wird an den Steckerstift (1) des Subtrahierers 70 angelegt. Ein Spurengaskonzentrationsreferenzsignal 59S, das eingehender unten noch im Zusammenhang mit dem Logikschaltkreis 602 zu erörtern ist, wird an den Steckerstift (2) des Subtrahierers 70 angelegt. Der Subtrahierer 70 berechnet die Differenz zwischen dem Konzentrationssignal 64S und dem Referenzsignal 59S und erzeugt ein zweites Differentialsignal 70S, das repräsentativ für die Differenz (CO2ra - CO2fa) ist. Das zweite Differentialsignal 705, das dem Nenner in den Gleichungen (4) und (5) entspricht, wird an dem Steckerstift (2) des Teilers 72 angelegt.
Der Teiler 72 berechnet das Verhältnis des Ausgangssignals 68S zum Ausgangssignal 70S, nämlich:
Der Teiler 72 erzeugt ein Ausgangssignal 72S, das dem Verhältnis des ersten Differentialsignals 68S zum zweiten Differentialsignal 70S entspricht, und führt das Ausgangssignal 72S dem Steckerstift (1) des Multipliers 74 zu.
Der Luftdurchflußsensor bzw. die Durchlaufstation 38 erzeugt ein Signal, das für die Durchflußrate an Versorgungsluft durch die Versorgungsleitung 14 (Fig. 4, 5) repräsentativ ist, und liefert ein Ausgangssignal 38S, entsprechend der Durchflußrate (CFMsa) der Versorgungsluft, an den Steckerstift (Kontakt 2) des Multipliers 74. Der Multiplier 74 multipliziert das Ausgangssignal 72S mit dem Signal 38S und erzeugt ein analoges Außenvolumensignal 76, das der Menge CFMfa in Gleichung (4) entspricht.
Die Amplitude des Analogsignals 76 ist linear proportional der Durchflußrate der frischen Luft (CFMfa), die durch die Außenluftleitung 32 fließt. Für den Fachmann ergibt sich daraus, daß das analoge Volumensignal 76 durch das Kontrollsystem 43 dazu benutzt werden kann, die Umwälzgebläse (z. B. die Gebläse 18,20) und den Öffnungsgrad einer oder mehrerer Schieber oder Klappen 24, 30 und 36 so zu steuern, daß ein gewünschtes Volumen an Frischluft in das System 400 aufrecht erhalten wird. Dem Fachmann dürfte klar sein, daß die verschiedenen hier diskutierten Ausgangssignale Spannungs- oder Stromwerte sind und in digitaler oder analoger Form vorliegen können, je nach der besonderen Hardware, die für den Schaltkreis 600 vorgesehen ist.
Ebenfalls unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird nun die Funktion des Logikschaltkreises 602 mit automatischem Nullabgleich beschrieben. Die Genauigkeit, mit der konventionelle Spurengassensoren (z. B. CO&sub2;- Sensoren) eine Menge messen und ein entsprechendes Ausgangssignal liefern, das für die Größe der gemessenen Menge repräsentativ ist, wird oft als solchen Faktoren wie Versatz, Vorspannung, Linearität und dergleichen zuzuordnender quantifizierbarer Fehler spezifiziert. Obwohl Versatz- bzw. Fehljustierungsfehler einen Hauptanteil (z. B. 67%) des gesamten Sensorfehlers ausmachen können, können Justierfehler durch konventionelle Feldkalibrierungs-techniken korrigiert werden. Die Erfinder haben festgestellt, daß, obwohl die Gleichungen (4) und (5) sehr genaue theoretische Ergebnisse erzielen, der Gebrauch dieser Gleichungen bei der Überwachung des Frischluftvolumens, das in ein Gebäude gefördert wird, großen Fehlern bei dem kalkulierten Wert des Frischluftflusses als Ergebnis relativ kleiner Fehler in der Genauigkeit der Sensoren unterliegt, die zur Messung der verschiedenen CO&sub2;-Konzentrationen benutzt werden.
Darüber hinaus (siehe auch Fig. 8 und 9) unterscheiden sich derzeit bekannte Gaskonzentrations-Sensoren vom einen zum andern in verschiedener Hinsicht. Zum Beispiel kann ein typischer Sensor ein Ausgangssignal gleich dem aktuell gemessenen Parameter erzeugen, plus oder minus dem Sensorfehler, wobei der Sensorfehler u. a. Nullpunktver schiebungsfehler (Justierfehler) und Bereichs-Verschiebungsfehler aufweist.
Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 8 sei angenommen, daß ein idealer Sensor 1 ein Ausgangssignal exakt dem aktuellen CO&sub2;-Wert liefert; d. h. Sensor 1 besitzt keinen Nullpunkt- oder Bereichs-Verschiebungsfehler. Der Sensor 2 andererseits weist sowohl einen Nullpunktverschiebungsfehler als auch einen Bereichs-Verschiebungsfehler auf. Wenn die Sensoren 1 und 2 benutzt werden, um verschiedene in der Gleichung (4) benutzte Parameter zu messen, werden sich die dem Sensor 2 innewohnenden Fehler in dem Wert von CFMfa niederschlagen. Speziell sei angenommen, daß der Sensor 1 benutzt wird, um die CO&sub2; Konzentration in der Rücklaufluft zu messen (Meßpunkt 1006), und daß mit dem Sensor 2 z. B. die CO&sub2;-Konzentration in der Versorgungsluft (Meßpunkt 1010) gemessen wird. Des weiteren sei angenommen, daß der tatsächliche Wert der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft durch den Meßpunkt 1002 definiert ist und daß der tatsächliche Wert der Versorgungsluftkonzentration durch den Punkt 1004 definiert ist. Eine Messung dieser beiden CO&sub2;-Werte mit den Sensoren 1 und 2 führt zu einem Nullpunktverschiebungsfehler durch den Sensor 2, der in der errechneten Differenz berücksichtigt wird (z. B. CO2ref minus CO2sa). D. h. die errechnete Differenz zwischen der Rücklauf- und der Versorgungsluft-CO&sub2;-Konzentration führt zu einer Fehlerkomponente, die gleich dem Nullpunktverschiebungsfehler des Sensors 2 ist.
Ähnlich wird jeder Bereichsverschiebungsfehler des Sensors 2 sich ebenfalls in der errechneten Differenz zwischen den durch die Sensoren 1 und 2 gemessenen Konzentrationen niederschlagen. Mit besonderem Hinweis auf Fig. 9 sei wiederum angenommen, daß der Sensor 1 zur Messung der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft dient (Meßpunkt 1016) und daß der Sensor 2 benutzt wird, um die CO&sub2;-Konzentration in der Versorgungsluft zu messen (Meßpunkt 1018). Auch sei des weiteren angenommen, daß der tatsächliche CO&sub2;-Wert in der Versorgungsluft durch den Meßpunkt 1004 und der tatsächliche CO&sub2;-Wert der Rücklaufluft durch den Meßpunkt 1002 definiert ist. Wenn die Sensoren 1 und 2 benutzt werden, um die Differenz zwischen der Rücklauf- und der Versorgungsluftkonzentration zu messen, schlägt sich der Bereichsverschiebungsfehler des Sensors 2 in der ermittelten Differenz zwischen den vorgenannten Werten nieder. Wie Fig. 9 entnommen werden kann, erhöht die Größe des Fehlers bei der Ermittlung dieser Differenz die Werte beider Mengen.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß sensor-spezifische Fehler, die z. B. einer Nullpunktverschiebung zuzuschreiben sind, mit der erfindungsgemäßen automatischen Nullfunktion erheblich reduziert werden können. Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, daß Bereichsverschiebungsfehler bei den Einzelsensor-ausführungen, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 7 bis 12 erläutert werden, vollständig vermieden werden können.
