DE19847504C1

DE19847504C1 - Verfahren zur Steuerung der Luftvolumenströme in einer raumlufttechnischen Anlage

Info

Publication number: DE19847504C1
Application number: DE19847504A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Humpsch
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: DB Fernverkehr AG
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2018-10-16

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, nach dem in einer raumlufttechnischen Anlage in Fahrzeugen zur Personenbeförderung durch kontinuierliche Bestimmung von Raumluftqualität, thermischer Raumlast und dem Verhältnis der Raumtemperatur zur Außenlufttemperatur, abhängig von diesen Werten, das Fördervolumen, der Außenluftanteil und die Temperatur der Zugluft so gesteuert werden, daß im Innenraum stets ein vorgegebener Raumluftzustand, der definiert ist durch den maximalen Gehalt eines Schadgases in der Raumluft und die Raumtemperatur, mit dem geringstmöglichen Energieeinsatz, gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Außenluft und Umluftvolumenstrom in einer raumlufttechnischen Anlage für die Temperierung eines Raumes, insbesondere in einem Fahrzeug zur Personenbeförderung.

Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten ist es wünschenswert, derartige Anlagen mit einem möglichst geringen Leistungseinsatz betreiben zu können.

In dem Aufsatz von P. Bork, Energieeinsparung mit Hilfe verbesserter Automatisierungskonzepte, in Automatisierungstechnische Praxis atp, 1986, Jg. 28, Heft 4, Seiten 184-190 sind eine Klimaanlage, die sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit regelt, und energie sparende Fahrweisen für eine solche Anlage beschrieben.

Aus hygienischen Gründen soll hier ein Mindestaußenluftanteil im Zuluftvolumenstrom enthalten sein.

Es werden allerdings nur qualitative Regeln für den Betrieb einzelner Elemente der Anlage wie etwa Mischkammer, Vorwärmer, Kühler, Befeuchter etc. angegeben. Konkrete Angaben, die es erlauben, einen Außenluftvolumenstrom oder einen Leistungsbedarf für bestimmte Einsatzbedingungen zu berechnen, sind nicht vorhanden. Insbesondere wird die Mischkammer nur in zwei Zuständen, m_AVmin bzw. m_AVmax, betrieben.

In dem Aufsatz von U. Knau, Klimaanlage der Mittelwagen des ICE der Deutschen Bundesbahn, erschienen in Ki Klima-Kälte-Heizung 6/1990, Seiten 270-273 ist ein Betriebsverfahren bekannt, bei dem ein Außenluftvolumenstrom fest vorgegeben ist und als Energieträger zum Heizen und Kühlen dient.

Aus DE 35 09 621 ist eine raumlufttechnische Anlage mit variablen Volumenströmen und ein Betriebsverfahren dafür bekannt.

Die Anlage ist eine Zweikanalanlage mit einem Kaltluftkanal, in den Frischluft über ein Klimagerät eingespeist wird, und einem Warmluftkanal, der erwärmte Umluft führt.

Bisher sind in Fahrzeugen folgende Verfahren zur Steuerung der Anlagen gebräuchlich:

1. Es wird konstant der Außenluftanteil gefördert, der entsprechend Auslegung der Anlage für die maximale Personenanzahl im Raum erforderlich ist.
2. Der Außenluftanteil wird in Stufen der Besetzung angepaßt, ohne Berücksichtigung des Verhältnisses Außen-/Raumtemperatur.
3. Unabhängig vom Verhältnis Außen-/Raumtemperatur wird der Zuluftvolumenstrom nach der Regelabweichung Raumtemperatur Soll-/Istwert eingestellt, ohne Bewertung der Besetzung bezüglich Raumluftqualität. Beispiele dafür sind in den Patentschriften EP 0793 822 B1 und EP 0827 889 A3 beschrieben.
4. Die Konzentration von Gasen in der Außenluft wird gemessen und wenn erhöhte Konzentration eines bestimmten Zielgases auftritt, wird die Zufuhr von Außenluft unterbrochen oder diese zusätzlich über spezielle Filter geleitet. Dargelegt ist dieses in EP 0713 454 B1.

