EP0643271B1 - Process for controlling the temperature and the humidity of the air in rooms with an air conditioning installation - Google Patents
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- EP0643271B1 EP0643271B1 EP94114028A EP94114028A EP0643271B1 EP 0643271 B1 EP0643271 B1 EP 0643271B1 EP 94114028 A EP94114028 A EP 94114028A EP 94114028 A EP94114028 A EP 94114028A EP 0643271 B1 EP0643271 B1 EP 0643271B1
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- F24F2110/20—Humidity
- F24F2110/22—Humidity of the outside air
Definitions
- the invention relates to a method for regulating the temperature and humidity of air in rooms by means of an air-conditioning system which consists of a number of units for carrying out changes in air status and uses outside air and exhaust air as input streams, the control of the individual air-conditioning units and the process control taking place in this way that the supply air brings about a predetermined room air condition, whereby a target function is fulfilled, namely that the target condition is achieved with a minimum of energy expenditure, and where boundary conditions are specified with regard to the air conditions that can be set by the individual units and the realizable state changes are determined, as described in DE 34 39 288 A1 is known.
- Air conditioning in modern systems is carried out according to control strategies that include partial energy optimization.
- the various forms of energy are only calorically assessed, and approved areas of the indoor air condition can only be used insufficiently.
- an air conditioning system which, as air conditioning units, has at least one mixing chamber for mixing the outside air with exhaust air from the rooms, a heating unit, a cooling unit and a humidifier, and with the current air conditions Supplying sensors for the exhaust air, the outside and the supply air, whereby a partial combination of air conditioning units is operated based on the stored ventilation operating parameters of the air conditioning units, the current state of the outside air and the exhaust air, the target state of the supply air and the minimum volume fraction of the outside air in the supply air , with which the target state of the supply air can be reached, whereby it is provided that, based on the stored ventilation and air conditioning operating parameters of the air conditioning units, the current state of the exhaust air, the target state of the supply air and the minimum volume fraction of the outside air in the supply air, limits of outside air status areas are calculated, which In each
- the invention has for its object to develop a method of the type mentioned in such a way that a universal optimization is possible by specifying various target functions.
- the target functions are freely configurable and can, for example, energy expenditure, operating costs or Minimize environmental pollution.
- the optimal process control, the operating status and performance of the units as well as the optimal indoor air status in the approved area are specified. If this method is implemented using modern data processing, it can be used directly as an ideal comparison process, for summing up the target function over a given period of use and for practical gene operation.
- each air conditioning unit While known methods provided for each air conditioning unit to be assigned its own control loop, the individual controllers being supplied with the current input variables and not depending on the respectively optimal operating mode, which results from the assignment of the outside air status point to one of the outside air status ranges
- the required air conditioning units are switched off in a controlled manner, it was previously not intended to provide a procedure in such a way that an optimum overall result is achieved in that, on the one hand, the individual air conditioning units may not work optimally and, on the other hand, not a specific target point for the supply air condition, but a target area for the air condition is specified in the area where the room is located, which makes it possible to use it variably, taking into account the recorded input variables - possibly going to the peripheral area - which allows an optimum in operating mode.
- the main idea for the method according to the invention is that it has been recognized that a technical strategy of process control is primarily required. This sets according to the target functions (minimal costs or minimal environmental impact or minimal energy expenditure or ..) and variably agreed boundary conditions (all condition points must be in the unsaturated area, use of a heat recovery device, a mixing chamber, etc.) the optimal route - ie the use of the units - firmly.
- the final goal is an area that is defined, for example, according to DIN 1946 Part 2 depending on the outside temperature. If all technical advance calculations were accurate, the air conditioning system could be operated according to this strategy. If, for example, the room load deviates, the control must correct this.
- FIG. 6 The working principle of dynamic optimization is shown in FIG. 6, whereby initially only the variable t and three aggregates (heater, washer, heater) are considered. ZU can be reached from AU in an infinite number of ways. This theoretical amount of data cannot be processed.
- Fig. 7 shows the possible way out; the "milestones" of the change of state are divided into sections of the size ⁇ t and all state courses ending in this section are labeled with the average temperature of the section. So there are finally many ways between AU and ZU.
- the numerous physical and technical boundary conditions that limit temperatures at certain milestones, for example, are easy to take into account (see t B, limit in FIG. 7).
- the numbering of the aggregates k can be dispensed with if the aggregates are assigned to the stage fields e at the entrance.
- Each stage field e shown in FIG. 1 can be thought of as a t, x diagram for moist air.
- the area of the ongoing climate process is divided into 60 temperature and 25 humidity sections, i.e. 1500 fields.
- the range is - 19.5 ° C ⁇ t ⁇ 40.5 ° C; 0 ⁇ x ⁇ 0.0245 kg W / kg tL covered.
- the predefined state points t; x are represented by the assignment in state sections (i; j) with an error ⁇ 0.5 K and ⁇ 0.0005 kg W / kg tL . This is clear from Fig. 9.
- the data is then entered with the ON subroutine. It will be introduced later. Between the stage fields e; e + 1, etc., each has an aggregate which changes the air condition. With known entry conditions, the physical, technical description can be carried out well. The only problem is the mixer (MI) and heat recovery unit (WR), which provide feedback from the following via a second input Process progress received. This is particularly complicated if the desired spatial condition is not a fixed value, but if it is a target area. In this case, an iterative calculation must be made. The process is determined by the control variable SGG> 0.
- An initial value follows from averaging the limits for the indoor air condition: (tmax [eR] + tmin [eR]) / 2 (xmax [eR] + xmin [eR]) / 2. If a difference of> 1 K or> 1 g W / kg tL is found at the end of the calculation, a new iteration calculation starts from the label (1).
- the optimal target is selected by the value with the smallest target function - e.g. B. the lowest cost - is determined.
- the optimal route is then traced back, with the significant stage values identified: topt [e]; xopt [e]; Copt]; File].
- EXHAUST the air leaving the room area is tracked further. After completion of the iterations, all parameters of interest are output with the subroutine AUS.
- FIGS. 12 and 13 The subroutines for data input and output ON and OFF are shown in detail in FIGS. 12 and 13.
- the final data of the change in air condition tn (new temperature) and xn (new humidity) as well as the additive of the target function ⁇ K are calculated. If no change of state is technically feasible in the unit under consideration, then ⁇ K ⁇ 0 is set.
- the CONDITION subroutine supplies the values associated with tn and xn: relative humidity ⁇ n, specific enthalpy hn and dew point temperature t ⁇ n.
- the EXHAUST subroutine (Fig. 16) shows the algorithm for exhaust air tracking and the detailed procedure.
- the state changes caused by these aggregates are the content of the corresponding subroutines.
- thermodynamic relationships form the basis for all process control calculations.
- the basics and summarized algorithms are known. They are required and are used in three subroutines.
- the air pressure (total pressure) p the input value for the outside air condition (subroutine ON) is generally used for all stages of the climate process.
- CONDITION subroutine (Fig. 18): This is a shortened version of ZUSTANDG with the results ⁇ *, h *, t ⁇ *, xW.
- STATUS subroutine (Fig. 19): In the caloric calculations for moist air, the specific enthalpy h * and the humidity x * often appear as results. The temperature t * must be determined for further calculation. This is done with the present subroutine (H indicates the input variable h *).
- the default is still ⁇ kg / s air mass flow.
- the two subroutines RAUMU and RAUMO (FIG. 21) can thus be used, from which the parameters at the respective outlet (tn; xn) follow.
- the direction of the change in state ( ⁇ HR / ⁇ WR) in the lower section of the room or the pure temperature increase (tn-t) in the upper section of the room is noted as an “action”.
- the "end parameters of the lower room” must correspond to the required room setpoints. This means that the climate process to be optimized ends.
- the change in status in the upper area of the room is already included in the "Tracking exhaust air" section.
- the power ⁇ is stored under "Action".
- the WAESCHER subroutine is shown in FIG.
- a regulated scrubber is used as a basis.
- the steam program is shown in FIG. 24.
- the enthalpy of saturated steam ⁇ hD according to (1) and the enthalpy of the air inlet state (t; x) are determined with UP CONDITION according to the input value steam pressure pDB.
- the UP CONDITION provides the associated tn.
- kDB p e1 / ⁇ D in DM / kWh.
- a corresponding adjustment must be made. Under “Action" the increase in moisture is saved in g W / kg tL .
- the COOLER subroutine is shown in FIG.
- the subroutines LUEFTER and ALUEFTER are shown in Fig. 26.
- the MIXER and AMISCH subroutines are shown in Fig. 27
- the UP AMISCH only looks at the branch in the exhaust air path that leads to the mixing chamber. Of course, the parameters of the exhaust air do not change.
- the change in the exhaust air status can run both after a, but at lower temperatures t, and also after b.
- the exhaust air outlet state is no longer of interest, since it is mostly exhaust air. Nevertheless, the exit condition should be recorded correctly in the UP AWRGT (Fig. 28).
- FIG. 31 summarizes the optimal way of the state changes with indication of the respectively significant "action”.
- 32 shows the course in the h, x diagram.
- the energy and / or cost expenditures for the operation of an air conditioning system are of interest for a predetermined period, for example for a year.
- the outside air conditions can be specified according to temperature, humidity and the corresponding frequency in accordance with DIN 4710, or they are described using the test reference year.
- the summation of the target function is possible without any problems. Since the examined changes in state each represent optimal operating processes, the Objective function to the minimum. The result thus represents an optimal comparison process.
- the optimal assembly equipment can be determined. Typical examples are the comparison of steam humidifiers, controllable scrubbers and non-controllable scrubbers or checking the efficiency of heat recovery units, etc. It would also be conceivable to provide a steam humidifier and a washer in the air conditioning system at the same time and to check which unit is selected under which conditions during the optimization. If necessary, the operating times would have to be determined over a year and then the selection made.
- Which of the two variants should be selected is to be determined primarily from a practical point of view - for example, stability considerations and the use of hardware.
