DE69216802T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Zimmerfeuchtigkeitsbestimmung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Zimmerfeuchtigkeitsbestimmung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Feuchtigkeit der Luft, die durch den Verdampfer einer Klimaanlage hindurch geht.
  • Ein gut geplantes vollständiges System für eine Klimaanlage kann die folgenden Aufgaben erfüllen:
  • 1. Temperatursteuerung;
  • 2. Feuchtigkeitssteuerung;
  • 3. Bewegung und Zirkulation der Luft; und
  • 4. Filterung und Reinigung von Luft.
  • Bei den meisten Klimaanlagen für Wohnungen führt ein guter Konstruktionsentwurf des Systems, das den Kompressor, Wärmetauscher, Ventilatoren, Expansionsvorrichtungen und andere Steuerungen umfasst, zu einer genauen Temperatursteuerung auf einen gewünschten Einstellpunkt. Die Steuerung der Feuchtigkeit wird üblicherweise durch die Bewegung der Innenluft über eine Verdampferschlange erreicht, um die Temperatur der mit Feuchtigkeit beladenenen Luft mindestens bis zur Taupunktstemperatur zu verringern, damit die Feuchtigkeit aus der Luft heraus kondensiert wird. Eine Feuchtigkeitssteuerung, die durch den Operateur eingestellt werden kann, oder eine automatische Steuerung der Entfeuchtung für diesen Zweck wird üblicherweise bei diesen Systemen nicht bereit gestellt, weil genaue Feuchtigkeitsmessfühler ziemlich teuer sind.
  • Mit der Entwicklung von Klimaanlagen, die Motoren mit variabler Geschwindigkeit für den Antrieb des Kompressors und der Ventilatoren verwenden, wurde es möglich, dass eine Klimaanlage in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben wird, abhängig vom Niveau der relativen Feuchtigkeit der Luft, die gekühlt wird. Damit diese Möglichkeit genutzt werden kann, ist es notwendig, dass die Mikroprozessorsteuerung eines solchen Systems einen Eingang von einer Feuchtigkeitsmessvorrichtung hat.
  • Wie oben hervorgehoben wurde, sind solche Vorrichtungen ziemlich teuer und nicht geeignet, um kostengünstig in eine kleine Klimaanlage für eine Wohnung oder einen Raum eingebaut zu werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die relative Feuchtigkeit in einem Innenraum zu bestimmen, ohne einen speziellen Messfühler zu verwenden, der konstruiert ist, um die relative Feuchtigkeit zu bestimmen.
  • Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst, indem eine Luftströmung mit bekannter Temperatur und Feuchtigkeit für eine vorgegebene Zeitperiode durch die Kühlschlange einer bekannten Klimaanlage hindurch geführt wird. Die Temperatur der Luft, die nach der vorgegebenen Zeitperiode aus der Kühlschlange austritt, wird gemessen. Es wird ein Referenzwert für die Temperaturdifferenz bestimmt, indem die Temperatur der austretenden Luft von der bekannten Temperatur der eintretenden Luft subtrahiert wird. Eine Luftströmung, von der man die relative Feuchtigkeit kennen will, wird dann für die gleiche vorgegebene Zeitperiode durch die Kühlschlange hindurch geleitet. Es wird die Temperatur der Luft, die in die Kühlschlange eintritt, und diejenige der Luft, die am Ende dieser vorgegebenen Zeitperiode aus der Kühlschlange austritt, bestimmt. Die Austrittstemperatur wird von der Eintrittstemperatur subtrahiert, um die Temperaturdifferenz für die Luft mit der unbekannten relativen Feuchtigkeit zu liefern. Der Referenzwert für die Temperaturdifferenz wird dann mit der berechneten Temperaturdifferenz verglichen. Wenn die Temperaturdifferenz kleiner ist als der Referenzwert für die Temperaturdifferenz, weiss man, dass die Luft feuchter ist als die bekannte relative Feuchtigkeit. Wenn die Temperaturdifferenz gleich ist, so ist die relative Feuchtigkeit gleich, und, wenn die Temperaturdifferenz grösser ist, so ist die Luft weniger feucht als die bekannte Feuchtigkeit.
  • Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist;
  • die Figur 2 ist ein vereinfachtes psychrometrisches Diagramm, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • die Figur 3 ist ein Flussdiagramm, das die in den Mikroprozessor des Wärmepumpensystems aus der Figur 1 hinein programmierte Logik zeigt.
  • Mit Bezugnahme auf die Figur 1 wird ein Wärmepumpensystem 10 gezeigt, das eine im Innenraum liegende Kühlschlange 11, eine im Freien liegende Kühlschlange 12, einen Kompressor 13 und ein Umschaltventil 14 umfasst. In der Leitung 15 zwischen der im Innenraum liegenden Kühlschlange 11 und der im Freien liegenden Kühlschlange 12 sind Expansionsventile 16 und 17 installiert, von denen jedes eine Vorrichtung hat, um Kühlmittel vorbei zu leiten, wenn es nicht als Expansionsventil arbeitet. Alle diese Komponenten funktionieren auf eine gebräuchliche Art, um eine Kühlfunktion bereit zu stellen, während sie in einem Klimaanlagemodus betrieben werden, und eine Heizfunktion, während sie in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden.
  • Wie dargestellt, ist das Wärmepumpensystem 10 mit einem Kompressor mit variabler Geschwindigkeit ausgerüstet, der durch einen Motor mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird, wie zum Beispiel einen elektronisch umschaltenden Kollektormotor (ECM) oder einen durch einen Wechselrichter angetriebenen Wechselstrom-Induktionsmotor. Der Kompressor 13 ist üblicherweise im Freien in einem Gehäuse zusammen der Kühlschlange 12 im Freien angeordnet. Es wird eine Kompressorgeschwindigkeitssteuerung 18 bereit gestellt, um mit dem Kompressor zu kommunizieren und den Betrieb des Kompressors und seiner zugehörigen Ausrüstung zu koordinieren.
  • Die Kompressorgeschwindigkeitssteuerung 18 ist über die elektrischen Leitungen 19 elektrisch an den Kompressor 13 angeschlossen und über die Leitungen 22 an eine Einheitssteuerung 21. Die Einheitssteuerung 21 ist über die elektrischen Leitungen 20 auch an das Umschaltventil 14 angeschlossen, und über die elektrischen Leitungen 26 an einen Elektromotor mit mehrfachen Geschwindigkeiten, der an einen Ventilator 24 für die im Innenraum liegende Kühlschlange angeschlossen ist. Die Einheitssteuerung 21 ist über die Leitungen 28 auch an einen Temperaturmessfühler T&sub2; für die Austrittsluft der im Innenraum liegenden Kühlschlange angeschlossen, und über die elektrischen Leitungen 30 an einen Temperaturmessfühler T&sub1; für die Raumluft oder die Eintrittsluft der im Innenraum liegenden Kühlschlange. Schliesslich ist, zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung, die Einheitssteuerung über geeignete elektrische Leitungen 32 an einen Raumthermostaten 46 angeschlossen. Die durch den Benutzer am Thermostaten eingestellte Temperatur wird nachfolgend als Tset bezeichnet. Die Einheitssteuerung 21 ist üblicherweise auch geeignet, um andere Systemkomponenten zu steuern, zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden diese Verbindungen jedoch in den Zeichnungen nicht gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung zu vereinfachen.
