Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen

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1 Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen Building Technologies s

2 Inhaltsverzeichnis.Temperaturregelung von lufttechnischen Anlagen 2. Feuchteregelungen 3. Umluft-Beimischung. Innere Wärmequellen 6.2 Die Zulufttemperaturregelung 6.3 Die Raumtemperaturregelung 8.4 Die Ablufttemperaturregelung 9. Die Raum-Zulufttemperatur-Kaskadenregelung 0.. Aufbau 0..2 Arbeitsweise P+PI-Kaskadenregelung..3 Einstellmöglichkeiten P+PI-Kaskadenregelung.6 Sequenzschaltung von Heizventil und Kühlventil 3.7 Führen einer Temperaturregelung nach der Aussentemperatur 4.8 Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur 6 2. Allgemeines Taupunktregelung Aufbau Regelung Anwendung Taupunkttemperatur Zustandsänderungen im h,x-diagramm Eigenschaften der Taupunktregelung Gleitende Taupunktregelung in Abhängigkeit der Aussentemperatur Direkte, stetige Feuchteregelung Allgemeines Klimaanlage mit stetig regelbarem Luftwäscher Luftzustandsänderungen im Winter Luftzustandsänderungen im Sommer Stetig regelbare Dampfbefeuchtung Eigenschaften der direkten, stetigen Feuchteregelung Zweipunktregelung der Befeuchtung Befeuchtung mit Luftwäscher Zweipunktregelung der Befeuchtung mit Dampf Allgemeines Konstante Umluft-Beimischung Manuelle Steuerung der Umluft-Beimischung Steuerung der Luftklappen im Heizbetrieb Steuerung der Luftklappen im Kühlbetrieb Energie-optimale Luftklappensteuerung nach dertemperatur- oder Enthalpie-Differenz zwischen Abluft und Aussenluft Heizbetrieb Kühlbetrieb Energie-optimale Umluftbeimischung in Abhängigkeit von der Mischluft-Temperatur oder Mischluft-EnthaIpie Sequenzschaltungen Die Komfortschaltung Die Sparschaltung Sequenzschaltung Luftklappen, Heizventil, Kühlventil Bedarfsgeführte Luftqualitätsregelung 47 3

3 4. Regelung und Vereisungsschutz von WRG-Apparaten. Teilklima-Anlagenkonzepte 6.Vollklima-Anlagenkonzepte mit Wärmerückgewinnung 4. Allgemeines Umluftbeimischung Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager (rekuperative WRG) Regelung Vereisungsschutz Kreislaufverbund-System Regelung Vereisungsschutz 6 4. Wärmerohre (Heat pipes) Rotations-Wärmeübertrager Regelung Vereisungsschutz Wärmepumpen Kombination von WRG-Apparat mit Umluftbeimischung Umluftbeimischung vor dem WRG-Apparat Umluftbeimischung nach dem WRG-Apparat 66. Aufbau und Anwendungsbereiche 70.. Temperaturregelung Feuchteregelung Zustandsänderungen im h,x-diagramm 7.2 Teilklimaanlagen für Räume mit hohem innerem Feuchte-Anfall (Schwimmbad-Lüftungsanlagen) Anlagen mit stetiger Regelung der Raumtemperatur und Entfeuchtung durch Aussenluft-Beimischung Schwimmbad-Raumtemperatur- und Feuchteregelung mit Sollwertführung der relativen Raumfeuchte Schwimmbad-Raumtemperatur- und Feuchteregelung mit Sollwertführung der rel. Raumfeuchte und WRG 77.3 Teilklimaanlage mit WRG Heizen Kühlen Allgemeines Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG Kühlen Heizen Befeuchten (mit Dampf) Entfeuchten Vollklimaanlage mit Umluftbeimischung Kühlen Heizen Befeuchten (stetig, adiabat) Entfeuchten Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG Kühlen Heizen Befeuchten (stetig, adiabat) Entfeuchten 8 6. Vollklimaanlage mit regenerativer WRG (Feuchteübertragung) Kühlen Heizen Befeuchten (Dampf) Entfeuchten Vergleich der verschiedenen Anlagenkonzepte bezüglich Energieverbrauch hx-geführte Regelung (Economiser tx2) tx2-regelung tx2 ERG-Strategie DEC-Systeme Regelung von DEC-Systemen 94 4

4 7. Diverse Steuer- und Regelfunktionen 8. Regeln und Steuern der Luftnachbehandlung 7. Frostschutz Frostschutzthermostat Zweistufige Frostschutzfunktion Spezielle Frostschutz-Anfahrsteuerung Luftfilter-Überwachung Überwachung durch Filterwächter Überwachung mittels Druckdifferenzfühler Lüftungs- und Klimaanlagen mit Elektro-Lufterwärmern Quell-Lüftung Kombination von Quell-Lüftung und Kühldecke Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach der Aussentemperatur Lokale Taupunkt-Überwachung im Raum (Ein/Aus) Zentrale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach einem kritischen Raum Lokale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach dem Raumzustand Druck- und Volumenstromregelungen in Lüftungsanlagen Regelung des Zuluftdruckes Überdruck- oder Unterdruckregelung eines Raumes 7..3 Luftvolumenstromregelung Kühlung durch intensive Nachtlüftung Brandfallsteuerung Brandabschaltung Entrauchungsbetrieb 4 8. Allgemeines 8.2 Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung 8.3 Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale Zweikanal-Anlagen 7 8. Funktionsprinzip der VVS-Anlagen Einzelraum-Temperaturregelung mit VVS Führung der zentralen Zulufttemperatur durch die Sollwerte der Einzelraum-Temperaturen Führung des primären Luftvolumenstroms Statische Druckregelung in den Luft-Kanälen Fan-Coil-Anlagen Induktionsanlagen Sollwertführung der Vorlauftemperaturen Einzelraum-Kompakt-Klimageräte Fenster-Klimageräte Truhenklimageräte Split-Klimageräte 3

5 .Temperaturregelung von lufttechnischen Anlagen. Innere Wärmequellen Soll eine Raumtemperatur konstant gehalten werden, so sind die inneren Wärmequellen während der Kühlperiode Störgrössen, die mit hohem Energieaufwand weggekühlt werden müssen. Während der ganzen Heizperiode hingegen können die inneren Wärmequellen als Heizenergie genutzt werden. Aus regeltechnischer Sicht können dabei die folgenden drei Wärmequellen wirksam sein: Wärmeabgabe von Heizkörpern (Grundlastheizung) Wärmezufuhr der Lüftungsanlage Innere Wärmequellen (Personen, Geräte, Beleuchtung, Sonneneinstrahlung etc.) Bei richtiger Aufteilung der Wärmezufuhr auf die Grundlastheizung einerseits und die Lüftungsanlage unter sorgfältiger Berücksichtigung der inneren Wärmequellen andererseits, sollte es deshalb keine grossen regeltechnischen Probleme geben..2 Die Zulufttemperaturregelung In Fig. - hat eine einfache Lüftungsanlage die Aufgabe, einen Raum ohne inneren Wärmeanfall mit Aussenluft zu versorgen, während die Raumheizung selbst mittels Radiatoren erfolgt. Damit die Raumtemperatur bei der tiefsten Aussentemperatur konstant auf z.b. 2 C bleibt, muss die Radiatorenheizung 00 % der Heizlast aufbringen, d.h. alle Wärmeverluste decken, sowie die Zuluft mit einer Temperatur von 2 C eingeblasen werden. Die Lüftungsanlage trägt in diesem Falle nichts zur Raumheizung bei. Sie hat lediglich die Aufgabe der Lufterneuerung und damit der Aussenlufterwärmung auf die Raumtemperatur w w B7- Fig. - Zulufttemperaturregelung mit Grundlastheizung Zulufttemperaturfühler 2 Zulufttemperaturregler 3 Stellantrieb mit Heizventil 4 Raumtemperaturfühler Raumtemperaturregler 6 Stellantrieb mit Heizventil 7 Zulufttemperatur-Führungsgeber (nach Aussentemperatur) 8 Aussentemperatur-Fühler 9 Frostschutzthermostat 6