Die automatische Nullfunktion der Erfindung gibt dem Ausgang eines der Addierwerke 64 und 66 eine so große Vorspannung, daß jede Differenz zwischen entsprechenden Ausgangssignalen 40S und 42S kompensiert wird, wenn beide Sensoren Luft aus derselben Quelle messen.
Gemäß Fig. 6 enthält der automatische Null-Logikschaltkreis 602 vorzugsweise entsprechende Subtrahierer 50, 52 und entsprechende Speicher 58, 59 und 60.
Das Rücklaufluftsignal 42S wird an den Kontakt bzw. Stift (2) des Subtrahierers 50 und an den Stift (1) des Subtrahierers 52 angelegt; das Versorgungsluftsignal 40S wird an den Stift (1) des Subtrahierers 50 und an den Stift (2) des Subtrahierers 52 gelegt. Der Subtrahierer 50 erzeugt ein Ausgangssignal 54, das für die Differenz zwischen den CO&sub2;- Konzentrationen der Versorgungsluft und der Rücklaufluft (CO2sa minus CO2ra) repräsentativ ist.
Der Subtrahierer 52 erzeugt ein Signal 56, das der Differenz zwischen den CO&sub2;-Konzentrationen der Rücklaufluft und der Versorgungsluft (CO2ra minus CO2sa) entspricht.
Das Signal 54 wird dem Speicher 58 zugeführt; das Signal 56 dem Speicher 60. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Subtrahierer 50 und 52 so ausgelegt, daß sie Signale nur für Werte größer Null erzeugen. Wenn z. B. der Wert des Versorgungsluftsignals 40S (angelegt am Stift (1) des Subtrahierers 50) größer als der Wert des Rücklaufluftsignals 42S (angelegt an den Stift (2) des Subtrahierers 50) ist, dann hat das Signal 54 eine positive Gleichspannung, die repräsentativ für die Differenz zwischen den entsprechenden Eingangswerten ist. Wenn jedoch das Versorgungsluftsignal 40S kleiner als das Rücklaufluftsignal 42S ist, so daß eine Subtraktion zu einer negativen Zahl führen würde, hat das Ausgangssignal 54 des Subtrahierers 50 einen Nullwert.
Das Kontrollsystem 43 arbeitet mit dem automatischen Nullregler 79 zusammen, um die Betriebsweise des Logikkreises 602 zu steuern. Speziell versorgt der Regler 79 jeden der Speichermodule 58, 59 und 60 mit einem Freigabesignal 62. Wenn das Freigabesignal 62 einen ersten Wert zeigt (z. B. einen positiven Wert oder binär "1"), wird jeder der entsprechenden Speicher 58, 59 und 60 freigegeben und erzeugt ein Ausgangssignal gleich dem korrespondierenden Eingangssignalwert. Wenn der Wert des Signals 62 ein solcher ist, daß die Speicherkreise gesperrt werden, z. B. wenn der Wert des Signals negativ oder binär Null ist, "bewahren" die entsprechenden Speicherkreise 58, 59 und 60 ihren dann anstehenden Wert ("latchen") und fahren fort, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das gleich dem Wert ihres Ausgangssignals zum Zeitpunkt ihres Sperrens war. Mit anderen Worten, wenn ein Speichermodul freigegeben wird, folgt sein Ausgangssignal seinem Eingang; wenn ein Speichermodul gesperrt wird ("eingerastet"), erzeugt es ein konstantes Ausgangssignal, das gleich dem Wert seines Eingangssignals zum Zeitpunkt des Sperrens ist, solange wie es gesperrt bleibt.
Wie zuvor erwähnt, wird das Ausgangssignal 58S, das vom Modul 58 erzeugt wurde, dem Stift (2) des Addierers 64 und das Ausgangssignal 60S des Moduls 60 dem Stift (2) des Addierers 66 zugeführt. Dies geschieht unabhängig davon, ob die Module 58, 60 freigegeben oder gesperrt sind.
Der automatische Null-Betrieb wird durch die Steuerung 46 initiiert. Insbesondere nimmt die Steuerung in der folgenden Weise Einfluß auf den Regler 79. Gemäß den Fig. 4 und 6 gehören zu dem Regler 79 vorzugsweise ein Versorgungsluft-Probenrohr 84, das mit der Versorgungsleitung 14 verbunden ist, ein Außenluft-Probenrohr 86 an der Außenluftleitung 32 und ein Rücklaufluft-Probenrohr 88 an der Rücklaufleitung 16. Zum Regler 79 gehört außerdem ein Versorgungsluftventil 80, um dem Sensor 40 wahlweise Versorgungsluft aus dem Probenrohr 84 oder Außenluft aus dem Probenrohr 86 zuzuführen. Zu diesem Zweck besitzt der Regler 79 außerdem eine Versorgungsluftprobepumpe 90, um sicherzustellen, daß ein hinreichender Luftstrom durch den Versorgungsluftsensor 40 fließt.
Der Regler 79 besitzt außerdem ein Rücklaufluftventil 82, um dem Sensor 42 selektiv entweder Rücklaufluft von dem Luftprobenrohr 88 oder Außenluft von dem Luftprobenrohr 86 zuzuführen. Zu diesem Zweck ist zudem eine Probenpumpe 92 vorgesehen, die einen hinreichenden Durchfluß von Luftproben durch den Rücklaufsensor 42 sicherstellt.
Während des normalen, gleichmäßigen Betriebs des HVAC-Systems 400 (d. h. wenn sich das System nicht im automatischen Nullbetrieb befindet), ist das Ventil 80 so ausgelegt, daß dem Sensor 40 Versorgungsluft aus dem Versorgungsluftprobenrohr 84 zugeführt wird, und das Ventil 82 sorgt dafür, daß Rücklaufluft aus dem Probenrohr 88 zum Sensor 42 gelangt. Die Stellung der Ventile 80 und 82 wird durch entsprechende Ventilgeber 78 und 79A gesteuert, die vorzugsweise so ausgelegt sind, daß sie automatische Nullfreigabesignale 62 von der Steuerung 46 empfangen.
Während des automatischen Nullbetriebs gibt die Steuerung 46 ein Freigabesignal 42 u. a. an die entsprechenden Ventilgeber 78 und 79A, um die entsprechenden Ventile 80 und 82 in die automatische Nullbetriebsweise zu stellen. Insbesondere ist in diesem Betriebszustand das Ventil 80 so ausgelegt, daß es Außenluft von dem Probenrohr 86 (und keine Versorgungsluft) zum Sensor 40 leitet, und das Ventil 82 sorgt dafür, daß dem Sensor 42 Außenluft (und keine Rücklaufluft) zufließt. Die Stellungen der Ventile 80 und 82 während der gleichmäßigen Betriebs weise (normaler Betrieb) und die automatische Null-Betriebsweise gehen aus Tabelle 1 hervor.

