DE3439288A1

DE3439288A1 - Verfahren zur optimierung des energieverbrauchs einer luftaufbereitungsanlage fuer raumklimatisierung

Info

Publication number: DE3439288A1
Application number: DE19843439288
Authority: DE
Inventors: Peter 7500 Karlsruhe Bork
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3439288C2

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA

⁸³ P M 5 I DE OJl

Verfahren zur Optimierung des Energieverbrauchs einer Luftaufbereitungsanlage für Raumklimatisierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung des Energieverbrauchs von Luftaufbereitungsanlagen für Raumklimatisierung, in welchen ein Luftstrom mit Hilfe von Klimaaggregaten gekühlt oder erwärmt, getrocknet oder befeuchtet wird.

Beim Betrieb von Luftaufbereitungsanlagen wird üblicherweise zur Regelung der Temperatur und der Feuchte des aufzubereitenden Luftstroms je ein Festwertregler eingesetzt. Durch Meßwertaufnehmer für Temperatur und Feuchte in der Zuluft, das ist die Luft, die dem zu klimatisierenden Raum oder Gebäude zugeführt wird, werden die Istwerte für die Regler erzeugt. Von dem Temperaturregler werden entsprechend der Richtung der Regelabweichung die ^tellklappen einer Mischkammer sowie entweder das Stellglied des Heizaggregats oder das Stellglied des Kühlaggregats verstellt. Der Regler für die Luftfeuchte verstellt entsprechend der Feuchte-Regelabweichung das Stellglied des Befeuchteraggregats oder des auch zur Entfeuchtung benutzbaren Kühlaggregats sowie die Stellklappen der Mischkammer.
Endlagenschalter an den Stellgliedern der Klimaaggregate oder zusätzlich einfache Relaisschaltungen werden eingesetzt, um die Stellsignale der Regler von einem Klimaaggregat auf ein anderes umzuschalten. Dies geschieht z. B. immer dann, wenn ein Klimaaggregat an seiner Leistungsgrenze angelangt ist (Stellgliedstellung 0 oder 100 %) und ein weiteres Klimaaggregat hinzugenommen werden muß, um den jeweiligen Sollwert (Temperatur oder

Sp 4 Bz / 22.10.1984

- f- VPA 83 P h h 5 1 OE Oi

Feuchte) erreichen zu können. Dabei werden nicht immer die hinsichtlich Energieeinsparung optimalen Klimaaggregatekombinationen angewählt, d. h., der Sollzustand der Zuluft wird nicht mit dem geringstmöglichen Energieaufwand erreicht.

Die Regler für Temperatur und Feuchte wirken durch die Umsteuerung ihrer Stellsignale auf unterschiedliche Klimaaggregate, welche sich regelungstechnisch in der Verstärkung und der Dynamik voneinander unterscheiden. Deshalb können die Regler meist nicht optimal an die Regelstrecke angepaßt werden, was u. a. auch einen erhöhten Energieverbrauch beim Betrieb der Luftaufbereitungsanlage zur Folge hat.

Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Optimierung des Energieverbrauchs von Luftaufbereitungsanlagen der eingangs genannten Art anzugeben.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gesehen.

Das Verfahren dient zur Einstellung der optimalen Betriebsart, d. h. zur Bestimmung der hierzu einzuschaltenden Klimaaggregate und der den Klimaaggregaten zuzuordnenden Regelgrößen (Temperatur oder Feuchte). Die größtmögliche Energieeinsparung wird dabei im wesentlichen durch konsequente Nutzung der Abluftenthalpie erzielt, d. h.

durch Mischen von Außenluft mit dem höchstzulässigen Anteil an Abluft.

Das Verfahren berücksichtigt bei der Ermittlung der optimalen Klimaaggregatekombination die Konstellation der Zustandspunkte der Außenluft, der Abluft und des Zuluft-Sollzustands sowie alle wichtigen Betriebskenngrößen, wie die Anordnung bzw. Reihenfolge der Klimaaggregate in der Luftaufbereitungsanlage, die für die einzelnen verwendeten Klimaaggregate typischen Verläufe des Luftzustands beim Durchströmen dieser Klimaaggregate, die mit jedem Klimaaggregat erreichbaren Luftzustandsgrenzwerte wie ma-

VPA © P 4 H 5 1 OE 0Λ

ximale oder minimale Temperatur, maximale oder minimale Feuchte und maximale oder minimale Enthalpie, die spezifischen Betriebskosten der Klimaaggregate und den aus hygienischen Gründen erforderlichen Mindestaußenluftanteil der Zuluft.