All diese Verfahren nutzen nicht komplex die beiden Möglichkeiten

- Berücksichtigung der Personenzahl bzw. Raumluftqualität,
- Konsequente Ausnutzung des Energiegehaltes der Außenluft für die Temperierung des Raumes bei bestimmten Teillastbedingungen (keine Vollbesetzung, Außentemperatur 10. .20°C), wie sie in Mitteleuropa zu einem Großteil der Betriebszeit herrschen,

für einen energetisch optimierten Betrieb der Anlagen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Steuerverfahren für eine raumlufttechnische Anlage zu schaffen, das einen Betrieb mit geringem Energieaufwand ohne Einbuße an Komfort erlaubt.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.

Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer raumlufttechnischen Anlage zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 den Zuluftvolumenstrom als Funktion der Zulufttempe ratur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3.1 die erforderliche Leistung der Anlage als Funktion des Verhältnisses von Außenluft zu Zuluftvolumenstrom

Fig. 3.2 die thermische Leistung der Anlage als Funktion von Außentem peratur und Raumlast für diverse Werte des Außenluft-/Zuluft-Volumen verhältnisses; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Grundlage für die Anwendung des Verfahrens bildet ein Luftbehandlungsgerät, welches für die Realisierung des Verfahrens folgende, in Fig. 1 gezeigte, Einheiten enthält:

- Außenluftzuführung (1)
- Umluftzuführung (2)
- Zuluftförderung (3)
- Organ zur Einstellung der Luftvolumenströme (4)
- Heizregister (5)
- Kühlregister (optional) (6)
- Regeleinrichtung (7)
- Einrichtungen zur Erfassung folgender Größen: (8)
Außentemperatur
Raumlufttemperatur
Zulufttemperatur
Besetzung, d. h. Anzahl der Personen im Raum oder CO₂ Konzentration in der Raumluft

Die Anlage mit Luft als Energieträger muß die zur Temperierung des Innenraumes erforderliche Luftmenge mit der entsprechenden Temperatur und Qualität bereitstellen.

Nachfolgend werden die grundsätzlichen Zusammenhänge dargestellt und daraus das erfindungsgemäße Verfahren, welches durch Steuerung der Luftvolumenströme die genannten Aufgaben mit geringstmöglichem Energieeinsatz erfüllt, abgeleitet.

Entsprechend der Besetzung des Fahrzeuges ist zur Sicherstellung einer akzeptablen Raumluftqualität ein bestimmtes Fördervolumen an Außenluft erforderlich. Zusätzlich kann Umluft aus dem Innenraum entnommen werden. Beide Volumenströme werden gemischt, behandelt und als Zuluft dem Innenraum zugeführt. Diese dient als Energieträger. Entsprechend des Leistungsbedarfes müssen ihre Temperatur und das Fördervolumen in einem bestimmten Verhältnis stehen.

Der Zustand der Raumluft gibt den Bedarf für die Behandlung der Zuluft an:

- Gehalt an Schadgas	- über Grenzwert: hoher Außenluftanteil notwendig
- unter Grenzwert: geringer Außenluftanteil möglich
- Temperatur	- über dem Sollwert: Kühlbedarf
- unter dem Sollwert: Heizbedarf

Der erforderliche Zustand und die Zusammensetzung der Zuluft werden gemäß dem Verfahren, welches Inhalt der Erfindung ist, nach den zwei Kriterien Raumluftqualität und thermische Last bestimmt.

Kriterium 1

Die Raumluftqualität ergibt sich aus der Schadstoffabgabe im Innenraum, dem Außenluftvolumenstrom und den in der Außenluft enthaltenen Schadstoffen.

Aus den Gegebenheiten

- geschlossener Raum mit bestimmten Außen- und Fortluftvolumenströmen
- Verhältnis Außen-/Fortluftvolumenstrom = 1/1
- Besetzung des Raumes mit Personen, welche je Zeiteinheit ein bestimmtes Volumen Schadgas abgeben
- Außenluft mit bestimmter Konzentration des gleichen Schadgases

- System in eingeschwungenem Zustand wird am Beispiel des Schadgases CO₂ der Zusammenhang von Schadstoffkonzentration und Außenluftvolumenstrom dargestellt. Dabei bedeuten:

V_R - Raumvolumen	in m³
k_CO2R - Konzentration CO₂ im Raum	in ppm
AL=L<n_P
- Anzahl der Personen im Raum
V_CO2P - CO₂ Abgabe je Person	in m³/h
V_Al - Außenluftvolumenstrom	in m³/h
k_CO2A - Konzentration CO₂ der Außenluft	in ppm
V_CO2A - CO₂ Eintrag durch Außenluft	in m³/h
V_Fl - Fortluftvolumenstrom	in m³/h
k_CO2F - Konzentration CO₂ der Fortluft	in ppm
AL=L<z - Luftwechselzahl

