EP3339569A1 - Verfahren und vorrichtung zur belüftung eines tunnelbauwerks - Google Patents
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- E21F1/04—Air ducts
Definitions
- the invention relates to a method and a device for ventilating a tunnel structure.
- ventilation systems are usually provided which comprise at least one fan and at least one ventilation line connected thereto. Fresh air delivered by the fan is introduced through the ventilation duct into the tunnel structure.
- the fan is operated according to a fixed control, so that a substantially constant air flow is supplied by the ventilation line.
- Other concepts include various controls for operating a fan.
- measured values of the required air flow are recorded.
- this describes DE 28 03 830 a method for measuring and monitoring the pressure conditions and the air flow rates in Lutten Oberen. Static pressures are determined in openings in the jacket of the Lutten Oberen. From differential pressure values, the basic course of the air flow rates over the length of the Lutten Arthur can be determined.
- the WO 00/36275 discloses ventilation for tunneling sites where detectors measure air quality within the tunnel. Measurement signals are transmitted to a processor and compared there with reference values of the required air quality. Active ventilation components, such as controllable fans, are controlled according to the difference between the reference value and the value determined in order to maintain the air quality at the required level.
- the US 6,724,917 B1 describes a fan control apparatus for ventilating a tunnel.
- the ventilation device comprises sensors for carbon monoxide and wind speed and an image sensor with which a visual index is determined.
- a control loop is provided to calculate a default for the operation of the fan based on the visual index.
- the DE 1110 894 discloses a method and a device for measuring weather currents flowing in a special ventilation in mine tailings.
- a Luttenstrang is provided, in the front end portion of a fan and in the opposite end portion of a measuring device is provided for measuring the sucked weather.
- Another measuring device is provided on the fan.
- the measuring devices each have constrictions, wherein by pressure measurements, the performance, ie the actual sucked amount of weather can be determined.
- the device according to the invention and the method according to the invention comprise a Ventilation system with at least one fan and a ventilation duct connected to it.
- the fan can be arranged, for example, outside the tunnel structure.
- the use of different types of fans is possible.
- the drive of the fan is preferably electrical. From the design axial fans are preferred.
- the ventilation duct may comprise a wide variety of materials and constructions, for example pipelines of different cross sections.
- the ventilation duct can have several sections with different properties.
- the ventilation line has at least one flexible section or is designed to be flexible overall, that is, for example, deformable or variable in length.
- At least a portion of the ventilation line comprises a flexible Lutten Arthur.
- At least one measuring device for detecting one or more values of the air flow supplied through the ventilation line is connected to the ventilation line.
- various types of known measuring devices in question with which, for example, values such as pressure, flow rate or air velocity can be determined.
- the volume flow is detected directly or can be derived from the values.
- Measured values are preferably supplied as electrical signals.
- the ventilation duct may have a plurality of outlets, in preferred embodiments at least one outlet, preferably the single outlet, is arranged at the end of the ventilation duct.
- the measuring device is preferably arranged at or near an outlet so as to measure the air flow delivered through the outlet.
- the operation of the fan is regulated as a function of at least one measured value determined by means of the measuring device.
- the fan is variably controllable, especially in electrically powered fans by appropriate specification of the electrical supply.
- the control is performed by specifying the frequency of the electric power supplied to the fan, eg. by controlling a frequency converter.
- the fan is thus operated in a regulated manner in accordance with the measured value determined on the ventilation line.
- a closed loop is formed.
- the control of the fan is carried out so that the controlled variable is set to a desired value, which may be, for example, constant.
- a setpoint value is a constant volume flow at an outlet of the ventilation line.
- an expected operating value of the fan is calculated before and / or during operation.
- at least parameters of the fan, parameters of the ventilation line and, optionally, other parameters flow in, for example environmental parameters.
- the calculation means can be designed differently, in particular as an electrical circuit.
- the calculation is done in a suitably programmed computer, i. by executing a calculation or simulation program or corresponding software module as explained below.
- Parameters of the fan can, for example, be pre-stored in a computer used for the calculation or be retrievable by the calculation means via a data connection. These parameters may include, for example, data on various operating points of the fan, e.g. As functions, curves, tables or in any other form, for example. Data on the dependence of values of an air flow promoted by the fan of the control, for example, of the frequency.
- the parameters of the fan can also include, for example, data on the dependence of a supplied volume flow from the pressure for different operating points, for example for different frequencies.
- At least one or more of the parameters used in the calculation can also be pre-stored or retrievable via data connection.
- Possible parameters for the calculation include, for example, dimensions of the ventilation line, or of different sections thereof, ie z. B. Length and diameter. Other parameters can be z. B. friction coefficients or leakage values.
- At least some of the parameters of the ventilation line used in the calculation are each provided with a location which assigns properties (eg line cross sections or the like) to specific locations in the ventilation line.
- some of the parameters used be entered and stored via a user interface, in particular data on the length and course of the ventilation line.
- Some of the parameters used in the calculation can also be determined, for example, by measuring devices or sensors.
- the calculation determines at least one expected operating value of the fan. These may be different values characterizing the operating point of the fan, for example the speed.
- the operating value can also be a value of the control of the fan, for example the frequency with which an electrically operated fan is controlled.
- the calculated expected operating value is the power consumed by the fan.
- One or more setpoint values on which control of the operation of the fan is based are also preferably taken into account in the calculation, in particular a default value for a volume flow to be achieved at an outlet.
- a real, resulting from the above control operating value of the fan is determined during operation and compared with the expected operating value.
- the adjusting itself in the real-time control operating point with the expected operating point based on parameters of the fan and the ventilation duct. If these - within the limits to be determined in each case - match, then an expected operation can be determined and possibly signaled.
- the deviation is signaled according to the invention, for example in the form of an optical or acoustic display or in the form of an electrical signal, which can be used, for example, for controlling or transmitting information.
- a deviation will indicate a fault condition of the ventilation system. While this u. U. can also be a fault on the fan, a control device or the connected measuring device, it will be mainly to errors or defects of the ventilation line, d. H. For example, not included in the calculation leakage, changed or incorrect installation, kinks, bottlenecks or additional, not included in the calculation consumers such as filters, mufflers or grille.
- the inventive method and the inventive device on the one hand by the scheme to ensure the orderly, trouble-free operation with provision of the required ventilation in the event of defects occurring or improper use of the ventilation duct. At the same time, however, a constant check of the operation is made possible by the signaling.
- defects or changes to the ventilation duct can not only be determined, but it can also be preferred when signaling the degree of deviation, which effects the deviation has on the energy-efficient operation of the entire system.
- signaling On the basis of the signaling, a decision can be made as to whether defects or changes made in the laying of the ventilation duct should be repaired or corrected if necessary.
- a particularly energy-efficient operation can be meaningfully supported.
- the method and apparatus of the present invention can be used to ventilate any form of underground structures, generally referred to herein as tunneling structures.
- tunneling structures are suitable for non-continuous tunnel structures, i. Tunnel with a closed end, eg during tunnel construction.
- the method and the device can be designed to be particularly flexible, so that at any time the consideration of changes, for example.
- the ventilation system possible is.
- Changes in the ventilation line can be made, ie z.
- an extension of the line or an addition of new line sections or consumers According to the development, a recalculation of the expected operating value then takes place based on parameters of the changed ventilation line. These can be, for example, entered via a user interface and possibly saved.
- the operation of the ventilation system with the modified ventilation line can then be carried out and monitored.
- the calculation is preferably carried out such that one or more air flow parameters are assumed at an outlet of the ventilation line.
- the airflow parameters may in particular include the volume flow, the static pressure and / or the dynamic pressure.
