FI76210C

FI76210C - Method for controlling a heat exchanger in a ventilation system

Info

Publication number: FI76210C
Application number: FI860478A
Authority: FI
Inventors: Antti Auer; Hannu Vaeaetaemoeinen
Original assignee: Ilmateollisuus Oy
Priority date: 1986-02-03
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1988-09-09
Also published as: FI860478A; FI860478A0; FI76210B

Description

7621 O7621 O

Menetelmä ilmastointijärjestelmän lämmönsiirtimen toiminnan ohjaamiseksiA method for controlling the operation of a heat exchanger in an air conditioning system

Keksinnön kohteena on menetelmä ilmastointijärjes-5 telmän lämmönsiirtimen toiminnan ohjaamiseksi, jossa menetelmässä mitataan lämmönsiirtimen käyttöolosuhteita ja ohjaussuureen avulla ohjataan lämmönsiirtimen toimintaa, kuten sulatuksen käynnistystä ja pysäytystä , vertaamalla käyttöolosuhteita ohjaussuureeseen, jolle on etukäteen 10 määritelty tietyt raja-arvot.The invention relates to a method for controlling the operation of a heat exchanger in an air conditioning system, which method measures the operating conditions of a heat exchanger and controls the operation of the heat exchanger, such as defrost start and stop, by comparing operating conditions with a predetermined limit value.

Lähes kaikki ihmisiä kuten myös eläimiä varten tarkoitetut rakennukset ja tilat on nykyään varustettu jonkinlaisella ilmastointijärjestelmällä. Vaikka ilmastointi-järjestelmän tarkoituksena on ensisijaisesti huolehtia sii-15 tä, että hengitettävä ilma on riittävän hyvälaatuista, on myös hyvin tärkeätä, että ilmastointi toimii taloudellisesti eikä aiheuta turhan suurta energianhukkaa. Tästä syystä ilmastointijärjestelmissä otetaan tarvittaessa talteen lämpöenergia, joka sisältyy ilmastoitavasta tilasta pois 20 johdettavaan huonolaatuiseen ilmaan. Tämä on käytännössä järjestetty käyttäen lämmönsiirtimiä, joissa poistoilma luovuttaa lämpöä raikkaaseen tuloilmaan. Varsinkin talviaikaan, kun ilmastoitavan tilan lämpötila on merkittävästi korkeampi kuin ulkolämpötila, lämmön talteenotto on talou-25 dellisessa mielessä järkevää.Almost all buildings and facilities for people as well as animals today are equipped with some form of air conditioning system. Although the primary purpose of the air conditioning system is to ensure that the air to be inhaled is of sufficiently good quality, it is also very important that the air conditioning operates economically and does not cause unnecessary energy loss. For this reason, air conditioning systems recover, if necessary, the thermal energy contained in the low-quality air discharged from the room to be air-conditioned. This is practically arranged using heat exchangers in which the exhaust air transfers heat to the fresh supply air. Especially in winter, when the temperature of the air-conditioned room is significantly higher than the outdoor temperature, heat recovery makes economic sense.

Lämmön talteenottamiseen käytettävien lämmönsiirti-mien ongelma on niiden huurtuminen ja jäätyminen talviaikaan, mikä aiheuttaa sen, että lämmönsiirtimen ja samalla koko ilmastointijärjestelmän toiminta häiriintyy. Jäätymi-30 nen tapahtuu tunnetusti vain lämmönsiirtimen poistopuoles-sa, jossa poistoillaan kosteus tiiviistyy ja jäätyy. Jäätyessään lämmönsiirtimen lämpötilahyötysuhde pienenee, mikä käytännössä tarkoittaa, että lämmön talteenotto poistoil-masta ei ole tehokasta. On selvää, että lämmönsiirtimen 35 osittainenkin jäätyminen on ei-toivottu ilmiö, mistä syys-The problem with heat exchangers used for heat recovery is their fogging and freezing in winter, which causes the operation of the heat exchanger and at the same time the entire air conditioning system to be disrupted. Freezing is known to take place only on the outlet side of the heat exchanger, where the moisture condenses and freezes. As it freezes, the temperature efficiency of the heat exchanger decreases, which in practice means that heat recovery from the exhaust air is not efficient. It is clear that even the partial freezing of the heat exchanger 35 is an undesirable phenomenon,