Das Verfahren beinhaltet ferner neben der Auswahl der einzuschaltenden Klimaaggregate auch die Auswahl der mit den einzelnen Klimaaggregaten zu beeinflussenden Luftzustandsgrößen. So kann die Mischkammer je nach der ausgewählten Betriebsart entweder zum Erreichen eines bestimmten Feuchtegehalts verwendet werden, aber .auch zum Erreichen einer bestimmten Temperatur oder einer bestimmten Enthalpie.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn jedem Klimaaggregat eine eigene Regeleinrichtung zugeordnet wird und eine Steuerungseinheit die Klimaaggregate und die zugehörigen Regler für die jeweils ermittelte optimale Betriebsart freigibt.

Zur Erläuterung des Verfahrens sowie der Funktionsweise einer Luftaufbereitungsanlage ist in Figur 1 ein Blockschaltbild einer Luftaufbereitungsanlage mit dem zu belüftenden Raum bzw. Gebäude sowie der Automatisierungseinrichtung dargestellt.

In den Figuren 2 bis 5 sind für eine bestimmte Konstellation der Zustände der Außenluft AU, der Abluft AB und des Sollzustandes der Zuluft ZU in Form von Diagrammen mögliehe Betriebsarten der Luftaufbereitungsanlage (Figur 1) gegenübergestellt, darunter die optimale (Figur 5). Figur 6 zeigt das vereinfacht dargestellte Mollier-Diagramm (h-x-Diagramm für feuchte Luft), das erfindungsgemäß in einzelne Außenluftzustandsbereiche aufgeteilt ist.

Der energiekostenoptimale Betrieb der Luftaufbereitungsanlage (Figur 1) wird dabei mit jeweils einer bestimmten,

^VPA 83 P M 5 1 OE CM

für den jeweiligen Außenluftzustandsbereich charakteristischen Betriebsart erreicht.

Figur 1: Zur Erhaltung eines bestimmten Raumklimas wird einem Gebäude oder Raum 1 Zuluft zugeführt, deren Temperatur t_zu und deren Feuchtegehalt x_zu bestimmte Werte haben müssen und deshalb geregelt werden. Der Zuluftstrom kann völlig aus Außenluft bestehen oder sich aus dem über die Drosselklappe 5 zugeführten AuGenluftstrom und dem über die Drosselklappe 4 zugeführten Umluftstrom, der ein Teil des Abluftstroms aus dem Gebäude oder dem Raum ist, zusammensetzen. Der Fortluftstrom - der andere Teil des Abluftstroms - wird über die Drosselklappe 2 an die Atmosphäre abgegeben.
15

Der Zuluftstrom wird in der Luftaufbereitungsanlage 3 mit den Klimaaggregaten Mischkammer M, Filter F, Vorwärmer V, Kühler K, Befeuchter B und Nachwärmer N aufbereitet und mittels des Lüfters L dem Gebäude oder dem Raum 1 zugeführt.

... Einer Automatisierungseinrichtung 6, die Regel- und Steuerbausteine sowie Speicher- und Rechenbausteine enthält, werden als Eingangsgrößen die Meßwerte für Temperatur und Feuchte der Zuluft t_z.., Xy₁,, der Abluft bzw. Umluft ty,., x_UM und der Außenluft t_ft.., x_ft,. zugeführt.

Über die gestrichelt angedeuteten Wirkungslinien zwischen der Automatisierungseinrichtung 6 und der Luftaufbereitungsanlage 3 werden die Stellglieder der jeweils erforderlichen Klimaaggregate M, V, K, B und N durch die Regel- und Steuerbausteine verstellt. Die zur Aufbereitung der Zuluft nicht benötigten Klimaaggregate werden durch Steuersignale abgeschaltet.

Der Erfindung gemäß sind in den Speichern der Automatisierungseinrichtung 6 die Betriebsparameter der einzelnen Klimaaggregate, wie die maximal erreichbare Temperaturoder Feuchteänderung, die spezifischen Betriebskosten

VPA 81P S J» 5 1 QE 0\

usw. sowie die Formeln zur Berechnung der Grenzen zwischen den einzelnen Außenluftzustandsbereichen (Figur 6) und Anweisungen zur vom Zustand der Außenluft abhängigen Ansteuerung der einzelnen Klimaaggregate und zur Sicherung eines Mindestanteils an Außenluft an der Zuluft enthalten.