- one or more air flow parameters at the inlet of the ventilation line are preferred, taking into account properties of the ventilation line. H. determined at the connection of the fan.
- the expected adjusting operating point of the fan can be determined.
- the calculation can be carried out by an iterative calculation method in which local airflow parameters are determined on the basis of one or more airflow parameters at an outlet of the ventilation line for a plurality of points along the ventilation line and finally for the inlet of the ventilation line.
- parameters such as leakage values and coefficients of friction of the ventilation line as well as dimensions, ie, for example, length and / or diameter of the ventilation line can be included in the calculation.
- information about the course of the ventilation line can be included in the calculation, for example about consumers, constrictions, changes of direction and / or side outlets of the ventilation duct. This information preferably contains information about the respective position within the ventilation line.
- such parameters can each be used for each of the steps or sections to be calculated iteratively one after the other. This means that very different line characteristics can be calculated easily and automatically with sufficient accuracy.
- FIG. 1 schematically a ventilation system 10 for the construction site of a tunnel 12 is shown. Outside the tunnel 12 is a fan 14, the fresh air 16 sucks and introduces through a ventilation duct 20 in the tunnel 12. The conveyed air is discharged to an outlet 18 at the end of the ventilation duct 20 into the interior of the tunnel 12.
- the ventilation line 20 is a Lutten Arthur, constructed of individual interconnected flexible Luttenmaschinen.
- the Lutten elite have a wall of plastic-coated fabric, which is reinforced with a reinforcing spiral. Successive Luttenimplantation are connected with couplings to each other and connected to a Luttenstrang.
- the Luttentechnisch can be folded or pulled apart, so that the Lutten implant are variable in their length.
- the conduit 20 during the constant propulsion during the construction of the tunnel 12 can be adapted in each case in length, so that fresh air always into the area of the tunnel end can be delivered.
- measured values are detected by a measuring device 24.
- the measured values thus acquired are supplied as an electrical signal via a signal line 26 to a control device 22.
- control device 22 comprises a programmable logic controller (PLC), which processes the measurement signal, and a frequency converter (not shown), with which a frequency for the electrical supply and the operation of the fan 14 can be preset.
- PLC programmable logic controller
- the detected measured value is the volume flow at the outlet 18.
- a control program takes place, with which the volume flow reported by the measuring device 24 is regulated to a constant preset value.
- the measurement signal received via the line 26 is evaluated and, in accordance with a control algorithm, a suitable control of the fan 14 is predetermined by the frequency converter, wherein the manipulated variable is the frequency.
- FIG. 4 shows an example of a characteristic field for the fan 14.
- f 1 , f 2 , f 3 dependencies of the achievable pressure p of delivered volume flow V.
- F 2 a fixed frequency
- a PI control algorithm is used to cause the fan 14 to each be driven at a frequency f such that the volumetric flow V detected at the outlet 18 by the measuring device 24 is regulated to a constant setpoint.
- the respective control of the fan 14 upon reaching the predetermined desired Volume flow at the outlet 18 kept constant when the predetermined setpoint for the flow rate was achieved with a deviation below a tolerance threshold of, for example, 10% over a stability period of, for example, 60 seconds.
- a readjustment is triggered when either a new default value for the desired volume flow is entered or the measured value for the real volume flow at the outlet 18 deviates by more than the predefined tolerance threshold for longer than the predefined stability period.
- FIG. 1 As an ideal straight laid ventilation duct is shown, it can come in real ventilation systems, especially under construction site conditions, to changes or defects in the vent line 20.
- a first possible change would be, for example, the extension of the vent line 20, either by a new Lutastegment is set or by an existing Lutastegment flexibly changed in length.
- FIG. 2 For example, further changes or possible defects are shown.
- a bottleneck 28a may be formed in a flexible portion of the venting conduit 20.
- portions of the vent line 20 may deviate from the ideal straight line and, for example, form bows 28b.
- a variety of defects, such as in particular leaks 28c at locations along the ventilation duct 20 are possible.
- the required readjustment ie frequency increase at the fan, leads to an increased power consumption. This is monitored by the monitoring device 30.
- FIG. 5 shows the logical structure of the monitoring device 30. This comprises - shown schematically - a calculation unit 32, associated therewith memory 34a, 34b, a comparison unit 36 and a display unit 38.
- the subdivision between the respective units is logical / organizational to understand.
- a computer of conventional design ie in particular with a central unit for executing a program, volatile and non-volatile memory, as well as with input / output interfaces.
- the functionality described below is provided by suitable software.
- a characteristic data for the operation of the connected fan 14 are stored, in particular the relevant characteristic field, as symbolically in FIG. 4 is shown.
- the relevant curves are represented by table values, where intermediate values are calculated by interpolation.
- Information about the ventilation line 20 is stored in memory 34b. This includes the length L of the line 20 as well as line parameters such as mean leakage losses (leakage value f for the undamaged line), line diameter D, coefficient of friction ⁇ , etc .. If these values are constant for all sections of the line 20, each time storing the values is sufficient , If the line 20 comprises different sections, for example with different material or different dimensions, then memory 34b additionally stores in each case in which of the sections which values apply.
- the information stored in memory 34b via the venting line 20 include any consumers within the line, eg. Filter, grid, but also bends, bottlenecks, etc. Changes and even minor defects of FIG. 2 In some cases, it may well be known in principle and at least temporarily be accepted. For example. can be useful in construction site operation a short-term installation of the Lutten Arthur 20 in a bow 28b to avoid an obstacle, or a constriction 28a can be at least temporarily accepted, as long as no repaired material is available.
- All of this information about the routing of the vent line 20 is input via a user interface 40 and stored in the memory 34b. In any case, the change of the installation, the stored information is updated.
- the computing unit 32 predicts the expected operation of the fan and determines an expected operating value E.
- the expected operating value E is the predicted electrical power consumption of the fan. Details on how to perform the calculation are explained below.
- a real operating value of the fan 14 will be determined, which is the same size as the expected operating value, namely in the preferred example, the electrical power consumption W. This can either be measured or by the PLC 22 or the monitoring device 30 on the basis of known characteristics of the fan 14 from the operating data, eg. The speed, operating frequency f or additional data of the operating point A, are determined by calculation.
- the real operating value of the electrical power consumption W is compared in the comparison unit 36 with the expected operating value of the electrical power consumption E.
- the result of the comparison is output by the display device 38.
- the display device 38 shows the degree of deviation between the real power consumption W and the expected power consumption E, for example, in percent, as an efficiency.
- the efficiency can be signaled at intervals in different ways, for example green at high efficiency (for example 100% -95%), yellow at medium efficiency (for example below 95% -85%) and red at low efficiency (for example below 85%).
- the required operating point of the fan 14 is first determined by an iterative calculation method using the stored parameters of the ventilation duct 20. In this case, starting from the outlet 18 is recalculated stepwise to the input of the ventilation line 20, wherein for each point of the calculation, on the one hand, local parameters of the ventilation line 20 and, on the other hand, environmental parameters are taken into account. This calculates airflow parameters for each point. Based on the thus determined air flow parameters at the inlet of the ventilation duct, i. At the connection of the fan 14, the operating point A is determined from the stored parameters of the fan 14, so that the expected control, namely the frequency f to be set at the frequency converter and the resulting expected electrical power consumption E can be derived.
- the coefficient of friction ⁇ , a leakage value f *, the diameter D of the duct are used as local parameters of the duct, and the density ⁇ of the air is used as the ambient parameter in the calculation.
- the leakage value f is a measure of the tightness of the respective line section, eg. Lutten Arthur.
- the value can, for example, be calculated or determined experimentally for the line used in each case.
- the friction coefficient ⁇ is dependent on the nature of the line, in particular its surface, the leakage and the flow conditions. This value can also be determined, for example, experimentally for the line used in each case.