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Description
Die Erfindung geht aus einem Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte von Luft in Räumen mittels einer lufttechnischen Anlage, die aus einer Anzahl von aggregaten zum Durchführen von Luftzustandsänderungen besteht und als Eingangsströme Außenluft und Abluft nutzt, wobei die Steuerung der Einzelklimaaggregate und die Prozeßführung so erfolgt, daß die Zuluft einen vorgegebenen Raumluftzustand bewirkt, wobei eine Zielfunktion erfüllt wird, nämlich daß der Sollzustand mit einem Minimum an Energieaufwand erreicht wird, und wobei Randbedingungen hinsichtlich der durch die Einzelaggregate einstellbaren Luftzustände vorgegeben und die realisierbaren Zustandsänderungen ermittelt werden, wie es aus der DE 34 39 288 A1 bekannt ist.The invention relates to a method for regulating the temperature and humidity of air in rooms by means of an air-conditioning system which consists of a number of units for carrying out changes in air status and uses outside air and exhaust air as input streams, the control of the individual air-conditioning units and the process control taking place in this way that the supply air brings about a predetermined room air condition, whereby a target function is fulfilled, namely that the target condition is achieved with a minimum of energy expenditure, and where boundary conditions are specified with regard to the air conditions that can be set by the individual units and the realizable state changes are determined, as described in
Die Luftaufbereitung in modernen Anlagen erfolgt nach Regelungsstrategien, die eine energetische Teiloptimierung beinhalten. Dabei werden die verschiedenen Energieformen nur kalorisch bewertet, und zugelassene Bereiche des Raumluftzustandes sind nur ungenügend nutzbar.Air conditioning in modern systems is carried out according to control strategies that include partial energy optimization. The various forms of energy are only calorically assessed, and approved areas of the indoor air condition can only be used insufficiently.
Um ein Verfahren zum Regeln von Temperatur und Feuchte in Räumen anzugeben, mit dem eine mehrere Klimaaggregate enthaltenden Luftaufbereitungsanlage für jeden Zustand der Außenluft mit möglichst geringem Energieverbrauch 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 Befeuchtungseinrichtung enthält, und mit die aktuellen Luftzustände liefernden Meßfühlern für die Abluft, die Außen- und die Zuluft, wobei aufgrund der gespeicherten lufttechnischen Betriebsparameter der Klimaaggregate, des aktuellen Zustandes der Außenluft und der Abluft, des Sollzustandes der Zuluft sowie des Mindestvolumenanteils der Außenluft in der Zuluft jeweils eine Teilkombination von Klimaaggregaten betrieben wird, mit welcher der Sollzustand der Zuluft erreichbar ist, wobei vorgesehen ist, daß aufgrund der gespeicherten raumlufttechnischen Betriebsparameter der Klimaaggregate, des aktuellen Zustandes der Abluft, des Sollzustandes der Zuluft sowie des Mindestvolumenanteils der Außenluft in der Zuluft Grenzen von Außenluft-Zustandsbereichen berechnet werden, denen jeweils die energetisch günstigste Teilkombination der Klimaaggregate und deren Betriebsart zugeordnet werden, mit denen der Sollzustand der Zuluft erreichbar ist, daß die Zugehörigkeit des jeweils herrschenden Außenluftzustandes zu einem Außenluft-Zustandsbereich ermittelt wird und daß die diesem Außenluft-Zustandsbereich zugeordnete Teilkombination 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 Außenluft-Zustandspunktes zu einem der Außenluft-Zustandsbereiche ergibt, die einzelnen Regler mit den aktuellen Eingangsgrößen versorgt und nicht benötigte Klimaaggregate gesteuert abgeschaltet werden (DE 34 39 288 A1).In order to specify a method for regulating temperature and humidity in rooms, with which an air conditioning system containing several air conditioning units is operated for every state of the outside air with the lowest possible energy consumption, a method has already been specified for an air conditioning system which, as air conditioning units, has at least one mixing chamber for mixing the outside air with exhaust air from the rooms, a heating unit, a cooling unit and a humidifier, and with the current air conditions Supplying sensors for the exhaust air, the outside and the supply air, whereby a partial combination of air conditioning units is operated based on the stored ventilation operating parameters of the air conditioning units, the current state of the outside air and the exhaust air, the target state of the supply air and the minimum volume fraction of the outside air in the supply air , with which the target state of the supply air can be reached, whereby it is provided that, based on the stored ventilation and air conditioning operating parameters of the air conditioning units, the current state of the exhaust air, the target state of the supply air and the minimum volume fraction of the outside air in the supply air, limits of outside air status areas are calculated, which In each case, the energetically most favorable sub-combination of the air conditioning units and their mode of operation are assigned, with which the desired state of the supply air can be achieved, so that the belonging of the prevailing outside air condition to an outside air condition area is determined It is clear that the partial combination assigned to this outside air status area, the air conditioning units and their operating mode are released. It can be provided that a separate control circuit is assigned to each air conditioning unit, whereby the individual controllers are supplied with the current input variables and not depending on the respectively optimal operating mode, which results from the assignment of the outside air status point to one of the outside air status ranges required air conditioning units are switched off in a controlled manner (
Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Gesamtprozeßverlauf als Aneinanderreihung der einzelnen Zustandsänderungen in den Einzelaggregaten zu betrachten, wobei zur Erreichung der energiesparendsten Betriebsart die Regelparameter für die Einzelaggregate festlegbar sind (Energieeinsparung bei Lüftungs- und Klimaanlagen mit Hilfe verbesserter Automatisierungskonzepte" von P. Bork in Automatisierungstechnische Praxis, 28. Jhg, Heft 4/1986, S.184-190).It has already been proposed to consider the overall process course as a sequence of the individual state changes in the individual units, the control parameters for the individual units being able to be determined in order to achieve the most energy-saving operating mode (energy saving in ventilation and air conditioning systems with the aid of improved automation concepts by P. Bork in automation technology Praxis, 28. Jhg,
Es ist auch bereits bekannt, statt eines festen Wertes einen Zustandsbereich für die Raumluft vorzugeben (DD 295 706 A5).It is also already known to specify a status range for the indoor air instead of a fixed value (DD 295 706 A5).
In der Zentrale einer Klimaanlage wird der Luftstrom einer gezielten Zustandsänderung unterworfen. Der allgemeinste 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) aufzubereiten ist (Fig.8). Die technisch möglichen Zustandsänderungen 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 Aggregate, 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 Außenlufttemperatur tAU gebunden, so daß der Abluftzustand AB ebenfalls variabel ist. Diese Tatsache und die zeitlich wechselnde Raumbelastung (Enthalpie- und Feuchtezunahme) erfordern einen angepaßten und damit veränderlichen Zuluftzustand ZU. Diese laufenden Variationnen 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 zuschalten, müssen vorgesehen werden. Die Wahl der Aggregate sowie ihre Betriebspunkte bestimmen die Prozeßführung und somit die energetischen sowie finanziellen Aufwendungen, 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 Regelkreise bzw. bei Beachten der Sequenzen in kreiskomplexe gestattet nur die Optimierung von Prozeßteilen (Fig.2). Eine Summe optimaler Teilprozesse 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 Vereinfachungen - z.B. von zusammengefaßten Zustandsbereichen ausgehen (Fig.3).
- 3. Üblicherweise können die behaglichen oder technologisch erforderlichen Raumluftzustände in relativ großen Bereichen schwanken. Dies betrifft die Raumlufttemperatur und in ganz besonderem Maße die Raumluftfeuchte. Soweit für diesen Fall bisher überhaupt 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 zulässigen Bereiches (Fig.4).
- 4. Die Strategien gehen von kontinuierlichen Zielfunktionen - z.B. der Minimierung des Energieeinsatzes - aus. Eine aggregatespezifische Bewertung der Energie ist üblicherweise nicht möglich. Somit können Strategien, die sich lediglich auf Enthalpiedifferenzen gründen, die evtl. verfügbare Umweltenergie nicht bevorzugt nützen (Fig.5).
- 1. The dissolution of the overall process in individual control loops or, if the sequences are observed in complex circles, only allows the optimization of process parts (Fig. 2). However, a sum of optimal sub-processes does not necessarily lead to an optimum of the overall process.
- 2. The specification of the control strategy depends on the amount of time invested and the intelligence of the planner; the result - the operating costs - is strongly subjectively influenced. In view of the large number of air condition variants to be expected in the course of the year, the strategy of the process control has to be simplified anyway - For example, start from summarized status areas (Fig. 3).
- 3. Usually, the comfortable or technologically required indoor air conditions can fluctuate in relatively large areas. This affects the room air temperature and particularly the room air humidity. As far as control strategies have been developed for this case, they are based on very simplified ideas. A typical assumption, which often does not apply, always places the "optimal" point on the edge of the permissible range (Fig. 4).
- 4. The strategies are based on continuous target functions - eg minimizing the use of energy. An aggregate-specific evaluation of the energy is usually not possible. This means that strategies based solely on enthalpy differences cannot give priority to the environmental energy that may be available (Fig. 5).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine universelle Optimierung unter Vorgabe verschiedener Zielfunktionen möglich ist.The invention has for its object to develop a method of the type mentioned in such a way that a universal optimization is possible by specifying various target functions.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Es handelt sich dabei um eine universelle Optimierungstechnik auf der Grundlage der dynamischen Optimierung.This object is achieved by the features characterized in
It is a universal optimization technique based on dynamic optimization.
Die Zielfunktionen sind frei gestaltbar und können beispielsweise Energieaufwendungen, Betriebskosten oder umweltrelevante Belastungen minimieren. Als Ergebnis werden die optimale Prozeßführung, die Betriebszustände und Leistungen der Aggregate sowie der optimale Raumluftzustand im zugelassenen Bereich exakt angegeben. Bei Umsetzung dieses Verfahrens mittels einer modernen Datenverarbeitung ist es als idealer Vergleichsprozeß, zur Summierung der Zielfunktion über einen gegebenen Nutzungszeitraum und zum praktischen genbetrieb direkt nutzbar.The target functions are freely configurable and can, for example, energy expenditure, operating costs or Minimize environmental pollution. As a result, the optimal process control, the operating status and performance of the units as well as the optimal indoor air status in the approved area are specified. If this method is implemented using modern data processing, it can be used directly as an ideal comparison process, for summing up the target function over a given period of use and for practical gene operation.