  • Die Einheitssteuerung 21 umfasst einen programmierbaren Mikroprozessor, welcher programmiert wurde, um das Wärmepumpensystem in mehreren unterschiedlichen Betriebsmodi zu betreiben. Diese Betriebsmodi umfassen einen Modus, der nachfolgend als "automatisch" bezeichnet wird, bei welchem das System eingestellt ist, um die Raumtemperatur automatisch auf die durch den Raumthermostaten eingestellte Temperatur Tset zu bringen. Bei diesem Modus wird das System in einem Betriebsmodus arbeiten, der durch den Mikroprozessor aufgrund der Bedingungen im Raum und des Einstellpunktes Tset, welcher durch den Benutzer eingestellt werden kann, bestimmt wird. Im automatischen Modus kann das System, wenn nötig, einen Heizmodus, einen Ausmodus oder einen aus zwei Betriebsmodi zum Kühlen wählen. Ein Kühlmodus ist ein "normaler" Betriebsmodus zum Kühlen, in welchem das System läuft, wenn die Feuchtigkeit im Raum als "normal" bestimmt wird. Der andere Kühlmodus wird als "Trocknungs" Modus bezeichnet, in welchem das System arbeitet, wenn der Raum als "feucht" bestimmt wird.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung wurde der Mikroprozessor der Einheitssteuerung 21 mit Daten programmiert, die sich auf die Möglichkeiten der besonderen Komponenten des Wärmepumpensystems beziehen, welches sie steuert. Diese Daten ermöglichen es der Steuerung, die Eingänge des Thermistors T&sub1; für die Eintrittsluft und des Thermistors T&sub2; für die Austrittsluft zu verarbeiten, wenn das System bei gegebenen Bedingungen arbeitet, und zu entscheiden, ob die Luft im Raum feucht ist und ob demzufolge das System im Trocknungs- oder im Kühlmodus betrieben werden sollte.
  • Indem nun die Figur 2 betrachtet wird, werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem vereinfachten psychrometrischen Diagramm beschrieben. Das psychrometrische Diagramm ist eine Grafik der Beziehung zwischen Temperatur und Druck von Dampf (Wasserdampf). Die horizontale Skala stellt die Trockenthermometer-Temperatur dar. Die Werte entlang der vertikalen Skala stellen die Feuchtigkeit in Grain Feuchtigkeit (1 Grain = 5×10&supmin;&sup5; kg) pro Pfund trockener Luft (1 Pfund = 0.454 kg) dar. Die Linie mit 100% Feuchtigkeit oder die Sättigungslinie wird durch die Bezugszahl 34 identifiziert. Andere Linien mit tieferer relativer Feuchtigkeit sind im wesentlichen parallel zur Sättigungslinie 34 und rechts von ihr, und in der Zeichnung wird nur eine dieser mit der Legende RH identifizierten Linien gezeigt, welche die Bezugszahl 36 hat. Diese Linie stellt zum Zwecke der Darstellung die Linie mit 70% relativer Feuchtigkeit dar. Werte der relativen Feuchtigkeit, die höher als das 70% Niveau sind, würden links der 70% Linie 36 liegen, während Werte der relativen Feuchtigkeit von weniger als 70% rechts der Linie 70% Linie 36 liegen würden.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die benötigten Daten, um den Mikroprozessor für die Verwendung mit einer bestimmten Klimaanlage zu programmieren, erhalten, indem das System bei einem gegebenen Satz von Betriebsbedingungen mit einer Luftströmung durch die Kühlschlange 11 des Verdampfers oder im Innenraum bei bekannten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen laufen gelassen wird. Eine Vorrichtung, um eine solche Luftströmung zu liefern, wird im allgemeinen durch die Bezugszahl 48 dargestellt.
  • So wird zum Beispiel bei einem System des in der Figur 1 dargestellten Typs mit einem Kompressor mit variabler Geschwindigkeit eine bestimmte Kompressorgeschwindigkeit und eine bestimmte Geschwindigkeit des Ventilators im Innenraum eingestellt und für eine vorgegebene Zeitspanne laufen gelassen. In einem besonderen Beispiel wird in einem System der Ventilator im Innenraum auf eine niedrige Geschwindigkeit eingestellt und der Kompressor so eingestellt, dass er mit 45 Hertz läuft. Für eine Zufuhr von Luft mit einer Trockenthermometer-Temperatur von 21.1ºC (70ºF) und einer relativen Feuchtigkeit von 70% wird für eine Periode von sechs Minuten eine Strömung an der im Innenraum liegenden Kühlschlange 11 vorbei ermöglicht. Am Ende der Periode von sechs Minuten wurde die Differenz zwischen der Lufttemperatur des Raumes, wie sie durch den Thermistor T&sub1; gemessen wird, und der Austritts-Lufttemperatur, wie sie durch den Thermistor T&sub2; gemessen wird, berechnet. Die Differenz wurde mit ΔTref bezeichnet.