7621 O7621 O

2 tä jäätymisongelma on tunnetusti ratkaistu eri keinoin: tuloilma on esilämmitetty glykolilla tai vedellä, lämmön-siirtimeen muodostunut jää on määräajoin sulatettu sähkö-vastuksen avulla, jää on sulatettu poistoilman avulla oh-5 jäämällä tuloilma lämmönvaihtimen ohi tai tuloilmavirtaus on pysäytetty sulkemalla tuloilmakanava tai pysäyttämällä tuloilmapuhallin jne. Riippumatta käytetystä keinosta jää-tymisongelman ratkaisussa tulisi pyrkiä siihen, että ilmastointijärjestelmän toiminta - myös taloudelliset näkö-10 kohdat huomioon ottaen - häiriintyisi mahdollisimman vähän. Alan ammattimiehelle on selvää, että tässä mielessä ongelmaa vähentäisi olennaisesti ohjausjärjestelmä, joka käynnistää tarvittavat sulatustoiminnot vain tarvittaessa ja sulatustoiminto jatkuu vain niin kauan kuin se on tar-15 peellista, jolloin sulatus myös joudutaan aloittamaan mahdollisimman harvoin. Tunnetuissa ilmastointijärjestelmissä sulatustoiminto on joko järjestetty satunnaisesti tapahtuvaksi toiminnoksi, ts. sulatus on aloitettu vasta kun on huomattu, että lämmönsiirrin ei enää toimi, tai toiminnok-20 si, joka on pantu alkavaksi aivan liian aikaisessa vaiheessa, esimerkiksi jo silloin kun edellytykset huurteen muodostumiselle ovat olemassa. Viimeksi mainitussa tapauksessa on rajoitettu lämmön talteenoton tehoa aiheettomasti. Sulatustoiminto voidaan tunnetusti totetuttaa perustuen 25 joko poistoilman lämpötilanmittaukseen tai lämmönsiirtimen paine-eromittaukseen poistopuolella. Edellä mainittu järjestely on halpa toteuttaa mutta haittapuolena on, että lämmönsiirtimen kuivan kennon lämpötilat voivat olla hyvin alhaiset, ja sulatus aloitetaan vaikka huurretta ei olisi 30 muodostunutkaan. Jälkimmäinen järjestely antaa sulatukselle tarkemman ohjauksen, mutta haittapuolina on kallis, jatkuva paine-eromittaus (mittauslaitteisto on noin kymmenen kertaa lämpötilanmittausta kalliimpi), joka ilmastointi-järjestelmässä käytettävistä useista puhallinnopeuksista 35 riippuen vaatii useita paine-erokytkimiä. Viimeksi maini- 32 This freezing problem is known to be solved by various means: the supply air is preheated with glycol or water, the ice formed in the heat exchanger is periodically melted by an electric resistor, the ice is melted by the exhaust air oh-5 etc. Irrespective of the means used to solve the problem of freezing, the aim should be to minimize disruption to the operation of the air-conditioning system, including from an economic point of view. It is clear to a person skilled in the art that in this sense the problem would be substantially reduced by a control system which initiates the necessary defrosting functions only when necessary and the defrosting function only lasts as long as necessary, in which case defrosting also has to be started as infrequently as possible. In known air-conditioning systems, the defrost function is either arranged as a random function, i.e. defrosting is started only when it is noticed that the heat exchanger is no longer working, or as a function that is started far too early, for example when frost conditions exist. . In the latter case, the heat recovery efficiency is unduly restricted. It is known that the defrosting function can be implemented based on either the exhaust air temperature measurement or the differential pressure measurement of the heat exchanger on the exhaust side. The above arrangement is inexpensive to implement, but the disadvantage is that the temperatures of the dry cell of the heat exchanger can be very low, and the melting is started even if no frost has formed. The latter arrangement gives the smelting more precise control, but has the disadvantages of expensive, continuous differential pressure measurement (the measuring equipment is about ten times more expensive than temperature measurement), which requires several differential pressure switches depending on the various fan speeds used in the air conditioning system. The latter 3

7621 O7621 O

tun järjestelyn yhteydessä on myös todettu/ että pienet paine-erot ovat vaikeita mitata; lisäksi kondenssivesi voi aiheuttaa paine-eron, vaikka kenno ei ole huurtunut.it has also been found / that small pressure differences are difficult to measure; in addition, condensed water can cause a pressure difference even if the cell is not fogged.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on vähentää 5 tunnettujen ilmastointijärjestelmien lämmönsiirtimien jäätymisestä aiheutuvia haittoja ohjaamalla lämmönsiirtimen sulatustoiminto taloudellisesti ja käyttöominaisuuksiltaan edullisella tavalla. Tämän toteuttamiseksi keksinnölle on tunnusomaista, että ohjauusuureena käytetään lämmönsiirti-10 men lämpötilahyötysuhdetta, jolla on määritelty sulatusko-keiden perusteella halutut raja-arvot.The object of the present invention is to reduce the disadvantages caused by the freezing of the heat exchangers of the known air-conditioning systems by controlling the defrosting function of the heat exchanger in an economical and advantageous manner. In order to achieve this, the invention is characterized in that a heat exchanger temperature efficiency is used as the control variable, in which the desired limit values have been determined on the basis of melting tests.