Während bekannte Verfahren vorsahen, daß jedem Klimaaggregat ein eigener Regelkreis zugeordnet wird, wobei in Abhängigkeit von der jeweilig optimalen Betriebsweise, die sich aus der Zuordnung des Außenluft-Zustandspunktes zu einem der Außenluft-Zustandsbereiche ergibt, die einzelnen Regler mit den aktuellen Eingangsgrößen versorgt und nicht benötigte Klimaaggregate 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 möglicherweise nicht optimal arbeiten und andererseits kein spezieller Zielpunkt für den Zuluftzustand, sondern ein Zielbereich für den Luftzustand im Raum-Aufenthaltsbereich 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.While known methods provided for each air conditioning unit to be assigned its own control loop, the individual controllers being supplied with the current input variables and not depending on the respectively optimal operating mode, which results from the assignment of the outside air status point to one of the outside air status ranges The required air conditioning units are switched off in a controlled manner, it was previously not intended to provide a procedure in such a way that an optimum overall result is achieved in that, on the one hand, the individual air conditioning units may not work optimally and, on the other hand, not a specific target point for the supply air condition, but a target area for the air condition is specified in the area where the room is located, which makes it possible to use it variably, taking into account the recorded input variables - possibly going to the peripheral area - which allows an optimum in operating mode.
Der Kerngedanke für das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß erkannt worden ist, daß in erster Linie eine technische Strategie der Prozeßführung erforderlich ist. Diese legt gemäß der Zielfunktionen (minimale Kosten oder minimale Umweltbelastung oder minimaler Energieaufwand oder..)
und variabel vereinbarten Randbedingungen (alle Zustandspunkte müssen im ungesättigten Gebiet liegen, Einsatz einer Wärmerückgewinnungseinrichtung, einer Mischkammer usw.) den optimalen Weg - d.h. den Einsatz der Aggregate - fest. Als Endziel ist ein Gebiet, welches beispielsweise gemäß DIN 1946 Teil 2 außentemperaturabhängig definiert wird, fixiert. Würden alle technischen Vorausberechnungen exakt zutreffen, könnte die Klimaanlage nach dieser Strategie betrieben werden. Weicht beispielsweise die Raumbelastung ab, so muß dies die Regelung korrigieren.The main idea for the method according to the invention is that it has been recognized that a technical strategy of process control is primarily required. This sets according to the target functions (minimal costs or minimal environmental impact or minimal energy expenditure or ..)
and variably agreed boundary conditions (all condition points must be in the unsaturated area, use of a heat recovery device, a mixing chamber, etc.) the optimal route - ie the use of the units - firmly. The final goal is an area that is defined, for example, according to DIN 1946
Es ist deutlich, daß primär die Strategie den optimaen 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 Betrieb wird es jedoch für zweckmäßiger gehalten, mit einer zweistufigen Anlagenintelligenz zu arbeiten:
- I. In vorgegebenen Zeitabständen wird der Ausgangspunkt (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 ihrer Leistung so zu regeln, daß
- die gewünschte, optimale Zustandsänderung erfolgt,
- Abweichungen ausgeglichen werden,
- der Betrieb schwingungsfrei realisiert wird.
- I. The starting point (outside air condition) is queried at predetermined intervals, the target area is redefined based on this, and the optimal tax strategy is calculated. The optimal way indicates which units are to be operated. You will be switched on.
- II. The operational units are to be regulated in terms of their performance so that
- the desired, optimal change of state takes place,
- Deviations are compensated,
- operation is carried out without vibrations.
Die bekannten Verfahren waren dadurch geprägt, daß ausgehend von der Regelung immer bessere und umfangreichere strategische Zielstellungen integriert wurden ("Grundstrukturen und Steueralsorithmen zur wirtschaftlichen Betriebsweise von Klimaanlagen und Möglichkeiten der Prozeßbewertung", Abschnitt 4, Diss.von U.Feder, TU Dresden, 1993). Gemäß der erfindungsgemäßen Überlegungen muß die Rangfolge jedoch gerade umgekehrt sein.The known methods were characterized in that, based on the regulation, better and more extensive strategic objectives were integrated ("basic structures and tax algorithms for the economical operation of air conditioning systems and possibilities of process evaluation",
Die erforderliche Luftzustandsänderung vom Außenluftpunkt AU zum Zulunftpunkt ZU ist nur in den seltensten Fällen auf geradlinigem Weg längs Δh/Δx AU-ZU = const möglich . Den physikalischen und technischen Gegebenheiten Rechnung tragend, wird eine Aneinanderreihung von Zustandsänderungen in den verschiedenen Aggregaten erforderlich sein. Allgemein ist die Richtung der Zustandsänderung im Aggregat k durch (Δh/ΔX) k, darstellbar. Ist weiterhin die Änderung der Feuchte (Δx)k bekannt, 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 vorzunehmende Feuchteänderung ((Δx)k hat so zu erfolgen, daß die Zielfunktion, die die Kosten, den Energieaufwand oder umweltrelevante Größen beinhaltet, 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 Zustandsänderungen sind komplett dargestellt. zwischenliegende Zustandsänderungen sind der besseren Übersicht wegen nur beispielhaft eingetragen.
- Fig. 2
- Beispiel für eine bekannte Regelung einer Klimaanlage. Die Strategie hat das Ziel, optimale Teilprozesse zu führen.
- Fig. 3
- Außenluftanteile MA sind vorgegebenen Außenluftenthalpiebereichen zugeordnet. Der Versatz zwischen je zwei Isenthalpen berücksichtigt den gleitenden sollwert in Abhängigkeit von der lufttemperatur. Die Außenluftanteile MA können durch fixierte Klappenstellungen an der Mischkammer realisiert werden.
- Fig. 4
- Zulässiger Raumluftzustand (schraffierter Bereich) und zugehöriger Zuluftzustand (doppeltschraffierter Bereich) verknüpft durch die Raumzustandsänderung Δh/Δx. Der im Sinne der Zielfunktion optimale Prozeß endet nicht zwangsläufig auf einer Begrenzung des Bereiches. Der Zuluftpunkt ZU ist beispielsweise kostengünstiger zu erreichen als der Punkt ZU1. Damit ergibt sich der Raumpunkt R als Optimum.
- Fig. 5
- Gegenüberstellung einer zusammengesetzten Prozeßführung (Heizen und Befeuchten) vom Außenluftpunkt AU zum Zuluftpunkt ZU. Wird die Heizenergie von der Temperatur unabhängig (kalorisch) bewertet, so sind die
Prozeßverläufe 1 und 2 völlig gleichwertig. Berücksichtigt man dagegen, daß bis zur peraturgrenze tHG Umweltenergie (z.B. Abwärme) kostengünstiger oder sogar kostenlos anfällt, soist der Prozeßverlauf 2 zu bevorzugen. - Fig. 6
- Prinzipielles Abarbeitungsschema der dynamischen Optimierung. Die Temperaturerhöhung im Erhitzer ist von der führten Leistung abhängig. Der Temperaturabfall im Wäscher wird durch die peraturdifferenz - Eintrittstemperatur minus Feuchtkugeltemperatur - und den Befeuchtungswirkungsgrad beeinflußt. Es sind unendlich viele Zustandsverläufe möglich.
- Fig. 7
- Abarbeitungsschema der dynamischen Optimierung nach Einteilung der Zielgebiete in feste Abschnitte Δt. Die Endpunkte werden jeweils auf die Mitte der Abschnitte gelegt.
- Fig. 8
- Prinzipschaltung einer bekannten Klimaanlage mit Kennzeichnung der signifikanten Luftzustände.
- Fig. 9
- Schematische Einteilung des h,x-Diagramms 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 Zustandskennung "*" wurde im Hinblick auf das spätere Gesamtprogramm gewählt. Sie kennzeichnet die jeweilige Übergabevariable zur Unterscheidung der im programm geltenden Variablen.
- Fig. 11
- Hauptprogramm zur Ermittlung der optimalen Luftzustandsänderungen im Klimaprozeß.
- 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 Zulässigkeit und ggf. Aktualisierung der Speicherinhalte.
- Fig. 15
- Zielfunktionen der Etappenfelder e und e + 1 mit dazwischen angeordnetem Lufterhitzer. Ausgehend von drei Startpunkten 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, ausgehend vom Optimierungsergebnis (Etappenfeld 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, ausgehend von h* und x* nach (1).
- Fig. 20
- Unterprogramms 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 Ermittlung von Luftzustandsänderungen im unteren und oberen Raumabschnitt.
- Fig. 22
- Unterprogramm ERHITZER zur Lufterwärmung.
- Fig. 23
- Unterprogramm WAESCHER zur adiabaten Luftbefeuchtung.
- Fig. 24
- Unterprogramm DAMPFBEF zur Luftbefeuchtung mit Dampf.
- Fig. 25
- Unterprogramm KUEHLER zur Luftkühlung und Entfeuchtung.
- Fig. 26
- Unterprogramme LUEFTER und ALUEFTER zur Druckerhöhung des Zu- bzw. Abluftstromes.
- Fig. 27
- Unterprogramme MISCHER und AMISCH zur Zusammenführung von zwei Luftströmen.
- Fig. 28
- Unterprogramme WRGT und AWRGT zur Wärmerückgewinnung aus dem Abluftstrom.
- Fig. 29
- Typische Zustandsänderung bei 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 einer dem h,x-Diagramm analogen Form für Beispiel 1 angeben.
- Fig. 31
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen, der Kostenaufwendungen und der signifikanten Aktionen für Beispiel 1 (Rechnerausdruck).