  • Mit Bezugnahme auf die Figur 2 wird diese Information auf dem psychrometrischen Diagramm eingetragen. Auf der horizontalen Skala wird die 70ºF Trockenthermometer-Temperatur durch den Punkt, der mit Tref bezeichnet wird, identifiziert. Indem der punktierten Linie vom Punkt Tref vertikal gefolgt wird, identifiziert der Schnitt mit der 70% Linie 36 der relativen Feuchtigkeit den Punkt, der als "ref" identifiziert wird. Tref stellt demzufolge die 70ºF Lufttemperatur im Raum dar, wie sie im oben beschriebenen Versuch durch den Thermistor T&sub1; gemessen wird. Die Temperatur T&sub2; auf der horizontalen Temperaturskala stellt im beschriebenen Versuch die Temperatur der Luft dar, die aus der im Innenraum liegenden Kühlschlange 11 austritt, wie sie durch den Thermistor T&sub2; gemessen wird. Wiederum wird, indem der gepunkteten Linie bis zur Sättigungskurve vertikal nach oben gefolgt wird, der Punkt 2 definiert, d.h. die Bedingungen der Luft, die während dem Versuch aus der im Innenraum liegenden Kühlschlange austritt. Demzufolge bemerkt man, indem dem Weg von dem mit "ref" bezeichneten Punkt zum Punkt 2 gefolgt wird, dass die Temperatur der Luft vom Punkt "ref" nach links zum Schnitt mit der Sättigungskurve abnimmt, ohne dass irgendwelche Feuchtigkeit aus ihr entfernt wird, und dass, wenn sie vom Schnitt mit der Sättigungskurve nach unten und weiter nach links bewegt wird, die Temperatur und die Feuchtigkeitsmenge in der Luft reduziert wird. Der als ΔTref identifizierte Ausdruck ist unterhalb der Achse der Trockenthermometer-Temperatur als Differenz zwischen der Temperatur am Punkt "ref" und am Punkt 2 angegeben.
  • Für das gegebene System, für welches der Wert des Ausdruckes ΔTref bestimmt wurde, wird dieser Wert in den Mikroprozessor programmiert und während dem Betrieb nachgeschlagen, um ein aktuelles ΔT mit diesem Wert zu vergleichen. Wenn das aktuelle ΔT kleiner ist als das ΔTref, wie es im dargestellten Beispiel durch ΔT&sub1; in der Figur 2 dargestellt wird, weiss man, dass die relative Feuchtigkeit der Luft im Raum, wie sie durch die Daten des Punktes 1 identifiziert wird, grösser ist als die relative Feuchtigkeit von 70%. Ebenso weiss man, wenn das ΔT grösser ist als das ΔTref, wie es im Beispiel durch ΔT&sub1;' und den zugehörigen Datenpunkt 1' identifiziert wird, durch einen Vergleich mit ΔTref, dass die relative Feuchtigkeit kleiner ist als die relative Feuchtigkeit des 70% Referenzwertes. Wie nun in Verbindung mit der Beschreibung der programmierten Logik der Figur 3 gesehen werden wird, wird der Mikroprozessor aufgrund dieser Information das System wie benötigt entweder im normalen Kühlmodus oder im Trocknungsmodus laufen lassen.