Für jeden der Außenluftzustandsbereiche gilt, daß der Sollzustand der Zuluft mit einer bestimmten, dem Außenluftzustandsbereich zugeordneten Klimaaggregatekombination und Betriebsart optimal erreicht werden kann.

Mit Hilfe der Rechenbausteine der Automatisierungseinrichtung 6 wird in Abhängigkeit von den oben genannten Betriebsparametern und in Abhängigkeit von der Konstellation der Zustandspunkte der Außenluft, der Umluft und des Sollzustandspunktes der Zuluft ermittelt, welchem Außenluftzustandsbereich der jeweils herrschende Außenluftzustand zuzuordnen ist.

Zur Erläuterung der Abhängigkeit zwischen Außenluftzu-Standsbereich und optimaler Betriebsart kann eine Darstellung wie das h-x-Diagramm nach Mollier für feuchte Luft verwendet werden. In diesem lassen sich die Zustandspunkte der Außenluft, der Abluft und der Zuluft eintragen und der mögliche Verlauf des Luftzustands in der Luftaufbereitungsanlage veranschaulichen.

In den schematisch dargestellten Mollier-Diagrammen der Figuren 2 bis 5 sind als Beispiele verschiedene Betriebsarten einer Luftaufbereitungsanlage gemäß Figur 1 dargestellt, wobei die Konstellation der Zustandspunkte AU der Außenluft, AB der Abluft und ZU der Zuluft immer die gleiche ist.

Die Ordinaten der Diagramme bezeichnen jeweils die Enthalpie h bzw. die Temperatur t, die Abszissen die Feuchte χ der Luft. S ist die Sättigungslinie.

Die Luft muß in der Luftaufbereitungsanlage vom Außenluftzustand AU auf den Soll-Zuluftzustand ZU gebracht werden. Mit der betrachteten Luftaufbereitungsanlage ist es mög-

VPA 83 P A h 5 1 OE Ol

lieh (Figur 2), die zugeführte Außenluft ohne Änderung der Feuchte im Vorwärmer V vorzuwärmen ν und anschließend (hier mit einem Dampfbefeuchter, nahezu längs einer Isotherme) zu befeuchten b, bis der Soll-Zuluftzustand ZU erreicht ist.

Eine andere Möglichkeit besteht darin - wie in Figur 3 dargestellt -, zuerst zu befeuchten b und dann durch Nachwärmen η auf den Soll-Zuluftzustand ZU zu kommen. Für beide Betriebsarten gilt, daß der Energieumsatz entsprechend der Enthalpieänderung Ah in den Klimaaggrecjaten Vorwärmer V und Befeuchter B bzw. Befeuchter B und Machwärmer N erfolgt, entsprechend der Summe der Teilenthalpieänderungen Ahg und Λ hy bzw. Ah^ undÄhg.

Bei den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Betriebsarten wird die Mischkammer M zur Luftaufbereitung hinzugezogen. Hier wird die Außenluft des Zustandes AU mit aus dem zu klimatisierenden Raum 1 abgeführter Luft, deren 7ustand temperatur- und feuchtemäßig dem Zustand AB entspricht, gemischt. Bei Figur 4 werden die beiden Luftant.eile so gesteuert, daß ein Mischluftzustand MI erreicht wird, von dem aus die Mischluft durch Kühlen k auf den ■Soll-Zuluftzustand ZU gebracht werden kann. Bei Figur 5 wird ein Mischluftzustand MI erzeugt, von dem aus durch Befeuchten b der Soll-Zuluftzustand ZU erreicht werden kann. In diesen beiden Fällen (Figuren 4 und 5) wird in der Mischkammer M die hohe Abluftenthalpie genutzt, indem sie mit dem Anteil Δhw zum Gesamtenergieumsatz beiträgt. Im Gegensatz zu den Betriebsarten gemäß Figuren 2 und 3 ist dann nur noch die Energie Ah., zum Betrieb des Kühlers K bzw. ΔΙ~Ιγ> im Befeuchter B aufzuwenden, um den Sollzustand der Zuluft zu erreichen. Obwohl in dem gezeigten Beispiel Ah_K (Figur 4) gleich groß ist wie Zkh_ß (Figur 5), ist die Betriebsart nach Figur 5 vorzuziehen, da der Energieaufwand zur Kühlung größer ist als der zur Befeuchtung.