- the coefficient of friction ⁇ is tabulated for many types of line as a function of the Reynolds number Re, with which the flow conditions in the line can be characterized.
- the starting point of the calculation is the desired value of the air volume flow V at the outlet 18 of the ventilation line 20.
- the value U (x previous step ) indicates the flow rate of the previous step
- p static (x previous step ) denotes the pressure increase compared to the previous step due to the conditions in the line.
- any stored consumers within the currently calculated line section are additionally considered by the term p (x actual ) as an additional pressure increase compared to the last calculated step.
- Such consumers can, for example, cross-sectional changes within the line, changes in direction or arranged in the air flow obstacles such as mufflers, protective grille o. ⁇ . be.
- zeta values For each type of consumer to be included in the calculation, on the one hand information stored within the line and on the other hand parameters for the influence of the consumer on the air flow in the memory 34b, so-called zeta values, from which the respective term p additionally calculates (x actual ) using the air flow parameters determined for the respective location can be.
- the zeta values are tabulated for different types of consumption or can be determined experimentally.
- each 1 meter can be used.
- aeration line 20 are calculated starting from the target value of the volume flow at the outlet 18 step by step for every meter to the input of the air flow parameters U, p statically .
- the parameters diameter D, leakage value f and friction coefficient ⁇ of the line do not change, constant values can be used here.
- the local value should be used for each step.
- point L1 is a bend of the line 20, with an obstacle is bypassed.
- the parameters of this bend at the point L1 for example the bend radius, can also be input via the user interface 40 and thus the bend as consumer by p additionally (L1) can be taken into account in the calculation.
- the described iterative simulation method can run differently, for example, with respect to the example mentioned step size of 1 meter with different step size or considering less, different or more parameters.
- the use of completely different simulation methods for determining the expected operating value is also possible.
- an external data interface for the monitoring device 30, for example as a digital network connection, preferably as an Internet connection.
- a digital network connection preferably as an Internet connection.
- data on the operating state at any time be remotely available, in particular the current efficiency.
- Remote monitoring or control is possible via the external data interface.
- data may also be actively transmitted from the monitoring device 30 to remote devices, for example, an alarm when a monitored parameter, e.g. the efficiency falls below a predetermined threshold.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belüftung eines Tunnelbauwerks.
- Für Tunnelbauwerke, bspw. Verkehrstunnel oder auch Stollen eines Bergwerks, wird eine Belüftung, d. h. Zuführung von Frischluft benötigt. Hierfür werden üblicherweise Belüftungsanlagen vorgesehen, die mindestens einen Ventilator und mindestens eine daran angeschlossene Belüftungsleitung umfassen. Vom Ventilator geförderte Frischluft wird durch die Belüftungsleitung in das Tunnelbauwerk eingebracht.
- Bei einigen Belüftungsanlagen wird dabei der Ventilator gemäß einer festen Ansteuerung betrieben, so dass durch die Belüftungsleitung ein im Wesentlichen konstanter Luftstrom geliefert wird. Andere Konzepte sehen verschiedene Regelungen des Betriebs eines Ventilators vor.
- Hierfür werden Messwerte des geforderten Luftstroms erfasst. Beispielsweise beschreibt die
DE 28 03 830 ein Verfahren zur Messung und Überwachung der Druckverhältnisse sowie der Luftdurchsatzmengen in Luttenleitungen. Statische Druckwerte werden in Öffnungen des Mantels der Luttenleitungen ermittelt. Aus Differenzdruckwerten kann der grundsätzliche Verlauf der Luftdurchsatzmengen über die Länge der Luttenleitung ermittelt werden. - Die
WO 00/36275 - Die
US 6,724,917 B1 _beschreibt eine Steuervorrichtung für einen Ventilator zur Belüftung eines Tunnels. Die Belüftungsvorrichtung umfasst Sensoren für Kohlenmonoxid und Windgeschwindigkeit sowie einen Bildsensor, mit dem ein Sichtindex ermittelt wird. Eine Regelschleife ist vorgesehen, um ausgehend von dem Sichtindex eine Vorgabe für den Betrieb des Ventilators zu berechnen. - Die
DE 1110 894 _offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von innerhalb einer Sonderbewetterung fließenden Wetterströmen in Luttenleitungen von Bergwerken. In einer Vortriebsstrecke ist ein Luttenstrang vorgesehen, in dessen vorderem Endbereich ein Ventilator und in dessen entgegengesetzten Endbereich eine Messvorrichtung zum Messen der angesaugten Wetter vorgesehen ist. Eine weitere Messvorrichtung ist am Ventilator vorgesehen. Die Messvorrichtungen weisen jeweils Verengungen auf, wobei durch Druckmessungen die Leistung, d. h. die tatsächlich angesaugte Wettermenge festgestellt werden kann. - Für die Auslegung und den Betrieb von Belüftungsanlagen für Tunnelbauwerke ist es maßgeblich, stets zu gewährleisten, dass ausreichend Frischluft geliefert wird, insbesondere für in Tunneln oder Bergwerken arbeitende Menschen. Dabei sollten aber Auslegung und der Betrieb der Belüftungsanlage auch nicht über das jeweils erforderliche Maß hinausgehen. Eine besondere Herausforderung stellt dies dar im Bereich von Tunnelbaustellen, d. h. bei Belüftungsanlagen, die nicht permanent zum unveränderten Dauerbetrieb eingerichtet sind, sondern bei denen sich bspw. durch stetigen Baufortschritt Änderungen ergeben können.
- Es kann als Aufgabe angesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belüftung eines Tunnelbauwerks vorzuschlagen, die insbesondere für sich ändernde Anforderungen einen möglichst effizienten Betrieb ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren umfassen eine Belüftungsanlage mindestens mit einem Ventilator und einer daran angeschlossenen Belüftungsleitung.
- Der Ventilator kann bspw. außerhalb des Tunnelbauwerks angeordnet sein. Die Verwendung verschiedener Typen von Ventilatoren ist möglich. Der Antrieb des Ventilators ist bevorzugt elektrisch. Von der Bauweise werden axiale Ventilatoren bevorzugt.
- Die Belüftungsleitung kann verschiedenste Materialien und Bauweisen umfassen, bspw. Rohrleitungen verschiedener Querschnitte. Die Belüftungsleitung kann mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. Insbesondere für die Anforderungen im Baustellenbereich wird bevorzugt, dass die Belüftungsleitung mindestens einen flexiblen Abschnitt aufweist oder insgesamt flexibel ausgebildet ist, also bspw. verformbar oder längenveränderlich.
- Besonders bevorzugt umfasst mindestens ein Abschnitt der Belüftungsleitung eine flexible Luttenleitung.
- Erfindungsgemäß ist an die Belüftungsleitung mindestens eine Messvorrichtung zur Erfassung eines oder mehrerer Werte des durch die Belüftungsleitung gelieferten Luftstroms angeschlossen. Hierfür kommen verschiedenste Typen bekannter Messvorrichtungen in Frage, mit denen bspw. Werte wie Druck, Volumenstrom oder Luftgeschwindigkeit ermittelt werden können. Bevorzugt wird der Volumenstrom direkt erfasst oder ist aus den Werten ableitbar. Messwerte werden bevorzugt als elektrische Signale geliefert. Die Belüftungsleitung kann mehrere Auslässe aufweisen, in bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Auslass, bevorzugt der einzige Auslass am Ende der Belüftungsleitung angeordnet. Die Messvorrichtung ist bevorzugt am oder nahe einem Auslass angeordnet, um so den durch den Auslass gelieferten Luftstrom zu messen.