6 Die Regelung der ganzen Anlage geschieht wie folgt: Für die Lüftungsanlage wird die sogenannte Zulufttemperaturregelung gewählt, d.h. dertemperaturfühler für die Lüftungsanlage ist im Zuluftkanal montiert. Der stetige Temperaturregler 2 vergleicht die vom Fühler gemessene Temperatur mit dem Sollwert. Bei einer Abweichung bewirkt der Regler das Verstellen des Heizventils 3 so, dass eine konstante Zulufttemperatur erreicht wird. Der Sollwert der Zulufttemperatur darf nur dann auf den gleichen Wert wie die Raumtemperatur eingestellt werden, wenn keine innere Wärme anfällt. Andernfalls ist die Zulufttemperatur entsprechend tiefer einzustellen, jedoch nicht so tief, dass Zuglufterscheinungen auftreten. Die Leistung des Lufterwärmers muss so ausgelegt sein, dass sie auch bei tiefster Aussentemperatur den für die Lüftung notwendigen Aussenluftvolumenstrom auf den eingestellten Sollwert bringen kann. Weil die im Raum eventuell auftretende innere Wärme nur mit einem Raumtemperaturfühler (4) erfasst werden kann, muss für die Radiatorenheizung die Raumtemperaturregelung vorgesehen werden. Ist die Zulufttemperatur infolge des inneren Wärmeanfalls tiefer eingestellt als die Raumtemperatur, so sinkt letztere ab, wenn die inneren Wärmequellen ausbleiben. In diesem Falle muss die Radiatorenheizung, nebst der eigentlichen Heizlast, zusätziich auch die Erwärmung der kälteren Zuluft auf die gewünschte Raumtemperatur übernehmen können. Diese Art der Regelung darf nur bei Anlagen mit kleinerem innerem Wärmeanfall angewendet werden. Bei grösseren und unregelmässig auftretenden inneren Wärmequellen im Raum senkt der Raumtemperaturregler die Heizkörpertemperatur jeweils entsprechend stark ab. Oftmals ergibt sich dann so mehr oder weniger ein Auf/Zu-Betrieb der Radiatorenheizung mit entsprechender Temperaturschwankung im Raum. Zudem entfällt bei kalten Radiatoren der Warmluftschleier vor den Fenstern, wodurch ein höchst unbehaglicher Zustand entsteht (Zugerscheinung durch kalte Fallströmung an den Fenstern). Soll im Sommer auch gekühlt werden, so können keine Garantien für die Raumtemperatur abgegeben werden. Meist ist es dann vorteilhaft, den Sollwert der Zulufttemperatur mit einem Führungsgeber (7) in Abhängigkeit von der Aussentemperatur zu führen (siehe.7). Die Zulufttemperaturregelung wird dort angewendet, wo die Lüftungsanlage hauptsächlich der Lufterneuerung dient: Vor allem mit der Belüftung von Küchen, Restaurants, Garagen, Turnhallen u.ä. soll die schlechte Raumluft erneuert werden. Die Raumtemperatur selbst kann dabei von untergeordneter Bedeutung sein. Für andere Räume, wie Werkstätten, Werkhallen, Lagerräume usw. kann während der Heizperiode mit der Zulufttemperaturregelung eine konstante Raumtemperatur gewährleistet werden, wenn im betreffenden Raum keine veränderliche innere Wärmequelle, dafür aber eine zu 00 % regelbare Grundlastheizung vorhanden ist. Diese Grundlastheizung (z.b. Radiatorenheizung) muss nach der Raumtemperatur geregelt werden. Zur besseren Anpassung der Zulufttemperatur an die Wärmeverluste des belüfteten Raumes kann die Zulufttemperatur nach der Aussentemperatur geführt werden. 7

7 .3 Die Raumtemperaturregelung Tritt in einem Raum eine grössere innere Wärmemenge auf, so muss diese aus wirtschaftlichen Gründen zur Beheizung des Raumes genutzt werden, d.h. sie muss in die Regelung der Lüftungsanlage einbezogen werden. Dies geschieht mit der Raumtemperaturregelung gemäss Fig a w ϑzu 7 MAX 8 MIN 2 w ϑr 0 B7-2 Fig. -2 Raumtemperaturregelung mit Grundlastheizung Raumtemperaturfühler (alternativ Ablufttemperaturfühler a) 2 Raumtemperaturregler 3 Stellantrieb mit Heizventil 4 Stellantrieb mit Kühlventil Zulufttemperatur-Fühler 6 Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer 7 Vorrangauswahl Heizventil 8 Vorrangauswahl Kühlventil 9 Vorlauftemperaturfühler 0 Aussentemperaturfühler Vorlauftemperaturregler 2 Stellantrieb mit Heizventil 3 Frostschutzthermostat Die Regelung dieser Anlage funktioniert wie folgt: Die Zulufttemperatur wird nicht mehr auf einen konstanten Wert geregelt, sondern raumtemperaturabhängig, d.h. der stetige Regler 2 vergleicht die vom Fühler gemessene Raumtemperatur mit dem Sollwert. Bei einer Abweichung bewirkt der Regler das Verstellen des Heizventils 3 oder des Kühlventils 4. Je höher z.b. die Raumtemperatur infolge innerer Wärmequellen ansteigen will, desto kälter wird die Zuluft eingeblasen, so dass die Raumtemperatur konstant auf ihrem gewählten Wert bleibt. Ein Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer sorgt dafür, dass bei grossem innerem Wärmeanfall die Zuluft nicht so kalt eingeblasen werden kann, dass unbehagliche Zugerscheinungen auftreten (siehe.8). Damit die Anlage, nebst der verbrauchten Luft, nicht auch die innere Wärme ungenutzt ins Freie fördert, muss die Grundlastheizung reduziert werden. Dadurch «wird Platz geschaffen» für die inneren Wärmequellen. Die Heizleistung der Radiatoren wird aber nur so stark reduziert, dass auch bei ungünstigen Verhältnissen der Warmluftschleier vor den Fenstern gerade noch sichergestellt ist. Im Allgemeinen legt man hierfür die Radiatorenheizung für eine Raumtemperatur von etwa 2... C aus. Die Regelung der Radiatorenheizung muss dabei unbedingt witterungsabhängig erfolgen. Durch die Herabsetzung der Wärmeleistung der Radiatoren kann der Raum bei einem eventuellen Ausbleiben der inneren Wärmequellen nicht mehr genügend geheizt werden. Die dann fehlende Heizleistung muss deshalb vom Lufterwärmer übernommen werden. 8