TABELLE 1

Ventilstellung:

Normalbetrieb: 1-2
Automatischer Nullbetrieb: 3-2
Wenn der Regler 79 auf automatischen Nullbetrieb eingestellt ist, werden der Versorgungsluftsensor 40 und der Rücklaufluftsensor 42 gleichzeitig kalibriert, um ein der CO&sub2;-Konzentration der Außenluft entsprechendes Signal zu liefern. In dieser Betriebsweise werden auch die Speichermodule 58 und 60 freigegeben und leiten somit ihre Eingangswerte. Für den Fachmann ist klar, daß das System in der Null-Betriebsweise lange genug verbleiben sollte, um Rücklaufluft und Versorgungsluft aus dem Regler 79 zu spülen und eine stetige Versorgung an Außenluft zu den entsprechenden Sensoren 40 und 42 zu liefern. Außerdem sollte der automatische Nullbetrieb so lange aufrechterhalten werden, daß sichergestellt ist, daß die entsprechenden Sensoren 40 und 42 ein Gleichgewicht mit der CO&sub2;-Konzentration der Außenluft erreichen, um das durch die Sensoren 40 und 42 gelieferte Ausgangssignal zu stabilisieren. Je nach den eingesetzten besonderen Sensoren dauert dieser Reinigungsprozeß zwischen ungefähr 20 Sekunden und ungefähr 5 Minuten.
Da der Versorgungsluftsensor 40 und der Rücklaufluftsensor 42 gleichzeitig die CO&sub2;-Konzentration der durch sie hindurchfließenden Außenluft messen, sind das Ausgangssignal 42S des Rücklaufluftsensors 42 und das Ausgangssignal 40S des Versorgungsluftsensors 40 theoretisch gleich und liefern ein der CO&sub2;-Konzentration der Außenluft entsprechendes Spannungssignal. Jedoch aufgrund des diesen Sensoren oft anhaftenden Null-Bereichs-(Verschiebungs)fehlers sind die Ausgangswerte des Rücklaufluftsensors 42 und des Versorgungssensors 40 nicht notwendigerweise während des automatischen Nullbetriebs gleich.
Insbesondere entspricht während des automatischen Nullbetriebs die Ausgangsspannung des Rücklaufluftsensors 42 CO2oa + era und die des Versorgungsluftsensors dem Wert CO2oa + esa, wobei era und esa die den Sensoren 42 und 40 jeweils anhaftenden Fehler bedeuten. Wie zuvor bemerkt, ermittelt der Subtrahierer 50 die Differenz zwischen dem Versorgungsluftsignal 40S und dem Rücklaufluftsignal 42S. Wenn die Differenz (CO2sa - CO2ra) positiv ist, wird das Ausgangssignal 54, das für die Differenz repräsentativ ist, dem Speichermodul 58 zugeführt. Wenn die Differenz negativ ist, wird ein Wert Null dem Speichermodul 58 geliefert.
Wenn die Differenz zwischen dem Rücklaufluftsignal 42S und dem Versorgungsluftsignal 40S (CO2ra - CO2sa) positiv ist, erzeugt der Subtrahierer 52 entsprechend ein Ausgangssignal 56, das für diese Differenz repräsentativ ist, und gibt ein Ausgangssignal 56 an das Speichermodul 60. Wenn die Differenz negativ ist, wird ein Null-Wert an das Speichermodul 60 abgegeben.
Während des automatischen Nullbetriebs ist das Rücklaufluftausgangssignal 72S entweder gleich oder unterschiedlich vom Versorgungsluftausgangssignal 40S. Wenn beide Sensoren 40 und 42 entweder denselben Grad an Nullverschiebungsfehler oder wenn kein Sensor irgendeinen Nullverschiebungsfehler besitzt, werden das Ausgangssignal 42S und das Ausgangssignal 40S gleich sein. Wenn die Ausgangssignale 42S und 40S gleich sind, sind die entsprechenden Ausgangssignale der Substrahierer 50 und 52 Null und ebenso die entsprechenden Ausgangssignale 58S und 60S der entsprechenden Speichermodule 58 und 60. In diesem Fall wird keiner der Sensoren 40 oder 42 vorgespannt und nach dem Übergang vom automatischen Nullbetrieb zum ständigen Betriebszustand werden die Spannungswerte am Stift (2) des Addierers 64 und am Stift (2) des Addierers 66 Null betragen, so daß das effektive Rücklaufluftkonzentrationssignal 64S und das effektive Versorgungsluftkonzentrationssignal 66S beide die tatsächlichen Ausgangswerte des Rücklaufluftsensors 42 bzw. des Versorgungsluftsensors 40 wiedergeben. Mit anderen Worten besteht kein Bedarf, die tatsächlichen Ausgangswerte des Sensors 40 oder des Sensors 42 vorzuspannen, wenn beide Sensoren dasselbe Ausgangssignal für dasselbe Eingangssignal ergeben.
Wenn jedoch das Rücklaufluftsignal 42S während des automatischen Nullbetriebs nicht gleich dem Versorgungsluftsignal 40S ist, bedeutet dies, daß einer der Sensoren 40 oder 42 einen Nullverschiebungsfehler gegenüber dem anderen Sensor aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Genauigkeit, mit der jeder Sensor die aktuelle CO&sub2;- Konzentration mißt, nicht entsprechend; da der relative Fehler zwischen den Sensoren 40 und 42 effektiv durch den automatischen Nullbetrieb kompensiert wird und da weiterhin die Gleichung (4) das Verhältnis von Differenzen statt absoluter Werte der Spurengas(CO&sub2;)-Konzentration nutzt, ist es im Rahmen eines Aspekts der Erfindung nicht notwendig, die tatsächliche Spurengas(CO&sub2;)-Konzentration zu quantifizieren.