_^κ_ VPA 83 P 4 4 5 1 OE CU

Unter Berücksichtigung der am Beispiel der Figuren 2 bis 5 erläuterten, auf den Zustandsänderungen von feuchter Luft beruhenden Gesetzmäßigkeiten, können Formeln zur Berechnung der Grenzen der Außenluftzustandsbereiche aufgestellt und in den Speicher- und Rechenbausteinen der Automatisierungseinrichtung 6 hinterlegt werden. Die Automatisierungseinrichtung ermittelt dann durch Vergleiche die Zugehörigkeit des aktuellen Außenluftzustandes zu einem der Außenluftzustandsbereiche und damit die optimale Betriebsart.

Figur 6 zeigt für eine Luftaufbereitungsanlage gemäß Figur 1 eine Bereichsaufteilung im h-x-Diagramm für feuchte Luft. In den Bereichen sind jeweils die Klimaaggregate M, V, K, B und N angegeben, die in Betrieb zu nehmen sind, um von einem Außenluftzustandspunkt im jeweiligen Bereich des Diagramms mit niedrigstem Energieaufwand zu dem Soll-Zuluftzustand ZU zu kommen. Der Abluftzustand AB liegt hier - wie in sehr vielen Fällen - höher als der Zuluftzustand ZU, d. h., Temperatur und Feuchtegehalt der Abluft sind größer als die entsprechenden Sollwerte für die Zuluft.

Die Formeln zur Berechnung der Grenzlinien zwischen den Außenluftzustandsbereichen im h-x-Diagramm, die Kriterien zur Zuordnung des aktuellen Außenluftzustands zu einem der Bereiche sowie die oben erwähnten Steuerungs- und Zuordnungsanweisungen ergeben sich für das gegebene Beispiel einer Luftaufbereitungsanlage (Figur 1) wie im folgenden beschrieben.

Die senkrechte Linie, die in Figur 6 durch den Zustandspunkt ZU verläuft, trennt das Befeuchtungs- vom Entfeuchtungsgebiet im h-x-Diagramm. Die Formel für diese Grenzlinie lautet

^{X = X}ZU SOLL

_^-_ VPA 83 P * J» 5 IDE (M

Die Automatisierungseinrichtung prüft, ob der Feuchtegehalt der Außenluft x_ÄU gleich, größer oder kleiner als der Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts x_{zu S0LL} ist. Bei Außenluftzuständen, die im linken Gebiet (Befeuchtungsgebiet) liegen, muß die Außenluft mit Hilfe des Befeuchters B oder/und der Mischkammer M befeuchtet werden. Im rechten Gebiet muß die Außenluft mit Hilfe des Kühlers K oder/und der Mischkammer M entfeuchtet werden. Ist der Außenluft-Feuchtegehalt x_ft,. gleich dem Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts χ_ζ1, cni ι > so wird die Außenluft im Kühler gekühlt, wenn die Außenlufttemperatur toy größer als der Sollwert der Zulufttemperatur t-,,, _SQ,, ist, oder sie wird im Vorwärmer und/oder im Nachwärmer erwärmt, wenn die Außenlufttemperatur niedriger als der Sollwert der Zulufttemperatur ist.

Die in Figur 6 waagerecht auf den Zustandspunkt ZU stoßende Linie 01 - ZU im Befeuchtungsgebiet ist die Linie, längs der der Befeuchtungsvorgang im Befeuchter B erfolgt, wenn der Zustand der aufzubereitenden Luft in den vor dem Befeuchter liegenden Klimaaggregaten auf diese Linie gebracht worden ist oder wenn der Außenluftzustand auf dieser Linie liegt. Die Formel für diese Grenzlinie lautet

^{t = 11}ZU SOLL

da die Befeuchtung praktisch immer längs einer Isothermen erfolgt, wenn, wie im Beispiel, ein Dampfbefeuchter verwendet wird. Bei Befeuchtern, die mit Umlaufwasser betrieben werden, lautet die Formel

^{h = h}ZU SOLL

da die Befeuchtung meist adiabatisch, also längs einer Linie gleicher Enthalpie h, verläuft. Im folgenden werden die Erläuterungen auf Dampfbefeuchtung beschränkt, obwohl

-jr - VPA 83Ρ 4 45 ί CE 0/1

das Verfahren im einzelnen auch für andere Befeuchtungsarten anwendbar ist.