- Erfindungsgemäß wird der Betrieb des Ventilators in Abhängigkeit von mindestens einem mittels der Messvorrichtung ermittelten Messwert geregelt. Hierzu ist der Ventilator variabel ansteuerbar, insbesondere bei elektrisch betriebenen Ventilatoren durch geeignete Vorgabe der elektrischen Versorgungsleistung. Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung durch Vorgabe der Frequenz der dem Ventilator zugeführten elektrischen Leistung, bspw. durch Ansteuerung eines Frequenzumrichters.
- Erfindungsgemäß wird der Ventilator somit entsprechend dem an der Belüftungsleitung ermittelten Messwert geregelt betrieben. Durch die Ansteuerung des Ventilators und die Rückmeldung des Messwerts ist ein geschlossener Regelkreis gebildet. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung des Ventilators dabei so, dass die geregelte Größe auf einen Sollwert eingestellt wird, der bspw. konstant sein kann. Besonders bevorzugt wird als Sollwert ein konstanter Volumenstrom an einem Auslass der Belüftungsleitung.
- Parallel zur erfindungsgemäßen Regelung wird der sich dabei einstellende Betrieb des Ventilators anhand einer Berechnung bzw. Simulation überprüft.
- Durch eine geeignete Berechnungseinrichtung wird vor und/oder während des Betriebs ein erwarteter Betriebswert des Ventilators berechnet. In die bevorzugt automatisch ablaufende Berechnung des Betriebswerts fließen mindestens Parameter des Ventilators, Parameter der Belüftungsleitung sowie optional weitere Parameter ein, bspw. Umgebungsparameter.
- Die Berechnungsmittel können verschieden ausgebildet sein, insbesondere als elektrische Schaltung. Bevorzugt erfolgt die Berechnung in einem entsprechend programmierten Computer, d.h. durch Ausführung eines Berechnungs- bzw. Simulationsprogramms oder entsprechenden Softwaremoduls wie nachfolgend erläutert.
- Parameter des Ventilators können bspw. in einem zur Berechnung verwendeten Computer vorgespeichert oder durch die Berechnungsmittel über eine Datenverbindung abrufbar sein. Diese Parameter können bspw. Daten zu verschiedenen Betriebspunkten des Ventilators umfassen, z.B. als Funktionen, Kurvenverläufe, Tabellen oder in sonstiger Form, bspw. Daten über die Abhängigkeit von Werten eines durch den Ventilator geförderten Luftstroms von der Ansteuerung, bspw. von der Frequenz. Die Parameter des Ventilators können auch bspw. Daten zur Abhängigkeit eines gelieferten Volumenstroms vom Druck für verschiedene Betriebspunkte, bspw. für verschiedene Frequenzen, umfassen.
- Zur Belüftungsleitung können ebenfalls mindestens einer oder mehrere der bei der Berechnung verwendeten Parameter vorgespeichert oder über Datenverbindung abrufbar sein. Mögliche Parameter für die Berechnung umfassen bspw. Abmessungen der Belüftungsleitung, bzw. von verschiedenen Abschnitten hiervon, also z. B. Länge und Durchmesser. Weitere Parameter können z. B. Reibwerte oder Leckagewerte sein.
- Wie nachfolgend im Detail näher erläutert wird, sind bevorzugt zumindest einige der bei der Berechnung verwendeten Parameter der Belüftungsleitung jeweils versehen mit einer Ortsangabe, die Eigenschaften (bspw. Leitungsquerschnitte o. Ä.) jeweils bestimmten Stellen in der Belüftungsleitung zuordnet.
- Zusätzlich können bei der Berechnung weitere Parameter einfließen, die von der Belüftungsleitung und dem Ventilator unabhängig sind, z. B. Umweltparameter wie aktuelle Luftdichte, Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.
- Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist es bevorzugt, dass einige der verwendeten Parameter über eine Benutzerschnittstelle eingegeben und gespeichert werden, insbesondere Daten zu Länge und Verlauf der Belüftungsleitung. Einige der bei der Berechnung verwendeten Parameter können auch bspw. durch Messvorrichtungen oder Sensoren ermittelt werden.
- Bei der Berechnung wird mindestens ein erwarteter Betriebswert des Ventilators ermittelt. Hierbei kann es sich um verschiedene, den Betriebspunkt des Ventilators charakterisierende Werte handeln, bspw. um die Drehzahl. Der Betriebswert kann auch ein Wert der Ansteuerung des Ventilators sein, bspw. die Frequenz, mit der ein elektrisch betriebener Ventilator angesteuert wird. Bevorzugt handelt es sich bei dem berechneten erwarteten Betriebswert um die von dem Ventilator aufgenommene Leistung.
- Ein oder mehrere bei der Regelung des Betriebs des Ventilators zugrunde gelegte Sollwerte werden bevorzugt ebenfalls bei der Berechnung berücksichtigt, insbesondere ein Vorgabewert für einen an einem Auslass zu erreichenden Volumenstrom.
- Erfindungsgemäß wird im Betrieb ein realer, aus der obigen Regelung resultierender Betriebswert des Ventilators ermittelt und mit dem erwarteten Betriebswert verglichen. Somit erfolgt eine Überprüfung des sich bei der Echtzeit-Regelung einstellenden Betriebspunktes mit dem anhand von Parametern des Ventilators und der Belüftungsleitung zu erwartenden Betriebspunkt. Stimmen diese - im Rahmen jeweils festzulegender Toleranzen - überein, so kann ein erwartungsgemäßer Betrieb festgestellt und ggf. signalisiert werden.
- Im Fall von Abweichungen des realen Betriebswerts von dem erwarteten Betriebswert, die über festgelegte Toleranzen hinausgehen, liegt entweder eine Fehlfunktion des Systems vor oder zumindest sind die bei der Berechnung verwendeten Parameter nicht vollständig richtig. Üblicherweise werden Abweichungen durch unerwartete Verluste hervorgerufen, d.h., dass es zu einem zu starken Betrieb des Ventilators kommt, der mit einer erhöhten Leistungsaufnahme einhergeht.
- Die Abweichung wird erfindungsgemäß signalisiert, bspw. in Form einer optischen oder akustischen Anzeige oder in Form eines elektrischen Signals, das bspw. zur Steuerung oder Informationsübermittlung verwendet werden kann.
- Dabei wird eine Abweichung in der Regel auf einen Fehlerzustand der Belüftungsanlage hindeuten. Während dies u. U. auch eine Störung am Ventilator, einer Regeleinrichtung oder der angeschlossenen Messvorrichtung sein kann, wird es sich überwiegend um Fehler bzw. Defekte der Belüftungsleitung handeln, d. h. bspw. um nicht bei der Berechnung berücksichtigte Leckage, geänderte oder falsche Verlegung, Knicke, Engstellen oder zusätzliche, bei der Berechnung nicht berücksichtigte Verbraucher wie bspw. Filter, Schalldämpfer oder Gitter.
- Es hat sich erwiesen, dass insbesondere im Baustellenbetrieb derartige Defekte bzw. Abweichungen in der Verlegung der Belüftungsleitung unbemerkt entstehen können, bspw. durch unsachgemäße Handhabung. So kann es insbesondere bei flexiblen Abschnitten der Belüftungsleitung, insbesondere Luttenleitungen, zu Beschädigungen wie Lecks kommen, oder durch Eindrücken der Leitung können Engstellen entstehen. Ebenso ist es möglich, dass durch Mitarbeiter bspw. eine verlegte Luttenleitung bewegt und dabei gebogen oder geknickt wird, um für Arbeiten benötigten Raum zu schaffen.