8 Die Heizleistung lässt sich demnach wie folgt aufteilen: Wärmeleistung der Radiatorenheizung (Grundlastheizung) + Wärmeleistung der Lüftungsanlage + Innere Wärmequellen = 00 % Heizleistung Die Raumtemperaturregelung der Lüftungsanlage wird angewendet für die Heizung und Belüftung von Büro-, Konferenz-, Verkaufs- und Lagerräumen, Werkstätten und ähnlichen Räumen mit oder ohne innere Wärmequellen. Die Heizlast kann in einem beliebigen Verhältnis auf die Grundlastheizung und die Lüftungsanlage aufgeteilt werden (Luftschleier!). Die Regelung der Grundlastheizung darf jedoch nicht auch als Raumtemperaturregelung erfolgen, da sich sonst die beiden Raumtemperatur-Regelkreise gegenseitig störend beeinflussen würden. Der Vorteil der Raumtemperaturregelung gegenüber der Zulufttemperaturregelung liegt vor allem in der Ausregelgeschwindigkeit von Störungen, die innerhalb des belüfteten Raumes auftreten: Bei der Zulufttemperaturregelung wird eine im Raum auftretende Störung vom Temperaturfühler der Radiatorenheizung erfasst. Weil diese Heizung allgemein träge ist, dauert es relativ lange, bis die Störung beseitigt ist. Bei der Raumtemperaturregelung hingegen wird die Störung vom Temperaturfühler der Lüftungsanlage erfasst. Da die Luft im Raum pro Stunde mehrmals umgewälzt wird (Luftwechselzahl), erfolgt eine, im Verhältnis zur Radiatorenheizung, schnelle Beseitigung der Störung. Störungen hingegen, die über die Zuluft in den Raum gelangen, werden wegen der Zeitkonstante des Raumes nur relativ träge ausgeregelt. Solche Störungen können unter anderem sein: Schnelle Aussentemperatur-Änderung Schwankung der Vorlauftemperatur für die Wärmetauscher Ein- und Ausschalten eines Luftwäschers Stellungsänderung von Luftklappen, die von einem Hygrostat gesteuert werden..4 Die Ablufttemperaturregelung Die Ablufttemperaturregelung hat grundsätzlich die gleiche Aufgabe wie die Raumtemperaturregelung, nur ist dertemperaturfühler a im Abluftkanal montiert (in Fig. -2, gestrichelt gezeichnet). Dazu sind unter anderem folgende Punkte zu beachten: Der im Abluftkanal montierte Temperaturfühler misst nur die Lufttemperatur, während ein Raumtemperaturfühler nebst der Raumlufttemperatur auch einen gewissen Anteil an Strahlungswärme z.b. von der Wandtemperatur erfasst. Dadurch wird den Anforderungen an die Behaglichkeit besser entsprochen. Dafür wird die Ausgleichszeit der Regelstrecke (T g ) bei der Ablufttemperaturregelung kürzer, weil der Fühler bei höherer Strömungsgeschwindigkeit schneller reagiert. Die Verzugszeit T u der Regelstrecke wird dadurch aber nicht verkürzt und deshalb wird der Schwierigkeitsgrad S der Regelstrecke grösser (S = T u /T g ). Die Ablufttemperaturregelung wird dort bevorzugt, wo die richtige Platzierung eines Raumtemperaturfühlers problematisch ist oder wo nur die Raumlufttemperatur, ohne Strahlungsanteil, die wesentliche Rolle spielt (z.b. in Labors, Operationssälen usw.). 9

9 . Die Raum-Zulufttemperatur- Kaskadenregelung Wie unter.3 erklärt, können bei einer Raumtemperaturregelung Störungen durch die Zuluft erst vom Raumtemperaturfühler erfasst und ausgeregelt werden. Dieser Nachteil wird durch die Kaskadenregelung ausgemerzt. Zudem ermöglicht sie eine bessere Beherrschung schwieriger Regelstrecken... Aufbau B7-3 Fig. -3 Raum-Zulufttemperatur-Kaskadenregelung Raumtemperaturfühler 2 Raumtemperatur-SolIwertgeber 3 Führungsregler 4 Einstellpotentiometer für Kaskadeneinfluss Zulufttemperaturfühler 6 Folgeregler (Zulufttemperaturregler) 7 Heizventil mit Stellantrieb 8 Einstellpotentiometer für Kaskaden-Basiswert 9 Frostschutzthermostat Haupt- oder Führungsregelkreis Hilfs- oder Folgeregelkreis Haupt-/Führungsregelkreis Hilfs-/Folgeregelkreis Der Haupt- oder Führungsregelkreis besteht aus Führungsregler (3, Raumtemperaturregler), Raumtemperaturfühler (), Raumtemperatur- Sollwertgeber (2), dem Zulufttemperatur-Sollwert-Korrektursignal (4, Kaskadeneinfluss) als Ausgangsgrösse des Reglers und dem Raum als Regelstrecke. Die Zulufttemperatur hat also hier die Bedeutung der Stellgrösse y des Führungsreglers. Statt einen Stellantrieb zu verstellen, wird der Sollwert der Zulufttemperatur verändert und dadurch eine Korrektur der Raumtemperaturabweichung eingeleitet. Der Hilfs- oder Folgeregelkreis wird gebildet aus dem Zulufttemperatur- Sollwert (8), der Stellgrösse des Raumtemperaturreglers (3) mit dem Kaskadeneinfluss (4) als Reglerverstärkung, dem Zulufttemperaturfühler (), dem Zulufttemperaturregler (6), dem Heizventil (7) als Stellgerät und der Regelstrecke zwischen Heizventil und Zulufttemperaturfühler. Wird als Führungsregler ein P-Regler und als Folgeregler ein Pl-Regler verwendet, so spricht man von einer P+PI-Kaskadenregelung. In der weiteren Beschreibung wird nur auf das Verhalten dieser P+PI-Kaskadenregelung eingegangen. 0

