Nr. 31. Fachveröffentlichung. Betrieb ohne Pufferspeicher und die Auswirkungen auf das Betriebsverhalten. 1. Wasserkreislauf.

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1 Nr. 31 Fachveröffentlichung Das Fazit vorneweg: Eine moderne Mikroprozessorregelung, die das Totband variabel anpasst, in Kombination mit verbesserten Kompressoren ermöglicht es, mit dem Aquasnap Flüssigkeitskühler in den meisten Komfort Klimaanlagen ohne Pufferspeicher auszukommen. Durch Wegfall des Pufferspeichers können Investitionskosten gespart werden, der Montageaufwand wird gering gehalten und der Platzbedarf für die Klimaanlage beschränkt sich auf ein Minimum. Impressum: Dipl.-Ing.(FH) Tedy Kunicic Carrier GmbH & Co. KG Einsteinstraße Unterschleißheim Tel.: 89/ Fax: 89/ carrier.gmbh@carrier.utc.com Internet: Betrieb ohne Pufferspeicher und die 1. Wasserkreislauf und Wasservolumen Der Hauptgrund für die Verwendung eines Pufferspeichers in einer Anlage ist, die Wärmekapazität des aktiven Wasserkreislaufvolumens zu erhöhen. Gründe für den Einsatz eines Pufferspeichers sind daher: A) Im Teillastbetrieb Um die abgegebene Leistung des Flüssigkeitskühlers QKWS der momentanen Last Qlast anzugleichen. B) Begrenzte Kompressorzyklen Um den Kompressor zu schützen, sind die Schalthäufigkeit und die minimale Laufzeit begrenzt. C)Temperaturschwankungen Je größer das Wasservolumen ist, desto geringer ist die Temperaturschwankung des Wassernetzeds bei uoder Abschalten eines Kompressors 2. Gründe, warum die Aquasnap Flüssigkeitskühler ohne Pufferspeicher betrieben werden können Es gibt drei Möglichkeiten, die Wassertemperaturschwankung in Grenzen zu halten. Reduzierung der Differenz zwischen QKWS und Qlast Schnellere Kompressorzyklen Erhöhung des Wasservolumen Um nun mit dem geringstmöglichen Wasservolumen den Flüssigkeitskühler zu betreiben und damit den Pufferspeicher überflüssig zu machen, hat Carrier sich bei der Entwicklung auf zwei Punkte konzentriert: Den Kompressorzyklus auf ein Minimum zu reduzieren Entwicklung einer intelligenten Regelung, die sich an die momentane Last anpasst unter Berücksichtigung der Kompressorgrenzwerte Kompressorzyklus Der Kompressorzyklus ist die minimale eit zwischen aufeinander folgende Starts und die minimale Laufzeit des Kompressors eit zwischen zwei Kompressorstarts unächst einmal ist zu bemerken, dass alle E- Motoren in den Maneurop Scroll Verdichtern bei Seite 1