Die Automatisierungseinrichtung hat zu prüfen, ob der Außenluftzustand auf dieser Linie, unterhalb oder oberhalb liegt. Dadurch ergibt sich, ob die Luft, außer durch Befeuchten, durch Erwärmen oder durch Kühlen auf den Sollzustand der Zuluft zu bringen ist.
Muß die Außenluft, deren Zustand im Befeuchtungsgebiet (Xfli,^. X₇I.) liegt, erwärmt werden Ct₀₁₁-U t_7ll), so kann immer durch Mischen von Außenluft mit Umluft Heizenergie eingespart werden.

In Figur 6 sind in diesem Gebiet die Außenluftzustandsbereiche MB und MVBN dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden.

Für den mit MB gekennzeichneten Außenluftzustandsbereich gilt, daß die optimale Betriebsart darin besteht, Außenluft mit dem höchstzulässigen Anteil an Abluft (Umluft) zu mischen, so daß die Mischlufttemperatur t^ = t_{zu S}q_LL erreicht wird, und dann zu befeuchten, bis der Soll-Feuchtegehalt der Zuluft X_{711 ςη}, ■ erreicht ist.

Für die untere Grenzlinie 02 - S2 dieses Bereichs MB lautet die Formel
25

^{t = t}AB ~ ^AB " ¹ZU SOLL^ * Ä"

In dieser Formel ist A der Mindestaußenluftanteil der Misch- bzw. Zuluft, der aus hygienischen Gründen eingehalten werden muß. Bei Außenluftzuständen, die auf dieser Grenzlinie liegen, kann durch Mischen von Außenluft mit Abluft die Befeuchtungslinie, die zum Punkt ZU führt, wegen des einzuhaltenden Mindestaußenluftanteils gerade noch erreicht werden. Liegt der Außenluftzustand unterhalb dieser Grenzlinie im Bereich MVBN, so muß zum Erreichen des Soll-Zuluftzustandes bei größtmöglicher Energieeinsparung immer der größtzulässigste Umluftanteil mit

- yf- VPA 83 P ή 4 5 1 OE 0/1

dem Mindestaußenluftanteil gemischt werden. Der Sollzustand der Zuluft ZU wird dann erreicht, indem die so erzeugte Mischluft zusätzlich durch ein Heizaggregat (Vorwärmer V) oder durch beide (Vorwärmer V und Nachwärmer N) bis zur Temperatur t = tyy cgi |_ erwärmt wird. Da es energetisch am günstigsten ist, wenn beide Heizaggregate mit verteilten Lasten betrieben werden, ist die Luftaufbereitungsanlage in diesem Fall wie folgt zu betreiben:

- Mischen des Mindestaußenluftanteils A mit Umluft,

- Heizen mittels Vorwärmer bis etwa 50 % der Temperaturdifferenz zwischen t_{zu S}q|_|_ und t..,

- Befeuchten bis zum Soll-Feuchtegehalt der Zuluft x_zu und

- Nachwärmen bis zum Soll-Zustandspunkt ZU der Zuluft. 15

Die Grenzlinie Sl - ZU, die in Figur 6 den Außenluftzustandsbereich MB von dem Außenluftzustandsbereich MV trennt, ergibt sich nach der Formel

on f _ 4- ^^XAB " ^XAU^ * ^AB " ^tZU SOLL^

ZJ Z- Lßp - 7— - <j

Hb (X X ;

Diese Grenzlinie entspricht der Mischungsgeraden, die durch den Soll-Zuluftzustand ZU verläuft. Liegt der Außenluftzustand auf dieser Linie, so wird der Soll-Zuluftzuctand allein durch Mischen von Außenluft und Umluft erreicht.