Keksinnön mukaisen menetelmän ansiosta tunnetut ilmastointijärjestelmät saadaan toimimaan aikaisempaa taloudellisemmalla tavalla tarvitsematta tinkiä ilmastoitavan 15 tilan ilman laadusta. Lisäksi menetelmä on halpa toteuttaa, luotettava sekä helposti automatisoitavissa. Edelleen menetelmän ansiosta lämmönvaihtimen todellinen lämmitysteho on ilmastointijärjestelmää käytettäessä jatkuvasti tiedossa.Thanks to the method according to the invention, the known air-conditioning systems are made to operate in a more economical manner than before without having to compromise on the air quality of the room to be air-conditioned. In addition, the method is cheap to implement, reliable as well as easily automated. Furthermore, thanks to the method, the actual heating capacity of the heat exchanger is constantly known when using the air conditioning system.

20 Seuraavaksi keksinnön mukaista menetelmää selitetään seikkaperäisesti kahden sovellutusesimerkikn avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuviossa 1 on kaaviomaisesti esitetty menetelmän periaate sovellettuna levylämmönsiirtimen käsittävään il-25 mastointijärjestelmään ja kuviossa 2 on esitetty menetelmän periaate sovellettuna pyörivän lämmönsiirtimen tai glykolivesipatterin käsittävään ilmastointij ärj estelmään.Next, the method according to the invention will be described in detail by means of two application examples with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 schematically shows a method principle applied to an air conditioning system comprising a plate heat exchanger and Fig. 2

Kuvion 1 mukainen järjestely käsittää rekuperatiivi-30 sella ristivirtausperiaatteella toimivan levylämmönsiirti-men, joka on yleisesti merkitty viitenumerolla 1, raikkaan tuloilman ennen lämmönsiirrintä 1 sijaitsevan syöttökanava-van 2 ja siihen liitetyn lämpötila-anturin 3, raikkaan tuloilman lämmönsiirtimen jälkeen sijaitsevan syöttökanavan 35 4 ja siihen liitetyn lämpötila-anturin 5, tulopuolen puhal- 4 76210 timen 6, poistopuolen puhaltimen 7, poistoillaan ennen läm-mönsiirrintä sijaitsevan poistokanavan 8 ja siihen liitetyn lämpötila-anturin 9 sekä poistoillaan läoimönsiirtimen jälkeen sijaitsevan poistokanavan 10. Lämpötila-anturit 5 3, 5 ja 9 on kytketty tietokoneeseen, joka on osa ilmas tointijärjestelmän ohjausjärjestelmää 11. Lisäksi järjestely käsittää ilmavirtausten säätöpellin 12, jolla poisto-ilma voidaan ohjata sekoittumaan tuloilmaan, ja tuloilman lämpöpatterin 13.The arrangement according to FIG. connected to the temperature sensor 5, an input side of the blower 4 76210 converter 6, the outlet side of the fan 7, a removal before the outlet passage in the heat-exchanger 8 and the associated temperature sensor 9, and the removal of the discharge channel downstream of the läoimönsiirtimen 10. temperature sensors 5 3, 5 and 9 is connected to a computer which is part of the control system 11 of the air conditioning system. The arrangement further comprises an air flow control damper 12 by means of which the exhaust air can be controlled to mix with the supply air and a supply air radiator 13.