Mit den Beziehungen:

V_CO2A = 10^-6 . k_CO2A . V_Al, z = V_Al/V_R und k_CO2R = (V_CO2A + V_CO2P . n_P) . 10⁶/(V_R . z)

wird die CO₂-Konzentration im Innenraum wie folgt berechnet:

k_CO2R = (V_CO2P . 10⁶ . n_P + k_CO2A . V_Al)/V_Al

Davon abgeleitet berechnet sich der Außenluftvolumenstrom:

V_Al = V_CO2P . 10⁶ . n_P/(k_CO2R - k_CO2A)

Nach diesen Gleichungen kann mit den Vorgaben:
k_CO2A - Konzentration CO₂ in der Außenluft:
Erfahrungswert ca. 450 ppm
V_CO2P - zeitbezogene CO₂ Abgabe je Person; Werte dieser Größe in Abhängigkeit vom Aktivitätsgrad einer Person sind in DIN 1946 Teil 2 angegeben;
k_{CO2R Max} - maximal zulässige CO₂-Konzentration im Raum
der minimale Außenluftvolumenstrom V_A/Min bei vorgegebenem maximalen CO₂- Gehalt der Raumluft k_{CO2R Max} auf 2 Arten bestimmt werden:

1. Fall: Besetzung des Fahrzeuges n_P, z. B. durch Erfassung der Federbelastung bekannt
V_{Al Min} = V_CO2P . 10⁶ . n_P/(k_{CO2R Max} - k_CO2A) (1.1)
2. Fall: CO₂-Gehalt der Raumluft bekannt,
Berechnung der Besetzung n_P aus der gemessenen CO₂-Konzentration in der Raumluft
n_P = (k_CO2R - k_CO2A) . V_Al . 10^-6/V_CO2P
V_{Al Min} = (k_CO2R - k_CO2A) . V_Al/(k_{CO2R Max} - k_CO2A) (1.2)

Ist der aus Besetzung oder Gaskonzentration ermittelte Mindestaußenluftvolumenstrom gleich Null, so ist es sinnvoll, trotzdem einen bestimmten Mindestaußenluftvolumenstrom vorzugeben, um eine mögliche Ansammlung nicht erfassbarer Gase und Geruchsstoffe, welche zum sogenannten Sick-Building-Syndrom führen kann, zu vermeiden.

Kriterium 2

Zur Kompensation der thermischen Last des Raumes ist ein bestimmter Volumenstrom mit einer bestimmten Temperatur erforderlich.

Im folgenden werden die Beziehungen zwischen Zuluftförderung, deren Zusammensetzung aus Außen- und Umluft und Energie- bzw. Leistungsbedarf erläutert. Dabei bedeuten:

1. E - zugeführte Energie in kWh
2. P - zugeführte Leistung in kW
3. V - Volumenstrom in m³/h
4. T - Temperatur in °C
5. c - spezifische Wärme in Wh/kg . K
6. m - Masse in Kg
7. ϕ - Dichte in kg/m³

mit den Indizes:

1. _Al - Außenluft
2. _Zu - Zuluft
3. _Misch - Mischluft
4. _Ul - rückgeführte Raumluft (Umluft)
5. _R - Raum
6. _Fl - Fortluft
7. _Heiz - Betriebsart Heizen
8. _Kühl - Betriebsart Kühlen
9. _Ist - Istwert

Für die Temperierung des Raumes aufzuwendende Energie bzw. Leistung berechnen sich grundsätzlich nach den Gleichungen:

E_RZu = c . m_Zu . (T_R - T_Zu) aufzuwendende Energie

P_RZu = c . ϕ . V_Zu . (T_R - T_Zu) erforderliche Leistung

Dabei sind folgende technische Randbedingungen zu berücksichtigen:

- Zulufttemperatur: Aus Gründen des Komforts und der Anlagensicherheit sind in Vorschriften die Grenzwerte T_ZuMin und T_ZuMax festgelegt.
- Zuluftvolumenstrom: Der Mindestzuluftvolumenstrom V_ZuMin wird bestimmt durch die Luftmenge, die zur Sicherstellung der Raumluftzirkulation durchzusetzen ist, und durch den nach Kriterium 1 erforderlichen Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin.
Die maximale Zuluftförderung V_ZuMax wird durch folgende Faktoren begrenzt:
Das Zuluftvolumen muß so eingebracht werden, daß Unbehaglichkeiten durch zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten vermieden werden.
Die Luftwege bestimmen den Strömungswiderstand und damit die für die Förderung aufzuwendende mechanische Leistung. D. h. entsprechend des Volumenstromes sind bestimmte Querschnitte erforderlich.