  • Indem nun die Figur 3 betrachtet wird, wird die in den Mikroprozessor programmierte Logik zur Durchführung der Entscheidung, ob das System im normalen Kühlmodus oder im Trocknungsmodus betrieben werden soll, dargestellt. Mit Beginn beim Block 42, der mit "Start" gekennzeichnet ist, wird der erste Schritt (44) ausgeführt, um den gegenwärtigen Betriebsmodus des Systems zu ermitteln. Wenn sich das System im automatischen Betriebsmodus oder im Trocknungsmodus befindet, geht das System zum Schritt 45. Wenn sich das System nicht im automatischen oder im Trocknungsmodus befindet, d.h., wenn es sich im Heiz- oder Ausmodus befindet, wird kein Vorgang gestartet. Im Schritt 45 ermittelt die Steuerung, ob die Raumtemperatur (wie sie durch den Thermistor T&sub1; gemessen wird) wärmer ist als 2ºC weniger als der Einstellpunkt Tset. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt das System damit fort, diesen Vergleich über den Weg 50 zu machen, bis diese Bedingung erreicht ist. Wenn die Raumtemperatur wärmer ist als 2ºc weniger als der Einstellpunkt, geht das System über den Weg 52 zum Schritt 54, um den Status des Zykluszeitgebers abzufragen, der im Mikroprozessor enthalten ist. Wenn der Zykluszeitgeber sich nicht auf 0 befindet bedeutet dies, dass der Zykluszeitgeber seine Zeitgeberfunktion für ein besonderes Ereignis ausführt, wie zu sehen ist, und das System geht über den Weg 56 zum Start 42 zurück. Wenn der Zykluszeitgeber gleich 0 ist, schreitet das System zum Schritt 58 weiter, um das System auf die vorgegebenen Bedingungen einzustellen, welche es erlauben, dass das ΔT bei den gegenwärtigen Bedingungen berechnet werden kann, um die Bestimmung der relativen Feuchtigkeit zu ermöglichen. Demzufolge wird, wie im Schritt 58 angezeigt wird, die Geschwindigkeit des Ventilators auf die niedrige Geschwindigkeit eingestellt und die Geschwindigkeit des Kompressors auf 45 Hertz eingestellt. Sobald diese Bedingungen einmal eingestellt sind, wird der Zykluszeitgeber für die vorgegebene Zeitdauer von 6 Minuten eingestellt, wie es im Schritt 60 angezeigt wird. Das System fährt dann mit einem Wartemuster weiter, wie es durch den Schritt 62 angezeigt wird, bis der Zykluszeitgeber auf 0 hinunter abgelaufen ist.
  • Wenn die Periode von 6 Minuten vorüber ist und sich das System in einem im wesentlichen stationären Zustand befindet, schreitet das System zum Schritt 64 weiter, wo die durch die Thermistoren T&sub1; und T&sub2; ermittelte Temperaturdifferenz als ΔTdb berechnet wurde, und dieser Wert wird mit dem Wert ΔTref verglichen, welcher im Mikroprozessor gespeichert ist. Wenn ΔTdb grösser oder gleich ΔTref ist, zeigt dies an, dass die relative Feuchtigkeit im Raum kleiner als der Referenzwert von 70% für die Feuchtigkeit ist und das System geht zum Schritt 66 weiter, wo der Betriebsmodus des Systems ermittelt wird. Wenn sich das System im automatischen Betriebsmodus befindet, wird es dann im Schritt 68 auf normale Kühlung eingestellt, und der Zykluszeitgeber wird auf eine Stunde eingestellt, wie im Schritt 70 angezeigt wird. An diesem Punkt wird die Einheit einmal pro Stunde beim Start des nächsten "Ein"-Zyklus des Kompressors, nachdem die Stunde abgelaufen ist, den Zustand der Raumfeuchtigkeit, beginnend beim normalen Startpunkt 42, erneut ermitteln, wie oben beschrieben wurde. Wenn beim Schritt 66 festgestellt wird, dass das System im Trocknungsmodus betrieben wird, wird die Steuerungstemperatur des Systems auf die ausgewählte Einstellung Tset des Thermostaten zurückgeführt. Dieser Schritt 71 wird nach dem Lesen der Beschreibung der Verschiebung des Systems zum Trocknungsmodus besser verstanden werden.