- Aufgrund der Regelung wird zwar trotz derartiger Änderungen bzw. Fehler die gewünschte Belüftung weiter gewährleistet. Allerdings ist hierfür zum Ausgleich von Verlusten ein stärkerer Betrieb des Ventilators notwendig, so dass mehr Energie benötigt wird. Ohne die erfindungsgemäße Überwachung würde dies in der Regel nicht zeitnah bemerkt.
- Somit ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung einerseits durch die Regelung die Sicherstellung des geordneten, störungsfreien Betriebs mit Bereitstellung der benötigten Belüftung auch im Fall von auftretenden Defekten oder unsachgemäßem Umgang mit der Belüftungsleitung. Gleichzeitig wird aber durch die Signalisierung eine ständige Überprüfung des Betriebs ermöglicht.
- So können insbesondere Defekte oder Änderungen an der Belüftungsleitung nicht nur festgestellt werden, sondern es kann bei Signalisierung des Grads der Abweichung bevorzugt auch deutlich werden, welche Auswirkungen die Abweichung auf den energieeffizienten Betrieb des Gesamtsystems hat. Auf der Basis der Signalisierung kann so eine Entscheidung herbeigeführt werden, ob ggf. Defekte oder durchgeführte Änderungen in der Verlegung der Belüftungsleitung repariert bzw. korrigiert werden sollten. So kann ein besonders energieeffizienter Betrieb sinnvoll unterstützt werden.
- Aufgrund der automatischen Durchführung der Berechnung und des Vergleichs ist zur Feststellung entsprechender Probleme nicht die ständige Anwesenheit von fachkundigem Personal notwendig, sondern dieses kann ggf. bei Signalisierung einer Abweichung verständigt werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur Belüftung jeder Form von unterirdischen Bauwerken verwendet werden, die hier allgemein als Tunnelbauwerke bezeichnet sind. Insbesondere eignen sie sich für nicht durchgängige Tunnelbauwerke, d.h. Tunnel mit einem abgeschlossenen Ende, bspw. während des Tunnelbaus. Wie bereits erläutert ergeben sich dabei zwar besondere Vorteile bei temporär erstellter und oft geänderter Konfiguration der Belüftungsleitung, dennoch können auch zum permanenten Betrieb eingerichtete Belüftungsanlagen damit sinnvoll auf eventuelle Defekte überwacht werden.
- Das Verfahren und die Vorrichtung können dabei besonders flexibel ausgestaltet sein, so dass jederzeit die Berücksichtigung von Änderungen, bspw. der Belüftungsanlage möglich ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können bspw. Änderungen der Belüftungsleitung vorgenommen werden, also z. B. eine Änderung des Verlaufs der Leitung, eine Verlängerung der Leitung oder auch eine Hinzufügung von neuen Leitungsabschnitten oder von Verbrauchern. Gemäß der Weiterbildung erfolgt dann eine Neuberechnung des erwarteten Betriebswerts basierend auf Parametern der geänderten Belüftungsleitung. Diese können bspw. über eine Benutzerschnittstelle eingegeben und ggf. gespeichert werden. Im Folgenden kann dann der Betrieb der Belüftungsanlage mit der geänderten Belüftungsleitung erfolgen und überwacht werden.
- Für die Berechnung des jeweils erwarteten Betriebswertes des Ventilators sind verschiedene Berechnungswege möglich. Bevorzugt erfolgt die Berechnung so, dass von einem oder mehreren Luftstrom-Parametern an einem Auslass der Belüftungsleitung ausgegangen wird. Die Luftstrom-Parameter können insbesondere den Volumenstrom, den statischen Druck und/oder den dynamischen Druck umfassen. Im weiteren Gang der Berechnung werden dann bevorzugt unter Berücksichtigung von Eigenschaften der Belüftungsleitung ein oder mehrere Luftstrom-Parameter am Eingang der Belüftungsleitung, d. h. am Anschluss des Ventilators ermittelt. So kann der sich voraussichtlich einstellende Betriebspunkt des Ventilators ermittelt werden.
- Besonders bevorzugt kann die Berechnung durch ein iteratives Berechnungsverfahren erfolgen, bei dem ausgehend von einem oder mehreren Luftstrom-Parametern an einem Auslass der Belüftungsleitung für eine Mehrzahl von Stellen entlang der Belüftungsleitung und schließlich für den Eingang der Belüftungsleitung jeweils lokale Luftstrom-Parameter ermittelt werden. Dabei kann schrittweise vom Auslass zum Eingang der Belüftungsleitung vorgegangen werden, bspw. in einer festen oder variablen Schrittweite entlang der Länge der Belüftungsleitung, so dass z. B. für jeden Meter der Strecke iterativ, ausgehend vom Auslass, die jeweils lokalen Parameter des Luftstroms, z. B. Druck und/oder Volumenstrom, berechnet werden.
- Generell können in die Berechnung Parameter wie Leckage-Werte und Reibwerte der Belüftungsleitung sowie Abmessungen, also bspw. Länge und/oder Durchmesser der Belüftungsleitung einfließen. Weiter können bei der Berechnung Informationen zum Verlauf der Belüftungsleitung einfließen, bspw. über Verbraucher, Verengungen, Richtungsänderungen und/oder Seitenauslässe der Belüftungsleitung. Diese Informationen enthalten bevorzugt Angaben zur jeweiligen Position innerhalb der Belüftungsleitung. Bei der bevorzugten iterativen Berechnung können solche Parameter jeweils für jeden der iterativ nacheinander zu berechnenden Schritte bzw. Abschnitte verwendet werden. So können sehr unterschiedliche Leitungsverläufe mit ausreichender Genauigkeit einfach und automatisch berechnet werden.
- Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- in schematischer Ansicht eine Tunnelbaustelle mit einer Belüftungsanlage mit einer beispielhaft ideal verlegten Belüftungsleitung;
- Fig. 2
- in schematischer Ansicht eine alternative Belüftungsleitung für die Belüftungsanlage aus
Fig. 1 ; - Fig. 3
- in schematischer Ansicht eine weitere Belüftungsleitung;
- Fig. 4
- Schematisch ein Kennlinienfeld eines Ventilators und
- Fig. 5
- in schematischer Ansicht Bestandteile einer Regelvorrichtung und einer Überwachungsvorrichtung für die Belüftungsanlage aus
Fig. 1 . - In
Figur 1 ist schematisch eine Belüftungsanlage 10 für die Baustelle eines Tunnels 12 dargestellt. Außerhalb des Tunnels 12 befindet sich ein Ventilator 14, der Frischluft 16 ansaugt und durch eine Belüftungsleitung 20 in den Tunnel 12 einbringt. Die geförderte Luft wird an einen Auslass 18 am Ende der Belüftungsleitung 20 in das Innere des Tunnels 12 abgegeben. - Die Belüftungsleitung 20 ist dabei eine Luttenleitung, aufgebaut aus einzelnen miteinander verbundenen flexiblen Luttenelementen. Die Luttenelemente weisen eine Wandung aus mit Kunststoff beschichtetem Gewebe auf, das mit einer Verstärkungsspirale armiert ist. Aufeinanderfolgende Luttenelemente sind mit Kupplungen aneinander angeschlossen und zu einem Luttenstrang verbunden. Die Luttenleitung kann aufeinander gefaltet oder auseinandergezogen werden, so dass die Luttenelemente in ihrer Länge veränderbar sind. So kann die Leitung 20 während des konstanten Vortriebs beim Bau des Tunnels 12 jeweils in der Länge angepasst werden, so dass Frischluft stets bis in den Bereich des Tunnelendes geliefert werden kann.
- Von dem am Auslass 18 abgegeben Luftstrom werden durch eine Messvorrichtung 24 Messwerte erfasst. Die so erfassten Messwerte werden als elektrisches Signal über eine Signalleitung 26 einer Regelvorrichtung 22 zugeführt.