Für die Anlagen, auf die sich die Erfindung bezieht, gelten folgende Annahmen:

- V_Al = V_Fl, eingeschwungenes System
- Eine Darstellung der Luftzustände im h-x-Diagramm bedingt das Vorhandensein von Einrichtungen zur Erfassung der Größen Temperatur und Feuchte. Fahrzeugklimaanlagen für gemäßigte Klimazonen besitzen im allgemeinen keine Luftfeuchteregelung und damit auch keine Erfassung der Außen- und Raumluftfeuchte. Es wird deshalb angenommen, daß in den häufigsten Betriebsfällen der betreffenden Fahrzeugklimaanlagen der Feuchtegehalt der Zuluft nur unwesentlich von deren Zusammensetzung aus Um- und Außenluft beeinflußt wird. Deshalb ist der Energiebedarf für die Entfeuchtung der Zuluft, als von der Mischung der Volumenströme unabhängiger Wert, zuzurechnen.
- Näherung: T_Ul = T_Fl = mittlere T_R
- nicht beeinflußbare Größen: T_Al, P_R variable Größen: V_Al, T_Zu

Die thermische Last des Raumes P_R wird bestimmt von:

- äußeren Witterungsbedingungen wie Sonnenstrahlungsintensität, Trübung, Temperatur, Feuchte,
- k-Wert des Fahrzeuges,
- Bewegungszustand des Fahrzeuges,
- Besetzung, dazu ist in DIN 1946 Teil 2 die anzunehmende Wärmeabgabe je Person, abhängig von deren Aktivitätsgrad bestimmt,
- Wärmeabgabe elektrischer Verbraucher.

Sie bewirkt eine Temperaturänderung der eingeströmten Zuluft im Raum um den Betrag ΔT_R = T_R - T_Zu

Bei Regelabweichung (T_R ≠ T_Rsoll) ist die aktuelle Raumlast nach folgender Gleichung ermittelbar:

P_R = c . ϕ . V_ZuIst . (T_RIst - T_ZuIst) (2.1)

wobei ein positives Vorzeichen von (T_RIst - T_ZuIst) bzw. von P_R einem Wärmeeintrag in den Raum und damit einem Kühlbedarf und ein negatives Vorzeichen einem Wärmeentzug und damit Heizbedarf entspricht.

Um die gewünschte Raumtemperatur T_RSoll zu erzielen, müssen Volumenstrom und Temperatur der Zuluft so eingestellt werden, daß diese die thermische Last des Raumes kompensiert, dafür gelten die Bestimmungsgleichungen:

T_Zu = T_RSoll - ΔT_R (2.2)

P_R = c . ϕ . V_Zu . (T_RSoll - T_Zu) (2.3)

T_Zu = T_RSoll - P_R/c . ϕ . V_Zu, wobei wenn T_Zu < T_{Zu Max} gilt,: T_Zu = T_{Zu Max} gesetzt wird, und
wenn T_Zu < T_{Zu Min} gilt,: T_Zu = T_{Zu Min} gesetzt wird. (2.3a)

V_Zu = P_R/((T_RSoll - T_Zu) . c . ϕ) mit der Bedingung V_{Zu Min} <= V_Zu <= V_{Zu Max} V_{Al Min} <= V_{Zu Min} (2.3b)

Diese Beziehungen sind an je einem Beispiel für Kühl- und Heizlast in Fig. 2 graphisch dargestellt.