  • Zurück nun zum Schritt 64 weiss das System, wenn ermittelt wird, dass ΔTdb nicht grösser oder gleich ΔTref ist, dass die relative Feuchtigkeit im Raum grösser als der Referenzwert von 70% für die Feuchtigkeit ist, und der Mikroprozessor folgt dem Nein-Weg 72 zum Schritt 74. Beim Schritt 74 wird die Abfrage gemacht, ob das System sich im automatischen Betriebsmodus oder im Trocknungsmodus befindet. Wenn sich das System im automatischen Betriebsmodus befindet, wird es sofort in den Trocknungsmodus zurückgesetzt, die es durch den Schritt 76 angezeigt wird. An diesem Punkt befindet sich das System im Trocknungsmodus, unabhängig vom Weg, dem es gefolgt ist, und es wird, wie durch die beiden mit der Bezugszahl 78 identifizierten Kästen angezeigt wird, durch den Mikroprozessor ein temporärer Einstellpunkt Tset erzeugt, indem 2ºC vom aktuellen Einstellpunkt Tset des Raumthermostaten 46 subtrahiert werden. Dies erlaubt es dem System, im Trocknungsmodus weiter zu laufen, selbst nachdem die Temperatur des Einstellpunktes erreicht wurde, um die übermässige Feuchtigkeit aus der Raumluft zu entfernen. Demzufolge funktioniert dieser temporäre Steuerungseinstellpunkt anstelle des Einstellpunktes des Thermostaten. Während einem typischen Trocknungsmodus würde die Geschwindigkeit der Ventilatoren im Innenraum reduziert, um die Verweilzeit der Raumluft beim Kontakt mit der im Innenraum liegenden Kühlschlange 11 zu vergrössern und dadurch die Kondensation von Feuchtigkeit aus der Luft zu erleichtern.
  • Anschliessend an die Einstellung des temporären Einstellpunktes sieht man, dass der Zykluszeitgeber wiederum auf eine Stunde eingestellt wird, so dass das System im Trocknungsmodus mit dem temporären Einstellpunkt betrieben wird. Anschliessend daran wird die Einheit einmal pro Stunde beim Start des nächsten "Ein"-Zyklus des Kompressors, nachdem die Stunde abgelaufen ist, den Zustand der Raumfeuchtigkeit, beginnend beim normalen Startpunkt 42, erneut ermitteln, gemäss dem oben beschriebenen Verfahren.

Claims (1)

1. Verfahren zum Bestimmen der relativen Feuchtigkeit von Luft, die in wärmetauschender Funktion über eine Kühlschlange (11) gleitet wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
a. eine Strömung von Luft mit bekannter Temperatur und relativer Feuchtigkeit für eine vorgegebene Zeitperiode durch die Kühlschlange hindurch zu leiten;
b. die Temperatur der Luft, die nach der vorgegebenen Zeitperiode aus der Kühlschlange austritt, zu bestimmen;
c. einen Referenzwert für die Temperaturdifferenz zu berechnen, indem die Austrittstemperatur von der bekannten Temperatur subtrahiert wird;
d. eine Strömung von Luft, von der man die relative Feuchtigkeit zu kennen wünscht, für dieselbe vorgegebene Zeitperiode durch die Kühlschlange hindurch zu leiten;
e. die Temperatur der Luft zu bestimmen, die nach der vorgegebenen Zeitperiode in die Kühlschlange eintritt;
f. die Temperatur der Luft, die nach der vorgegebenen Zeitperiode aus der Kühlschlange austritt, zu bestimmen;
g. die Temperaturdifferenz zu berechnen, indem die Austrittstemperatur von der Eintrittstemperatur subtrahiert wird;
h. den Referenzwert für die Temperaturdifferenz mit der im Schritt g berechneten Temperaturdifferenz zu vergleichen, wobei, wenn die Temperaturdifferenz kleiner ist als der Referenzwert für die Temperaturdifferenz, die Luft feuchter ist als die bekannte relative Feuchtigkeit, wenn die Temperaturdifferenz gleich ist, die relative Feuchtigkeit gleich ist, und wenn die Temperaturdifferenz kleiner ist, die Luft weniger feucht ist als die bekannte relative Feuchtigkeit.
DE69216802T 1992-01-02 1992-12-10 Verfahren und Vorrichtung zur Zimmerfeuchtigkeitsbestimmung Expired - Fee Related DE69216802T2 (de)

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Publication Number Publication Date
DE69216802D1 DE69216802D1 (de) 1997-02-27
DE69216802T2 true DE69216802T2 (de) 1997-05-28

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