Liegt der Außenluftzustand unterhalb dieser Grenzlinie, also im Bereich MV, so darf beim Mischen von Außenluft und Umluft die Mischlufttemperatur nicht bis auf den Wert der Soll-Zulufttemperatur t_{zu sn}, . gebracht werden. Dies hätte zur Folge, daß der Mischluftzustand im Entfeuchtungs gebiet lage, die Luft also mittels Kühler wieder entfeuchtet werden müßte, bevor durch anschließendes Nachwärmen der Soll-Zuluftzustand erreicht werden könnte.

Die energetisch günstigste Betriebsart besteht hier im Mischen, bis der Soll-Feuchtegehalt X₇.. cn 11 erreicht ist,

- yC - VPA 83 P h h 5 1 DE 0Λ

und im anschließenden Erwärmen bis zum Soll-Zuluftzustandspunkt ZU.

Liegt der Außenluftzustand im Befeuchtungsgebiet oberhalb der nahezu waagrechten, auf den Punkt ZU stoßenden Grenzlinie 01 - ZU, so muß die Luft gekühlt und befeuchtet werden. In den Bereichen MKB und MK dieses Gebiets kann durch Mischen von Außenluft mit Umluft Energie eingespart werden. Dabei gilt für das im folgenden Gesagte, daß der Kühler bei Außenluftzuständen im Befeuchtungsgebiet so betrieben wird, daß er nicht entfeuchtet.

Für die Grenzlinie, die in Figur 6 den Außenluftzustandsbereich KB nach oben begrenzt, gilt die Formel k

^ ~ AB k_K ^^XAB ^XAU^;

kg und k_K sind die aggregatspezifischen Luftaufbereitungskosten für Befeuchter B bzw. Kühler K. Für Außenluftzustände, die auf dieser Linie liegen, sind die Energie-Kosten zum Kühlen der Außenluft mittels Kühler bis t = t_zu opπ und zum anschließenden Befeuchten im Befeuchter bis zum Zustandspunkt ZU gleich den Energiekosten, die sich ergeben, wenn die Außenluft mit Umluft gemischt wird, bis der Feuchtegehalt x.. = x_Z(J ς_ΟΙ_[_ ist, und anschließend gekühlt wird, bis der Zustandspunkt ZU erreicht wird. Im Außenluftzustandsbereich KB unterhalb dieser Grenzlinie besteht die optimale Betriebsart im Kühlen der Außenluft mittels Kühler, bis die Temperatur t = t^y cqll erreicht ist, und im anschließenden Befeuchten bis zum Zustandspunkt ZU. In diesem Bereich kann durch Mischen keine Energie eingespart werden, da sich die dann erforderliche Kühlenergie wegen der höheren Mischlufttemperatur stärker erhöht, als durch die einsparbare Befeuchtungsenergie gewonnen werden kann.

- ψ - VPA 83 P ^H 5 1 DE Oj

Liegt der Außenluftzustand auf der Grenzlinie zwischen den Außenluftzustandsbereichen KB und MB, so wird der Sollzustand der Zuluft allein durch Befeuchten mittels Befeuchter erreicht.
5

Bei oberhalb der oberen Grenzlinie für KB liegendem Außenluftzustand kann die Enthalpie der Umluft in den Bereichen MKB und MK zum Einsparen von Kühl- und Befeuchtungsenergie genutzt werden, da die Mischlufttemperatur einen entsprechend geringen Wert erreicht. Durch Mischen von Außenluft mit Abluft ist die Linie χ = x_{zu SQLL} erreichbar, wenn der Außenluftzustand im Bereich MK liegt. Durch anschließendes Kühlen im Kühler wird dann der Punkt ZU erreicht.

Die Lage der linken Grenzlinie dieses Außenluftzustandsbereichs MK wird nach folgender Formel bestimmt:

^XAB ~ ^XZU SOLL
^{x =} *AB " A
2Q .

Wenn der Außenluftzustand links von dieser Linie im Bereich MKB liegt, muß der Befeuchter hinzugezogen werden, da der Soll-Feuchtegehalt x_ZL) -„,, der Zuluft sonst wegen des einzuhaltenden Mindestaußenluftanteils A nicht erreicht werden kann. Die optimale Betriebsart besteht hier im Mischen des Mindestaußenluftanteils mit Umluft, Kühlen der Mischluft bis t = ty,, enii und Befeuchten bis zum Zustandspunkt ZU.