10 ..2 Arbeitsweise P+PI-Kaskadenregelung Der Führungsregler (3) erfasst über den Fühler () die Raumtemperatur. Sobald eine Abweichung vom Sollwert (2) auftritt, ändert der Folgeregler (6, Pl-Regler) die Zulufttemperatur mit Hilfe des Zulufttemperaturfühlers () entsprechend dem vom Raumtemperaturregler (3) und dem Kaskadeneinfluss (4) vorgegebenen Sollwert. Störgrössen der Zulufttemperatur werden schon vom Zulufttemperaturfühler erfasst und durch den Folgeregler lastunabhängig auskorrigiert, bevor sie die Raumtemperatur beeinflussen können. Dieses Fernhalten von Störungen der Raumtemperatur durch die Zulufttemperatur erleichtert die Aufgabe des Führungsreglers. Dieser hat folglich nur noch Störungen, die im Raum selber auftreten, auszuregeln. Bei einer Abweichung der Raumtemperatur () vom Sollwert (2) verschiebt der Führungsregler (3, P-Regler) entsprechend dieser Regeldifferenz und dem eingestellten Kaskadeneinfluss (4) den Sollwert der Zulufttemperatur in entgegengesetzter Richtung. Beispielsweise muss bei einem Kaskadeneinfluss von 20 % die Zulufttemperatur- Änderung fünfmal grösser sein als die aufgetretene Raumtemperaturabweichung, d.h. wenn die Raumtemperatur K unter den Sollwert (2) absinkt, dann wird der Sollwert der Zulufttemperatur um K über den Einstellwert (8) angehoben (Fig. -3). Der Folgeregler (6) erfasst über den Fühler () die Zulufttemperatur, vergleicht sie mit dem neuen Sollwert und verstellt das Ventil (7) so lange, bis die geforderte Zulufttemperatur wieder erreicht ist. Der Führungsregler als P-Regler kann aber eine Raumtemperaturstörung meist nicht vollständig beseitigen; er hinterlässt eine bleibende Regeldifferenz. Diese fällt allerdings bei der P+PI-Kaskadenregelung wesentlich kleiner aus als bei einer reinen P-Regelung, da der Sollwert der Zulufttemperatur vom PI-Folgeregler genau eingehalten wird. Und, weil der Übertragungsbeiwert KS der Raumregelstrecken meist < 0, ist, kann die Reglerverstärkung des Raumtemperaturreglers relativ hoch eingestellt werden. Dadurch ergeben sich in der Praxis max. bleibende Regeldifferenzen < K. Zusammenfassend kann über die P+PI-Kaskadenregelung also gesagt werden: Der Führungsregler verschiebt den Sollwert der Zulufttemperatur proportional zur Raumtemperaturabweichung. Dadurch entsteht eine bleibende Regeldifferenz der Raumtemperatur. Die Zulufttemperatur wird aber vom PI-Folgeregler lastunabhängig ausgeregelt. Störgrössen der Zuluftstrecke werden auskorrigiert, bevor sie die Raumtemperatur beeinflussen können. In der HLK-Technik werden der Führungs- und der Folgeregler zu einem einzigen Regelgerät oder Funktionsblock (in der Regler-Software) zusammengefasst (Fig. -3, strichpunktierte Umrandung)...3 Einstellmöglichkeiten P+PI-Kaskadenregelung (vgl. Fig. -3) Sollwert 2 für die gewünschte Raumtemperatur (w R ) Einstellwert 8 für die Zulufttemperatur (Kaskaden-Basiswert w K ): Dieser wird auf den Wert eingestellt, der erforderlich ist, um die gewünschte Raumtemperatur unter Normalbedingungen aufrechtzuerhalten. Er ist abhängig von der Auslegung der Lüftungsanlage, der Grundlastheizung des Raumes und dem inneren Wärmeanfall. wenn eine Grundlastheizung vorhanden ist und die geregelte Anlage nur zur Lüftung des Raumes dient, kann der Kaskaden-Basiswert w K etwa auf den gleichen Wert wie der Raumtemperatur-Sollwert w R eingestellt werden

11 dient die geregelte Lüftungsanlage gleichzeitig auch zur Heizung des Raumes, dann ist der Kaskaden-Basiswert w K höher als der Raumtemperatur-Sollwert w R einzustellen (etwa Halblast) bei dauernd anfallender innerer Wärme ist der Kaskaden-Basiswert w K tiefer als der Raumtemperatur-Sollwert w R einzustellen Kaskaden-Einfluss 4 (E %): Dieser Wert ist abhängig von der Auslegung der Lüftungsanlage. Je kleiner der Einfluss eingestellt wird, desto grösser ist die Reglerverstärkung des Raumtemperaturreglers d.h. umso mehr muss die Zulufttemperatur zur Korrektur einer Raumtemperatur-Regeldifferenz ändern. Störungen der Raumtemperatur werden schnell ausgeregelt und die bleibende Regeldifferenz wird entsprechend kleiner. Je grösser der Einfluss eingestellt wird, desto stabiler wird die Raumtemperatur-Regelung, aber die bleibende Regeldifferenz wird auch entsprechend grösser. Allgemeine Erfahrungswerte, die bei unbekannten Verhältnissen eingestellt werden, liegen bei ca. %. C ϑ ZU 26 E = 20 % Δϑ R w K 20 8 E % Δϑ ZU C ϑ R w R B7-4 Fig. -4 Kaskaden-Einfluss R w R Δ R ZU w K Δ ZU Raumtemperatur SolIwert der Raumtemperatur Raumtemperaturabweichung Zulufttemperatur Kaskaden-Basiswert (Einstellwert der Zulufttemperatur) ZuIufttemperatur-Änderung E % Kaskadeneinfluss in % Reglerverstärkung K P = Kaskadensteilheit S = Δ ZU Δ R Kaskadeneinfluss E[%] = 00 % = Δ R * 00 % S Δ ZU PI-PI Kaskadenregelung Heute werden in Software-Programmen üblicherweise PI-PI-Kaskadenregelungen realisiert, für die die gleichen Grundüberlegungen gelten, wie oben für die P-PI-Kaskadenregelung erklärt. 2

12 .6 Sequenzschaltung von Heizventil und Kühlventil Die Anlage gem. Fig. - ist mit einem Lufterwärmer und einem Luftkühler ausgerüstet. Dadurch kann die Raumtemperatur nicht nur im Winter, sondern auch im Sommer und bei innerem Wärmeanfall auf einem gewünschten Wert (w R ) gehalten werden w R B7- Fig. - Lüftungsanlage mit Heiz- und Kühlregister Temperaturregler 2 Raumtemperaturfühler 3 Heizventil 4 Kühlventil Frostschutzthermostat Der Temperaturregler () vergleicht die vom Fühler (2) gemessene Raumtemperatur mit dem eingestellten Sollwert w R. Bei einer Abweichung (Fig. -6a) verstellt der Regler das Heizventil (3) bzw. das Kühlventil (4) solange, bis der Raumtemperatur-Sollwert erreicht ist. Die Raumtemperatur wird somit im Heiz- und Kühlbetrieb auf den gleichen Sollwert w R geregelt w R X dz B7-6 w H w K Fig. -6 Sequenzschaltung Heizventil Kühlventil a) Heizen Kühlen ohne Totzone b) Heizen Kühlen mit Totzone Q Last ( = Heizlast, + = Kühllast) 3 Heizventil 4 KühIventiI w R w H w K x dz Raumtemperatur-Sollwert Heiz-Sollwert Kühl-Sollwert Totzone 3

13 Es besteht aber auch die Möglichkeit, im Kühlbetrieb die Raumtemperatur um ca. 4 K über den Heiz-Sollwert w H ansteigen zu lassen, bevor das Kühlventil zu öffnen beginnt (Fig. -6b). Das Trennen von Heiz- und Kühlbetrieb durch die sogenannte Totzone x dz hat den Zweck, Kühlenergie zu sparen. Dies bedeutet, dass der Regler im Heizbetrieb auf den tieferen Heiz-Sollwert w H und im Kühlbetrieb auf den höheren Kühl-Sollwert w K regelt. Es empfiehlt sich, für diese Totzonenregelung einen Regler mit PI-Verhalten einzusetzen, weil dadurch die bleibende Regeldifferenz des P-Reglers nicht berücksichtigt werden muss und so die Totzone zwischen den beiden Sollwerten w H und w K voll, d.h. ohne Energieverbrauch ausgenutzt werden kann..7 Führen einertemperaturregelung nach der Aussentemperatur In Lüftungs- und Klimaanlagen kann der Sollwert einer Raum-, Abluft-, Zuluft- oder Kaskadenregelung nach der Aussentemperatur geführt werden. Dies bedeutet, dass der Sollwert dertemperaturregelung, innerhalb einem bestimmten Bereich der Aussentemperatur, stetig verändert wird. Das Führen eines Raumtemperatur-Sollwertes nach der Aussentemperatur hat folgende Gründe: Im Sommerbetrieb wird der betreffende Temperatur-Sollwert, während einem Aussentemperaturanstieg von z.b. 20 C auf 32 C, stetig erhöht (Sommerkompensation), um zu grosse Temperatur-Unterschiede zwischen Raum- und Aussentemperatur und damit die Gefahr eines Hitzeschocks zu vermeiden. Ausserdem wird dadurch der Kühlenergieaufwand reduziert. Gemäss VDI-Lüftungsregeln soll bei einer Aussentemperatur von 32 C die Raumtemperatur auf max. 26 C angehoben werden. Für den Aussentemperatur-Bereich von 20 C bis 32 C gelten nach VDI folgende Raumtemperatur-Sollwerte: Aussentemperatur C Raumtemperatur C Im Winterbetrieb wird bei Aussentemperaturen unter z.b. 0 C der Sollwert der Raumtemperaturregelung ebenfalls stetig erhöht (Winter-Kompensation), um den Einfluss der tieferen Oberflächentemperaturen von Raumwänden und Fenstern auf die Behaglichkeit (Wärmeabstrahlung) sowie die bleibende Abweichung der Raumtemperatur bei P-Regelung auszugleichen. Die Fig. -7 zeigt das Prinzipschema einer Raumtemperaturregelung mit Führung nach der Aussentemperatur. Die vom Temperaturfühler (3) gemessene Aussentemperatur bewirkt im Temperaturregler () im «Sommer» oder/und im «Winter» eine Sollwert-Erhöhung. Im Regler () kann einerseits der Startpunkt für die «Sommer-» und für die «Winter-Kompensation» und anderseits die Grösse des «Sommer-» und des «Winter-Einflusses» getrennt eingestellt werden. Die Sollwertänderung ist der Aussentemperatur im Sommerbetrieb direkt, im Winterbetrieb umgekehrt proportional. 4