- Die Regelvorrichtung 22 umfasst in der bevorzugten Ausführung eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die das Messsignal verarbeitet, sowie einen Frequenzumrichter (nicht dargestellt), mit dem eine Frequenz für die elektrische Versorgung und den Betrieb des Ventilators 14 vorgegeben werden kann.
- In der bevorzugten Ausführung ist der erfasste Messwert der Volumenstrom am Auslass 18. In der SPS läuft ein Regelprogramm ab, mit dem der durch die Messvorrichtung 24 gemeldete Volumenstrom auf einen konstanten Vorgabewert geregelt wird. Hierfür wird das über die Leitung 26 empfangene Messsignal ausgewertet und entsprechend einem Regelalgorithmus eine geeignete Ansteuerung des Ventilators 14 durch den Frequenzumrichter vorgegeben, wobei die Stellgröße die Frequenz ist.
-
Figur 4 zeigt beispielhaft ein Kennlinienfeld für den Ventilator 14. Dort sind für verschiedene beispielhaft angegebene Frequenzen f1, f2, f3 Abhängigkeiten des erreichbaren Drucks p von gelieferten Volumenstrom V gezeigt. Bei konstantem Betrieb mit einer festen Frequenz, hier bspw. f2, ergibt sich durch die angeschlossene Last, hier die Belüftungsleitung 20, ein Arbeitspunkt A mit einen Ausgangsdruck pA und einen vom Ventilator in die Belüftungsleitung 20 gelieferten Volumenstrom VA. Durch eine Erhöhung der Frequenz, bspw. auf die Frequenz f1 können höhere Drücke bzw. Volumenströme erreicht werden. - In der derzeit bevorzugten Ausführung wird ein PI-Regelalgorithmus verwendet, um eine Ansteuerung des Ventilators 14 jeweils mit einer solchen Frequenz f zu bewirken, dass der durch die Messvorrichtung 24 erfasste Volumenstrom V am Auslass 18 auf einen konstanten Vorgabe- bzw. Sollwert geregelt wird. Um dabei Änderungen in der Ansteuerung des Ventilators 14 möglichst gering zu halten und um zusätzlich auch der Trägheit des Systems Rechnung zu tragen, die durch die Länge der Belüftungsleitung 20 vorgegeben ist, wird die jeweilige Ansteuerung des Ventilators 14 beim Erreichen des vorgegebenen gewünschten Volumenstroms am Auslass 18 konstant gehalten, wenn der vorgegebene Sollwert für den Volumenstrom mit einer Abweichung unterhalb einer Toleranzschwelle von bspw. 10 % über einen Stabilitätszeitraum von bspw. 60 Sekunden erreicht wurde. Eine Nachregelung wird ausgelöst, wenn entweder ein neuer Vorgabewert für den gewünschten Volumenstrom eingegeben wird oder der gemessene Wert für den realen Volumenstrom am Auslass 18 länger als der vorgegebene Stabilitätszeitraum um mehr als die vorgegebene Toleranzschwelle abweicht.
- Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass durch das Belüftungssystem 10 stets der vorgegebene Sollwert des Volumenstroms an Frischluft in den Tunnel 12 eingebracht wird.
- Während die Belüftungsleitung 20 in
Figur 1 als eine ideal gerade verlegte Belüftungsleitung dargestellt ist, kann es bei realen Belüftungsanlagen, insbesondere unter Baustellenbedingungen, zu Änderungen oder Defekten an der Belüftungsleitung 20 kommen. Eine erste mögliche Änderung wäre bspw. die Verlängerung der Belüftungsleitung 20, entweder indem ein neues Luttensegment angesetzt wird oder indem ein bestehendes Luttensegment flexibel in der Länge verändert wird. InFigur 2 sind beispielhaft weitere Änderungen bzw. mögliche Defekte dargestellt. So kann bspw. durch Eindrücken oder Knicken eine Engstelle 28a in einen flexiblen Abschnitt der Belüftungsleitung 20 entstehen. Weiter können Abschnitte der Belüftungsleitung 20 von der idealen geraden Verlegung abweichen und bspw. Bögen 28b bilden. Schließlich sind verschiedenste Defekte wie insbesondere Lecks 28c an Stellen entlang der Belüftungsleitung 20 möglich. - Die genannten Änderungen bzw. Defekte der Belüftungsleitung 20 haben einen vergrößerten Luftwiderstand zur Folge. Bei umgeändertem Betrieb des Ventilators 14 würde sich so der Volumenstrom am Auslass 18 verringern. Durch den geschlossenen Regelkreis bewirkt die Regelvorrichtung 22 eine Nachregelung, d. h. Frequenzerhöhung am Ventilator 14, so dass schließlich am Auslass 18 doch der voreingestellte Sollwert für den gewünschten Volumenstrom V erreicht wird.
- Allerdings führt die erforderliche Nachregelung, d. h. Frequenzerhöhung am Ventilator, zu einer erhöhten Leistungsaufnahme. Dies wird durch die Überwachungsvorrichtung 30 überwacht.
-
Figur 5 zeigt den logischen Aufbau der Überwachungsvorrichtung 30. Diese umfasst - schematisch dargestellt - eine Berechnungseinheit 32, hiermit verbundene Speicher 34a, 34b, eine Vergleichseinheit 36 und eine Anzeigeeinheit 38. Dabei ist die Unterteilung zwischen den jeweiligen Einheiten logisch/organisatorisch zu verstehen. In der bevorzugten konkreten Realisierung handelt es sich um einen Computer üblicher Bauweise, d.h. insbesondere mit einer Zentraleinheit zur Ausführung eines Programms, flüchtigem und nichtflüchtigem Speicher, sowie mit Ein- /Ausgabeschnittstellen. Die nachfolgend beschriebene Funktionalität wird dabei durch geeignete Software bereitgestellt. - Im Speicher 34a sind Kenndaten zum Betrieb des angeschlossenen Ventilators 14 gespeichert, insbesondere das betreffende Kennlinienfeld, wie es symbolisch in
Figur 4 dargestellt ist. Dabei sind die maßgeblichen Kurven durch Tabellenwerte wiedergegeben, wobei Zwischenwerte durch Interpolation berechnet werden. - In Speicher 34b sind Informationen über die Belüftungsleitung 20 abgespeichert. Dies umfasst die Länge L der Leitung 20 sowie Leitungsparameter wie mittlere Leckageverluste (Leckagewert f für die unbeschädigte Leitung), Leitungsdurchmesser D, Reibungskoeffizient λ, etc.. Sofern diese Werte konstant für alle Abschnitte der Leitung 20 gelten, reicht die jeweils einmalige Speicherung der Werte. Umfasst die Leitung 20 verschiedene Abschnitte, bspw. mit unterschiedlichem Material oder unterschiedlichen Abmessungen, so ist in Speicher 34b jeweils zusätzlich abgespeichert, in welchem der Abschnitte welche Werte gelten.
- Schließlich umfassen die in Speicher 34b gespeicherten Informationen über die Belüftungsleitung 20 eventuelle Verbraucher innerhalb der Leitung, bspw. Filter, Gitter, aber auch Bögen, Engstellen etc. Änderungen und sogar kleinere Defekte der in
Figur 2 gezeigten Art können z.T. durchaus in Prinzip bekannt sein und mindestens temporär in Kauf genommen werden. Bspw. kann im Baustellenbetrieb eine kurzfristige Verlegung der Luttenleitung 20 in einen Bogen 28b sinnvoll sein, um ein Hindernis zu umgehen, oder eine Verengung 28a kann zumindest temporär hingenommen werden, solange kein repariertes Material zur Verfügung steht. - Sämtliche dieser Informationen über die Verlegung der Belüftungsleitung 20 werden über eine Benutzerschnittstelle 40 eingegeben und im Speicher 34b gespeichert. In jedem Fall der Änderung der Verlegung werden die abgespeicherten Informationen aktualisiert.