Sofern während des automatischen Nullbetriebs der Wert des Rücklaufluftausgangssignals 42S größer als der Wert des Versorgungs luftausgangssignals 40S ist, wird der Subtrahierer 50 ein Ausgangssignal 54 liefern, das für die Differenz zwischen dem Rücklaufluftsignal 42S und dem Versorgungsluftsignal 40S repräsentativ ist, während der Addierer 52 ein Nullsignal erzeugt. Wenn andererseits das Versorgungsluftausgangssignal 40S größer als das Rücklaufluftausgangssignal 42S ist, wird der Subtrahierer 52 ein Ausgangssignal 56 liefern, das diese Differenz repräsentiert, während der Subtrahierer ein Null-Ausgangssignal liefert. Auf jeden Fall wird einer der Subtrahierer 50 und 52, wenn das Rücklaufluftausgangssignal 42S nicht gleich dem Versorgungsluftausgangssignal 40S ist, ein Null-Signal liefern und der andere ein für die Differenz repräsentatives Ausgangssignal. Während des automatischen Nullbetriebs wird das Speichermodul 58, das Ausgangssignal (d. h. das Signal 54) des Subtrahierers 50 an den Stift (2) des Addierers 64 und das Speichermodul 60 das Ausgangssignal (d. h. das Signal 56) des Subtrahierers 52 an den Stift (2) des Addierers 66 liefern.
Sobald das HVAC-System 400 vom automatischen Nullbetrieb in den stetigen oder Regelbetrieb übergeht, werden die Module 58 und 60 gesperrt. Das Modul 58 sperrt dann den Wert des Ausgangssignals 58S am Stift (2) des Addierers 64; entsprechend sperrt das Modul 60 den dann anstehenden Wert des Ausgangssignals 72S am Stift (2) des Addierers 66. Diese Sperrwerte bleiben konstant, bis das System wieder in den automatischen Nullbetrieb übergeht.
Das Ausgangssignal 64S des Addierers 64 ist repräsentativ für den tatsächlichen Wert der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft. Ähnlich ist das Ausgangssignal 66S des Addierers 66 repräsentativ für den tatsächlichen Wert der CO&sub2;-Konzentration in der Versorgungsluft. Durch Anlegen einer Nicht-Null-Vorspannung an den Stift (2) eines der Addierer 64 oder 66, das gleich der Differenz zwischen dem Rücklaufluftsignal 42S und dem Versorgungsluftsignal 40S während des automatischen Nullbetriebs ist, kompensiert der vorgespannte Addierer effektiv für den Sensor 40 oder 42, welcher auch immer von beiden den niedrigeren Ausgangswert während des automatischen Nullbetriebs abgibt.
Hier ein spezielles Beispiel für den vorbeschriebenen Vorgang: Wenn der Rücklaufluftsensor 42 ein Ausgangssignal 42S erzeugt, das repräsentativ für 400 ppm während des automatischen Nullbetriebs ist, und der Versorgungsluftsensor ein Ausgangssignal 40S erzeugt, das repräsentativ für 370 ppm ist, wird das Ausgangssignal des Subtrahierers 50 Null sein, während das Ausgangssignal des Subtrahierers 52 eine Differenz von 30 ppm (400 - 370 = 30 ppm) repräsentiert. Somit wird das Speichermodul 60 ein Ausgangssignal 60S an den Addierer 66S abgeben, das einem 30 ppm-Fehler entspricht. Dadurch wird der Addierer gleichzeitig um den Wert nach oben vorgespannt, der benötigt wird, um ein für den tatsächlichen CO&sub2;-Gehalt in der Versorgungsluft entsprechendes Signal 66S zu liefern, das exakt dem Ausgangssignal des Addierers 64 gleich ist. Mit anderen Worten, der Sensor (d. h. der Sensor 40 oder 42), der das niedrigere Ausgangssignal während des automatischen Nullbetriebs hat, sollte um einen Betrag nach oben vorgespannt werden, der ausreicht, um sein effektives Ausgangssignal auf einen Wert anzuheben, der dem effektiven Ausgangswert des nicht vorgespannten Sensors entspricht. Somit wird der Verschiebungsfehler des Rücklaufluftsensors 42 relativ zum Versorgungsluftsensor 40 eliminiert, indem der Sensor mit dem niedrigsten Ausgangswert um einen passenden Betrag vorgespannt wird.
Nachfolgend wird beschrieben, wie das Außenluftreferenzsignal 58S erzeugt wird.
Wiederum während des automatischen Nullbetriebs wird das Signal 64S des Addierers 64 dem Speichermodul 59 zugeführt. Während des automatischen Nullbetriebs liefert der Speicher 59 ein Ausgangssignal 59S, das dem Wert des Signals 64S folgt, an den Stift (2) des Subtrahierers 70. Während des automatischen Nullbetriebs (sobald die Ausgangssignale der Sensoren 40 und 42 stabilisiert sind) ist das Ausgangssignal des Addierers 64 und damit das Ausgangssignal 59S für die CO&sub2;- Konzentration der Außenluft repräsentativ. Nach Übergang vom automatischen Nullbetrieb in den Dauerbetrieb wird das Ausgangssignal 59S durch das Modul 59 auf seinem dann herrschenden Wert gesperrt ("eingerastet"), woraufhin der konstante Wert des Ausgangssignals 59S kontinuierlich dem Stift (2) des Subtrahierers 70 zugeführt wird, bis das Modul 59 wieder freigegeben wird (d. h. bis das System wieder in den automatischen Nullbetrieb übergeht). Sofern die CO&sub2;-Konzentration der Außenluft über kurze Zeiten in einem geographischen Bereich relativ konstant bleibt, ist es im allgemeinen ausreichend, das Außenluftreferenzsignal 59S nur während des automatischen Nullbetriebs zu "rekalibrieren".
Nach dem Übergang vom automatischen Nullbetrieb in den Dauerbetrieb wird einer der Addierer 64 und 66 in geeigneter Weise vorgespannt, um die relative Differenz (sofern überhaupt eine gegeben ist) zwischen dem Rücklaufluftsensor 42 und dem Versorgungsluftsensor 40 zu kompensieren. Danach, während des Dauerbetriebs, wird das Ausgangssignal 64S, das für die effektive CO&sub2;-Konzentration der Rücklaufluft repräsentativ ist, und das Ausgangssignal 66S, das für die effektive Konzentration der Versorgungsluft repräsentativ ist, im Subtrahierer 68 voneinander abgezogen, um ein Signal 68S zu erzeugen, das dem Zähler in Gleichung (4) entspricht. Zur selben Zeit werden das Ausgangssignal 64S, das für den CO&sub2;-Gehalt der Rücklaufluft repräsentativ ist, und das Ausgangssignal 59S, das für die CO&sub2;-Konzentration der Außenluft repräsentativ ist, dem Subtrahierer 70 zugeführt, um den Nenner der Gleichung (4) zu erzeugen. Der Zähler (Signal 68S) wird durch den Nenner (Signal 70S) mittels des Teilers 72 dividiert und der Quotient (Signal 72S) wird mit dem Signal 38S multipliziert, das für die Volumenflußrate (CFMsa) der Versorgungsluft repräsentativ ist. Das Ausgangssignal des Multipliers 74, nämlich das dem Außenluftvolumen analoge Signal 76, repräsentiert das Durchflußvolumen von Frischluft, d. h. CFMfa in Gleichung (4).