14 2 3 w B7-7 4 Fig. -7 Raumtemperaturregelung, geführt nach der Aussentemperatur Temperaturregler mit Aussentemperatur-Führung 2 Raumtemperaturfühler 3 Aussentemperaturfühler 4 Sollwert-Führungsgeber Frostschutzthermostat Das Wirkdiagramm einer Raumtemperaturregelung mit Führung nach der Aussentemperatur zeigt die Fig. -8. Als übliche Einstellwerte für den Aussentemperatur-Führungsgeber gelten bei stetigen Reglern: Einstellgrösse: P-Regler: PI/PID-Regler: Sommereinfluss (E 2 = Δ R /Δ AU * 00 %) 40 % 0 % Wintereinfluss (E = Δ R /Δ AU * 00 %) 2 % % Startpunkt Sommerkompensation (w FS ) Sollwert der Raumtemperatur Startpunkt Winterkompensation (w FW ) 0... C C 30 ϑr w Fw w Fs 2 E2 E ΔW R w R ϑau [ C] ΔϑAU B7-8 Fig. -8 Aussentemperatur-FührungseinfIuss R w R AU Δ AU w R w FS w FW Raumtemperatur Raumtemperatur-Sollwertänderung Aussentemperatur Aussentemperatur-Änderung Raumtemperatur-Sollwert Startpunkt Sommerkompensation Startpunkt Winterkompensation E Winter-Führungseinfluss in % E 2 Sommer-Führungseinfluss in % Die Berechnung des Sommer- resp. Winter-Führungseinflusses erfolgt nach der Formel: E = Δ R * 00 [%] Δ AU

15 .8 Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur In Lüftungs- und Klimaanlagen mit Raumtemperaturregelung begrenzt ein Temperaturregler mit seinem Fühler im Zuluftkanal die Zulufttemperatur auf einen minimalen Wert (Fig. -9). Dies ist dort erforderlich, wo infolge grossem innerem Wärmeanfall der Regler die Zulufttemperatur stark absenken will, um die eingestellte Raumtemperatur einzuhalten. Ohne diese Begrenzung würde die Zulufttemperatur so tiefe Werte erreichen, dass gesundheitsschädigende Zugerscheinungen auftreten w ZU 6 MAX MIN w R B7-9 Fig. -9 Raumtemperaturregelung mit Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur Raumtemperaturregler 2 Raumtemperaturfühler 3 Minimalbegrenzungsregler 4 Zulufttemperaturfühler Vorrangauswahl Heizventil 6 Vorrangauswahl Kühlventil 7 Frostschutzthermostat Die Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur wird wie folgt verwirklicht: Der Kanaltemperaturfühler (4) wird im Zuluftkanal in der Nähe der Einblasöffnung montiert und auf den Begrenzungsregler (3) aufgeschaltet. Der Begrenzungswert wird im Regler auf C eingestellt. Er muss so tief sein, dass einerseits die innere Wärme abgeführt werden kann, anderseits aber noch keine Zugerscheinungen auftreten können. Unterschreitet die Zulufttemperatur den eingestellten Begrenzungswert, so übernimmt der Begrenzungsregler über die Vorrangauswahl <MIN> das Schliessen des Kühlventils und über die Vorrangauswahl <MAX> das Öffnen des Heizventils und verhindert so ein weiteres Absinken der Zulufttemperatur. Bei Erreichen des Begrenzungswertes schaltet dieses Regelkonzept von Raumtemperatur- auf Zulufttemperaturregelung um, wodurch nun die Zulufttemperatur auf dem Begrenzungswert konstant gehalten wird (Fig. -0). Die Reglerverstärkung K P (oder das Proportionalband X P ) des Raumtemperaturreglers muss der Trägheit der Raum-Regelstrecke und diejenige des Begrenzungsreglers dem Schwierigkeitsgrad der schnellen Kanal-Regelstrecke angepasst werden. 6

16 ϑ ZU C w ZU C ϑ R w R B7-0 Fig. -0 Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur R Raumtemperatur ZU Zulufttemperatur w R Sollwert der Raumtemperatur w ZU Begrenzungswert der Zulufttemperatur 7

17 2. Feuchteregelungen 2. Allgemeines 2.2 Taupunktregelung 2.2. Aufbau Eine Klimaanlage hat die Aufgabe, im belüfteten Raum (oder Räumen) die Temperatur und die relative Feuchte der Luft auf vorgegebenen Werten konstant, oder innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten, unabhängig vom Zustand der Aussenluft und den Vorgängen im Raum. Es werden deshalb Verfahren und geeignete Regelsysteme zum Erwärmen, Kühlen, Be- und Entfeuchten der Luft angewendet. Bei der Feuchteregelung unterscheidet man dabei hauptsächlich zwischen: indirekter Feuchteregelung über die Taupunkttemperatur des gewünschten Raumluftzustandes oder über den Wasserdampfgehalt x der Zuluft direkter Feuchteregelung mit einem Relativ-Feuchtefühler im betreffenden Raum Voraussetzung zur Taupunktregelung ist ein Luftwäscher der einen Befeuchtungs-Wirkungsgrad von mindestens 9 %, also praktisch den Sättigungszustand der ausströmenden Luft erreicht. Wird dabei die Temperatur dieser praktisch gesättigten Luft geregelt, dann wird damit auch deren Wasserdampfgehalt fixiert. Der dazu benötigte Regelgeräte- Aufwand wird deshalb relativ gering. Diese Lösung ist dort sinnvoll, wo die auf den Taupunkt abgekühlte Luft weitgehend durch innere Wärme im Raum nachgewärmt werden kann (z.b. Maschinenwärme in Industriebetrieben). Wo dies nicht zutrifft, wird aus wirtschaftlichen Gründen (Energiekosten), für konventionelle Klimaanlagen die direkte Feuchteregelungen vorgezogen. Fig. 2- zeigt den Aufbau einer Taupunktregelung: Die Taupunktregelung arbeitet mit dem Temperaturregler 2 und dem direkt nach dem Luftwäscher eingesetzten Temperaturfühler. Mit seinen Ausgangssignalen betätigt er das Vorwärmer- und Kühlventil. Die Antriebe der beiden Ventile sind in Sequenz geschaltet. Die Wasserumwälzmenge im Befeuchter bleibt konstant und die Befeuchterpumpe ist während des Betriebes der Anlage dauernd eingeschaltet. D 3 F 7 A B C E 6 B T w Tp T w R Fig. 2- Aufbau dertaupunktregelung Taupunkttemperaturfühler 2 Taupunkttemperaturregler 3 Raumtemperaturfühler 4 Raumtemperaturregler Frostschutzthermostat 6 Fühler für Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer 7 Fühler für Aussentemperatur-Führungsgeber A...F Luftzustände im h,x-diagramm 8