Durch Mischung der Volumenströme Außen- und Umluft entsteht Mischluft, mit der Temperatur:

T_Misch = (V_Ul . T_Ul + V_Al . T_Al)/(V_Ul + V_Al) (2.4)

Sie läßt sich auch als Funktion des Verhältnisses x_v = V_Al/V_Zu mit V_Zu = V_Ul + V_Al darstellen:

T_Misch = x_v . (T_Al - T_Ul) + T_Ul (2.4a)

Aus den Gleichungen:

P_Zu = V_Zu . c . ϕ . (T_Misch - T_Zu) (2.5)

P_Zu = c . ϕ . (V_Al . (T_Al - T_Ul) + V_Zu . (T_Ul - T_RSoll)) + P_R (2.5a)

oder in Darstellung als Funktion des Verhältnisses x_v = V_Al/V_Zu

P_Zu = V_Zu . c . ϕ . (x_v . (T_Al - T_Ul) + T_Ul - T_RSoll) + P_R (2.5b)

ist ersichtlich, daß der Leistungsbedarf für die Temperierung der Zuluft proportional dem Produkt aus Zuluftvolumenstrom und Temperaturdifferenz zwischen Misch- und Zuluft ist. Entspricht die Mischlufttemperatur der erforderlichen Zulufttemperatur so ist der Energiebedarf gleich Null, d. h. Lüftungsbetrieb.

Um das Ziel der Erfindung, Angleichung von T_R an T_Soll mit minimalem Energieeinsatz E zu erreichen, ist folgende Steuerung des Außenluftvolumenstromes erforderlich:

1. Fall: T_R < T_RSoll (Heizen) ⇒ T_Zu muß größer als T_R sein
T_Al < T_R ⇒ V_Al Maximum
T_Al < T_R ⇒ V_Al Minimum
2. Fall: T_R < T_RSoll (Kühlen) ⇒ T_Zu muß kleiner als T_R sein
T_Al < T_R ⇒ V_Al Minimum
T_Al < T_R ⇒ V_Al Maximum

In Fig. 3.1 ist die erforderliche thermische Leistung als Funktion des Mischungsverhältnisses Außen-/Zuluftvolumenstrom bei gleicher Last und Außentemperatur für verschiedene Betriebsfälle dargestellt.

Fig. 3.2 zeigt die erforderliche thermische Leistung in Abhängigkeit von Außentemperatur und Raumlast bei verschiedenen Mischungsverhältnissen Außen-/Zuluftvolumenstrom.

Unter Lüftung ist der Abbau der thermischen Raumlast durch Zufuhr von thermisch nicht behandelter Außenluft zu verstehen. Dafür gilt:

P_Zu = 0 bei T_Zu = T_Misch

T_F = T_Al + ΔT_R V_Al = V_F

Um die Raumtemperatur dem Sollwert anzugleichen, (T_R = T_RSoll), ist ein Außenluftvolumenstrom erforderlich, der nach folgender Formel ermittelt wird:

V_AlL = V_Zu = P_R/((T_RSoll - T_Al) . c . ϕ) (2.6)

Aus vorstehend dargelegten Zusammenhängen wird als Gegenstand der Erfindung folgendes Verfahren zur Steuerung der Luftvolumenströme abgeleitet:

Die Zuluft wird zweckmäßig nach zwei Kriterien behandelt:

1. Raumluftqualität: Sie wird wesentlich von der Besetzung des Fahrzeuges mit Personen und deren Aktivitätsgrad bestimmt. Als Indikator kann der CO₂ Gehalt der Raumluft angesehen werden.
2. Thermische Last: Sie ist abhängig von den äußeren und inneren Wärmelasten.

Um den Energieeinsatz unter Beachtung o. g. Randbedingungen zu minimieren, werden Zuluftförderung und Mischung der Volumenströme nach folgenden Regeln bestimmt:

1. Der Mindestaußenluftanteil der Zuluft wird, unabhängig vom Energiebedarf, durch die Raumluftqualität vorgegeben. Die Anzahl der Personen im Raum und deren Aktivitäten, und der daraus resultierende Schadgas-Gehalt der Raumluft bestimmen den Mindestaußenluftvolumenstrom V_{Al Min} nach Gleichung (1.1) bzw. (1.2).
2. Entsprechend der Raumlast, die aus den Istwerten von Zuluftvolumenstrom sowie Differenz zwischen Raumtemperatur und Zulufttemperatur nach Gleichung (2.1) ermittelt wird, sind erforderlicher Zuluftvolumenstrom und die entsprechende Zulufttemperatur nach Gleichung (2.3a) und (2.3b) bestimmt.
3. Entsprechend Richtung und Höhe der Temperaturabweichung der Außenluft von der Raumluft werden die Zuluftmenge und ihr Außenluftanteil so ermittelt, daß die Differenz zwischen der Mischtemperatur gemäß Gleichung (2.4)) und der erforderlichen Zulufttemperatur nach Gleichung (2.3a) möglichst gering ist. Dabei sind die für die Zuluft bereits genannten Randbedingungen bezüglich Temperatur und Volumenstrom einzuhalten.