Der automatische Nullbetrieb wird durch den Regler 46 vorzugsweise oft genug initiiert, um zufällige Sensorverschiebungen, temperaturverursachte Sensorverschiebungen und Änderungen im CO&sub2;-Gehalt der Außenluft zu kompensieren.
Außerdem werden die Ausgangssignale des Versorgungsluftsensors 40 und des Rücklaufluftsensors 42 vorzugsweise vorgespannt, um sie der CO&sub2;-Konzentration der Außenluft anzupassen. Somit wird die absolute Genauigkeit auch erheblich verbessert, ebenso wie die relative Genauigkeit des Systems.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Außenluftdurchsatz mit weniger Hardware als - bei bekannten Systemen überwacht. Da der CO&sub2;-Gehalt von Außenluft im allgemeinen über eine kurze Zeitdauer konstant ist, ist eine tatsächliche Zeitbestimmung der CO&sub2;-Konzentration von frischer Außenluft nicht erforderlich, um das in das Gebäude gelangende Volumen in der frischen Außenluft zu berech nen. Vielmehr kann, wie oben erörtert wurde, eine derartige Bestimmung im Zusammenhang mit dem automatischen Nullbetrieb, wenn dieser regelmäßig durchgeführt wird, erfolgen. Im Gegensatz dazu erfordert das temperatur-gestützte Energieabgleich-Modell, daß die Außenlufttemperatur kontinuierlich gemessen wird (da sie nicht konstant ist). Die Notwendigkeit der Messung dieser zusätzlichen Eingabe erhöht die Hardware-Kosten und führt darüber hinaus zu einer zusätzlichen Quelle an Meßfehlern, die das Ergebnis der Energiebilanz negativ beeinflussen.
Das Anordnen von Sensoren ist auch einfach und problemlos im Rahmen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, insbesondere wenn es mit Systemen verglichen wird, die ein temperatur-gestütztes Modell benutzen. Da Heizungs- und Kühlschlangen, Befeuchter und anderere Einrichtungen, wie sie im Regler 79 verwendet werden, den CO&sub2;-Gehalt eines Probenluftstroms nicht nennenswert beeinflussen, können die CO&sub2;-Sensoren an irgendeiner geeigneten und leicht zugänglichen Stelle in den Versorgungs- oder Rücklaufluftleitungen untergebracht werden. Demgegenüber müssen Temperaturelemente bei einem Energiemodell typischerweise an oder nahe der Luftmischkammer angebracht werden, bevor die Luft durch irgendeine Schlange fließen darf. Als Ergebnis können Luftstromschichten erhebliche Temperaturmeßfehler hervorrufen.
Systeme, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, erfordern keine speziellen oder besonderen Auslegungen und Designs des Außenluft-Ansaugnetzwerks oder der Mischkammern. Somit werden die Konstruktionskosten eines mechanischen Systems, das mit der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, nicht nachteilig beeinträchtigt.
Um mit bekannten Direktfluß-Meßtechniken vergleichbare Genauigkeit zu erreichen, müssen außerordentliche Auslegungs- und installationsarbeiten in das Design des Außenluftleitungswerks und die Mischkammer investiert werden.
Der Kohlenstoffdioxid-Gehalt ist die bevorzugte Komponente für die Messung in den Außen-, Versorgungs- und Rückführluftströmen. CO&sub2;- Sensoren sind leicht im Handel zu erhalten. CO&sub2;-Konzentrationen sind hinreichend hoch, um eine genaue Messung zu garantieren, unabhängig von der Außentemperatur oder irgendwelchen anderen Variablen. Die CO&sub2;-Konzentration von frischer Außenluft ist relativ konstant im Bereich von 370 bis 400 ppm, und die CO&sub2;-Konzentration von Rücklaufluft beträgt typischerweise zwischen 500 und 1000 ppm. Somit ist die Differenz in CO&sub2;-Gehalten, die typischerweise in der Außen-, Rücklauf und Versorgungsluft berücksichtigt wird, groß genug, daß hinreichende Genauigkeit erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf CO&sub2; als Spuren- oder Testgas beschränkt. Tatsächlich gilt die Relation nach Gleichung (4) in gleicher Weise für andere Komponenten, Parameter und Charakteristiken von umgewälzter Luft.
Das auf dem CO&sub2;-Modell basierende System gemäß Fig. 6 ist auch fehlertolerant. Wenn der CO&sub2;-Gehalt der Rücklaufluft sich dem CO&sub2;-Gehalt der frischen Außenluft nähert, dürfte das Gebäude oder dergleichen höchstwahrscheinlich sehr gering besetzt sein, da die Benutzer selbst das CO&sub2; erzeugen. Daher wird jeder damit verbundene Berechnungsfehler weniger bedeutsam, weil die Belüftungscodes auf der Anzahl der Benutzer basieren.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der automatische Nullabgleich in einen digitalen Computer installiert sein, z. B. in einer mikroprozessor-gestützen digitalen Steuerung. Diese Ausführung führt zu niedrigeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit. Bei einer solchen Mikroprozessor-Ausführung werden die Ausgangssignale der Versorgungsluftsensoren 40 und der Rückführluftsensoren 42 vorzugsweise so vorgespannt, daß sie der CO&sub2;-Konzentration von frischer Außenluft während des automatischen Nullbetriebs entsprechen. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß auf einen bekannten Referenzwert rekalibriert wird, was die Genauigkeit der absoluten Messung der CO&sub2;- Konzentrationen erhöht. Obwohl ein hoher Grad an absoluter Genauigkeit für die Durchführung nicht erforderlich ist, kann es jedoch Vorzüge haben, die aktuellen Konzentrationen zusätzlich zu den relativen Differenzen zwischen den verwendeten CO&sub2;-Konzentrationen zu kennen.