18 Die Regelung der Raumtemperatur und damit indirekt auch der relativen Raumfeuchte nach der Taupunktregelung erfordert in konventionellen Anlagen einen Nachwärmer, dessen Heizleistung vom Raumtemperaturregler bestimmt wird. Die Anlage kann mit einem Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer und einem Aussentemperatur-Führungsgeber, sowie Aussenluft-/Umluftklappen ergänzt werden Regelung Der Taupunkttemperaturregler (2) mit dem Taupunkttemperaturfühler () nach dem Befeuchter sorgt dafür, dass der Sollwert der Taupunkttemperatur bei den verschiedenen Luftzuständen eingehalten wird. Bei Abweichung dertaupunkttemperatur vom eingestellten Sollwert w TP betätigt er das Vorwärmer- oder das Kühlventil. Zum Erreichen der gewünschten Raumtemperatur und relativen Raumfeuchte ist ein weiterer Regelkreis mit dem Regler (4) und dem Raumtemperaturfühler (3) erforderlich, der über das Nachwärmerventil die befeuchtete und abgekühlte Luft wieder auf die erforderliche Einblastemperatur regelt. Ist z.b. in Industrieanlagen (Chemie, Textil etc.) die genaue Einhaltung einer bestimmten relativen Luftfeuchte vorrangig vor der Raumtemperatur, dann kann im Nachwärmer-Regelkreis, anstelle des Raumtemperaturfühlers ein Raumfeuchtefühler eingesetzt werden. 9

19 2.2.3 Anwendung Die Taupunktregelung kann in Anlagen angewendet werden, wo die relative Raumfeuchte innerhalb bestimmter Grenzen schwanken darf, z.b. in Büros, Konferenzräumen, Verkaufsräumen u. a., denn wechselnder innerer Wärmeanfall, Raumtemperatur-SolIwertänderungen und Feuchtestörgrössen werden von der Regelung nur bei Einsatz von Hilfsregelkreisen erfasst. Die Taupunktregelung wird hauptsächlich im Industriebereich angewendet, wo Maschinen-Abwärme zur Nachwärmung genutzt werden kann, und im Komfortbereich zur zentralen Luftaufbereitung in Zweikanal-, Induktions- oder Fan-coil-Anlagen (Fig. 2-2). T w 2 p T w w T 4 w p w 3 T w 6 T w B72-2 Fig. 2-2 Zentrale Luftaufbereitungsanlagen mit Taupunktregelung a) Zentrale Primärluftaufbereitung (z.b. für Induktionsgeräte) b) Zentrale Luftaufbereitung für Zweikanalanlage Taupunktregelung 2 Zulufttemperatur-Regelung in Primärluftanlage 3 Kaltlufttemperaturregelung in Zweikanalanlage 4 Warmluftkanalregelung in Zweikanalanlage Zuluftkanal-Druckregelung 6 Zulufttemperatur-Sollwert-Führungsgeber + Warmluftkanal Kaltluftkanal 20

20 2.2.4 Taupunkttemperatur Die gewünschte Raumtemperatur (, z.b. 20 C) und die relative Raumfeuchte (2, z.b. 0 %) ergeben im h,x-diagramm (Fig. 2-3) die Taupunkttemperatur TP (3) von etwa 9 C die abgesehen vom Wirkungsgrad des Befeuchters als Sollwert für den Taupunkttemperaturregler eingestelit wird. Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg, Dichte ρ in kg/m 3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0-0,3 - - Fig Bestimmen dertaupunkttemperatur TP im h,x-diagramm gewünschte Raumtemperatur 2 gewünschte Raumluftfeuchtigkeit 3 resultierende Taupunkttemperatur TP 2

21 2.2. Zustandsänderungen im h,x-diagramm Luftzustände im Winter Im Anlagenschema (Fig. 2-) sind interessierende Luftzustände mit Buchstaben gekennzeichnet, die im h,x-diagramm (Fig. 2-4 und Fig. 2-) ebenfalis erscheinen. (Fig. 2-4) Im Vorwärmer wird die angesaugte Luft A auf den Zustand B erwärmt. Im Befeuchter wird hierauf die Luft befeuchtet bis fast zur Sättigungslinie d.h. auf eine relative Luftfeuchte von ca. 9 %. Dabei kühlt sie sich ab bis zur gewünschten Taupunkttemperatur D. Die Luft muss also vom Vorwärmer immer so weit aufgeheizt werden, dass sie nach der Befeuchtung die Taupunkttemperatur erreicht (Aufgabe des Taupunkttemperaturregelkreises). Durch Erwärmung im Nachwärmer wird anschliessend die Luft wieder soweit aufgeheizt (Zustand E), dass sie den Wärmebedarf bzw. die Transmissions-Wärmeverluste des Raumes decken kann und daraus die gewünschte Raumtemperatur und relative Raumfeuchte resultiert (Zustand F = Aufgabe des Raumtemperaturregelkreises, E-F = Wärmeverluste im Raum). Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg Dichte ρ in kg/m 3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0, Fig. 2-4 Zustandsänderungen bei Taupunkttemperaturregelung im Winter A Vorwärmer-Eintrittszustand B Luftwäscher- Eintrittszustand D Taupunkt der Zuluft E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt F Sollzustand der Raumluft 22

22 Luftzustände im Sommer (Fig. 2-) Die angesaugte Luft A (A = Mischpunkt nach Aussenluft-/Umluftmischung) wird im Kühler auf den Zustand C abgekühlt und wenn die Kühlflächentemperatur 2 unter der Taupunkttemperatur des Luftzustandes A liegt auch entfeuchtet. Im Wäscher wird die Luft dann befeuchtet bis zur Sättigungslinie ( 9 % r.f.). Dabei kühlt sie sich weiter ab bis zur Taupunkttemperatur D. Die Luft muss also vom Kühler immer so weit abgekühlt werden, dass sie nach dem Luftwäscher die erforderliche Taupunkttemperatur erreicht (Aufgabe des Taupunkttemperaturregelkreises). Im Nachwärmer wird die Luft anschliessend wieder soweit aufgeheizt (Punkt E), dass sie die Kühllast des Raumes decken kann und sich daraus die gewünschte Raumtemperatur und relative Raumfeuchte ergibt (Zustand F, Aufgabe des Raumtemperaturregelkreises). Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg Dichte ρ in kg/m 3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0, Fig. 2- Zustandsänderungen bei dertaupunkttemperaturregelung im Sommer A Kühler-Eintrittszustand C Luftwäscher- Eintrittszustand D Taupunkt der Zuluft E Zuluft- Eintrittszustand F Sollzustand der Raumluft Aussenluftzustand im Sommer 2 mittlere Kühler-Oberflächentemperatur 23