- Fig. 32
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 1, dargestellt im h,x-Diagramm.
- Fig. 33
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 1, Winterbetrieb mit Wärmerückgewinner. - Fig. 34
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 2, Winterbetrieb mit Mischer. - Fig. 35
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 3, Winterbetrieb mit Wärmerückgewinner und Mischer. - Fig. 36
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 1, Sommerbetrieb mit Wärmerückgewinner. - Fig. 37
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 2, Sommerbetrieb mit Mischer. - Fig. 38
- Optimaler Weg der Luftzustandsänderungen für Beispiel 2,
Variante 3, Sommerbetrieb 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 Raumzustandsfeld 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 werden alle Aggregate betrieben. Es wird nur Außenluft eingesetzt.
- Fig . 1
- Two-dimensional processing scheme of dynamic optimization for the variables t and x. Changes in status from the outside air point AU and changes in status arriving at the supply air point CL are shown in full. intermediate status changes are only entered as examples for the sake of clarity.
- Fig . 2nd
- Example of a known control of an air conditioning system. The strategy has the goal of leading optimal sub-processes.
- Fig . 3rd
- Outside air proportions MA are assigned to specified outside air enthalpy areas. The offset between two isenthalpics takes into account the sliding setpoint depending on the air temperature. The outside air proportions MA can be realized by fixed flap positions on the mixing chamber.
- Fig . 4th
- Permitted room air condition (hatched area) and associated supply air condition (double hatched area) linked by the change in room state Δh / Δx. The optimal process in terms of the objective function does not necessarily end with a limitation of the area. For example, the supply air point ZU is cheaper to reach than the point ZU1. The spatial point R thus results as the optimum.
- Fig . 5
- Comparison of a combined process control (heating and humidification) from the outside air point AU to the supply air point CLOSE. If the heating energy is evaluated independently of the temperature (caloric), the
1 and 2 are completely equivalent. If, on the other hand, one takes into account that environmental energy (eg waste heat) is produced more cheaply or even free of charge up to the temperature limit tHG,process sequences process 2 should be preferred. - Fig . 6
- Basic processing scheme of dynamic optimization. The temperature increase in the heater depends on the output. The temperature drop in the washer is influenced by the temperature difference - inlet temperature minus wet bulb temperature - and the humidification efficiency. An infinite number of state profiles are possible.
- Fig . 7
- Processing scheme of dynamic optimization after dividing the target areas into fixed sections Δt. The end points are placed in the middle of the sections.
- Fig . 8th
- Basic circuit of a known air conditioning system with identification of the significant air conditions.
- Fig. 9
- Schematic division of the h, x diagram into state sections (i; j). (The saturation line does not correspond to reality!).
- Fig . 10th
- FIELD subroutine for determining the field (i *; j *) for the parameter pairing (t *; x *) and the FIELDINV subroutine for assigning the state pairing (t *; x *) from the field (i *; j *). The status identifier "*" was chosen with a view to the later overall program. It identifies the respective transfer variable to differentiate between the variables that apply in the program.
- Fig. 11
- Main program for determining the optimal changes in air condition in the climate process.
- Fig . 12th
- Subroutine ON for organizing data entry.
- Fig. 13
- Subroutine AUS for organizing the data output.
- Fig. 14
- Subroutine OPTI for determining the air condition change in the units, checking the end point for admissibility and, if necessary, updating the memory contents.
- Fig. 15
- Target functions of the stage fields e and e + 1 with air heater arranged in between. Starting from three starting points in stage field e, filling in stage field e + 1 results from different heating intensities that are controlled from z.
- Fig. 16
- EXHAUST subroutine to determine the course of the air condition in the exhaust air path, based on the optimization result (stage field e = eR).
- Fig. 17
- Sub-program STATUS for the calculation of all relevant state variables for moist air, starting from t * and x * according to (1).
- Fig. 18
- CONDITION subroutine for calculating the state variables *, h * and t * for moist air, starting from t * and x * according to (1).
- Fig. 19
- STATUS subroutine for calculating the Temperature t * for moist air, starting from h * and x * according to (1).
- Fig. 20
- Subroutines PS and TS for reproducing the evaporation and sublimation curve of water for the relationships PS (t *) and TS (p *) according to (1).
- Fig. 21
- Subroutines RAUMU and RAUMO to determine changes in air condition in the lower and upper section of the room.
- Fig. 22
- HEATER subroutine for air heating.
- Fig. 23
- WAESCHER subroutine for adiabatic humidification.
- Fig. 24
- DAMPFBEF subroutine for humidifying air with steam.
- Fig. 25
- COOLER subroutine for air cooling and dehumidification.
- Fig. 26
- Subroutines LUEFTER and ALUEFTER for increasing the pressure of the supply and exhaust air flow.
- Fig. 27
- MIXER and AMISCH subroutines for merging two air flows.
- Fig. 28
- WRGT and AWRGT subroutines for heat recovery from the exhaust air flow.
- Fig . 29
- Typical change in condition of recovery systems in comfort air conditioning systems.
- Fig . 30th
- Stage fields e = 1 to e = 4, which indicate the values of the objective function as a function of integer t and x values in a form analogous to the h, x diagram for example 1.
- Fig . 31
- Optimal way of the air condition changes, the cost expenditures and the significant actions for example 1 (computer printout).
- Fig . 32
- Optimal path of air state changes for example 1, shown in the h, x diagram.
- Fig . 33
- Optimal way of air condition changes for example 2,
variant 1, winter operation with heat recovery. - Fig . 34
- Optimal way of air condition changes for example 2,
variant 2, winter operation with mixer. - Fig . 35
- Optimal way of changing the air condition for example 2,
variant 3, winter operation with heat recovery and mixer. - Fig . 36
- Optimal way of air condition changes for example 2,
variant 1, summer operation with heat recovery. - Fig . 37
- Optimal way of air condition changes for example 2,
variant 2, summer operation with mixer. - Fig . 38
- Optimal way of air condition changes for example 2,
variant 3, summer operation with heat recovery and mixer. - Fig . 39
- Optimal way of the air condition changes for example 3 with a summer outside air condition tAU = 22 ° C; xAU = 8 gW / kgtL. The heat recovery device is out of order. The mixer is 100% outside air. The scrubber works with the smallest degree of humidification so that the point in the room is set in the permitted room condition field.
- Fig . 40
- Optimal way of the air condition changes for example 3 with a summer outside air condition tAU = 33 ° C; xAU = 8 gW / kgtL. Except for the preheater and reheater, all units are operated. Only outside air is used.
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 Zustandsänderung werden in Abschnitte der Größe Δt eingeteilt und alle in diesem Abschnitt endenden Zustandsverläufe mit der mittleren Temperatur des Abschnittes etikettiert. Damit gibt es zwischen AU und ZU nun endlich viele Wege. Die zahlreichen physikalischen und technischen Randbedingungen, die beispielsweise Temperaturen an bestimmten Etappenzielen begrenzen, sind leicht zu berücksichtigen (siehe tB,Grenz in Fig. 7).The working principle of dynamic optimization is shown in FIG. 6, whereby initially only the variable t and three aggregates (heater, washer, heater) are considered. ZU can be reached from AU in an infinite number of ways. This theoretical amount of data cannot be processed.
Fig. 7 shows the possible way out; the "milestones" of the change of state are divided into sections of the size Δt and all state courses ending in this section are labeled with the average temperature of the section. So there are finally many ways between AU and ZU. The numerous physical and technical boundary conditions that limit temperatures at certain milestones, for example, are easy to take into account (see t B, limit in FIG. 7).
Parallel zu jeder technisch-physikalisch möglichen Zustandsänderung wird das Additiv der Zielfunktion Kk ermittelt und zur bisherigen Zielfunktionssumme addiert. Enden mehrere Zustandsänderungen im gleichen Abschnitt, so wird stets die Zustandsänderung 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"),
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 aufeinanderfolgenden Zustandsverläufen wird jeweils ein Etappenfeld e angeordnet. 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.
- the target function sum valid until then and
- the section identification from which the change of state originated (" source "),
In reality, the solution presented is more complex because the dynamic optimization must be carried out two-dimensionally for the variables temperature t and humidity x. Fig. 1 shows the schematic approach. A stage field e is arranged between the successive state profiles . All relevant data, such as the target function sum and the source of the incoming change of state, can be noted in it. The following markings must be used:
- e Number of the stage field
- i Number of the temperature section
- j Number of the moisture section .
Für die spätere Algorithmierung und Programmierung erweisen sich diese Ordnungskennungen als besonders vorteilhaft. Auf die gereihte Numerierung der Aggregate k kann dagegen verzichtet werden, wenn man die Aggregate den am Eintritt liegenden Etappenfeldern e zuordnet.These order identifiers prove to be particularly advantageous for later algorithmization and programming. On the other hand, the numbering of the aggregates k can be dispensed with if the aggregates are assigned to the stage fields e at the entrance.
Im weiteren erfolgen zahlreiche Hinweise auf Datenflußpläne für das Verfahren und einzelne Verfahrensmaßnahmen, um hierdurch die tatsächliche technische Abwicklung darzustellen und zu erläutern.In addition, there are numerous references to data flow plans for the process and individual process measures in order to represent and explain the actual technical processing.
Jedes in Fig. 1 dargestellte Etappenfeld e kann man sich als t,x-Diagramm für feuchte Luft vorstellen. Der besseren Anschaulichkeit wegen sei jedoch das allseits eingeführte h,x-Diagramm zur bildlichen Darstellung verwendet, dennoch aber bei den Variablen t und x verblieben. Der Bereich des ablaufenden Klimaprozesses 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:
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.The predefined state points t; x are represented by the assignment in state sections (i; j) with an error ≤ 0.5 K and ≤ 0.0005 kg W / kg tL . This is clear from Fig. 9.
Für die inverse Zuordnung gelten:
Die zu den Gln.(5) und (6) gehörigen Unterprogramme FELD und FELDINV sind in Fig. 10 dargestellt.The subroutines FELD and FELDINV belonging to equations (5) and (6) are shown in Fig. 10.