- Ausgehend von diesen gespeicherten Informationen berechnet die Berechnungseinheit 32 den erwarteten Betrieb des Ventilators voraus und ermittelt einen erwarteten Betriebswert E. In der derzeit bevorzugten Ausführung handelt es sich bei den erwarteten Betriebswert E um die prognostizierte elektrische Leistungsaufnahme des Ventilators. Details zur Durchführung der Berechnung werden weiter untenstehend erläutert.
- Im realen Betrieb des Belüftungsanlage 10 mit der oben erläuterten Regelung wird ein realer Betriebswert der Ventilators 14 ermitteln, wobei es sich um dieselbe Größe handelt wie der erwartete Betriebswert, nämlich im bevorzugten Beispiel die elektrische Leistungsaufnahme W. Diese kann entweder gemessen oder durch die SPS 22 oder die Überwachungsvorrichtung 30 anhand von bekannten Kennlinien des Ventilators 14 aus den Betriebsdaten, bspw. der Drehzahl, Betriebsfrequenz f oder zusätzlichen Daten des Arbeitspunkts A, rechnerisch ermittelt werden.
- Der reale Betriebswert der elektrischen Leitungsaufnahme W wird in der Vergleichseinheit 36 mit dem erwarteten Betriebswert der elektrischen Leistungsaufnahme E verglichen. Das Ergebnis des Vergleiches wird durch die Anzeigeeinrichtung 38 ausgegeben.
- Dabei zeigt in der derzeit bevorzugten Ausführung die Anzeigeeinrichtung 38 den Grad der Abweichung zwischen der realen Leistungsaufnahme W und der erwarteten Leistungsaufnahme E, bspw. in Prozent, als Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad kann dabei intervallweise verschieden signalisiert werden, bspw. grün bei hohem Wirkungsgrad (z.B. 100%-95%), gelb bei mittlerem Wirkungsgrad (z.B. unter 95% - 85%) und rot bei geringem Wirkungsgrad (z.B. unter 85%).
- Auf diese Weise wird stets angezeigt, wie sich der aktuelle Betrieb der Belüftungsanlage 10 gemäß den eingegebenen Parametern hinsichtlich des Wirkungsgrades vom Idealzustand unterscheidet. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrads, die durch Verluste hervorgerufen wird, die durch unbekannte, d.h. nicht in den gespeicherten Informationen enthaltene Änderungen oder Defekte entstehen, wird so nicht nur generell angezeigt, sondern kann auch quantifiziert werden.
- So wird deutlich gemacht, welche Einsparpotentiale für den Betreiber der Belüftungsanlage 10 bestehen. Wird ein schlechter Wirkungsgrad angezeigt, sollte der Betreiber die Anlage und insbesondere die Belüftungsleitung 20 überprüfen und verbessern, um eine energieeffizientere Belüftung zu ermöglichen. Dabei sollten insbesondere eventuelle Beschädigungen oder nicht tatsächlich benötigte Änderungen wie Knicke, Bögen oder auch zusätzliche Verbraucher ermittelt werden, die zu vermeidbaren Verlusten führen.
- Die Berechnung innerhalb der Berechnungseinheit 32 kann dabei unterschiedlich erfolgen, je nach der gewünschten Genauigkeit und dem vertretbaren Aufwand hierfür. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform wird zunächst der benötigte Arbeitspunkt des Ventilators 14 durch ein iteratives Berechnungsverfahren unter Verwendung der gespeicherten Parameter der Belüftungsleitung 20 ermittelt. Dabei wird ausgehend vom Auslass 18 schrittweise zum Eingang der Belüftungsleitung 20 zurückgerechnet, wobei für jeden Punkt der Berechnung einerseits lokale Parameter der Belüftungsleitung 20 und andererseits Umgebungsparameter berücksichtigt werden. Hiermit werden für jeden Punkt Parameter des Luftstroms berechnet. Ausgehend von den so ermittelten Luftstromparametern am Einlass der Belüftungsleitung, d.h. am Anschluss des Ventilators 14, wird aus den gespeicherten Parametern des Ventilators 14 der Arbeitspunkt A ermittelt, so dass die zu erwartende Ansteuerung, nämlich die am Frequenzumrichter einzustellende Frequenz f sowie die dann resultierende erwartete elektrische Leistungsaufnahme E abgeleitet werden kann.
- Bei der Berechnung der Luftstrom-Parameter innerhalb der Belüftungsleitung werden im bevorzugten Beispiel als lokale Parameter der Leitung der Reibungskoeffizient λ, ein Leckagewert f*, der Durchmesser D der Leitung sowie als Umgebungsparameter die Dichte ρ der Luft bei der Berechnung verwendet.
- Der Leckagewert f ist ein Maß für die Dichtigkeit des jeweiligen Leitungsabschnitts, bspw. Luttenleitung. Der Wert kann bspw. berechnet oder experimentell für die jeweils verwendete Leitung bestimmt werden.
- Der Reibungskoeffizient λ ist von der Beschaffenheit der Leitung, insbesondere ihrer Oberfläche, der Undichtigkeit und den Strömungsverhältnissen abhängig. Auch dieser Wert kann bspw. experimentell für die jeweils verwendete Leitung bestimmt werden. Tabelliert ist für viele Leitungstypen der Reibungskoeffizient λ in Abhängigkeit von der Reynoldszahl Re, mit der die Strömungsverhältnisse in der Leitung charakterisiert werden können.
- Als Luftstrom-Parameter werden statischer Druck pstatisch und Luftgeschwindigkeit U für jeden betrachten Punkt der Leitung lokal berechnet.
- Ausgangspunkt der Berechnung ist der Sollwert des Luftvolumenstroms V am Auslass 18 der Belüftungsleitung 20.
-
- Der Wert U (xvorheriger Schritt) bezeichnet dabei die Strömungsgeschwindigkeit des vorherigen Schritts, pstatisch (xvorheriger Schritt) bezeichnet die Druckerhöhung gegenüber dem vorherigen Schritt aufgrund der Verhältnisse in der Leitung.
- Eventuelle gespeicherte Verbraucher innerhalb des aktuell berechneten Leitungsabschnitts werden durch den Term pzusätzlich (xaktuell) als zusätzliche Druckerhöhung gegenüber dem zuletzt berechneten Schritt berücksichtigt. Derartige Verbraucher können bspw. Querschnittsänderungen innerhalb der Leitung, Richtungsänderungen oder im Luftstrom angeordnete Hindernisse wie Schalldämpfer, Schutzgitter o.Ä. sein. Für jede Art von Verbrauchern, die bei der Berechnung berücksichtigt werden sollen, sind einerseits Angaben zur Anordnung innerhalb der Leitung und andererseits Parameter für den Einfluss der Verbraucher auf den Luftstrom im Speicher 34b gespeichert, so genannte Zeta-Werte, aus denen unter Verwendung der für den jeweiligen Ort ermittelten Luftstrom-Parameter der jeweilige Term pzusätzlich (xaktuell) berechnet werden kann. Die Zeta-Werte sind für verschiedene Arten von Verbrauchen tabelliert oder können experimentell bestimmt werden.