23 2.2.6 Eigenschaften der Taupunktregelung Bei Änderung der Raumtemperatur durch Sollwert-Verschiebung oder Einfluss des Aussentemperatur-Führungsgebers ändert sich die relative Raumfeuchte. Auch Feuchtestörgrössen im Raum (z.b. Fremdfeuchte-Anfall) werden nicht erfasst. Sollte aber die Raumfeuchte konstant bleiben, so muss die Taupunkttemperatur entsprechend angepasst werden. Die relative Raumfeuchte ist auch vom Befeuchtungs-Wirkungsgrad des Luftwäschers abhängig. Für die Praxis bedeutet dies, dass bei tieferem Befeuchtungs-Wirkungsgrad, der Sollwert des Taupunkttemperaturreglers entsprechend höher eingestellt werden muss, als die theoretische Taupunkttemperatur des gewünschten Raumluftzustandes ist (Fig. 2-6). Dichte ρ in kg/m 3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0, Fig. 2-6 Einfluss des Befeuchtungswirkungsgrades auf die einzustellende Taupunkttemperatur D Taupunkttemperatur-Sollwert bei einem Befeuchtungswirkungsgrad von ca. 9 % D Taupunkttemperatur-Sollwert bei einem Befeuchtungswirkungsgrad von ca. 7 % F Gewünschter Raumluftzustand (20 C / 0 % r.f.) Gleitende Taupunktregelung in Abhängigkeit der Aussentemperatur Anwendung Aufbau Diese Regelung ist dort angebracht, wo eine Verschiebung des Raumtemperatur-Sollwertes durch den Aussentemperatur-Führungsgeber die relative Raumfeuchte nicht beeinflussen darf. Der Unterschied zur Anlage gem. Fig. 2- liegt darin, dass mit der aussentemperaturabhängigen Führung der Raumtemperatur gleichzeitig auch die Taupunkttemperatur verändert wird. Dazu kann der gleiche 24

24 Aussentemperatur-Führungsgeber 3 verwendet werden, weil die Verschiebung dieser beiden Temperaturen praktisch parallel verläuft (Fig. 2-7b). a) 2 T w T w 3 B72-7a b), Dichte ρ in kg/m3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % Δϑ, B72-7b 0 4 Δϑ 2 0,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg ,3 - Fig Taupunkttemperaturregelung mit Sollwertführung nach der Aussentemperatur a) Prinzipschema b) Sollwertführung im h,x-diagramm Taupunkttemperaturregler 2 Raumtemperaturregler 3 Aussentemperatur-Führungsgeber Δ Raumtemperatur-Sollwertänderung ( C) Δ 2 Taupunkttemperatur-Sollwertänderung (9... C) Störungen der relativen Raumfeuchte durch den Einfluss des Aussentemperatur-Führungsgebers fallen weg. Die Raumfeuchte kann jedoch noch gestört werden durch: Fremdfeuchte Raumtemperatur-Änderung durch Sollwert-Verstellung Innere Wärme, die von der Anlage nicht mehr abgeführt werden kann (wenn z.b. die Zulufttemperatur durch den Begrenzer auf dem Minimalwert gehalten wird). 2

25 2.3 Direkte, stetige Feuchteregelung 2.3. Allgemeines Anwendung Aufbau Die direkte Feuchteregelung wird angewendet, wo die eingestellten Sollwerte der Raumtemperatur und der relativen Raumfeuchte, bei jedem Aussenluftzustand, bei innerem Wärme- und Fremdfeuchte- Anfall im Raum, genau eingehalten werden sollen. Wenn eine Klimaanlage die Raumtemperatur und die relative Raumfeuchte genau gewährleisten soll, so ist dies nur durch den Einsatz je eines Temperatur-Regelkreises mit einem Raumtemperaturfühler, und eines Feuchte-Regelkreiseses mit einem Feuchtefühler im zu klimatisierenden Raum oder in dessen Abluft möglich (Fig. 2-8). Dabei wirken die Stellsignale des Raumtemperaturreglers (2) in Sequenz auf das Heizventil und das KühIventil und diejenigen des Feuchtereglers (4) auf das Befeuchterventil und in Vorrangschaltung () zwecks Entfeuchtung ebenfalls auf das Kühlventil. max. H F 3 A B C D E 7 6 B72-8 T w MAX T H 2 4 w ϑr w ϕr Fig. 2-8 Klimaanlage mit direkter Feuchteregelung Raumtemperaturfühler 2 Raumtemperaturregler 3 Raumfeuchtefühler 4 Feuchteregler Vorrangwähler 6 Zulufttemperaturfühler für Minimalbegrenzer 7 Aussentemperaturfühler für Führungsgeber A..F Luftzustände Die Befeuchtung wird hauptsächlich mit den folgenden Befeuchtertypen ausgeführt: Regelbarer Luftwäscher Regelbare Dampfbefeuchtung Beide Arten bieten die Möglichkeit, die Befeuchtung nach absoluter oder relativer Feuchte zu regeln. Der Luftkühler hat die Doppelfunktion Kühlen (vom Temperaturregler 2 gesteuert) und Entfeuchten (vom Feuchteregler 4 gesteuert). Deshalb muss er vor dem Nachwärmer und dem Befeuchter angeordnet werden. Je nach Betriebszustand muss ja gekühlt (Temperaturregler), befeuchtet oder entfeuchtet (Feuchteregler) und nachgewärmt (Temperaturregler) werden können. Die Reihenfolge Befeuchter Nachwärmer kann auch umgetauscht werden, ohne dass dadurch die Funktion der Anlage beeinträchtigt wird. 26

26 Für eine konstante Raumtemperatur sorgt der Temperaturregler (2) mit dem Temperaturfühler (), der das Nachwärmerventil und über den Vorrangwähler () das Kühlventil ansteuert. Der Sollwert des Temperaturreglers kann mit einem Führungsgeber nach der Aussentemperatur (Fühler 7) geführt werden. Zusätzlich kann auch ein Minimalbegrenzer der Zulufttemperatur (mit Fühler 6) eingesetzt werden. Die Feuchteregelung erfolgt durch den Feuchteregler (4) mit dem Feuchtefühler (3) sowie dem Befeuchterventil und dem Kühlventil (Entfeuchtung) als Stellgeräte. Weil sowohl der Temperatur- wie auch der Feuchteregler das Kühlventil steuern, muss dieses über den sogenannten Vorrangwähler () automatisch immer demjenigen Regler mit dem grösseren Stellsignal zugeordnet, d.h. der die grössere Kühlleistung fordert. Dichte ρ in kg/m3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg 40-0, Fig Bestimmen des Einstellwertes für den Vorwärmer-Regelkreis F Gewünschter Raumluftzustand E Tiefste zulässige Zulufttemperatur B Grenzwert max. für den Vorwärmer-Regelkreis (tiefste zulässige Zulufttemperatur) B2 Grenzwert min. für den Vorwärmer-Regelkreis (Vermeidung von Kondensation) Der separate Vorwärmer-Regelkreis dient als Frostschutz für den Kühler. Die Lufttemperatur nach dem Vorwärmer muss einerseits so tief sein, dass das Kühlventil auf keinen Fall öffnet, bevor das Vorwärmerventil geschlossen ist und andererseits so hoch, dass bei geschlossenem Nachwärmerventil die Taupunkttemperatur der benötigten Zuluft nicht unterschritten wird. In der Fig. 2-9 liegt der Einstellwert für die Vorregelung daher zwischen den Punkten B und B2. In Sequenz zum Vorwärmerventil kann selbstverständlich auch ein Luftklappenantrieb für die Betätigung von Aussen-/Umluftklappen oder ein WRG-System zugeschaltet werden. 27