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.).
- K [e; i; j] = - 1
- Objective function (e.g. cost function), which is the sum of the expenses up to the state point e; i; j detected;
- Qi [e; i; j] = 0
- Source functions that indicate which
- Qj [e; i; j] = 0
- Field (e - 1; Qi; Qj) the change of state leads to field (e; i; j);
- A [e; i; j] = 0
- Action that notes a characteristic quantity of the change in state from (e - 1; Qi; Qj) to (e; i; j) (e.g. output of a heater; position of the mixing flap, etc.).
Es erfolgt dann die Dateneingabe mit dem Unterprogramm EIN. Sie wird später vorgestellt.
Zwischen den Etappenfeldern e; e + 1 usw. ist jeweils ein Aggregat angeordnet, welches eine Luftzustandsänderung vornimmt. Bei bekannten Eintrittsbedingungen ist die physikalisch, technische 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 iterative Rechnung erfolgen. Der Ablauf wird durch die Steuergröße SGG > 0 bestimmt. Ein Anfangswert folgt aus der Mittelung der Begrenzungen für den Raumluftzustand:
Das Kernstück des Hauptprogramms stellt das Unterprogramm OPTI dar, in ihm werden alle technisch möglichen Zustandsänderungen in den Aggregaten zwischen den Etappenfeldern e = 1 (Außenluftzustand) und e = eR(Raumzustand) berechnet und bewertet (Einzelheiten im separaten Abschnitt).The data is then entered with the ON subroutine. It will be introduced later.
Between the stage fields e; e + 1, etc., each has an aggregate which changes the air condition. With known entry conditions, the physical, technical description can be carried out well. The only problem is the mixer (MI) and heat recovery unit (WR), which provide feedback from the following via a second input Process progress received. This is particularly complicated if the desired spatial condition is not a fixed value, but if it is a target area. In this case, an iterative calculation must be made. The process is determined by the control variable SGG> 0. An initial value follows from averaging the limits for the indoor air condition:
The core of the main program is the OPTI subroutine, in which all technically possible changes in state in the aggregates between the stage fields e = 1 (outside air condition) and e = eR (room condition) are calculated and evaluated (details in the separate section).
Das optimale Ziel wird ausgewählt, indem im zugelassenen Zielgebiet der Wert mit der kleinsten Zielfunktion - z. B. den niedrigsten Kosten - ermittelt wird. Anschließend erfolgt eine Rückverfolgung des optimalen Weges mit Kennzeichnung der signifikanten Etappenwerte:
Nach Abschluß der Iterationen werden mit dem Unterprogramm AUS alle interessierenden Größen ausgegeben.The optimal target is selected by the value with the smallest target function - e.g. B. the lowest cost - is determined. The optimal route is then traced back, with the significant stage values identified:
After completion of the iterations, all parameters of interest are output with the subroutine AUS.
Die Unterprogramme zur Datenein- und -ausgabe EIN und AUS sind in den Figuren 12 und 13 detailliert dargestellt.The subroutines for data input and output ON and OFF are shown in detail in FIGS. 12 and 13.
Der Algorithmus zur Optimierung und der zugehörige Ablaufplan ist im Unterprogramm OPTI (Fig. 14) veranschaulicht. Es werden alle Etappenfelder von e = 1 (Außenluftzustand AU) bis e = eR - 1(Raumeintritt) und innerhalb dieser wiederum alle i = 1 ... 60 sowie j = 1 ... 25 abgearbeitet, 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 verschiedenen Stufen vorgenommen werden. So sind in einem Erhitzer beispielsweise Temperaturerhöhungen um 1 K, 2 K usw. bis zu einer Endtemperatur von z. B. 40°C möglich. Diese Intensitätsvariationen 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, Dampfbefeuchter, Wäscher, Lüfter und thermische Wärmerückgewinner durch die gleichnamigen Unterprogramme aufgerufen werden. Gleichfalls wird die Aufenthaltszone des Raumes (Raum-unten) als Aggregat aufgefaßt. Mit diesem sei der Weg der zu optimierenden Zustandsänderungen 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 Zustandsänderung durchführbar, so wird ΔK < 0 gesetzt.
Das Unterprogramm ZUSTAND liefert die zu tn und xn gehörigen Werte: relative Feuchte ϕn, spezifische Enthalpie hn und Taupunkttemperatur tτn.The optimization algorithm and the associated flow chart are illustrated in the OPTI subroutine (FIG. 14). All stage fields from e = 1 (outside air condition AU) to e = eR - 1 (room entrance) and within them all i = 1 ... 60 and j = 1 ... 25 are processed if the target function K [e; i; j] ≥ 0. At the beginning, the outside air condition represents a source point, since in the UP ON the outside air point in the stage field e = 1 with K [1; i *; j *] = 0 was occupied.
Use UP FELDINV to follow t and x. The state changes in the units arranged between e and e + 1 can be carried out in different stages. For example, in a heater temperature increases of 1 K, 2 K etc. up to a final temperature of e.g. B. 40 ° C possible. These intensity variations are controlled by the counter z. If the technically possible final stage of the state change is reached, the control variable zmax = 1, otherwise zmax = 0 is set.
As AGGREGAT [e], mixers, heaters, coolers, steam humidifiers, scrubbers, fans and thermal heat recovery units can be called up using the subroutines of the same name. Likewise, the area where the room is located (room below) is understood as an aggregate. With this, the path of the state changes to be optimized was completed.
The final data of the change in air condition tn (new temperature) and xn (new humidity) as well as the additive of the target function ΔK are calculated. If no change of state is technically feasible in the unit under consideration, then ΔK <0 is set.
The CONDITION subroutine supplies the values associated with tn and xn: relative humidity ϕn, specific enthalpy hn and dew point temperature tτn.
Liegen die neuen Zustandswerte im zulässigen Zielgebiet
Bild 15 zeigt zwei aufeinanderfolgende Etappenfelder; dazwischen befindet sich ein Lufterhitzer, der beispielsweise pro 1 K Temperaturerhöhung einen Kostensummanden von ΔK = 2 DM/h verursacht.Are the new condition values in the permissible target area
Figure 15 shows two successive stage fields; in between is an air heater, for example for every 1 K temperature increase a cost sum of ΔK = 2 DM / h.
Das Unterprogramm ABLUFT (Fig.16) zeigt den Algorithmus zur Abluftverfolgung und den detaillierten Ablauf. Ausgehend vom Etappenfeld (e = eR) und den optimalen Raumzustandswerten (t = topt[eR]; x = xopt[eR]) werden bis zum Etappenfeld (emax - 1) die möglicherweise einsetzbaren AGGREGATE [e], wie z. B. Raum-oben, Ablüfter, Abzweig-Mischer und Abluft-Wärmerückgewinner, betrachtet. Die durch diese Aggregate bewirkten Zustandsänderungen sind Inhalt der entsprechenden Unterprogramme. Die Austrittsgrößen (tn; xn) werden dem nächsten Etappenfeld
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). Analog kann nötigenfalls auch bei der stets zweiteiligen Abwärmerückgewinnung vorgegangen werden.The influencing of the target function occurring in the exhaust air path - for example the operating costs for the exhaust fan - must already be taken into account in the optimization algorithm, since the actual optimization is completed at the e = eR stage field. This is easily possible by already having to record the drive costs for the supply fan (see UP: LUEFTER). If necessary, the same procedure can also be used for the two-part waste heat recovery.
Bei allen Rechnungen zur Prozeßführung bilden die thermodynamischen Beziehungen die Basis. Die Grundlagen und zusammengefaßte Algorithmen sind bekannt. Sie werden vorausgesetzt und kommen in drei Unterprogrammen zur Anwendung. Als Luftdruck (Gesamtdruck) p wird der Eingabewert für den Außenluftzustand (Unterprogramm EIN) allgemeingültig für alle Etappen des Klimaprozesses verwendet.The thermodynamic relationships form the basis for all process control calculations. The basics and summarized algorithms are known. They are required and are used in three subroutines. As the air pressure (total pressure) p, the input value for the outside air condition (subroutine ON) is generally used for all stages of the climate process.
Unterprogramm ZUSTANDG ( Fig. 17):
Alle relevanten Zusammenhänge (G deutet auf "global" hin) werden ausgehend von den bekannten Parametern t* und x* berechnet. Verfügbar sind: relative Feuchte ϕ* ( ϕ* = 2 charakterisiert übersättigtes Gebiet bei t* > 0 °C; ϕ* = 3 desgl. bei t* ≤ 0 °C), spezifisches Volumen v*, Dichte spezifische Enthalpie h*, Feuchtekugeltemperatur tf*, Taupunkttemperatur tτ*, Feuchtegehalte xW und xS, Partialdrücke pW, pL.STATUS subroutine (Fig. 17):
All relevant relationships (G indicates "global") are calculated based on the known parameters t * and x *. Available are: relative humidity ϕ * (ϕ * = 2 characterizes supersaturated area at t *> 0 ° C; ϕ * = 3 and the like at t * ≤ 0 ° C), specific volume v *, density specific enthalpy h *, wet bulb temperature tf *, dew point temperature tτ *, moisture content xW and xS, partial pressures pW, pL.
Unterprogramm ZUSTAND (Fig. 18):
Hierbei handelt es sich um eine verkürzte Version von ZUSTANDG mit den Ergebnissen ϕ*, h*, tτ*, xW.CONDITION subroutine (Fig. 18):
This is a shortened version of ZUSTANDG with the results ϕ *, h *, tτ *, xW.
Unterprogramm ZUSTANDH (Fig. 19):
Bei den kalorischen Berechnungen zur feuchten Luft treten vielfach die spezifische Enthalpie h* und die Feuchte x* als Ergebnisse auf. Zur Weiterrechnung muß die Temperatur t* bestimmt werden. Dies erfolgt mit vorliegendem Unterprogramm (H deutet auf die Eingangsgröße h* hin).STATUS subroutine (Fig. 19):
In the caloric calculations for moist air, the specific enthalpy h * and the humidity x * often appear as results. The temperature t * must be determined for further calculation. This is done with the present subroutine (H indicates the input variable h *).