10 Kuvattu järjestely toimii siten, että tulopuolen puhallin 6 vetää sisään syöttökanavasta 2 raikasta tuloil-maa, esimerkiksi ulkoilmaa, jonka lämpötila on t^. Raikas tuloilma siirtyy lämmönsiirtimen läpi syöttökanavaan 4 ja sen lämpötila kasvaa tällöin arvosta t^ arvoon t2, koska 15 raikas ilma vastaanottaa lämpöenergiaa ilmastoitavasta tilasta poistuvasta ilmasta, joka luovuttaessaan lämpöä jäähtyy lämpötilasta t^ lämpötilaan t^. Mainitut lämpötilat t^ , t2, t^ ja t^ edustavat läiomönsiirtimen 1 neljän sivun 1a, 1b, 1c ja 1d keskimääräisiä lämpötiloja: todellisuu-20 dessa lämpötilat , t2, t^ ja t^ vaihtelevat paikallisesti pitkin lämmönsiirtimen kutakin sivua 1a, 1b, 1c ja 1d tietyllä lämpötila-alueella. Mainitut lämpötilat kuvaavat kuitenkin riittäävällä tarkkuudella lämmönsiirtimen toimintaa. Lämmönsiirtimen huurtumisen ja jäätymisen kannal-25 ta sivu 1d on ratkaiseva, koska tällä sivulla alkaa mahdollinen jäätyminen. Mitä kylmempi on raikas tuloilma sitä todennäköisempää on sivun 1d jäätyminen. Lämmönsiirtimen jäätymisen ja sen lämpötilahyötysuhteen, joka on (t2 - t^) / (t^ - t^), välillä vallitsee kokeelli-30 sesti määritetty yhteys ja esillä olevassa keksinnössä lämmönsiirtimen ohjaus ja sulatustoiminto perustuu nimenomaan mainittuun yhteyteen. Oletetaan esimerkiksi, että lämpöti-lahyötysuhde on laskenut alle tietyn ennalta määritellyn arvon, joka kuvaa sitä, että lämmönsiirtimen toimintaa on 35 on ohjattava eli muutettava, jotta ilmastointijärjestelmän 5The illustrated arrangement 10 thus serves as the entry side of the blower 6 according to the input channel 2 of fresh intake air is land, for example, the outside air having a temperature T ^. The fresh supply air passes through the heat exchanger to the supply duct 4 and its temperature then increases from t 1 to t 2, because the fresh air receives thermal energy from the air leaving the air-conditioned space, which cools down from the temperature t 1 to the temperature t 1. Said temperatures t1, t2, t1 and t2 represent the average temperatures of the four sides 1a, 1b, 1c and 1d of the heat exchanger 1: in reality, the temperatures t2, t2 and t1 vary locally along each side 1a, 1b of the heat exchanger, 1c and 1d in a certain temperature range. However, said temperatures describe the operation of the heat exchanger with sufficient accuracy. For frosting and freezing of the heat exchanger, page 1d is crucial, as possible freezing begins on this page. The colder the fresh supply air, the more likely it is that page 1d will freeze. There is an experimentally determined relationship between the freezing of the heat exchanger and its temperature efficiency of (t2 - t ^) / (t ^ - t ^), and in the present invention the control and defrosting function of the heat exchanger is based on said connection. Suppose, for example, that the temperature-efficiency ratio has fallen below a certain predetermined value, which describes that the operation of the heat exchanger must be controlled, i.e. changed, in order for the air conditioning system 5 to

7621 O7621 O

toiminta paranisi. Koska ohjausjärjestelmän 11 tietokone on kytketty jatkuvasti määrittämään lämpötilahyödysuhde lämmönsiirtimen ollessa toiminnassa ohjausjärjestelmä saa tämän ansiosta välittömästi tiedon siitä milloin lämmön-5 siirtimen toimintaa on jäätymisen (tai 1ikääntumisen) vuoksi alettava muuttaa. Kun tämä tieto on saatu tietokone antaa hälytyksen, jonka seurauksesta ohjausjärjestelmä kytkee ilmastointijärjestelmän sulatustoimintoon, jolloin puhaltimen 6, 7, lämpöpatterin 13 ja/tai säätöpellin 12 10 avulla tunnettuja tapoja hyväksikäyttäen lämmönsiirtimen toiminta saadaan jälleen paranemaan seuraavaa käyttöjaksoa varten. Sulatustoiminnon käynnistyksen edellytyksenä on, että ulkolämpötila t1 alittaa tietyn ennalta asetetun arvon.performance would improve. Since the computer of the control system 11 is continuously connected to determine the temperature efficiency when the heat exchanger is in operation, the control system is immediately informed when the operation of the heat exchanger 5 needs to be changed due to freezing (or turning). When this information is received, the computer issues an alarm, as a result of which the control system switches the air conditioning system to defrost function, whereby the operation of the heat exchanger is again improved for the next operating period by means of the fan 6, 7, radiator 13 and / or damper 12 10. The prerequisite for starting the defrost function is that the outdoor temperature t1 falls below a certain preset value.

