DE19847504C1 - Verfahren zur Steuerung der Luftvolumenströme in einer raumlufttechnischen Anlage - Google Patents
Verfahren zur Steuerung der Luftvolumenströme in einer raumlufttechnischen AnlageInfo
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, nach dem in einer raumlufttechnischen Anlage in Fahrzeugen zur Personenbeförderung durch kontinuierliche Bestimmung von Raumluftqualität, thermischer Raumlast und dem Verhältnis der Raumtemperatur zur Außenlufttemperatur, abhängig von diesen Werten, das Fördervolumen, der Außenluftanteil und die Temperatur der Zugluft so gesteuert werden, daß im Innenraum stets ein vorgegebener Raumluftzustand, der definiert ist durch den maximalen Gehalt eines Schadgases in der Raumluft und die Raumtemperatur, mit dem geringstmöglichen Energieeinsatz, gewährleistet ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Außenluft und Umluftvolumenstrom
in einer raumlufttechnischen Anlage für die Temperierung eines Raumes, insbesondere in einem Fahrzeug zur
Personenbeförderung.
Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten ist es
wünschenswert, derartige Anlagen mit einem möglichst
geringen Leistungseinsatz betreiben zu können.
In dem Aufsatz von P. Bork, Energieeinsparung mit Hilfe verbesserter
Automatisierungskonzepte, in Automatisierungstechnische Praxis atp,
1986, Jg. 28, Heft 4, Seiten 184-190 sind eine Klimaanlage,
die sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit regelt, und energie
sparende Fahrweisen für eine solche Anlage beschrieben.
Aus hygienischen Gründen soll hier ein Mindestaußenluftanteil im
Zuluftvolumenstrom enthalten sein.
Es werden allerdings nur qualitative Regeln für den Betrieb einzelner
Elemente der Anlage wie etwa Mischkammer, Vorwärmer, Kühler,
Befeuchter etc. angegeben. Konkrete Angaben, die es
erlauben, einen Außenluftvolumenstrom oder einen Leistungsbedarf
für bestimmte Einsatzbedingungen zu berechnen, sind nicht vorhanden.
Insbesondere wird die Mischkammer nur in zwei Zuständen, mAVmin bzw.
mAVmax, betrieben.
In dem Aufsatz von U. Knau, Klimaanlage der Mittelwagen des ICE der
Deutschen Bundesbahn, erschienen in Ki Klima-Kälte-Heizung 6/1990,
Seiten 270-273 ist ein Betriebsverfahren bekannt, bei dem ein
Außenluftvolumenstrom fest vorgegeben ist und als Energieträger zum Heizen
und Kühlen dient.
Aus DE 35 09 621 ist eine raumlufttechnische Anlage mit variablen
Volumenströmen und ein Betriebsverfahren dafür bekannt.
Die Anlage ist eine Zweikanalanlage mit einem
Kaltluftkanal, in den Frischluft über ein Klimagerät
eingespeist wird, und einem Warmluftkanal, der
erwärmte Umluft führt.
Bisher sind in Fahrzeugen folgende Verfahren zur Steuerung der Anlagen
gebräuchlich:
- 1. Es wird konstant der Außenluftanteil gefördert, der entsprechend Auslegung der Anlage für die maximale Personenanzahl im Raum erforderlich ist.
- 2. Der Außenluftanteil wird in Stufen der Besetzung angepaßt, ohne Berücksichtigung des Verhältnisses Außen-/Raumtemperatur.
- 3. Unabhängig vom Verhältnis Außen-/Raumtemperatur wird der Zuluftvolumenstrom nach der Regelabweichung Raumtemperatur Soll-/Istwert eingestellt, ohne Bewertung der Besetzung bezüglich Raumluftqualität. Beispiele dafür sind in den Patentschriften EP 0793 822 B1 und EP 0827 889 A3 beschrieben.
- 4. Die Konzentration von Gasen in der Außenluft wird gemessen und wenn erhöhte Konzentration eines bestimmten Zielgases auftritt, wird die Zufuhr von Außenluft unterbrochen oder diese zusätzlich über spezielle Filter geleitet. Dargelegt ist dieses in EP 0713 454 B1.