Die Erfinder haben außerdem allerdings herausgefunden, daß selbst mit dem Vorteil der automatischen Nullfunktion, die Mehrfachsensor- Umsetzung gemäß Gleichung (4) nichtsdestoweniger unannehmbare Ergebnisse hervorbringen kann aufgrund unannehmbar hoher Fehler in der Berechnung der Außenluftdurchflußrate. Die folgenden Ausführungsbeispiele wenden die Gleichung (4) daher bei einer Einzelsensorausführung an, wodurch Sensor-zu-Sensor-Fehler vollkommen vermieden werden.
In Fig. 7 ist ein alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem ein Einzelsensor verwendet wird, der aufeinanderfolgend Luftproben von zwei oder mehreren Quellen mißt. Die Verwendung eines Einzelsensors vermeidet notwendigerweise Sensor-zu-Sensor-Änderungen und erhöht die Genauigkeit, mit der die Gleichung (4) angewendet werden kann, erheblich. Speziell vermeidet der Einsatz eines Einzelsensors, die Effekte von Null- und Bereichsverschiebungen, zufällige und temperaturbedingte Sensorausgangssignaländerungen sowie Nichtlinearitäten, die die Arbeitsweise mit Mehrfachsensoren beeinträchtigen.
Gemäß Fig. 7 gehört zu einem ersten Einzelsensor-Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Außenluft-Probenrohr 94, das mit einer Außenluftleitung 32 (Fig. 4) verbunden ist, ein Rücklaufluftprobenrohr 96, das mit der Rücklaufleitung 16 verbunden ist, ein Versorgungsluftprobenrohr 98, das mit der Versorgungsleitung 14 verbunden ist, entsprechende Ventil 100 und 102, eine Probenpumpe 106 sowie ein Spurengas- (z. B. CO&sub2;)Einzelsensor 104, der so ausgelegt ist, daß er ein Ausgangssignal 104A erzeugt, das für die Spurengaskonzentration in der den Sensor 104 passierenden Luft repräsentativ ist.
In dem Maße, wie der automatische Nullbetrieb der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele dazu ausgelegt ist, die Sensor-zu-Sensor- Unterschiede zu reduzieren, ist die Funktion des automatischen Nullbetriebs im Zusammenhang mit einer Ausführung, die einen Einzelsensor benutzt, wie bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel, unnötig. Die Wirkungsweise der Einzelsensorausbildung wird daher im Zusammenhang mit dem normalen Dauerbetrieb beschrieben.
Während des Dauerbetriebs stellt die Steuerung 46 die Ventile 100 und 102 gemäß den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Ventilstellungen aufeinanderfolgend auf die Zufuhr von Außenluft, Rücklaufluft und Versorgungsluft zum Sensor 104 ein. TABELLE 2
Dem Fachmann ist klar, daß eine spezielle Ventilstellung für eine hinreichende Zeit beibehalten werden soll, um zuvor entnommene Luftproben aus dem Sensor 104 ausspülen zu können und dem Sensor 104 zu ermöglichen, daß er ins Gleichgewicht im Hinblick auf die jeweils anstehende Luftprobe gelangen kann. Da jede Luftprobe (z. B. Außen-, Rücklauf- und Versorgungsluftprobe) der Reihe nach analysiert wird, erzeugt der Sensor 104 ein Ausgangssignal 104A, das repräsentativ für die CO&sub2;-Konzentration im gerade untersuchten Gas ist. Somit kann während eines Teils des Probenzyklus das Ausgangssignal 104A dem CO&sub2;-Gehalt in der Außenluft entsprechen; während eines anderen Teils des Probenzyklus kann das Ausgangssignal 104 der CO&sub2;-Konzentration in der Rücklaufluft entsprechen usw. Die Steuerung 46 überwacht das Ausgangssignal 104A und kalkuliert, u. a. gemäß der Gleichung (4), die Volumenflußrate von frischer Luft in das System. Wie zuvor beschrieben, kann die Steuerung 46 einen oder mehrere Absaugklappen bzw. -schieber 30, Rückführklappen bzw. -schieber 24, Außenluftklappen bzw. -schieber 36, Versorgungsgebläse 18 und Rücklaufgebläse 20 einstellen, um die gewünschte Frischluftvolumenrate (z. B. CFMfa) zu erreichen.
Dem Fachmann dürfte klar sein, daß die Einzelsensorausführung gemäß Fig. 7 in geeigneter Weise konfiguriert werden kann, um alternierend nur Rücklaufluft und Versorgungsluft zu messen und periodisch Außenluft, um somit, wenn es geeignet erscheint, Langzeitänderungen, der CO&sub2;-Gehalte in Außenluft zu kompensieren.
Gemäß den Fig. 10 und 11 besitzt eine alternative Ausführungsform einer Einzelsensorausführung im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine erste Luftprobenleitung 252, eine zweite Luftprobenleitung 254 und eine dritte Luftprobenleitung 256, die so ausgelegt sind, daß sie Luftproben von verschiedenen, innerhalb des Luftnetzes festgelegten Punkten einem Multiplexer 250 zuführen. Die Steuerung 46 gibt entsprechende Sequenzkontrollsignale 46S an den Multiplexer 250. In Abhängigkeit von den Sequenzkontrollsignalen 46S leitet der Multiplexer 250 der Reihe nach Luft von den Leitungen 252, 254 und 256 zum Sensor 104 (z. B. ein CO&sub2;- Sensor), woraufhin der Sensor 104 Signale 104A an die Steuerung 46 gibt. Wie zuvor erörtert wurde, entspricht das Signal 104A während eines Teils des Probenzyklus der Spurengaskonzentration in der Luft aus der ersten Probenleitung 252; das Signal 104A entspricht während anderer Teile des Probenzyklus der Spurengaskonzentration in der Luft der Probenleitungen 254 bzw. 256.