Das Verfahren ist nach dem in Fig. 4 aufgezeigten Programmablaufplan, der Bestandteil der Erfindung ist, realisierbar. Die darin dargestellten Betriebsarten und die zu deren Einstellung führenden Schritte werden im folgenden erläutert:

1. Zunächst wird der minimale Außenluftvolumenstrom V_AlMin gemäß zulässiger CO₂-Konzentration K_CO2RMAX bestimmt.
2. Nach Gleichung (2.1) wird die Raumlast P_R, das ist der Bedarf an Kühl- oder Heizleistung, aus den Istwerten von Zuluftvolumenstrom sowie Differenz zwischen Raumtemperatur und Zulufttemperatur ermittelt.
3. Liegt die Außenlufttemperatur T_Al bei Heizbedarf über bzw. bei Kühlbedarf unter der Raumlufttemperatur T_R, wird der für Lüftungsbetrieb erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL ermittelt.
- - Ist dieser höher als die maximal mögliche Förderkapazität, so wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit maximalem Außenluftvolumenstrom V_AlMax eingestellt.
- - Liegt er unter dem in 1. ermittelten Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin, wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit minimalem Außenluftvolumenstrom V_AlMin eingestellt.
- - Liegt er zwischen diesen Grenzwerten, arbeitet die Anlage im Lüftungsbetrieb mit dem für Lüftung erforderlichen Außenluftvolumenstrom V_AlL.
4. Kann die Außenluft auf Grund ihrer Temperatur nicht zu einem Abbau der Raumlast beitragen, wird die Betriebsart Regelbetrieb Heizen oder Kühlen mit dem minimalem Außenluftvolumenstrom V_AlMin nach 1. eingestellt.
5. In allen Betriebsarten wird der Zuluftvolumenstrom V_Zu so bestimmt, daß der für die Raumluftzirkulation notwendige Wert erreicht wird, er den Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin nach 1. enthält und seine Temperatur zwischen den zulässigen Grenzwerten T_ZuMin und T_ZuMax liegt. Ist der erforderliche Zuluftvolumenstrom V_Zu größer als der ermittelte Außenluftvolumenstrom V_Al, ergibt sich aus dieser Differenz der Umluftvolumenstrom V_Ul.
6. In den Betriebsarten Regelbetrieb Heizen oder Kühlen wird die zur Temperierung des Zuluftvolumenstroms V_Zu je nach Bedarf durch Kühl- oder Heizregister zuzuführende Leistung P_Zu nach Gleichung (2.5b) abhängig von den Temperaturen der Außen- und Umluft und deren Mischungsverhältnis x_v als Vorgabewert für die Regelung von Kühlaggregat oder Heizung berechnet.

Anhand der drei folgenden Beispiele wird der energetische Vorteil der Erfindung verdeutlicht:

Es wird der Leistungsbedarf für die Temperierung des Innenraumes bei verschiedenen Betriebsfällen nach vorstehend beschriebenem vereinfachten Rechenverfahren jeweils

a) für eine Anlage mit konstanten Luftvolumenströmen
b) für die gleiche Anlage mit gemäß der Erfindung optimierten Luftvolumenströmen ermittelt.
c) Regelbetrieb Kühlen
angenommener Betriebsfall: T_RIst = 26°C, T_ZuIst = 14,2°C, V_ZuIst = 2800 m³/h
Raumlast: P_R = c . ϕ . V_ZuIst . (T_RIst - T_ZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (26 - 14,2) = 12026,56 ≘ 12 kW (2.1)
T_RSoll = 22°C
T_Al = 18°C
T_Ul = 24°C
- a) Volumenströme konstant:
  V_zu = 2800 m³/h
  V_Ul = 1400 m³/h

Erforderliche Leistung

P_Zu

= c . ϕ . (V_Al

. (T_Al

- T_Ul

) + V_Zu

. (T_Ul

- T_RSoll

)) + P_R

= 0.28 . 1,3 . (1400 . (18 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 1200 = 10980,8 ≘ 10,98 kW (2.5a)

a) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage:
V_AlMax = 2800 m³/h
T_ZuMin = 7°C