All diese Verfahren nutzen nicht komplex die beiden Möglichkeiten
- - Berücksichtigung der Personenzahl bzw. Raumluftqualität,
- - Konsequente Ausnutzung des Energiegehaltes der Außenluft für die Temperierung des Raumes bei bestimmten Teillastbedingungen (keine Vollbesetzung, Außentemperatur 10. .20°C), wie sie in Mitteleuropa zu einem Großteil der Betriebszeit herrschen,
für einen energetisch optimierten Betrieb der Anlagen.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Steuerverfahren für eine
raumlufttechnische Anlage zu schaffen, das
einen Betrieb mit geringem Energieaufwand ohne
Einbuße an Komfort erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach
Anspruch 1.
Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend mit Bezug auf die
beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer
raumlufttechnischen Anlage zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 2 den Zuluftvolumenstrom als Funktion der Zulufttempe
ratur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 3.1 die erforderliche Leistung der Anlage als Funktion
des Verhältnisses von Außenluft zu Zuluftvolumenstrom
Fig. 3.2 die thermische Leistung der Anlage als Funktion von Außentem
peratur und Raumlast für diverse Werte des Außenluft-/Zuluft-Volumen
verhältnisses; und
Fig. 4 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Grundlage für die Anwendung des Verfahrens bildet ein
Luftbehandlungsgerät, welches für die Realisierung des Verfahrens
folgende, in Fig. 1 gezeigte, Einheiten enthält:
- - Außenluftzuführung (1)
- - Umluftzuführung (2)
- - Zuluftförderung (3)
- - Organ zur Einstellung der Luftvolumenströme (4)
- - Heizregister (5)
- - Kühlregister (optional) (6)
- - Regeleinrichtung (7)
- - Einrichtungen zur Erfassung folgender Größen: (8)
Außentemperatur
Raumlufttemperatur
Zulufttemperatur
Besetzung, d. h. Anzahl der Personen im Raum oder CO2 Konzentration in der Raumluft
Die Anlage mit Luft als Energieträger muß die zur Temperierung des
Innenraumes erforderliche Luftmenge mit der entsprechenden Temperatur und
Qualität bereitstellen.
Nachfolgend werden die grundsätzlichen Zusammenhänge dargestellt und
daraus das erfindungsgemäße Verfahren, welches durch Steuerung der
Luftvolumenströme die genannten Aufgaben mit geringstmöglichem
Energieeinsatz erfüllt, abgeleitet.
Entsprechend der Besetzung des Fahrzeuges ist zur Sicherstellung einer
akzeptablen Raumluftqualität ein bestimmtes Fördervolumen an Außenluft
erforderlich. Zusätzlich kann Umluft aus dem Innenraum entnommen werden.
Beide Volumenströme werden gemischt, behandelt und als Zuluft dem
Innenraum zugeführt. Diese dient als Energieträger. Entsprechend des
Leistungsbedarfes müssen ihre Temperatur und das Fördervolumen in einem
bestimmten Verhältnis stehen.
Der Zustand der Raumluft gibt den Bedarf für die Behandlung der Zuluft
an:
- Gehalt an Schadgas | - über Grenzwert: hoher Außenluftanteil notwendig |
- unter Grenzwert: geringer Außenluftanteil möglich | |
- Temperatur | - über dem Sollwert: Kühlbedarf |
- unter dem Sollwert: Heizbedarf |
Der erforderliche Zustand und die Zusammensetzung der Zuluft werden gemäß dem
Verfahren, welches Inhalt der Erfindung ist, nach den zwei Kriterien
Raumluftqualität und thermische Last bestimmt.
Die Raumluftqualität ergibt sich aus der Schadstoffabgabe im Innenraum,
dem Außenluftvolumenstrom und den in der Außenluft enthaltenen
Schadstoffen.