2 den Aquasnap Geräten, Sauggas gekühlt sind. Diese Lösung ist sehr effizient und sichert eine schnelle Kühlung des E-Motors während des Anlaufens. Maneurop hat zahlreiche Tests durchgeführt, in denen die eit zwischen zwei Starts auf ein Minimum reduziert worden ist. Es hat sich gezeigt, dass ein Start alle fünf Minuten ( = 12 Starts pro Stunde) keinerlei Risiken darstellt, bezogen auf die Überhitzung und Lebensdauer des Kompressors Minimale Laufzeit nach einem Start Die minimale Laufzeit kann nur in usammenhang mit dem kompletten Kältemittelkreislaufs gesehen werden und nicht nur für den Verdichter alleine. Carrier hat zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, in denen die Laufzeit auf ein Minimum reduziert werden konnte. Es wurde festgestellt, dass eine minimale Laufzeit von einer Minute die sichere Ölrückführung unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet! u bemerken ist, dass diese Werte nicht alleine abhängig vom Verdichter sind, sondern im usammenhang mit dem gesamten Kältemittelkreislauf zu sehen sind. Daher ist die Betriebsweise, die mit den Carrier Aquasnap Flüssigkeitskühlern möglich ist, nicht mit Flüssigkeitskühlern des Wettbewerbs gleichzusetzen, die mit dem gleichen Verdichtertyp ausgestattet sind. eingestellten Sollwert zu halten. Dies wird durch Schalten der vorhandenen Leistungsstufen erreicht. In Bezug auf die Regelung ist es unmöglich, mit einem festen Sollwert zu arbeiten. Daher ist es notwendig, eine Abweichung um den Sollwert zu definieren. Diese Abweichung wird üblicherweise als Totband bezeichnet. In Wirklichkeit stellt das Totband eine Energiemenge dar, die vom Wassermassenstrom und der Größe des Totbandes abhängig ist Funktionsweise Die Regelungsalgorithmen für die meisten Flüssigkeitskühler auf dem Markt verwenden ein festes Totband. Idealerweise jedoch sollte das Totband nicht fest sein, sondern eine Funktion folgender Parameter sein: Aktives Wasserkreislaufvolumen m [kg] eitliche Veränderung der mittleren Wassertemperatur [dt/s] Wasser Massenstrom [kg/s] Anzahl der Leistungsstufen und %-Wert jeder einzelnen [EIN] 1K 6 C Totband konstant Stufe zur Gesamtleistung des Gerätes Der Regelungsalgorithmus des PRO-DIALOG Reglers kalkuliert ein flexibles Totband anhand folgender Parameter : Temperaturdifferenz Kaltwassereintritt /-austritt im Vergleich zum Sollwert eitliche Veränderung der Temperaturdifferenz (beinhaltet den Massenstrom sowie den Unterschied zwischen QKWS zu Q last ) Das + wasser, das durch eine gegebene Leistungsstufe erzeugt wird. Diese drei Parameter erlauben es, die Auswirkung des u- oder Abschaltens einer Leistungsstufe auf den Wasserkreislauf zu jeder eit genau zu bestimmen. Bild 1 zeigt das Verhalten, wenn das Totband konstant gehalten wird und die abgegebene Leistung Q KWS>Qlast ist. Je größer der Unterschied desto kürzer werden die Kompressorzyklen. Bei geringem Wasservolumen erreichen die Schaltzyklen schnell die Grenzwerte. eit TOTBAND +/- 1K 2.2 Autoadaptive Regelung Regelung Die grundsätzliche Aufgabe des Regelalgorithmus eines Flüssigkeitskühlers ist es, die Wassertemperatur auf einen [AUS] 1K Bild 1 = Kompressorzyklus bei z.b. 8% der Last = Kompressorzyklus bei z.b. 4% der Last Seite2

3 Totband variabel ( Autoadaptive Regelung) 4K 3. Betrieb ohne Pufferspeicher bei Komfort Klimaanlagen 3.1 Auswirkungen der Wassertemperaturschwankung auf die Raumtemperatur 6 C 4K Bild 2 zeigt die Situation bei variablem Totband. Je größer der Unterschied zwischen QKWS und QLast, umso größer wird das Totband. Die Größe des Totbandes ist nicht konstant und wird ständig der aktuellen Last angepasst. Dadurch kann der Kompressorzyklus konstant bleiben oder verlängert werden. Die daraus resultierende größere Abweichung vom Sollwert, kann in den meisten Fällen akzeptiert werden wie nachfolgend noch beschrieben wird. Bild 2 eit = Kompressorzyklus bei z.b. 8% der Last = Kompressorzyklus bei z.b. 4% der Last TOTBAND Max. +/- 4K neue Anpassung (Vergrößerung) des Totbandes begrenzt. Die Berechnung der Kompressor Starts und der Laufzeit erfolgt alle 15 Minuten. Im vorherigem Kapitel ist zu erkennen, dass bei der autoadaptiven Regelung mit einem flexiblem Totband gearbeitet wird. Der jeweilige Wert des Totbandes ist eine Resultierende aus der Gebäudelast und den möglichen Kompressorschaltzyklen. Je größer die Differenz zwischen abgegebener Kälteleistung und der Last auf der Verbraucherseite ist, desto größer wird das Totband aus den vorher genannten Gründen. Die Vergrößerung des Totbandes bewirkt natürlich auch eine größere Temperaturschwankung am Wassereintritt der Verbraucher (Klimatruhen, Deckenkassetten u.s.w.). Einfluss der Wassereintittstemperaturänderung am Geräteeintritt auf die Rumlufttemperatur VLuft=3 m3/h T_uluft T_Wassereintritt T_Wasseraustritt 18 T_Rückluft Kompressorschutz bei variablem Totband Wie vorher beschrieben, hat der Kompressor folgende Betriebsgrenzen: wölf Starts pro Stunde Minimale Kompressor Laufzeit: 1 Minute Die Aquasnap PRO-DIALOG Regelung berechnet ständig die Anzahl der Starts und die Laufzeit jedes einzelnen Kompressors. Erreicht einer dieser zwei Parameter den Grenzwert, wird die Anzahl der Starts durch eine eit (s) Bild 3 Das Ergebnis dieser Tests zeigt, dass eine Temperaturschwankung von 8 C am Wassereintritt des Gerätes eine Veränderung der Raumtemperatur von nur 1 C bewirkt. In bezug auf den Komfort stellt dies einen völlig akzeptablen Wert dar, wie auch in der DIN1946 Bl.2 beschrieben wird Raumlufttemp. Schwankung nur,4 K Seite 3