- Als Schrittweite kann bspw. jeweils 1 Meter verwendet werden. Beispielsweise für die in
Fig. 3 gezeigte Belüftungsleitung 20 werden so ausgehend vom Sollwert des Volumenstroms am Auslass 18 schrittweise für jeden Meter bis zum Eingang die Luftstrom-Parameter U, pstatisch berechnet. Da sich im Beispiel vonFig. 3 die Parameter Durchmesser D, Leckagewert f und Reibkoeffizient λ der Leitung nicht ändern, können hier jeweils konstante Werte verwendet werden. Im Fall einer Leitung mit verschiedenen Abschnitten wäre für jeden Schritt der jeweils lokal geltende Wert zu verwenden. - An der in
Fig. 3 beispielhaft gekennzeichneten Stelle L1 befindet sich eine Biegung der Leitung 20, mit der ein Hindernis umgangen wird. Die Parameter dieser Biegung an der Stelle L1, bspw. der Biegungsradius, können ebenfalls über die Benutzerschnittstelle 40 eingegeben und somit die Biegung als Verbraucher durch pzusätzlich (L1) bei der Berechnung berücksichtigt werden. - In Versuchen hat sich gezeigt, dass mit dieser schrittweisen Berechnung eine relativ genaue Simulation der Verhältnisse in der Belüftungsleitung 20 möglich ist und somit unter Berücksichtigung des gespeicherten Kennlinienfelds der notwendige Betriebspunkt A des Ventilators 14 am Eingang der Belüftungsleitung 20 vorausberechnet werden kann. So ist eine gute Vorhersage von Betriebswerten des Ventilators, insbesondere der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme E möglich.
- Während vorstehend bevorzugte Ausführungsformen dargestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungen beschränkt, sondern es sind vielfache Abwandlungen, Ergänzungen und zusätzliche Funktionen möglich.
- Insbesondere kann das beschriebene iterative Simulationsverfahren anders ablaufen, bspw. mit gegenüber der beispielhaft genannten Schrittweite von 1 Meter mit anderer Schrittweite oder unter Berücksichtigung von weniger, anderen oder von mehr Parametern. Auch der Einsatz von völlig anderen Simulationsverfahren zur Ermittlung des erwarteten Betriebswerts ist möglich.
- Weiter erlaubt der Einsatz eines mit der Regelvorrichtung (SPS) 22 verbundenen Computers der Überwachungsvorrichtung 30 beispielsweise auch eine Dokumentationsfunktion, bei der sämtliche Messwerte über die gesamte Betriebsdauer gespeichert und archiviert werden. So kann bspw. auch im Nachhinein dokumentiert werden, dass bzw. ob am Ausgang der Luttenleitung 20 durchgängig der benötigte Volumenstrom V geliefert wurde.
- Sinnvoll ist auch eine externe Datenschnittstelle für die Überwachungsvorrichtung 30, bspw. als digitaler Netzwerk-Anschluss, bevorzugt als Internet-Anschluss. So können sämtliche Daten zum Betriebszustand jederzeit von Ferne abrufbar sein, insbesondere der aktuelle Wirkungsgrad. Über die externe Datenschnittstelle ist von Ferne eine Überwachung oder auch Steuerung möglich. Ebenso können Daten auch aktiv von der Überwachungsvorrichtung 30 an entfernte Geräte übertragen werden, bspw. ein Alarm, wenn ein überwachter Parameter, z.B. der Wirkungsgrad, eine vorgegebene Schwelle unterschreitet.
Claims (14)
- Verfahren zur Belüftung eines Tunnelbauwerks, umfassend- Bereitstellung einer Belüftungsanlage (10), mindestens umfassend einen Ventilator (14), eine an den Ventilator (14) angeschlossene Belüftungsleitung (20) und eine an die Belüftungsleitung (20) angeschlossene Messvorrichtung (24) für einen durch die Belüftungsleitung (20) gelieferten Luftstrom,- Regelung des Betriebs des Ventilators (14) in Abhängigkeit von einem Messwert der Messvorrichtung (24),- Berechnung mindestens eines erwarteten Betriebswerts (E) des Ventilators (14) unter Berücksichtigung mindestens von Parametern des Ventilators (14) und der Belüftungsleitung (20),- Ermittlung eines realen Betriebswerts (W) des Ventilators (14),- Vergleich des realen Betriebswerts (W) mit dem erwarteten Betriebswert (E) und Signalisierung einer Abweichung.
- Verfahren nach Anspruch 1, bei dem- die Belüftungsleitung (20) mindestens einen flexiblen Abschnitt aufweist.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- eine Änderung der Belüftungsleitung (20) vorgenommen wird,- und eine Neuberechnung des erwarteten Betriebswerts (E) basierend auf Parametern der geänderten Belüftungsleitung (20) vorgenommen wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- der Betriebswert (E, W) die vom Ventilator aufgenommene Leistung ist.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- die Messvorrichtung (24) am Auslass (18) der Belüftungsleitung (20) vorgesehen ist.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- die Messvorrichtung (24) Messwerte für den Volumenstrom (V) des durch die Belüftungsleitung (20) gelieferten Luftstroms ermittelt.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- die Regelung des Betriebs des Ventilators (14) so erfolgt, dass der Messwert mindestens im Wesentlichen einem konstanten Sollwert entspricht.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem- bei der Berechnung des erwarteten Betriebswerts (E) ausgehend von einem oder mehreren Luftstrom-Parametern am Auslass (18) der Belüftungsleitung (20) unter Berücksichtigung von Eigenschaften der Belüftungsleitung (20) ein oder mehrere Luftstrom-Parameter am Eingang der Belüftungsleitung (20) ermittelt werden.
- Verfahren nach Anspruch 8, bei dem- die Berechnung durch ein iteratives Berechnungsverfahren erfolgt, bei dem ausgehend von einem oder mehreren Luftstrom-Parametern des Luftstroms am Auslass der Belüftungsleitung (20) für eine Mehrzahl von Stellen entlang der Belüftungsleitung (20) und schließlich für den Eingang der Belüftungsleitung (20) lokale Luftstrom-Parameter ermittelt werden.
- Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem- bei der Berechnung ein Leckage-Wert der Belüftungsleitung (20) berücksichtigt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem- bei der Berechnung Informationen über die Länge (L) und/oder den Durchmesser (D) der Belüftungsleitung (20) berücksichtigt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem- bei der Berechnung Informationen über Verbraucher, Verengungen, Richtungsänderungen und/oder Seitenauslässe der Belüftungsleitung (20) sowie Angaben zur jeweiligen Position (L1) hiervon innerhalb der Belüftungsleitung (20) berücksichtigt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem- die bei der Berechnung berücksichtigten Parameter des Ventilators (14) mindestens Daten zur Abhängigkeit eines gelieferten Volumenstroms (V) vom Druck für verschiedene Betriebspunkte umfassen.
- Vorrichtung zur Belüftung eines Tunnelbauwerks, mit- einer Belüftungsanlage (14), mindestens umfassend einen Ventilator (14), eine an den Ventilator (14) angeschlossene Belüftungsleitung (20) und eine an die Belüftungsleitung (20) angeschlossene Messvorrichtung (24) für einen durch die Belüftungsleitung (20) gelieferten Luftstrom,- einer Einrichtung (32) zu Berechnung mindestens eines erwarteten Betriebswerts (E) des Ventilators (14) unter Berücksichtigung mindestens von Parametern des Ventilators (14) und der Belüftungsleitung (20),- einer Einrichtung (22) zur Regelung des Betriebs des Ventilators (14) in Abhängigkeit von einem Messwert (V) der Messvorrichtung (24),- einer Einrichtung (36, 38) zum Vergleich eines realen Betriebswerts (W) des Ventilators (14) mit dem erwarteten Betriebswert (E) und zur Signalisierung einer Abweichung.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016125405.3A DE102016125405A1 (de) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | Verfahren und Vorrichtung zur Belüftung eines Tunnelbauwerks |
Publications (2)
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