Aus den Gegebenheiten
- - geschlossener Raum mit bestimmten Außen- und Fortluftvolumenströmen
- - Verhältnis Außen-/Fortluftvolumenstrom = 1/1
- - Besetzung des Raumes mit Personen, welche je Zeiteinheit ein bestimmtes Volumen Schadgas abgeben
- - Außenluft mit bestimmter Konzentration des gleichen Schadgases
- - System in eingeschwungenem Zustand wird am Beispiel des Schadgases CO2 der Zusammenhang von
Schadstoffkonzentration und Außenluftvolumenstrom dargestellt. Dabei
bedeuten:
VR - Raumvolumen in m3 kCO2R - Konzentration CO2 im Raum in ppm AL=L<nP - Anzahl der Personen im Raum VCO2P - CO2 Abgabe je Person in m3/h VAl - Außenluftvolumenstrom in m3/h kCO2A - Konzentration CO2 der Außenluft in ppm VCO2A - CO2 Eintrag durch Außenluft in m3/h VFl - Fortluftvolumenstrom in m3/h kCO2F - Konzentration CO2 der Fortluft in ppm AL=L<z - Luftwechselzahl
Mit den Beziehungen:
VCO2A = 10-6 . kCO2A . VAl, z = VAl/VR und kCO2R = (VCO2A + VCO2P . nP) . 106/(VR . z)
wird die CO2-Konzentration im Innenraum wie folgt berechnet:
kCO2R = (VCO2P . 106 . nP + kCO2A . VAl)/VAl
Davon abgeleitet berechnet sich der Außenluftvolumenstrom:
VAl = VCO2P . 106 . nP/(kCO2R - kCO2A)
Nach diesen Gleichungen kann mit den Vorgaben:
kCO2A - Konzentration CO2 in der Außenluft:
Erfahrungswert ca. 450 ppm
VCO2P - zeitbezogene CO2 Abgabe je Person; Werte dieser Größe in Abhängigkeit vom Aktivitätsgrad einer Person sind in DIN 1946 Teil 2 angegeben;
kCO2R Max - maximal zulässige CO2-Konzentration im Raum
der minimale Außenluftvolumenstrom VA/Min bei vorgegebenem maximalen CO2- Gehalt der Raumluft kCO2R Max auf 2 Arten bestimmt werden:
kCO2A - Konzentration CO2 in der Außenluft:
Erfahrungswert ca. 450 ppm
VCO2P - zeitbezogene CO2 Abgabe je Person; Werte dieser Größe in Abhängigkeit vom Aktivitätsgrad einer Person sind in DIN 1946 Teil 2 angegeben;
kCO2R Max - maximal zulässige CO2-Konzentration im Raum
der minimale Außenluftvolumenstrom VA/Min bei vorgegebenem maximalen CO2- Gehalt der Raumluft kCO2R Max auf 2 Arten bestimmt werden:
- 1. Fall: Besetzung des Fahrzeuges nP, z. B. durch Erfassung der
Federbelastung bekannt
VAl Min = VCO2P . 106 . nP/(kCO2R Max - kCO2A) (1.1) - 2. Fall: CO2-Gehalt der Raumluft bekannt,
Berechnung der Besetzung nP aus der gemessenen CO2-Konzentration in der Raumluft
nP = (kCO2R - kCO2A) . VAl . 10-6/VCO2P
VAl Min = (kCO2R - kCO2A) . VAl/(kCO2R Max - kCO2A) (1.2)
Ist der aus Besetzung oder Gaskonzentration ermittelte
Mindestaußenluftvolumenstrom gleich Null, so ist es sinnvoll, trotzdem
einen bestimmten Mindestaußenluftvolumenstrom vorzugeben, um eine
mögliche Ansammlung nicht erfassbarer Gase und Geruchsstoffe, welche zum
sogenannten Sick-Building-Syndrom führen kann, zu vermeiden.
Zur Kompensation der thermischen Last des Raumes ist ein bestimmter
Volumenstrom mit einer bestimmten Temperatur erforderlich.
Im folgenden werden die Beziehungen zwischen Zuluftförderung, deren
Zusammensetzung aus Außen- und Umluft und Energie- bzw. Leistungsbedarf
erläutert. Dabei bedeuten:
- 1. E - zugeführte Energie in kWh
- 2. P - zugeführte Leistung in kW
- 3. V - Volumenstrom in m3/h
- 4. T - Temperatur in °C
- 5. c - spezifische Wärme in Wh/kg . K
- 6. m - Masse in Kg
- 7. ϕ - Dichte in kg/m3
mit den Indizes:
- 1. Al - Außenluft
- 2. Zu - Zuluft
- 3. Misch - Mischluft
- 4. Ul - rückgeführte Raumluft (Umluft)
- 5. R - Raum
- 6. Fl - Fortluft
- 7. Heiz - Betriebsart Heizen
- 8. Kühl - Betriebsart Kühlen
- 9. Ist - Istwert
Für die Temperierung des Raumes aufzuwendende Energie bzw. Leistung
berechnen sich grundsätzlich nach den Gleichungen:
ERZu = c . mZu . (TR - TZu) aufzuwendende Energie
PRZu = c . ϕ . VZu . (TR - TZu) erforderliche Leistung
Dabei sind folgende technische Randbedingungen zu berücksichtigen:
- - Zulufttemperatur: Aus Gründen des Komforts und der Anlagensicherheit sind in Vorschriften die Grenzwerte TZuMin und TZuMax festgelegt.