4 Raumlufttemperaturschwankung von ca. 1 C zur Folge. Bild 5 zeigt die Ergebnisse einer Simulation für eine 3RA9(Q=9kW), einer Gebäudelast entsprechend 4% der Nominalleistung des Gerätes und einem Wasserkreislaufvolumen von 225 Litern. Dieses Gerät hat drei Kompressoren (drei Leistungsstufen) und die Wassereintrittstemperatur am Innengerät variiert um ca. +/- 2,5K. Es ist zu erkennen, dass dies praktisch keine Auswirkung auf die Raumlufttemperatur hat. Legende Diese Temperaturschwankung hat eine Auswirkung auf die ulufttemperatur und auf die Temperatur des zu klimatisierenden Raumes. Dies ist jedoch in den meisten Fällen akzeptabel, wie zahlreiche unterschiedliche Tests, die Carrier durchgeführt hat, belegen. Folgende Parameter am Innengerät wurden in den Tests verändert: Bild 4 T_uluft T_Wassereintrittstemp. am Innengerät T_Wasseraustrittstemp. am Innengerät Ergebnis: Eine Temperaturschwankung der ulufttemperatur von 1 C hat eine 4.Minimales Wasserkreislaufvolumen für Aquasnap Flüssigkeitskühler Die Computer Simulationen im vorherigem Kapitel sind verwendet worden, um den Einfluss des Wasservolumens und die Veränderung der Leistungsstufen auf die Raumluftbedingungen, Temperaturschwankung der Wassereintrittstemperatur Die Frequenz der Temperaturschwankung am Wassereintritt Wasserdurchfluss Luftmengenrate 3.2 Simulationen verschiedener Anlagen Bild 4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation für eine 3RA4 Q=4kW (nur ein Verdichter), einer Gebäudelast von 25% der Nominalleistung des Gerätes und einem Wasserkreislaufvolumen von 12 Litern. Legende Bild 5 T_uluft T_Wassereintrittstemp. am Innengerät T_Wasseraustrittstemp. am Innengerät Seite 4

5 zu bestimmen. Daraus kann ein minimal erforderliches Wasserkreislaufvolumen, bei einer Raumtemperaturschwankung von +/- 1K ermittelt werden. Carrier empfiehlt auf Basis dieser Messungen für die Geräteserien 3RA, 3RH, 3RY und 3RW folgende Mindestwassermengen einzuhalten: 5-4kW: 3.5 l/kw (= 17,5l 14l) 5-24kW: 2.5 l/kw (= 125l 6l) In den meisten Anwendungen werden die oben genannten Wassermengen ohne Pufferspeicher, alleine durch das Rohrnetz und der Geräte, erreicht. Fazit Eine moderne Mikroprozessorregelung, die das Totband variabel anpasst, in Kombination mit verbesserten Kompressoren ermöglicht es, mit dem Aquasnap Flüssigkeitskühler in den meisten Komfort Klimaanlagen ohne Pufferspeicher auszukommen. Durch Wegfall des Pufferspeichers können Investitionskosten gespart werden, der Montageaufwand wird gering gehalten und der Platzbedarf für die Klimaanlage beschränkt sich auf ein Minimum. Seite 5