- Besetzung: 60 Personen ⇒ V_Almin = 1200 m³/h
- T_R < T_RSoll ⇒ Kühlbedarf
- T_Al < T_R ⇒ erforderlicher Außenluftvolumenstrom Lüften
V_AlL = V_Zu = P_R/((T_RSoll - T_Al) . c . ϕ) = 12000/((22 - 18) . 1,3 . 0,28) = 8241,75 ≘ 8242 m³/h (2.6)
- V_AlL < V_Almax ⇒ V_Al = V_AlMax = 2800 m³/h
V_Ul = 0 m³/h, erforderliche Zulufttemperatur
T_Zu = T_RSoll - P_R/c . ϕ . V_Zu = 22 - 12000/(1,3 . 0,28 . 2800) = 10,2°C ⇒ T_Zu < T_ZuMin (2.3a)

Erforderliche Leistung

P_Zu

= c . ϕ . (V_Al

. (T_Al

- T_Ul

) + V_Zu

. (T_Ul

- T_RSoll

)) + P_R

= 0.28 . 1,3 . (2800 . (18 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 12000 = 7923,2 ≘ 7,92 kW (2.5a)

Durch Reduzierung des Umluftanteiles (auf 0) und Erhöhung des Außenluftanteiles (gesamte Zuluft) ist in dem angenommenen Betriebsfall die Leistungsaufnahme um den Faktor 1,3859 geringer.

1. Regelbetrieb Heizen
angenommener Betriebsfall:
T_RIst = 20°C, T_ZuIst = 31,8°C, V_ZuIst = 2800 m³/h
Raumlast: P_R = c . ϕ . V_ZuIst . (T_RIst - T_ZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (20 - 31,8) = -12026,56 ≘ -12 kW (2.1)
T_RSoll = 22°C
T_Al = -7°C
T_Ul = 20°C
- a) Volumenströme konstant:
  V_Zu = 2800 m³/h
  V_Ul = 1400 m³/h

Erforderliche Leistung

P_Zu

= c . ϕ . (V_Al

. (T_Al

- T_Ul

) + V_Zu

. (T_Ul

- T_RSoll

)) + P_R

= 0.28 . 1,3 . (1400 . (-7 - 20) + 2000 . (20 - 22)) - 12000 = -27797,6 kW ≘ -27,80 kW (2.5a)

a) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage:
V_AlMax = 2800 m³/h
T_ZuMax = 60°C

- Besetzung: 20 Personen ⇒ V_AlMin' = 400 m³/h
- T_R < T_RSoll ⇒ Heizen
- T_Ul < T_R ⇒ V_Al = V_AlMax = 400 m³/h
- T_Ul < T_RSoll ⇒ V_Zu = min., T_Zu = T_Zumax = 60°C
- V_Zu = P_R/((T_RSoll - T_Zumax) . c . ϕ) - = 12000/((22 - 60) . 1,3 . 0,28) = 868 m³/h (2.3b)
- V_Ul = V_Zu - V_Almin = 468 m³/h

Erforderliche Leistung

P_Zu

= c . ϕ . (V_Al

. (T_Al

- T_Ul

) + V_Zu

. (T_Ul

- T_RSoll

)) + P_R

= 1,3 . 0,28 . (400 . (-7 - 20) + 868 . (20 - 22)) - 12000 = -16563 ≘ -16,56 kW (2.5a)

Durch Reduzierung des Zuluftvolumens und Senkung des Außenluftanteiles ist in dem angenommenen Betriebsfall die Leistungsaufnahme um den Faktor 1,68 geringer.

1. geregelter Lüftungsbetrieb
angenommener Betriebsfall:
T_RIst = 23°C, T_ZuIst = 17,2°C, V_ZuIst = 2800 m³/h
Raumlast: P_R = c . ϕ . V_ZuIst . (T_RIst - T_ZuIst) = 0.28 . 1,3 . 2800 . (23 - 17,2) = 5911 ≘ 6 kW (2.1)
T_RSoll = 22°C
T_Al = 15°C
T_Ul = 24°C
- a) Volumenströme konstant:
  V_Zu = 2800 m³/h
  V_Ul = 1400 m³/h