- - Zuluftvolumenstrom: Der Mindestzuluftvolumenstrom VZuMin wird bestimmt
durch die Luftmenge, die zur Sicherstellung der Raumluftzirkulation
durchzusetzen ist, und durch den nach Kriterium 1 erforderlichen
Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin.
Die maximale Zuluftförderung VZuMax wird durch folgende Faktoren begrenzt:
Das Zuluftvolumen muß so eingebracht werden, daß Unbehaglichkeiten durch zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten vermieden werden.
Die Luftwege bestimmen den Strömungswiderstand und damit die für die Förderung aufzuwendende mechanische Leistung. D. h. entsprechend des Volumenstromes sind bestimmte Querschnitte erforderlich.
Für die Anlagen, auf die sich die Erfindung bezieht, gelten folgende
Annahmen:
- - VAl = VFl, eingeschwungenes System
- - Eine Darstellung der Luftzustände im h-x-Diagramm bedingt das Vorhandensein von Einrichtungen zur Erfassung der Größen Temperatur und Feuchte. Fahrzeugklimaanlagen für gemäßigte Klimazonen besitzen im allgemeinen keine Luftfeuchteregelung und damit auch keine Erfassung der Außen- und Raumluftfeuchte. Es wird deshalb angenommen, daß in den häufigsten Betriebsfällen der betreffenden Fahrzeugklimaanlagen der Feuchtegehalt der Zuluft nur unwesentlich von deren Zusammensetzung aus Um- und Außenluft beeinflußt wird. Deshalb ist der Energiebedarf für die Entfeuchtung der Zuluft, als von der Mischung der Volumenströme unabhängiger Wert, zuzurechnen.
- - Näherung: TUl = TFl = mittlere TR
- - nicht beeinflußbare Größen: TAl, PR variable Größen: VAl, TZu
Die thermische Last des Raumes PR wird bestimmt von:
- - äußeren Witterungsbedingungen wie Sonnenstrahlungsintensität, Trübung, Temperatur, Feuchte,
- - k-Wert des Fahrzeuges,
- - Bewegungszustand des Fahrzeuges,
- - Besetzung, dazu ist in DIN 1946 Teil 2 die anzunehmende Wärmeabgabe je Person, abhängig von deren Aktivitätsgrad bestimmt,
- - Wärmeabgabe elektrischer Verbraucher.
Sie bewirkt eine Temperaturänderung der eingeströmten Zuluft im Raum um den
Betrag ΔTR = TR - TZu
Bei Regelabweichung (TR ≠ TRsoll) ist die aktuelle Raumlast nach folgender
Gleichung ermittelbar:
PR = c . ϕ . VZuIst . (TRIst - TZuIst) (2.1)
wobei ein positives Vorzeichen von (TRIst - TZuIst) bzw. von PR einem Wärmeeintrag in den Raum
und damit einem Kühlbedarf und ein negatives Vorzeichen einem Wärmeentzug und damit
Heizbedarf entspricht.
Um die gewünschte Raumtemperatur TRSoll zu erzielen, müssen Volumenstrom
und Temperatur der Zuluft so eingestellt werden, daß diese die thermische
Last des Raumes kompensiert, dafür gelten die Bestimmungsgleichungen:
TZu = TRSoll - ΔTR (2.2)
PR = c . ϕ . VZu . (TRSoll - TZu) (2.3)
TZu = TRSoll - PR/c . ϕ . VZu, wobei wenn TZu < TZu Max gilt,: TZu = TZu Max gesetzt wird, und
wenn TZu < TZu Min gilt,: TZu = TZu Min gesetzt wird. (2.3a)
wenn TZu < TZu Min gilt,: TZu = TZu Min gesetzt wird. (2.3a)
VZu = PR/((TRSoll - TZu) . c . ϕ) mit der Bedingung VZu Min <= VZu <= VZu Max
VAl Min <= VZu Min (2.3b)
Diese Beziehungen sind an je einem Beispiel für Kühl- und Heizlast in
Fig. 2 graphisch dargestellt.