Für Außenluftzustände, die im Entfeuchtungsgebiet χ >■ x_zu CQLL ü^e9^en» i^st ^es erforderlich, den Kühler so zu betreiben, daß er die Luft durch Taupunktunterschreitung entfeuchtet. Dabei ist es energetisch am günstigsten, wenn die Kältemaschine mit der höchstzulässigen Kältemitteltemperatur betrieben wird.

Von allen im Entfeuchtungsgebiet liegenden Außenluftzuständen aus ist so ein Luftzustand am Kühleraustritt zu

- ^y- VPA 83P 4 4 5 1 DE OK

erreichen, der beim Feuchtegehalt χ = x_zu egu und bei einer Temperatur etwas oberhalb der Sättigungskurve S liegt.

Unter diesen Bedingungen kann durch Mischen von Außenluft mit Umluft Kühlenergie eingespart werden, wenn die Enthalpie der Außenluft über der der Abluft liegt. Man erzielt so eine Mischluftenthalpie, die kleiner als die der Außenluft ist, so daß im Kühler eine geringere Enthalpiedifferenz zu überwinden ist, als beim Entfeuchten von nur Außenluft.

Ist die Außenluftenthalpie demgegenüber kleiner als die Umluftenthalpie, so läge beim Mischen die Mischluftenthalpie höher als die Außenluftenthalpie. Somit ist es energiesparender, im Bereich KN nur Außenluft ohne Umluftbeimischung bis χ = x^.. _„. . durch Kühlen zu entfeuchten und dann bis zum Zustandspunkt ZU nachzuwärmen. Die Grenzlinie zwischen den beiden Außenluftzustandsbereichen KN und MKN wird von der Linie gleicher Enthalpie, die durch den Zu-.standspunkt AB der Abluft geht, gebildet.

B-.i oberhalb dieser Grenzlinie im Bereich MKN liegenden Außenluftzuständen muß der Mindestaußenluftanteil mit Umluft gemischt werden, die Mischluft dann bis χ = x_Z(J entfeuchtet werden und anschließend im Nachwärmer auf t = t_zu cq[_|_ erwärmt werden.

9 Patentansprüche
6 Figuren

vpn 83 P Ί Ί 5 1 QE Oi

Bezugszeichen in den Figuren und Ansprüchen:

M = Mischkammer F = Filter V = Vorwärmer K = Kühler B = Dampfbefeuchter N = Nachwärmer L = Lüfter t = Lufttemperatur χ = Feuchtegehalt der Luft h = Enthalpie der Luft Indices:

ZU = Zuluft ZU SOLL = Zuluft-Soll UM = Umluft AB = Abluft AU = Außenluft AU = Außenluftzustand ZU = Soll-Zuluftzustand AB = AblufWUmluftzustand MI = Mischluftzustand A = Mindestanteil der Außenluft an der Zuluft k_ß = aggregatspezifische Luftaufbereitungskosten beim

Befeuchten kw = aggregatspezifische Luftaufbereitungskosten beim Kühlen

ν = Vorwärmen η = nachwärmen b = befeuchten

Ah.. = Enthalpieänderung im Vorwärmer Ahg = Enthalpieänderung im Befeuchter (Sattdampf) Ah_N = Enthalpieänderung im Nachwärmer Ah = Enthalpieänderung insgesamt (h_zu - h„y) Ahj. = Enthalpieänderung in der Mischkammer S = Sättigungslinie

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Optimieren des Energieverbrauchs bei der Raumklimatisierung mittels einer Luftaufbereitungsanlage, in welcher ein Luftstrom in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur bzw. Enthalpie mit Hilfe von Klimaaggregaten gekühlt oder erwärmt, getrocknet oder befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gespeicherten Werten der Betriebsparameter der einzelnen Klimaaggregate sowie dem Sollzustand (ZU) der Zuluft und den aktuellen Zuständen der Außenluft und der Abluft energetische Vergleichswerte berechnet werden, aufgrund derer jeweils diejenigen Klimaaggregate in Betrieb genommen werden, mit denen der dem im h-x-Diagramm für feuchte Luft darstellbaren Sollzustand (ZU) entsprechende Zuluftzustand mit einem Minimum an Energieaufwand erreichbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeich-