In Fig. 20 sind die Verdampfungs- und Sublimationskurve in wechselseitiger Parameterzuordnung pS*(t*) bzw. tS*(p*), die an zahlreichen Stellen der Berechnung benötigt werden, als Unterprogramme oder Subroutinen formuliert.In FIG. 20, the evaporation and sublimation curve in mutual parameter assignment pS * (t *) and tS * (p *), which are required at numerous points in the calculation, are formulated as subroutines or subroutines.
Die Zustandsänderung, die die Luft beim Durchströmen des Raumes erfährt, wird in zwei Abschnitten betrachtet. Im Aufenthaltsbereich (unterer Raum) werden
ΔHR W Enthalpiestrom ("trockene und feuchte Wärme")
ΔWR kgW Feuchtestrom
zugeführt. Im oberen Raum erfolgt nur noch die Übergabe von
ΔHRO W trockener Wärmestrom,
der beispielsweise aus der Leuchtenwärme resultiert.The change in state that the air experiences as it flows through the room is considered in two sections. In the lounge area (lower room)
ΔHR W enthalpy current ("dry and moist heat")
ΔWR kg W moisture flow
fed. In the upper room only the transfer of
ΔHRO W dry heat flow,
which results, for example, from the heat of the lights.
Vorgegeben ist weiterhin
ṁ 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 Temperaturerhöhung (tn-t) im oberen Raumabschnitt vermerkt. Die "Endparameter des unteren Raumes" müssen definitionsgemäß den geforderten 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.The default is still
ṁ kg / s air mass flow.
The two subroutines RAUMU and RAUMO (FIG. 21) can thus be used, from which the parameters at the respective outlet (tn; xn) follow. The direction of the change in state (ΔHR / ΔWR) in the lower section of the room or the pure temperature increase (tn-t) in the upper section of the room is noted as an “action”. By definition, the "end parameters of the lower room" must correspond to the required room setpoints. This means that the climate process to be optimized ends. The change in status in the upper area of the room is already included in the "Tracking exhaust air" section.
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 demonstriert werden. Als Zielfunktion sei eine Kostenfunktion verwendet.The calculation algorithms are documented in detail in data flow plans. They are therefore only briefly characterized.
In general, the following algorithms are only examples that can be changed at any time. In theory, even the exact aggregate calculations could be integrated, so that there are no limits to the approximation accuracy. Here, however, the correctness of the solution is primarily to be demonstrated. A cost function is used as the objective function.
Erhitzer: Unterprogramm ERHITZER (Fig. 22)
Beginnend bei der Eintrittstemperatur t erfolgt in z Stufen eine Temperaturerhöhung um je 1 K bis zu einer Endtemperatur tn = 40°C
Starting at the inlet temperature t, there is a temperature increase of 1 K in each case up to a final temperature tn = 40 ° C
Die absolute Feuchte bleibt bei der Erwärmung konstant
Die übertragene Leistung beträgt
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 Umweltenergieangebote optimal nutzbar. Die Aufwendungen betragen
Unter "Aktion" wird die Leistung Δ gespeichert.The power Δ is stored under "Action".
Das Unterprogramm WAESCHER ist in Fig. 23 dargestellt.The WAESCHER subroutine is shown in FIG.
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* gehörige Sättigungsfeuchte xf. Vereinfachend werden die linearen Schrittweiten
Liegt er im technisch möglichen Bereich - die Grenzwerte sind im UP EIN eingegeben worden -
Ausgehend von der Beziehung
- ΔPW
- Differenzdruck der Sprühwasserpumpe
- V̇W
- Wasserstrom
- ηP
- Pumpen- und Motorwirkungsgrad
- Pe1
- spezifischer Preis der Elektroenergie.
Based on the relationship
- ΔP W
- Differential pressure of the spray water pump
- V̇ W
- Water flow
- η P
- Pump and motor efficiency
- P e1
- specific price of electrical energy.
Mit Δpw = 2 bar, = 1000 kg/m3, C = 4 (Annahme für einen bestimmten Wäschertyp) und kW = pe1/ηP in DM/kWh ergibt sich in der Flußbildschreibweise
Unter "Aktion" wird der Befeuchtungsgrad vermerkt.The degree of humidification is noted under "Action".
Das Unterprogramm DAMPFBEF ist in Fig. 24 dargestellt.The steam program is shown in FIG. 24.
Im ersten Berechnungsschritt (z = 0) werden zugehörig zum Eingabewert Dampfdruck pDB die Enthalpie des Sattdampfes ΔhD nach (1) und zum Lufteintrittszustand (t; x) mit UP ZUSTAND die Enthalpie der Luft h bestimmt.
Die Befeuchtung erfolgt in z = 10 Schritten jeweils um 1 gw/kgtL. Entsprechend erhöhen sich die Enthalpie- und Feuchtewerte:
The humidification takes place in z = 10 steps each by 1 g w / kg tL . The enthalpy and moisture values increase accordingly:
Das UP ZUSTANDH liefert das zugehörige tn. Die Kosten ergeben sich zu
Unter "Aktion" werde die Feuchtezunahme in gW/kgtL gespeichert.The UP CONDITION provides the associated tn. The costs arise too
Under "Action" the increase in moisture is saved in g W / kg tL .
Das Unterprogramm KUEHLER ist in Fig. 25 dargestellt.The COOLER subroutine is shown in FIG.
Zur Ermittlung des Zustandsverlaufes im Oberflächenkühler wird ein einfaches Modell gewählt, das mit dem sogenannten Rippenwirkungsgrad des Kühlers ηK und dem Bypaßfaktor By arbeitet. Im ersten Berechnungsschritt (z = 0) erfolgt für den Lufteintrittszustand die Bestimmung der zu t und x gehörigen Werte h und tτ. Schrittweise wird die mittlere Kaltwassertemperatur um je 1 K abgesenkt
Die untere Grenze beträgt tKW = 6°C.
Mit dem Rippenwirkungsgrad berechnet sich die mittlere Oberflächentemperatur zu
The average surface temperature is calculated using the rib efficiency
Liegt diese über der Taupunkttemperatur der Luft tτ, so verläuft die Zustandsänderung auf einer Isohygren
Mit UP ZUSTANDH folgt tn. Liegt die mittlere Kaltwassertemperatur tKW über der Grenztemperatur tKG, so gelten die spezifischen Kosten kx = k1K, , sonst kx = k2K.
Die übertragene Leistung berechnet sich zu
The transmitted power is calculated
Unter "Aktion" werde die Leistung vermerkt.The performance is noted under "Action".
Die Unterprogramme LUEFTER und ALUEFTER sind in Fig. 26 dargestellt.The subroutines LUEFTER and ALUEFTER are shown in Fig. 26.
Ausgehend vom Lufteintrittszustand (t; x) und dem daraus bestimmten 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)
- κ
- Isentropenexponent für Luft (κ = 1,4).
- v * m 3 / kg
- specific volume
- Δp Pa
- Pressure increase (ΔpZ supply fan; ΔpA exhaust valve)
- p Pa
- Form (approximately equal to the outside air pressure)
- ηL
- Efficiency (ηLZ supply fan; ηLA exhaust fan)
- κ
- Isentropic exponent for air (κ = 1.4).
Die Feuchte bleibt konstant
Unter "Aktion" werde die Temperaturerhöhung gespeichert.The temperature increase is saved under "Action".
Die Unterprogramme MISCHER und AMISCH sind in Fig. 27 dargestellt Der durch die Klappen an der Mischkammer einstellbare Außenluftanteil MA (Außenluftmassestrom/Mischluftmassestrom) wird in Schritten (z = 0 bis z = 10) erhöht
Liegt er im zugelassenen Bereich
Vorgegeben sind dabei die Luftzustände (x; t) und für den zweiten Zustrom (xMII; tMII), woraus mit UP ZUSTAND h und hMII ermittelt werden.
Aus xn und hn folgt mit UP ZUSTANDH endgültig tn. Als Kostenfunktion sei
From UP and STN tn finally follows from xn and hn. As a cost function
Das UP AMISCH betrachtet lediglich den Abzweig im Abluftweg, der zur Mischkammer führt. Die Parameter der Abluft ändern sich dadurch natürlich nicht.The UP AMISCH only looks at the branch in the exhaust air path that leads to the mixing chamber. Of course, the parameters of the exhaust air do not change.
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 Endwerte der Zustandsänderung:
Fig.29 zeigt, daß bei Komfortklimaanlagen die Zuluft-Zustandsänderung üblicherweise längs einer Isohygren verläuft. Die Abluft-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 betrieben wurde. Wenn nein, dann gelten
Fig. 29 shows that in comfort air conditioning systems, the change in the supply air status usually runs along an isohygren. In the winter, the change in the exhaust air status can run both after a, but at lower temperatures t, and also after b. As a rule, the exhaust air outlet state is no longer of interest, since it is mostly exhaust air. Nevertheless, the exit condition should be recorded correctly in the UP AWRGT (Fig. 28). The query Akt [eWR + 1] indicates whether the heat recovery unit was operated. If not, then apply
Werden Wärmerückgewinner und Mischer kombiniert in Anlagen eingesetzt, so sind die Algorithmen bezüglich der Kostenfunktionen so zu gestalten, daß die jeweils realen oder überhaupt keine Masseströme Verwendung finden.If heat recovery units and mixers are used in combination in systems, the algorithms with regard to the cost functions must be designed in such a way that the real or no mass flows are used.
Bei der numerischen Abarbeitung der Beispiele und der zugehörigen 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.When numerically processing the examples and the associated presentation of the results of the process sequences in the h, x diagram, it should be noted that the division into sections of 1 K and 1 g W / kg tL (see FIG. 9) results in errors of half the section size can. In addition, the permissible error limits for the main program iteration loop are also set at 1 K and 1 g W / kg tL .