Durch Mischung der Volumenströme Außen- und Umluft entsteht Mischluft,
mit der Temperatur:
TMisch = (VUl . TUl + VAl . TAl)/(VUl + VAl) (2.4)
Sie läßt sich auch als Funktion des Verhältnisses xv = VAl/VZu mit VZu = VUl + VAl
darstellen:
TMisch = xv . (TAl - TUl) + TUl (2.4a)
Aus den Gleichungen:
PZu = VZu . c . ϕ . (TMisch - TZu) (2.5)
PZu = c . ϕ . (VAl . (TAl - TUl) + VZu . (TUl - TRSoll)) + PR (2.5a)
oder in Darstellung als Funktion des Verhältnisses xv = VAl/VZu
PZu = VZu . c . ϕ . (xv . (TAl - TUl) + TUl - TRSoll) + PR (2.5b)
ist ersichtlich, daß der Leistungsbedarf für die Temperierung der Zuluft
proportional dem Produkt aus Zuluftvolumenstrom und Temperaturdifferenz
zwischen Misch- und Zuluft ist. Entspricht die Mischlufttemperatur der
erforderlichen Zulufttemperatur so ist der Energiebedarf gleich Null,
d. h. Lüftungsbetrieb.
Um das Ziel der Erfindung, Angleichung von TR an TSoll mit minimalem
Energieeinsatz E zu erreichen, ist folgende Steuerung des
Außenluftvolumenstromes erforderlich:
- 1. Fall: TR < TRSoll (Heizen) ⇒ TZu muß größer als TR sein
TAl < TR ⇒ VAl Maximum
TAl < TR ⇒ VAl Minimum - 2. Fall: TR < TRSoll (Kühlen) ⇒ TZu muß kleiner als TR sein
TAl < TR ⇒ VAl Minimum
TAl < TR ⇒ VAl Maximum
In Fig. 3.1 ist die erforderliche thermische Leistung als Funktion des
Mischungsverhältnisses Außen-/Zuluftvolumenstrom bei gleicher Last und
Außentemperatur für verschiedene Betriebsfälle dargestellt.
Fig. 3.2 zeigt die erforderliche thermische Leistung in Abhängigkeit von
Außentemperatur und Raumlast bei verschiedenen Mischungsverhältnissen
Außen-/Zuluftvolumenstrom.
Unter Lüftung ist der Abbau der thermischen Raumlast durch Zufuhr von
thermisch nicht behandelter Außenluft zu verstehen. Dafür gilt:
PZu = 0 bei TZu = TMisch
TF = TAl + ΔTR VAl = VF
Um die Raumtemperatur dem Sollwert anzugleichen, (TR = TRSoll), ist ein
Außenluftvolumenstrom erforderlich, der nach folgender Formel ermittelt
wird:
VAlL = VZu = PR/((TRSoll - TAl) . c . ϕ) (2.6)
Aus vorstehend dargelegten Zusammenhängen wird als Gegenstand der
Erfindung folgendes Verfahren zur Steuerung der Luftvolumenströme
abgeleitet:
Die Zuluft wird zweckmäßig nach zwei Kriterien behandelt:
- 1. Raumluftqualität: Sie wird wesentlich von der Besetzung des Fahrzeuges mit Personen und deren Aktivitätsgrad bestimmt. Als Indikator kann der CO2 Gehalt der Raumluft angesehen werden.
- 2. Thermische Last: Sie ist abhängig von den äußeren und inneren Wärmelasten.
Um den Energieeinsatz unter Beachtung o. g. Randbedingungen zu minimieren,
werden Zuluftförderung und Mischung der Volumenströme nach folgenden
Regeln bestimmt:
- 1. Der Mindestaußenluftanteil der Zuluft wird, unabhängig vom Energiebedarf, durch die Raumluftqualität vorgegeben. Die Anzahl der Personen im Raum und deren Aktivitäten, und der daraus resultierende Schadgas-Gehalt der Raumluft bestimmen den Mindestaußenluftvolumenstrom VAl Min nach Gleichung (1.1) bzw. (1.2).
- 2. Entsprechend der Raumlast, die aus den Istwerten von Zuluftvolumenstrom sowie Differenz zwischen Raumtemperatur und Zulufttemperatur nach Gleichung (2.1) ermittelt wird, sind erforderlicher Zuluftvolumenstrom und die entsprechende Zulufttemperatur nach Gleichung (2.3a) und (2.3b) bestimmt.