15 Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukainen menetel mä sovellettuna ilmastointijärjestelmään, joka levylämmönsiirtimen 1 sijasta käsittää lämmönsiirtimen 14, joka tyypiltään on joko pyörivä eli kääntyvä tai sen muodosta gly-kolivesipatteri. Vastaavat komponentit kuvioissa 1 ja 2 on 20 merkitty samoilla viitenumeroilla. Kuvion 2 mukainen järjestely ohjataan aivan samalla tavalla kuin kuvion 1 järjestely, erona on ainoastaan se, että ohjausjärjestelmä on jo mainittujen toimintojen lisäksi nyt sovitettu ohjaamaan myös lämmönsiirrintä 14 välittömästi: pyörivän läm-25 mönsiirtimen tapauksessa kääntämällä tätä, jolloin tulopuoli kääntyy poistopuoleksi lämmönsiirtimen sulattamisek-si, ja glykolivesipatterin tapauksessa säätämällä neste-patterin lämpötilaa ja nestevirtauksia.Figure 2 shows a method according to the invention applied to an air conditioning system which, instead of a plate heat exchanger 1, comprises a heat exchanger 14 of the type either a rotating or rotating Gly water heater. The corresponding components in Figures 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. The arrangement according to Fig. 2 is controlled in exactly the same way as the arrangement according to Fig. 1, except that in addition to the functions already mentioned, the control system is now adapted to control the heat exchanger 14 immediately: in the case of a rotary heat exchanger by turning it, the inlet side turning to the outlet side. , and in the case of a glycol water radiator, by adjusting the temperature and fluid flows of the liquid radiator.

Keksintö on edellä kuvattu sovellettuna kahdentyyp-30 piseen ilmastointijärjestelmään, jotka hieman poikkeavat toisistaan. On selvää, että keksinnön mukainen, oheisissa patenttivaatimuksissa määritelty menetelmä on sovellettavissa muunkintyyppisiin ilmastointijärjestelmiin, joissa esimerkiksi puhaltimien sijoitus ja säätöpellin tyyppi 35 poikkeavat edellä esitetystä. Kuvattua ohjausjärjestelmääThe invention has been described above as applied to two types of air conditioning systems which differ slightly from each other. It is clear that the method according to the invention, defined in the appended claims, is applicable to other types of air conditioning systems in which, for example, the location of the fans and the type of damper 35 differ from those described above. The control system described

7621 O7621 O

6 voidaan käyttää myös tarkoituksena ylläpitää mahdollisimman hyvälaatuinen ilma ilmastoitavassa tilassa, ts. ohjaamaan lämmönsiirrintä myös silloin kun käyttöolosuhteet ovat sellaiset, että jäätymisvaaraa ei edes ole olemas-5 sa.6 can also be used for the purpose of maintaining the best possible air quality in a ventilated space, i.e. to control the heat exchanger even when the operating conditions are such that there is not even a risk of freezing.

Claims

7,76210 Claims:

A method for controlling the operation of a heat exchanger (1, 14) in an air conditioning system, the method measuring operating conditions of a heat exchanger and controlling the operation of a heat exchanger (1, 14), such as defrost start and stop, by comparing operating conditions to a predetermined control variable. limit values, characterized in that the temperature efficiency of the heat exchanger (1, 14) is used as the control value, for which the desired limit values have been determined on the basis of the melting tests.

A method according to claim 1, wherein a heat exchanger (1, 14) operating on the recuperative cross-flow principle is applied, wherein the exhaust air transfers heat to the supply air, wherein the temperature efficiency% t of the heat exchanger is determined by the formula ^ t = (t2 - 11) / (t3 - tj), where 20 t, j is the temperature of the fresh air entering the heat exchanger, t2 is the temperature of the air entering the air-conditioned space (from the heat exchanger) and t3 is the temperature of the air leaving the air-conditioned space going to the heat exchanger, characterized in that said temperatures t ^ , t2 and t1 are determined by temperature sensors, the measurement results of which are fed to a computer which, on the basis of the measurement results, determines the instantaneous temperature efficiency and controls the defrost operation of the heat exchanger (1, 14) of the air conditioning system by comparing the calculated temperature efficiency with the set limit efficiency.

Method according to Claim 2, characterized in that the defrosting operation of the heat exchanger is controlled in a manner known per se by controlling the functions of the inlet half fan (6), the outlet fan (7), the control damper (12) and the heating coil (13). 8 76210