Eine einfache Teilklimaanlage - bestehend aus Vorwärmer, Wäscher, Nachwärmer - soll Außenluft (- 14°C, 1 gw/kgtL) so aufbereiten, daß der Endzustand im Bereich t = (20 ... 24)°C; ϕ = (0,30 ... 0,65) bzw. x < 11,5 gW/kgtL liegt. Für die Zwischenzustände existieren keinerlei Begrenzungen. Die spezifischen Kosten betragen:
Der Wäscher ist regelbar im Bereich: ηBmin = 0,50; ηBmax = 0,95. Es sind ṁ = 8,8 kg/s (ca. 27500 m3/h) Luft aufzubereiten. Der Prozeßverlauf ist so zu bestimmen, daß minimale Kosten entstehen.The scrubber can be regulated in the range: ηBmin = 0.50; ηBmax = 0.95. Ṁ = 8.8 kg / s (approx. 27500 m 3 / h) air have to be processed. The course of the process is to be determined in such a way that minimal costs arise.
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 gestaltet und mit der Zielfunktion "Kosten in DM/h" gefüllt sind, ausgedruckt. Die Zwischenergebnisse werden kurz charakterisiert:
- Etappenfeld e = 1
Es ist nur der Außenluftzustand (- 14°C; 1 gW/kgtL)mit den Kosten 0 DM/h belegt. - Etappenfeld e = 2
Die Aufheizung erfolgt in 1 K-Schritten, die Feuchte bleibt konstant. An den möglichen Endpunkten sind die Kosten vermerkt. Die höheren spezifischen Energiekosten bei Temperaturen > 25 °C werden durch den abgebildeten Kostensprung deutlich. - Etappenfeld e = 3
Zwischen e = 2 und e = 3 ist der Wäscher installiert. Wird er nicht betrieben, so bleiben die bisherigen Werte erhalten (siehe Reihe x = 1 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 Abweichungen und Fehlstellen im geschlossenen Gebiet entstehen durch den Übergang von t; x auf i; j, der mit UP FELD vorgenommen wird.
Etappenfeld e = 4
Von jedem in e = 3 belegten Abschnitt erfolgt eine Aufwärmung in 1 K Stufen. Gemäß geltender Kostenfunktion werden die Ergebnisse vermerkt. Es treten hierbei besonders deutlich hervor, daß- technisch gleiche Endpunkte stets überspeichert werden mit den kostengünstigsten Zustandsänderungen;
- nur die im zugelassenen Zielgebiet liegenden Luftzustände eingetragen werden.
In order to make the solution understandable, the individual stage fields, which are based on an h, x diagram and are filled with the objective function "costs in DM / h", are printed out in FIG. 30. The interim results are briefly characterized:
- Stage field e = 1
Only the outside air condition (- 14 ° C; 1 g W / kg tL ) is documented with thecosts 0 DM / h. - Stage field e = 2
The heating takes place in 1 K steps, the humidity remains constant. The costs are noted at the possible endpoints. The higher specific energy costs at temperatures> 25 ° C are evident from the cost jump shown. - Stage field e = 3
The scrubber is installed between e = 2 and e = 3. If it is not operated, the previous values are retained (see row x = 1 g W / kg tL ). When it goes into operation, air states with x> 1 g W / kg tL follow , whereby only the technically possible end points (ηB = 0.5 ... 0.95 and tf = const) are documented. Minor deviations and defects in the closed area result from the transition from t; x on i; j, which is done with UP FELD.
Stage field e = 4
Each section occupied in e = 3 is warmed up in 1 K steps. The results are noted according to the applicable cost function. It is particularly clear that- technically identical endpoints are always overstored with the cheapest changes of state;
- only the air conditions in the approved target area are entered.
Fig. 31 faßt nach Auswahl der niedrigsten Kosten im Zielgebiet und Rückverfolgung der jeweils vorangegangenen Quelle den optimalen Weg der Zustandsänderungen mit Angabe der jeweils signifikanten "Aktion" zusammen. Fig. 32 zeigt den Verlauf im h,x-Diagramm.After selecting the lowest costs in the target area and tracing the previous source in each case, FIG. 31 summarizes the optimal way of the state changes with indication of the respectively significant "action". 32 shows the course in the h, x diagram.
Es ist der optimale Prozeßverlauf für eine Hörsaal-Klimatisierung im Winter- und Sommerfall zu ermitteln. Es sind gegeben:
x < 11,5 gW/kgtL
x < 11,5 gW/kgtL
x <11.5 g W / kg tL
x <11.5 g W / kg tL
Die aufgeführte Anordnung der Aggregate und des Raumes entspricht der Richtung 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.
- Version 1:
- Heat recovery; no mixer
- Variant 2:
- Mixer; no heat recovery
- Variant 3:
- Heat recovery and mixer.
Die Möglichkeiten des Optimierungsverfahrens werden voll genutzt. Sowohl der Wärmerückgewinner als auch der Mischer besitzen eine Ankopplung an den Abluftstrom, so daß iterative Berechnungen notwendig sind. Trotz des enormen Rechenaufwandes betragen die PC-Bearbeitungszeiten nur ca. 1 Minute. Die optimalen Ergebnisse sind in den Figuren 33 bis 38 dargestellt.
Die tabellarische Zusammenfassung zeigt die deutlichen Vorteile des Mischkammereinsatzes (MI) und die zusätzliche Kopplung mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung (WR):
The tabular summary shows the clear advantages of using the mixing chamber (MI) and the additional coupling with a heat recovery device (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 Figuren 39 und 40 vorgestellt und in den Figurenbeschreibungen charakterisiert.The summer room load, the permissible room air range as well as the assembly of units with heat recovery and mixer apply as described in example 2. Only the summer outside air condition is varied. The results of the optimal process sequences are presented in FIGS. 39 and 40 and characterized in the description of the figures.
Vorteilhafterweise ist eine automatisierte Ermittlung des zulässigen Raumbereiches möglich.
Zugehörig zur Außenlufttemperatur können mit sehr geringem Aufwand die zulässigen Raumluft-Zustandsbereiche, bei Komfortklimaanlagen 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.An automated determination of the permissible spatial area is advantageously possible.
Associated with the outside air temperature, the permissible indoor air status ranges can be determined with very little effort. B. according to DIN 1946
Auch ist die Ermittlung von Zielfunktions-Intervallsummen möglich.The determination of target function interval totals is also possible.
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 Zielfunktion ist problemlos möglich. Da die untersuchten Zustandsänderungen jeweils optimale Betriebsabläufe darstellen, wird die Zielfunktion zum Minimum. Das Ergebnis repräsentiert somit einen optimalen Vergleichsprozeß.Frequently, the energy and / or cost expenditures for the operation of an air conditioning system are of interest for a predetermined period, for example for a year. The outside air conditions can be specified according to temperature, humidity and the corresponding frequency in accordance with DIN 4710, or they are described using the test reference year. The summation of the target function is possible without any problems. Since the examined changes in state each represent optimal operating processes, the Objective function to the minimum. The result thus represents an optimal comparison process.
Auch die Optimierung des Massestromes kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.The optimization of the mass flow can also be carried out with the method according to the invention.
Der im Sinne der Zielfunktion optimale Weg der Luftzustandsänderungen 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 Temperaturdifferenz Raumtemperatur minus Zulufttemperatur gekoppelt. Für sie gelten behaglichkeits- und luftführungsbedingte Grenzwerte, die zu beachten sind.
Generell kann eine Optimierung des Massestromes (bzw. des Volumenstromes) folgendermaßen vorgenommen werden:
- Berechnung der Zielfunktion Z (z. B.: KSUM) und der Temperaturanderung der Zuluft im Raum ( ΔtZU = topt[eR] - topt [eR - 1] für ein vorgegebenes ṁ ;
- Liegt ṁ über dem zulässigen Minimalwert und ΔtZU im zulässigen Bereich wird solange eine Luftstromreduzierung (z. B.: ṁ1 = 0,95 ṁ; ṁ2 = 0,95 ṁ1 usw.) und eine Neuberechnung des optimalen Weges durchgeführt, bis einer der Grenzwerte erreicht ist. Sind die Leistungen der Bauteile vom Luftwechsel abhängig, so muß dies in den entsprechenden Algorithmen berücksichtigt werden. Die Randbedingungen bedürfen gegebenenfalls auch der Anpassung, so beispielsweise der zulässige Außenluftanteil des Mischers MAmin. Die zu den ṁ1; ṁ2 usw. gehörigen Zielfunktionsgrößen Z1; Z2 usw. werden vermerkt und das Minimum bestimmt. Damit ist dann der optimale Luftdurchsatz determiniert.
Bei speziellen Zielfunktionen wäre es auch denkbar, daß über dem Erstwert ṁ liegende Luftdurchsätze das Ergebnis positiv beeinflussen. Technisch sinnvolle, maximale Luftdurchsätze sind zu postulieren. - Zum Auffinden des optimalen Luftstromes sollten bei größerer Variationsbreite die bekannten mathematischen Lösungsverfahren angewendet werden.
In general, the mass flow (or volume flow) can be optimized as follows:
- Calculation of the target function Z (e.g. KSUM) and the temperature change of the supply air in the room (Δt ZU = topt [eR] - topt [eR - 1] for a given ṁ;
- If ṁ is above the permissible minimum value and Δt ZU in the permissible range, an air flow reduction (e.g.: ṁ 1 = 0.95 ṁ; ṁ 2 = 0.95 ṁ 1 etc.) and a recalculation of the optimal path are carried out until one of the limit values has been reached. If the performance of the components depends on the air exchange, this must be taken into account in the corresponding algorithms. The boundary conditions may also need to be adapted, for example the admissible proportion of outside air in the mixer MAmin. The to the ṁ 1 ; ṁ 2 etc. target function variables Z 1 ; Z 2 etc. are noted and the minimum determined. The optimal air flow rate is then determined.