- 3. Entsprechend Richtung und Höhe der Temperaturabweichung der Außenluft von der Raumluft werden die Zuluftmenge und ihr Außenluftanteil so ermittelt, daß die Differenz zwischen der Mischtemperatur gemäß Gleichung (2.4)) und der erforderlichen Zulufttemperatur nach Gleichung (2.3a) möglichst gering ist. Dabei sind die für die Zuluft bereits genannten Randbedingungen bezüglich Temperatur und Volumenstrom einzuhalten.
Das Verfahren ist nach dem in Fig. 4 aufgezeigten Programmablaufplan, der
Bestandteil der Erfindung ist, realisierbar. Die darin dargestellten
Betriebsarten und die zu deren Einstellung führenden Schritte werden im
folgenden erläutert:
- 1. Zunächst wird der minimale Außenluftvolumenstrom VAlMin gemäß zulässiger CO2-Konzentration KCO2RMAX bestimmt.
- 2. Nach Gleichung (2.1) wird die Raumlast PR, das ist der Bedarf an Kühl- oder Heizleistung, aus den Istwerten von Zuluftvolumenstrom sowie Differenz zwischen Raumtemperatur und Zulufttemperatur ermittelt.
- 3. Liegt die Außenlufttemperatur TAl bei Heizbedarf über bzw. bei
Kühlbedarf unter der Raumlufttemperatur TR, wird der für
Lüftungsbetrieb erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL ermittelt.
- - Ist dieser höher als die maximal mögliche Förderkapazität, so wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit maximalem Außenluftvolumenstrom VAlMax eingestellt.
- - Liegt er unter dem in 1. ermittelten Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin, wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit minimalem Außenluftvolumenstrom VAlMin eingestellt.
- - Liegt er zwischen diesen Grenzwerten, arbeitet die Anlage im Lüftungsbetrieb mit dem für Lüftung erforderlichen Außenluftvolumenstrom VAlL.
- 4. Kann die Außenluft auf Grund ihrer Temperatur nicht zu einem Abbau der Raumlast beitragen, wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit dem minimalem Außenluftvolumenstrom VAlMin nach 1. eingestellt.
- 5. In allen Betriebsarten wird der Zuluftvolumenstrom VZu so bestimmt, daß der für die Raumluftzirkulation notwendige Wert erreicht wird, er den Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin nach 1. enthält und seine Temperatur zwischen den zulässigen Grenzwerten TZuMin und TZuMax liegt. Ist der erforderliche Zuluftvolumenstrom VZu größer als der ermittelte Außenluftvolumenstrom VAl, ergibt sich aus dieser Differenz der Umluftvolumenstrom VUl.
- 6. In den Betriebsarten Regelbetrieb Heizen oder Kühlen wird die zur Temperierung des Zuluftvolumenstroms VZu je nach Bedarf durch Kühl- oder Heizregister zuzuführende Leistung PZu nach Gleichung (2.5b) abhängig von den Temperaturen der Außen- und Umluft und deren Mischungsverhältnis xv als Vorgabewert für die Regelung von Kühlaggregat oder Heizung berechnet.
Anhand der drei folgenden Beispiele wird der energetische Vorteil der
Erfindung verdeutlicht:
Es wird der Leistungsbedarf für die Temperierung des Innenraumes bei
verschiedenen Betriebsfällen nach vorstehend beschriebenem vereinfachten
Rechenverfahren jeweils
- a) für eine Anlage mit konstanten Luftvolumenströmen
- b) für die gleiche Anlage mit gemäß der Erfindung optimierten Luftvolumenströmen ermittelt.