Obwohl das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel speziell drei Probenleitungen zeigt, ist es für den Fachmann klar, daß das System auch für zwei, drei oder jede andere Zahl von Probenleitungen ausgelegt werden kann.
Beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 11 besitzt der Multiplexer 250 vorzugsweise entsprechende Solenoid-Ventile 258, 260 und 262. Bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 11 ist die Steuerung 46 so ausgelegt, daß sie Sequenz-Steuersignale 46S an die Solenoide 258, 260 und 262 in einer Weise abgibt, daß nacheinander verschiedene Luftproben dem Sensor 104 zur Analyse zugeführt werden. Insbesondere (siehe auch Fig. 12) kann die Steuerung so ausgelegt sein, daß sie das Solenoid 258 derart betätigt, daß Luft von einem ersten Probenrohr 252 durch den Sensor 104 fließt, während die Solenoide 260 und 262 Luft daran hindern, von den entsprechenden Probenleitungen 254 und 256 durch die ihnen zugeordneten Solenoid-Ventile zu fließen. Nach einer vorbestimmten Spülzeit Pt liest die Steuerung den Wert des Signals 104A, der der Konzentration der gerade durch den Sensor 104 fließenden Luftprobe entspricht. Wie bereits erwähnt, sollte die Spülzeit Pt lang genug sein, um das Ausgangssignal 104A zu stabilisieren.
Des weiteren besitzen typische CO&sub2;-Sensoren eine Ansprechzeit von ungefähr 30 Sekunden. Die geeignete Wahl einer Luftpumpe oder eines Gebläses sorgen dafür, daß die Probenleitungen in einer relativ kurzen Zeit komplett gespült werden, z. B. nach ungefähr 10 Sekunden bis einer Minute. Somit kann die Steuerung 46 vorzugsweise so ausgelegt werden, daß sie der Reihe nach die jeweiligen Solenoide 258, 260 und 262 für ungefähr jeweils eine Minute öffnet. Während der letzten 5 oder 10 Sekunden jeder Minute liest die Steuerung 46 das Signal 104A für jede Probenleitung. Somit dauert ein kompletter Meßzyklus für 3 Meßstellen vorzugsweise ungefähr 3 Minuten.
Wie zuvor dargelegt, können die Einzelsensoren-Anlagen nach der Erfindung so ausgelegt sein, daß sie zwei, drei oder mehr Luftproben von unterschiedlichen Stellen innerhalb des HVAC-Systems 400 entnehmen. In dem Umfang, in dem die Gleichung (4) zum Berechnen der Frischluftvolumenrate benutzt wird, ist es nicht nötig, genau den absoluten Wert der Spurengaskonzentration in jeder Probe zu messen, um genau die Frischluftvolumenflußrate zu bestimmen. Dennoch kann es bei vielen Anwendungen wünschenswert sein, periodisch den Sensor zu kalibrieren, um seine Fähigkeit, den absoluten Wert einer bestimmten Gasprobe zu messen, zu verbessern. Dies gilt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sowohl für Einzelsensoren-Ausführungen als auch für Mehrfachsensoren-Ausführungen.
Darüber hinaus kann der Multiplexer 250 (Fig. 10 und 11) mit einer Vielzahl von Luftprobensammelkanälen (-leitungen) ausgerüstet sein, von denen eine vorzugsweise mit einer Gasquelle (z. B. Luft) mit einem vorbestimmten Gehalt (z. B. 0 ppm) an Spurengas z. B. CO&sub2;, verbunden ist. Eine andere Leitung kann mit einer Gasquelle mit einer anderen bekannten CO&sub2;-Konzentration (z. B. Kalibrierlufttank mit 1000 ppm CO&sub2;- Konzentration) verbunden sein. Die CO&sub2;-Konzentrationsraten, die von diesen beiden Kalibrierungskanälen erhalten werden, können dann dazu benutzt werden, um den Sensor 104, wann immer es erwünscht ist, periodisch zu kalibrieren. Darüber hinaus kann ein einziger Kalibriertank mit einer bekannten (z. B. 0) Konzentration an Spurengas als hybride automatische Nulltechnik bei einem Einzelsensor-Ausführungsbeispiel angewandt werden.
Das Arbeiten mit Sensor-Multiplexern bietet bessere Genauigkeit, da es die Effekte von Vorspannung, Empfindlichkeit, Linearität und zufälligen Verschiebungssensorfehlern vermeidet. Es reduziert auch die Hardware- Komponenten auf einen Einzelsensor und eine einzige Luftpumpe. Automatischer Nullbetrieb kann angewandt werden, um die absolute Sensorgenauigkeit zu verbessern, da er für den im Rahmen der Erfindung benutzten Sensor oder die Sensoren ein Kalibrieren gegenüber einer bekannten Referenz-, z. B. die CO&sub2;-Konzentration von frischer Luft gestattet. Der automatische Nullbetrieb wird unter dem Einfluß der Steuerung 46 auf einer einstellbaren periodischen Basis durchgeführt, um frische Außenluft an den Sensor gelangen zu lassen. Während des automatischen Nullbetriebs wird das Signal des CO&sub2;-Sensors um einen bestimmten Betrag vorgespannt, um ein Ausgangssignal zu liefern, das gleich der CO&sub2;-Konzentration der bekannten frischen Außenluft als Referenz ist.
Es dürfte deutlich sein, daß die vorstehende Beschreibung sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung bezieht und daß die Erfindung nicht auf die speziell beschriebenen Ausführungen beschränkt ist. Zum Beispiel ist dem Fachmann klar, daß, obgleich als Steuerschaltung eine Hardwareversion gewählt wurde, jede geeignete analoge oder digitale Steuerung einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, eines Mikroprozessors zu Umsetzung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Außerdem ist die Spurengasprobentechnik in ihrer Anwendung nicht auf ein HVAC-System beschränkt.