With special target functions, it would also be conceivable that air throughputs above the initial value Erst have a positive effect on the result. Technically reasonable, maximum air flow rates are to be postulated. - In order to find the optimal air flow, the known mathematical solution methods should be used with a larger range of variation.
Summiert man die Zielfunktion - beispielsweise die Betriebskosten - über einen Jahreszeitraum für verschiedene Konfigurationen der Klinmaanlage, 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 Wärmerückgewinnern 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 ausgewählt wird. Gegebenenfalls wären die Betriebszeiten über ein Jahr zu ermitteln und danach die Auswahl zu treffen.If the target function - for example the operating costs - is summed up over a period of one year for various configurations of the clinical system, the optimal assembly equipment can be determined. Typical examples are the comparison of steam humidifiers, controllable scrubbers and non-controllable scrubbers or checking the efficiency of heat recovery units, etc.
It would also be conceivable to provide a steam humidifier and a washer in the air conditioning system at the same time and to check which unit is selected under which conditions during the optimization. If necessary, the operating times would have to be determined over a year and then the selection made.
Der verfahrensgemäße Betrieb der raumlufttechnischen Anlage ist nachstehend dargestellt.The operational operation of the ventilation system is shown below.
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 vorgenommen werden, z. B.:
- Wärmerückgewinner in Betrieb setzen;
- Wäscherpumpe einschalten;
- Klappen am Mischer in die berechnete Stellung fahren;
- Kälte- oder Wärmebereitstellung, falls nicht ständig verfügbar, in Betrieb nehmen.
- Put the heat recovery device into operation;
- Switch on the washer pump;
- Move the flaps on the mixer to the calculated position;
- Commission cold or heat supply, if not always available.
Problematischer verhält es sich mit der Regelung zur Leistungsanpassung 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 Verknüpfungen 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.
- Each unit receives an individual control with the calculated air outlet status as the setpoint.
- Multiple units - e.g. B. preheater, cooler, reheater (see Fig. 2) - are operated with a control with appropriate links and sequences. In the sense of the objective function, this does not represent a "backward step" if the optimization and control strategy match or if the control only may operate "independently" in a limited area.
Welche der beiden Varianten gewählt werden sollte, ist vor allem durch praktische Gesichtspunkte - beispielsweise Stabilitätsbetrachtungen und Hardwareeinsatz - zu bestimmen.Which of the two variants should be selected is to be determined primarily from a practical point of view - for example, stability considerations and the use of hardware.
Die Berechnung der optimalen Prozeßführung ist in rhythmischen Abständen zu wiederholen. Dabei sollten die realen Verhältnisse adaptiert werden. Dies bezieht sich auf die Leistungscharakteristiken der Bauteile und auf die Zustandsänderungen im Raum. Geht man davon aus, daß die entsprechenden Ein- und Austrittsparameter bekannt sind, so gibt es für die Adaption mehrere Möglichkeiten:
- Die Zustandsänderung wird durch Ermittlung von Δh sowie Δx direkt bestimmt. Die Programmeingaben erfahren eine entsprechende Korrektur. Dieses Vorgehen bietet sich zur Erfassung 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 eintrittstemperaturen herzustellen.
- Die im Optimierungsalgorithmus verwendeten Ersatzmodelle werden durch die realen Zustandsänderungen korrigiert. So sind beispielsweise aus dem Eintritts- und Austrittstemperaturen der Luft und des Kaltwassers der Rippenwirkungsgrad und der Bypaßfaktor des Oberflächenkühlers für den vorgegebenen Einsatzbereich realistisch bestimmbar.
- Die Modelle zur Nachbildung der Aggregatecharakteristiken können durch Auswertung stochastischer Zusammenhänge über längere Zeiträume und wechselnden Betriebsbedingungen bedeutend verfeinert werden.
- The change in state is determined directly by determining Δh and Δx. The program entries are corrected accordingly. This procedure is suitable for recording the real room loads. However, it is also conceivable to apply this method to units in the HVAC system and to make an assignment, for example, to the air and inlet temperatures.
- The replacement models used in the optimization algorithm are corrected by the real state changes. For example, the rib efficiency and the bypass factor of the surface cooler can be realistically determined from the inlet and outlet temperatures of the air and cold water for the specified area of application.
- The models for simulating the aggregate characteristics can be significantly refined by evaluating stochastic relationships over longer periods of time and changing operating conditions.
Claims (5)
- Process for the regulation of temperature and humidity of air in rooms with the aid of a ventilation and air conditioning system which is comprised of a plurality of individual units for effecting air condition changes and which uses outside air and outgoing air as entry flows, in which case the control of the individual air conditioning units and the conduction of the process are effected in such a way that the supply air brings about a predetermined room air condition, whereby an objective function is fulfilled, viz. that the target condition is reached with a minimum of energy expenditure and in which marginal conditions with regard to the the air conditions adjustable by means of individual units are preset and the realizable condition changes are determined,
characterized in that
the process conduction is determined in such a waya) that at certain selectable time intervals, the respective operating parameters of the system meeting the objective function are determined by computation, in that the condition field of the air passed through the individual units is discretisized by the division into temperature and humidity sections (delta t and delta x) so that, setting out from the condition of the outside air, a finite number of (while taking the marginal conditions into account) theoretically possible ways up to the room air or supply air condition results and each of these ways is pursued in a stepwise fashion, in which case, for each way, the evaluations of the air treatment by the individual units are added up with regard to the objective function and, finally, the parameters of that way are selected for the operation of the individual units, whose summed overall evaluation fulfills the objective function;b) in that, as objective function, the "minimization of the exergonic, environment-relevant, calorific or cost-wise assessed energy expenditures" or the "minimization of directly employed nature resources" is predetermined, while the evaluation standard for each individual unit can also be assessed variably;c) in that, as marginal conditions, the air conditions at the outlets of the individual units with regard to the temperature, the absolute humidity, the specific enthalpy and the dew point temperature - specifically related to a constant air pressure, which may be different for each individual unit - or of values derived therefrom, are used as well as limitations of the unit employment with regard to the air throughput, of the flow parameters on the part of the heating or cooling media, the output, the condition values of the air to be processed or of unit-specific characteristica, are predetermined;d) in that the technically-physically realizable condition changes in the individual units - while setting out from the occurring supply air conditions discretisized according to temperature and humidity - are examined in parameter steps characteristic of the unit (temperature increases, increases in humidity, lowering of cooling water entry temperatures, etc.), in which case, for non-regulated units, the examination comprises solely a single step, with the first result of the air exit condition which, after the use of a rounding algorithm - is available once more in a discretisized form and the second result of a summand for the overall evaluation in line with the objective function, in which case,in the event that several parameter steps produce the same discretisized air exit condition, the step which, in line with the target function, reaches the most favourable (smallest or largest) summand, enters into the evaluations, ande) in that, accordingly, the operation of every unit, individually or combined into groups, can be controlled or regulated, while in the latter case the optimized air exit parameters can be employed as nominal values. - Process according to Claim 1,
characterized in that
in lieu of the predetermined room air condition, an air condition defined by the parameters of the entry air flowsor, with regard to temperature and humidity, a defined room air condition range, whose limitations, both in dependence of the internal heat and humidity burdens - detectable from the air conditions measured during the operation of the system for the outgoing air and the supply air (delta h/delta x, room), the number of persons in the room and/or of the electrical devices being operated in the room - as well as the external meteorological conditions and also the utilization time, are predeterminable, in which case the discretisized temperature and humidity sections (delta t and delta x), whose area centers are located within the defined range, are equivalent amongst themselves. - Process according to either Claim 1 or Claim 2,
characterized in that
the optimal process conduction also includeas an optimization of the air throughput, in which case higienically, air conduction-technically and/or constructionally-physically caused limitations are predeterminable. - Process according to any of Claims 1 to 3,
wherein the room air conditioning system comprises a plurality of individual units, viz. at least one heating unit (EH), one cooling unit (KU) and one humidification unit (WA) and possesses the sensor which supplies the relevant air conditions (pressure (p), temperature (t), humidity (x) and/or also other air condition values) of the outside air, the outgoing air and the supply air, in which case, on the strength of optimization results detected on the lines of the objective function while taking into consideration the room air-technical and unit-specific marginal conditions, all units or part combinations are operated by units, with the aid of which the room target condition range (t TARGET min...t TARGET max, x TARGET min ... x TARGET max, phi TARGET min ... phi TARGET max, tau TARGET min ... tau TARGET max) is attainable,
characterized in thata) while taking into account the predetermined, stored marginal conditions all temperature changes and/or changes in humidity possible with the individual units in i temperature sections delta t ≤ 1 K and in j humidity sections delta x ≤ 1g/kg are viewed and the object function sum K is determined, in which case, as point of departure, the outside air condition (tAU, xAU) with K = 0 is valid;b) in that all technically possible air conditions after each unit in a t, x stage field e are characterized by the minimum expenditure (e,i,j) necessary up to this condition point in line with the objective function;c) in that only the K min (e,i,j) ≥ 0 can be point of departure for the condition change in the next unit;d) in that the condition change in the room, preferably divided into the residence area and an upper area, is regarded technically-physically as the condition change in a unit, but that no additive is added to the object function sum;e) in that the condition points t (e,i), x (e,j) occupied by K min (e,i,j) ≥, which are located within the room target range, while taking into consideration all marginal conditions, constitute the technically possible room air conditions which are achievable in the air conditioning process;f) in that the optimal ventilation process along the lines of the objective function within the room residence area leads through the condition point possessing the lowest occupied K min (e,i,j) value;g) in that the optimization of the ventilation process is repeated at regular intervals, while this takes place at predetermined time intervals or in dependence of the measured, by preference time-related changes in the air condition of the entry values (outside air, outgoing air and/or supply air). - Process according to any of Claims 1 to 4,
characterized in that
the unit-specific marginal conditions and technically feasible condition changes, while setting out from the predetermination values while using the actually mwasured air condition change, are automatically changed and stored after a predetermined approximation operation.
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