Erforderliche Leistung

P_Zu

= c . ϕ . (V_Al

. (T_Al

- T_Ul

) + V_Zu

. (T_Ul

- T_RSoll

)) + P_R

= 0.28 . 1,3 . (1400 . (15 - 24) + 2800 . (24 - 22)) + 6000 = 3452 ≘ 3,45 kW (2.5a)

b) Volumenströme optimiert
Auslegung der Anlage: V_Almax = 2800 m³/h
- - Besetzung: 30 Personen ⇒ V_AlMin' = 600 m³/h
- - T_RIst < T_RSoll ⇒ Kühlen
- - T_Al < T_R ⇒ erforderlicher Außenluftvolumenstrom Lüften
- - V_AlL = V_Zu = P_R/((T_RSoll - T_Al) . c . ϕ) - = 6000/((22 - 15) . 1,3 . 0,28) = 2354,8 m³/h (2.6)
- - V_AlL < V_AlMin
- - V_AlL < V_AlMax ⇒ V_Al = V_AlL = 2355 m³/h
  V_Ul = 0 m³/h

Durch Reduzierung des Umluftanteiles (auf 0) und Erhöhung des Außenluftanteiles (gesamte Zuluft) ist in dem angenommenen Betriebsfall keine Kühlleistung erforderlich.

Der Leistungsbedarf in Abhängigkeit vom Verhältnis Außen-/Zuluftvolumen strom für diese Beispiele ist in Fig. 3.1 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von Außenluft- und Umluftvolumenstrom in einer raumlufttechnischen Anlage für die Temperierung eines Raumes, insbesondere in einem Fahrzeug zur Personenbeförderung, wobei Außenluft- und Umluftvolumenstrom einen Zuluftvolumenstrom bilden, bei dem

a) ein Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin ermittelt wird, der zugeführt werden muß, um einen Grenzwert der Konzentration eines Schadgases in der Luft des Raumes einzuhalten,
b) der zur Angleichung der Raumlufttemperatur T_R an eine Solltemperatur T_Rsoll erforderliche Leistungsbedarf P_R anhand der Istwerte des Zuluftvolumenstroms V_ZuIst sowie der Differenz zwischen Raumtemperatur T_RIst und Zulufttemperatur T_ZuIst ermittelt wird,
c) der zur Erzielung der Solltemperatur durch Zufuhr von Außenluft erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL anhand des Leistungsbedarfs P_R, der Solltemperatur T_Rsoll und der Außenlufttemperatur T_Al ermittelt wird, und
d) wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Heizbedarf ist und die Außenlufttemperatur T_Al über der Raumlufttemperatur liegt, oder
wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Kühlbedarf ist und die Außenlufttemperatur T_Al unter der Raumlufttemperatur liegt,
- 1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL kleiner als die maximal mögliche Förderkapazität und größer als der Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin ist, dieser erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL zugeführt wird, und daß
- 2. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL kleiner als der Mindestaußenluftvolumenstrom ist, zumindest der Mindesaußenluftvolumenstrom zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Heizbedarf ist und die Außenlufttemperatur T_Al über der Raumlufttemperatur T_R liegt;

1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL größer als die maximale Förderkapazität der Anlage ist, der maximal mögliche Außenluftvolumenstrom V_AlL, V_AlMax zugeführt und die Zuluft beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der erforderliche Leistungsbedarf ein Kühlbedarf ist und die Außenlufttemperatur T_Al unter der Raumlufttemperatur liegt,

1. wenn der erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL größer als die maximale Förderkapazität der Anlage ist der maximal mögliche Außenluftvolumenstrom V_AlL, V_AlMax geführt und die Zuluft gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf anhand der Formel
P_R = cϕV_ZuIst(T_RIst - T_ZuIst)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, V_ZuIst den Zuluftvolumenstrom, T_RIst die Raumlufttemperatur und T_ZuIst die Zulufttemperatur bezeichnen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche Außenluftvolumenstrom V_AlL nach der Gleichung
V_AlL = P_R/((T_RSoll - T_Al)cϕ)
berechnet wird, wobei c die spezifische Wärme und ϕ die Dichte der Zuluft, T_RSoll die Soll-Raumluftttemperatur und T_Al die Außenlufttemperatur bezeichnen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin anhand der Zahl von Personen im Raum festgelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum ein Raum eines Fahrzeugs zur Personenbeförderung ist, und daß die Zahl der Personen anhand der Federbelastung des Fahrzeugs ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestaußenluftvolumenstrom V_AlMin anhand des gemessenen CO₂-Gehalts der Raumluft festgelegt wird.