Claims

1. Vorrichtung (400) zum Bestimmen des Durchsatzes eines Versorgungsfluides, das zum Zirkulieren eines Mischfluides aus diesem Versorgungsfluid und einem Rücklauffluid innerhalb eines Volumens benutzt wird, bestehend aus:

- Mitteln (44, 42, 40, 104) zum Messen einer Komponente des Versorgungsfluids, einer Komponente des Rücklauffluids und einer Komponente des Mischfluids; und zum Liefern eines ersten Wertes der Versorgungsfluid-Komponente, eines zweiten Wertes der Rücklauffluid-Komponente und zum Liefern eines dritten Wertes der Mischfluid-Komponente;

- einem Umwälzgerät (18) zum Einführen des Mischfluids in das Volumen; und

- Mitteln (46) zum Bestimmen des Durchsatzes des Versorgungsfluids unter Verwendung des Verhältnisses der Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem dritten Wert zur Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem ersten Wert.

2. Vorrichtung zum Bestimmen des Durchsatzes von in ein HVAC- System (Heizung, Lüftung und Aircondition) eingeführter Außen- bzw. Umgebungsluft zum Zirkulieren von Versorgungsluft in einen Komplex (10) z. B. einem Gebäude, bestehend aus:

- einer Versorgungsluftleitung (14), die derart an das Gebäude oder dergleichen angeschlossen ist, daß sie in dieses die Versorgungsluft einleiten kann, die aus Außen- bzw. Umgebungsluft - eingeführt über eine Außenluftleitung (32) - und einem Teil Rücklaufluft besteht;

- einer Rücklaufluftleitung (16), die mit dem Gebäude verbunden ist, um die Rücklaufluft abzuführen;

- einem Außenluftsensor (44), der in Wirkverbindung mit der Außenluftleitung (32) steht, um eine Komponente der Außenluft zu messen und ein Außenluftsignal zu erzeugen, das für diese Komponente repräsentativ ist, einem Rücklaufluftsensor (42, 104), der in Wirkverbindung mit der Rücklaufluftleitung (16) steht zum Messen der Komponente der Rücklaufluft und zum Erzeugen eines Rücklaufluftsignals, das repräsentativ für diese Komponente ist, und einem Versorgungsluftsensor (40, 104), der in Wirkverbindung mit der Versorgungsluftleitung (14) steht zum Messen dieser Komponente der Versorgungsluft und zum Erzeugen eines Versorgungsluftsignals, das repräsentativ für diese Komponente ist;

- Mitteln (18) zum Zirkulieren der Versorgungsluft in dem Gebäude oder dergleichen;

- an die Versorgungsmittel angeschlossenen Mitteln (38) zum Bestimmen einer Lüftungsluftdurchflußrate; und

- Steuermitteln (46) zum Bestimmen des Durchflusses der Umgebungsluft aus dem Produkt der Lüftungsluftdurchflußrate und dem Verhältnis der Differenz zwischen dem Rücklaufluftsensorausgangswert und dem Versorgungsluftsensorausgangswert zur Differenz zwischen dem Rücklaufluftsensorausgangswert und dem Umgebungsluftsensorausgangswert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente Kohlendioxyd enthält.

4. Verfahren zum Messen des Durchsatzes von in ein Gebäude (10) oder dergleichen eingeführter Außenluft, wobei Versorgungsluft, die Außen- und Rücklaufluft aufweist, im Gebäude umgewälzt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Entfernen von Rücklaufluft aus dem Gebäude;

- Rückführen mindestens eines Teils der Rücklaufluft;

- Messen der Konzentration einer Komponente in der Rücklaufluft und Erzeugen einer Rücklaufluftkomponentenkonzentration;

- Messen der Konzentration der Komponente in der Außenluft und Erzeugen einer Außenluftkomponentenkonzentration;

- Messen der Konzentration der Komponente in der Versorgungsluft und Erzeugen einer Versorgungsluftkomponentenkonzentration;

- Bestimmen des Durchsatzes von Außenluft aus dem Verhältnis der Differenz zwischen der Rücklaufluftkomponentenkonzentration und der Versorgungsluftkomponentenkonzentration zur Differenz zwischen der Rücklaufluftkomponentenkonzentration und der Außenluftkomponentenkonzentration.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Schritte:

- Messen des Durchsatzes von Versorgungsluft in das System und Erzeugen eines Versorgungsluftdurchsatzes sowie Bestimmen des Durchsatzes von Außenluft aus dem Produkt des Versorgungsluftdurchsatzes und dem Verhältnis.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente Kohlendioxyd ist.

7. Vorrichtung zum Steuern der Menge an Außenluft in ein System zum Belüften eines Gebäudes (10) oder dergleichen, gekennzeichnet durch Ansaugsteuermittel (36), Rückführungssteuermittel (24), Außenluftsensoren (44) zum Messen einer Komponente der Außenluft, Rücklaufluftsensoren (42) zum Messen einer Komponente der Rücklaufluft und Versorgungsluftsensoren (40) zum Messen einer Komponente der Versorgungsluft, eine Methode zum Kalibrieren der Versorgungsluftsensoren (40) und der Rücklaufluftsensoren (42) mit den Schritten: Öffnen der Ansaugsteuermittel (36); Schließen der Rückführungssteuermittel (24); Abgleichen bzw. Anpassen der Versorgungsluftsensoren (40) auf bzw. an die Außenluftsensoren (44); Schließen der Ansaugsteuermittel (36); Öffnen der Rückführungssteuermittel (24); und Abgleichen bzw. Anpassen der Rücklaufluftsensoren (42) auf bzw. an die Versorgungsluftsensoren (40).