- c) Regelbetrieb Kühlen
angenommener Betriebsfall: TRIst = 26°C, TZuIst = 14,2°C, VZuIst = 2800 m3/h
Raumlast: PR = c . ϕ . VZuIst . (TRIst - TZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (26 - 14,2) = 12026,56 ≘ 12 kW (2.1)
TRSoll = 22°C
TAl = 18°C
TUl = 24°C- a) Volumenströme konstant:
Vzu = 2800 m3/h
VUl = 1400 m3/h
- a) Volumenströme konstant:
PZu
= c . ϕ . (VAl
. (TAl
- TUl
) + VZu
. (TUl
- TRSoll
)) + PR
= 0.28 . 1,3 . (1400 . (18 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 1200 = 10980,8 ≘ 10,98 kW (2.5a)
- a) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage:
VAlMax = 2800 m3/h
TZuMin = 7°C
- - Besetzung: 60 Personen ⇒ VAlmin = 1200 m3/h
- - TR < TRSoll ⇒ Kühlbedarf
- - TAl < TR ⇒ erforderlicher Außenluftvolumenstrom Lüften
VAlL = VZu = PR/((TRSoll - TAl) . c . ϕ) = 12000/((22 - 18) . 1,3 . 0,28) = 8241,75 ≘ 8242 m3/h (2.6) - - VAlL < VAlmax ⇒ VAl = VAlMax = 2800 m3/h
VUl = 0 m3/h, erforderliche Zulufttemperatur
TZu = TRSoll - PR/c . ϕ . VZu = 22 - 12000/(1,3 . 0,28 . 2800) = 10,2°C ⇒ TZu < TZuMin (2.3a)
PZu
= c . ϕ . (VAl
. (TAl
- TUl
) + VZu
. (TUl
- TRSoll
)) + PR
= 0.28 . 1,3 . (2800 . (18 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 12000 = 7923,2 ≘ 7,92 kW (2.5a)
Durch Reduzierung des Umluftanteiles (auf 0) und Erhöhung des
Außenluftanteiles (gesamte Zuluft) ist in dem angenommenen Betriebsfall
die Leistungsaufnahme um den Faktor 1,3859 geringer.
- 1. Regelbetrieb Heizen
angenommener Betriebsfall:
TRIst = 20°C, TZuIst = 31,8°C, VZuIst = 2800 m3/h
Raumlast: PR = c . ϕ . VZuIst . (TRIst - TZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (20 - 31,8) = -12026,56 ≘ -12 kW (2.1)
TRSoll = 22°C
TAl = -7°C
TUl = 20°C- a) Volumenströme konstant:
VZu = 2800 m3/h
VUl = 1400 m3/h
- a) Volumenströme konstant:
PZu
= c . ϕ . (VAl
. (TAl
- TUl
) + VZu
. (TUl
- TRSoll
)) + PR
= 0.28 . 1,3 . (1400 . (-7 - 20) + 2000 . (20 - 22)) - 12000 = -27797,6 kW ≘ -27,80 kW (2.5a)
- a) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage:
VAlMax = 2800 m3/h
TZuMax = 60°C
- - Besetzung: 20 Personen ⇒ VAlMin' = 400 m3/h
- - TR < TRSoll ⇒ Heizen
- - TUl < TR ⇒ VAl = VAlMax = 400 m3/h
- - TUl < TRSoll ⇒ VZu = min., TZu = TZumax = 60°C
- - VZu = PR/((TRSoll - TZumax) . c . ϕ) - = 12000/((22 - 60) . 1,3 . 0,28) = 868 m3/h (2.3b)
- - VUl = VZu - VAlmin = 468 m3/h
PZu
= c . ϕ . (VAl
. (TAl
- TUl
) + VZu
. (TUl
- TRSoll
)) + PR
= 1,3 . 0,28 . (400 . (-7 - 20) + 868 . (20 - 22)) - 12000 = -16563 ≘ -16,56 kW (2.5a)
Durch Reduzierung des Zuluftvolumens und Senkung des Außenluftanteiles
ist in dem angenommenen Betriebsfall die Leistungsaufnahme um den Faktor
1,68 geringer.
- 1. geregelter Lüftungsbetrieb
angenommener Betriebsfall:
TRIst = 23°C, TZuIst = 17,2°C, VZuIst = 2800 m3/h
Raumlast: PR = c . ϕ . VZuIst . (TRIst - TZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (23 - 17,2) = 5911 ≘ 6 kW (2.1)
TRSoll = 22°C
TAl = 15°C
TUl = 24°C- a) Volumenströme konstant:
VZu = 2800 m3/h
VUl = 1400 m3/h
- a) Volumenströme konstant:
PZu
= c . ϕ . (VAl
. (TAl
- TUl
) + VZu
. (TUl
- TRSoll
)) + PR
= 0.28 . 1,3 . (1400 . (15 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 6000 = 3452 ≘ 3,45 kW (2.5a)
- b) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage: VAlmax = 2800 m3/h- - Besetzung: 30 Personen ⇒ VAlMin' = 600 m3/h
- - TRIst < TRSoll ⇒ Kühlen
- - TAl < TR ⇒ erforderlicher Außenluftvolumenstrom Lüften
- - VAlL = VZu = PR/((TRSoll - TAl) . c . ϕ) - = 6000/((22 - 15) . 1,3 . 0,28) = 2354,8 m3/h (2.6)
- - VAlL < VAlMin
- - VAlL < VAlMax ⇒ VAl = VAlL = 2355 m3/h
VUl = 0 m3/h
Durch Reduzierung des Umluftanteiles (auf 0) und Erhöhung des
Außenluftanteiles (gesamte Zuluft) ist in dem angenommenen Betriebsfall
keine Kühlleistung erforderlich.