net durch Außenluftzustandsbereiche (KB, MKB, MK, MB, MVBN, MV, KN, MKN), innerhalb derer mit jeweils einer bestimmten energetisch optimalen Kombination von Klimaaggregaten der Sollzustand der Zuluft erreichbar ist, wobei die Grenzen der Außenluftzustandsbereiche durch Linien funktioneller Beziehungen bestimmt werden, die die Temperatur bzw. Enthalpie und/oder den Feuchtegehalt der Außenluft und der Abluft sowie den Sollzustand der Zuluft, einen Mindestaußenluftanteil und die spezifischen Luftaufbereitungskosten der einzelnen Klimaaggregate berücksichtigen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Außenluftzuständen, bei denen die Temperatur größer und der Feuchtegehalt kleiner ist als die entsprechenden Zuluft-Sollwerte, im Außenluftzustandsbereich KB, der nach höheren Lufttempe-

raturen durch die Linie

^kB
^t ^{= 1}AB " k^ ^(xAB " ^XAlP

begrenzt ist, die Außenluft durch Kühlen bis zum Sollwert der Zulufttemperatur und anschließendes Befeuchten in den Zuluft-Sollzustand ZU gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß bei Außenluftzuständen, bei denen die Temperatur größer und der Feuchtegehalt kleiner ist als die entsprechenden Zuluft-Sollwerte, in den oberhalb des Bereichs KB liegenden Bereichen MKB bzw. MK, die durch eine Linie gemäß der Beziehung

V-V ^XAB ^XZU SOLL

^X - ^XAB " A

voneinander getrennt sind, die Außenluft durch Mischen mit dem größtzulässigen Anteil an Abluft unter Ausnutzung von deren Enthalpie und durch anschließendes Kühlen und Befeuchten bzw. durch Mischen bis der Soll-Feuchtegehalt der Zuluft Xj.. CQi ι erreicht ist und anschließendes Kühlen in den Zuluft-Sollzustand gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Außenluftzuständen, bei denen die Temperatur niedriger und der Feuchtegehalt kleiner ist als die entsprechenden Zuluft-Sollwerte, diese im Bereich MB durch Mischen mit Abluft bis der Sollwert der Zulufttemperatur und Befeuchten bzw. im Bereich MVBN durch Mischen mit dem höchstzulässigen Anteil Abluft, anschließendes Vorwärmen, Befeuchten und Nachwärmen eingestellt werden, wobei die Bereiche MB und MVBN durch eine Grenzlinie 02 - S2 gemäß der Beziehung

^t ⁼ ^tl\B " ^AB ~ ^fcZU^ * Ä
getrennt sind.

VPA 8 P M 5 1 OE OyI

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Außenluftzustanden, bei denen der Feuchtegehalt und die Temperatur kleiner ist als die entsprechenden Zuluft-Sollwerte und die im Bereich MV liegen, der durch die durch den Zuluft-Zustandspunkt ZU gehende Gerade gleicher Feuchte, die Sättigungslinie S und die Gerade gemäß der Beziehung

. _ . ^^XAB ~ ^XAlP * ^AB " ^U SOLL^ - l»n - tt: ~ \

^^XAB " ^XZU SOLL' begrenzt wird, der Zuluft-Sollzustand durch Mischen bis der Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts erreicht ist und anschließendes Vorwärmen erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Außenluftzustanden, bei denen die Enthalpie der Außenluft größer ist als die der Um- bzw. Abluft und bei denen der Feuchtegehalt größer ist als der Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts, im Bereich MKN der Sollzustand durch Mischen mit dem maximal zulässigen Anteil Umluft, anschließendes Kühlen zwecks Entfeuchtung bis der Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts erreicht ist und nachfolgendes Nachwärmen erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Außenluftzustanden, bei denen der Feuchtegehalt größer ist als der Sollwert des Zuluft-Feuchtegehalts und die Enthalpie der Außenluft kleiner ist als die der Umluft, im Bereich KN der Sollzustand durch Kühlen zwecks Entfeuchtung bis zum Soll-Zuluftfeuchtegehalt und anschließendes Nachwärmen erreicht wird, wobei die Grenze zwischen den Bereichen MKN und KN durch die durch den Abluft-Zustandspunkt AB gehende Linie gleicher Enthalpie gebildet wird.

- ]/- VPA 83 P ^ 5 1 OE Ok

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , 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 Außenluftzustandsbereiche ergibt, die einzelnen Regler mit den aktuellen Eingangsgrößen versorgt und nicht benötigte Klimaaggregate gesteuert abgeschaltet werden.