27 2.3.2 Klimaanlage mit stetig regelbarem Luftwäscher η B , 0,2 0,3 0,4 0, 0,6 0,7 0,8 [bar] ϑ ηb = x2 x x3 x x x2 x3 B72-0 Fig. 2-0 Befeuchtungswirkungsgrad des Luftwäschers a) Befeuchtungswirkungsgrad in Funktion des Düsendruckes b) Erklärung des Befeuchtungswirkungsgrades η B p Befeuchtungswirkungsgrad des Luftwäschers Düsendruck des Luftwäschers x Angenommener tiefster Wasserdampfgehalt der Luft x2 Wasserdampfgehalt der Luft bei Raumluftzustand x3 Wasserdampfgehalt der Luft bei Sättigung Durch den Feuchteregler (4, Fig. 2-8) wird in Abhängigkeit der relativen Raumfeuchte (3) das Befeuchterventil stetig gesteuert. Dadurch kann der Befeuchtungs-Wirkungsgrad des Luftwäschers beliebig verringert werden (Fig. 2-0), d.h. die Zuluft kann so auf den gewünschten Wasserdampfgehalt befeuchtet werden. Bei geschlossenem Befeuchterventil wird die Befeuchterpumpe über einen Hilfsschalter im Stellantrieb ausgeschaltet. Im Anlagenschema (Fig. 2-8) sind interessierende Luftzustände mit Buchstaben gekennzeichnet, die in den h,x-diagrammen (Fig. 2-, Fig. 2-2, Fig. 2-3) mit gleicher Bedeutung verwendet werden. 28

28 Luftzustandsänderungen im Winter Luft-Erwärmung Im Vorwärmer wird die angesaugte Luft A auf den Zustand B erwärmt. Da das Kühlventil geschlossen ist, ist Zustand B = Zustand C. Im Nachwärmer wird die Luft weiter erwärmt, und zwar so hoch, dass die Zuluft nach der vom Feuchteregler bestimmten Stärke der Befeuchtung Δx (adiabatische Abkühlung, allerdings nicht bis auf die Sättigungslinie, da ja regelbar) die für die Aufrechterhaltung des geforderten Raumluftzustandes F notwendige Temperatur hat (Zustand E). Ist die Temperatur der angesaugten Luft A höher als der Zustand B, so bleibt das Vorwärmerventil geschlossen. Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg Dichte ρ in kg/m3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0, Fig. 2- Zustandsänderungen bei direkter Feuchteregelung (regelbarer Wäscher) im Winter A Vorwärmer-Eintrittszustand B Nachwärmer-Eintrittszustand D Luftwäscher-Eintrittszustand E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt F Sollzustand der Raumluft 29

29 Luftzustandsänderungen im Sommer Kühlen Die angesaugte Luft A (Zustand A = Zustand B, da das Vorwärmerventil geschlossen ist) wird im Kühler auf den vom Raumtemperaturregler geforderten Wert abgekühit (Zustand C = D, da das Nachwärmerventil geschlossen ist). Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg Dichte ρ in kg/m3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , , B ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0-0, Fig. 2-2 Zustandsänderungen beim Kühlen mit direkter Feuchteregelung A Vorwärmer-Eintrittszustand B Kühler-Eintrittszustand C Nachwärmer-Eintrittszustand D Luftwäscher-Eintrittszustand E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt F Sollzustand der Raumluft mittlere Kühlflächentemperatur Kü Dies ergibt nach der vom Feuchteregler bestimmten Befeuchtung (zusätzliche adiabatische Abkühlung) den für die Einhaltung des geforderten Raumluftzustandes F notwendigen Zustand E der Zuluft. Weil hier die mittlere Kühlflächentemperatur Kü () über dem Taupunkt des Luftzustandes B liegt, erfolgt die Kühlung ohne Entfeuchtung. 30

30 Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar Wasserdampfgehalt in g/kg, Dichte ρ in kg/m 3 0 relative Feuchtigkeit ϕ in % , E F E' A/B B C/D ,2,30 Temperatur t in C spezifische Enthalpie h in kj/(+x) kg - 0, Fig. 2-3 Zustandsänderungen Kühlen/Entfeuchten bei direkter Feuchteregelung A Vorwärmer-Eintrittszustand B Kühler-Eintrittszustand C Nachwärmer-Eintrittszustand D Luftwäscher-Eintrittszustand E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt E Schnittpunkt des Kühlverlaufes mit der Solltemperatur F Sollzustand der Raumluft mittlere Kühlflächentemperatur Kü Kühlen/Entfeuchten Beim Luftzustand A (Fig. 2-3) sind sowohl die Temperatur wie auch die absolute Feuchte zu hoch. Deshalb muss hier gekühlt und zugleich entfeuchtet werden: In der ersten Phase fordert der Temperaturregler «Kühlen» und der Feuchteregler «Entfeuchten». Dabei bestimmt der Regler mit dem grösseren Ausgangssignal über die Vorrangfunktion die Stellung des Kühlventils. Der Temperaturregler fordert solange Kühlen, bis die ZuIufttemperatur den für die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperatur erforderlichen Wert hat (Zustand E ). Dieser Luftzustand E ist aber noch zu feucht, weshalb der Feuchteregler weiterhin Entfeuchten (Kühlen) fordert. Durch die weitere Entfeuchtung wird aber die Zuluft unter die erforderliche Eintrittstemperatur abgekühlt. Der Feuchteregler fordert solange Entfeuchten, bis der für die Einhaltung der relativen Raumfeuchte erforderliche Wasserdampfgehalt x erreicht ist (Zustand C/D). Der Raumtemperaturregler muss dann über den Nachwärmer die zu tief abgekühlte Luft wieder auf die erforderliche Zulufttemperatur E erwärmen. 3

31 Stetig regelbare Dampfbefeuchtung Bei Befeuchtung mit Wasserdampf erfolgt die Richtung der Zustandsänderung im h,x-diagramm entsprechend dem Wärmeinhalt des eingesprühten Dampfes. Man kann mit Hilfe der Dampftabelle die Enthalpiezunahme Δh in kj ausrechnen, die der Luft mit der Dampfmenge Δx in Gramm zugeführt wird. Fig. 2-4 Zustandsänderungen bei stetig regelbarer Dampfbefeuchtung A Vorwärmer-Eintrittszustand B Dampfbefeuchter-Eintrittszustände (je nach Enthalpie des Dampfes) E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt F Sollzustand der Raumluft Δx Spezifische Dampfzufuhr in g/kg Luft Δh S Erhöhung des Wärmeinhaltes durch Sattdampf von ca. 00 C Bei der Befeuchtung mit Sattdampf von ca. 00 C (Fig. 2-4) verläuft die Zustandsänderung ungefähr parallel zur Isothermen. Es findet somit nur eine geringfügige Erwärmung, aber eine sehr wirksame Befeuchtung der Luft statt. Die anderen Zustandsänderungen verlaufen gleich wie bei der Regelung mit regelbaren Sprühwasser-Befeuchtern. 32

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