Der Leistungsbedarf in Abhängigkeit vom Verhältnis Außen-/Zuluftvolumen
strom für diese Beispiele ist in Fig. 3.1 dargestellt.
Claims (8)
1. Verfahren zur Steuerung von Außenluft- und Umluftvolumenstrom in einer
raumlufttechnischen Anlage für die Temperierung eines Raumes,
insbesondere in einem Fahrzeug zur Personenbeförderung, wobei Außenluft-
und Umluftvolumenstrom einen Zuluftvolumenstrom bilden, bei dem
- a) ein Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin ermittelt wird, der zugeführt werden muß, um einen Grenzwert der Konzentration eines Schadgases in der Luft des Raumes einzuhalten,
- b) der zur Angleichung der Raumlufttemperatur TR an eine Solltemperatur TRsoll erforderliche Leistungsbedarf PR anhand der Istwerte des Zuluftvolumenstroms VZuIst sowie der Differenz zwischen Raumtemperatur TRIst und Zulufttemperatur TZuIst ermittelt wird,
- c) der zur Erzielung der Solltemperatur durch Zufuhr von Außenluft erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL anhand des Leistungsbedarfs PR, der Solltemperatur TRsoll und der Außenlufttemperatur TAl ermittelt wird, und
- d) wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Heizbedarf ist und die
Außenlufttemperatur TAl über der Raumlufttemperatur liegt,
oder
wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Kühlbedarf ist und die Außenlufttemperatur TAl unter der Raumlufttemperatur liegt,- 1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL kleiner als die maximal mögliche Förderkapazität und größer als der Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin ist, dieser erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL zugeführt wird, und daß
- 2. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL kleiner als der Mindestaußenluftvolumenstrom ist, zumindest der Mindesaußenluftvolumenstrom zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der
erforderliche Leistungsbedarf ein Heizbedarf ist und die Außenlufttemperatur
TAl über der Raumlufttemperatur TR liegt;
- 1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL größer als die maximale Förderkapazität der Anlage ist, der maximal mögliche Außenluftvolumenstrom VAlL, VAlMax zugeführt und die Zuluft beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der
erforderliche Leistungsbedarf ein Kühlbedarf ist und die Außenlufttemperatur
TAl unter der Raumlufttemperatur liegt,
- 1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL größer als die maximale Förderkapazität der Anlage ist der maximal mögliche Außenluftvolumenstrom VAlL, VAlMax geführt und die Zuluft gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf anhand der Formel
PR = cϕVZuIst(TRIst - TZuIst)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, VZuIst den Zuluftvolumenstrom, TRIst die Raumlufttemperatur und TZuIst die Zulufttemperatur bezeichnen.
PR = cϕVZuIst(TRIst - TZuIst)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, VZuIst den Zuluftvolumenstrom, TRIst die Raumlufttemperatur und TZuIst die Zulufttemperatur bezeichnen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der erforderliche Außenluftvolumenstrom VAlL nach der
Gleichung
VAlL = PR/((TRSoll - TAl)cϕ)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, TRSoll die Soll-Raumluftttemperatur und TAl die Außenlufttemperatur bezeichnen.
VAlL = PR/((TRSoll - TAl)cϕ)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, TRSoll die Soll-Raumluftttemperatur und TAl die Außenlufttemperatur bezeichnen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin anhand der Zahl von
Personen im Raum festgelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum ein
Raum eines Fahrzeugs zur Personenbeförderung ist, und daß die Zahl der
Personen anhand der Federbelastung des Fahrzeugs ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mindestaußenluftvolumenstrom VAlMin anhand des gemessenen CO2-Gehalts der
Raumluft festgelegt wird.
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