Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen - Siemens ...
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Answers for infrastructure.<br />
<strong>Regeln</strong> <strong>und</strong> <strong>Steuern</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>Lüftungs</strong>-/<strong>Klimaanlagen</strong><br />
s
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Temperaturregelung <strong>von</strong><br />
lufttechnischen Anlagen<br />
2. Feuchteregelungen<br />
3. Umluft-Beimischung<br />
1.1 Innere Wärmequellen 6<br />
1.2 Die Zulufttemperaturregelung 6<br />
1.3 Die Raumtemperaturregelung 8<br />
1.4 Die Ablufttemperaturregelung 9<br />
1.5 Die Raum-Zulufttemperatur-Kaskadenregelung 10<br />
1.5.1 Aufbau 10<br />
1.5.2 Arbeitsweise P+PI-Kaskadenregelung 11<br />
1.5.3 Einstellmöglichkeiten P+PI-Kaskadenregelung 11<br />
1.6 Sequenzschaltung <strong>von</strong> Heizventil <strong>und</strong> Kühlventil 13<br />
1.7 Führen einer Temperaturregelung nach der<br />
Aussentemperatur 14<br />
1.8 Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur 16<br />
2.1 Allgemeines 18<br />
2.2 Taupunktregelung 18<br />
2.2.1 Aufbau 18<br />
2.2.2 Regelung 19<br />
2.2.3 Anwendung 20<br />
2.2.4 Taupunkttemperatur 21<br />
2.2.5 Zustandsänderungen im h,x-Diagramm 22<br />
2.2.6 Eigenschaften der Taupunktregelung 24<br />
2.2.7 Gleitende Taupunktregelung in Abhängigkeit der<br />
Aussentemperatur 24<br />
2.3 Direkte, stetige Feuchteregelung 26<br />
2.3.1 Allgemeines 26<br />
2.3.2 Klimaanlage mit stetig regelbarem Luftwäscher 28<br />
2.3.2.1 Luftzustandsänderungen im Winter 29<br />
2.3.2.2 Luftzustandsänderungen im Sommer 30<br />
2.3.3 Stetig regelbare Dampfbefeuchtung 32<br />
2.3.4 Eigenschaften der direkten, stetigen Feuchteregelung 33<br />
2.4 Zweipunktregelung der Befeuchtung 34<br />
2.4.1 Befeuchtung mit Luftwäscher 34<br />
2.4.2 Zweipunktregelung der Befeuchtung mit Dampf 36<br />
3.1 Allgemeines 37<br />
3.2 Konstante Umluft-Beimischung 37<br />
3.3 Manuelle Steuerung der Umluft-Beimischung 38<br />
3.4 Steuerung der Luftklappen im Heizbetrieb 38<br />
3.5 Steuerung der Luftklappen im Kühlbetrieb 39<br />
3.6 Energie-optimale Luftklappensteuerung<br />
nach der Temperatur- oder Enthalpie-Differenz<br />
zwischen Abluft <strong>und</strong> Aussenluft 40<br />
3.6.1 Heizbetrieb 40<br />
3.6.2 Kühlbetrieb 41<br />
3.7 Energie-optimale Umluftbeimischung in Abhängigkeit<br />
<strong>von</strong> der Mischluft-Temperatur oder Mischluft-EnthaIpie 41<br />
3.8 Sequenzschaltungen 43<br />
3.8.1 Die Komfortschaltung 43<br />
3.8.2 Die Sparschaltung 44<br />
3.8.3 Sequenzschaltung Luftklappen, Heizventil, Kühlventil 45<br />
3.8.4 Bedarfsgeführte Luftqualitätsregelung 47<br />
3
4<br />
4. Regelung <strong>und</strong> Vereisungsschutz<br />
<strong>von</strong> WRG-Apparaten<br />
5. Teilklima-Anlagenkonzepte<br />
6. Vollklima-Anlagenkonzepte mit<br />
Wärmerückgewinnung<br />
4.1 Allgemeines 56<br />
4.2 Umluftbeimischung 56<br />
4.3 Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager<br />
(rekuperative WRG) 57<br />
4.3.1 Regelung 57<br />
4.3.2 Vereisungsschutz 58<br />
4.4 Kreislaufverb<strong>und</strong>-System 61<br />
4.4.1 Regelung 61<br />
4.4.2 Vereisungsschutz 61<br />
4.5 Wärmerohre (Heat pipes) 62<br />
4.6 Rotations-Wärmeübertrager 62<br />
4.6.1 Regelung 63<br />
4.6.2 Vereisungsschutz 63<br />
4.7 Wärmepumpen 64<br />
4.8 Kombination <strong>von</strong> WRG-Apparat mit Umluftbeimischung 64<br />
4.8.1 Umluftbeimischung vor dem WRG-Apparat 64<br />
4.8.2 Umluftbeimischung nach dem WRG-Apparat 66<br />
5.1 Aufbau <strong>und</strong> Anwendungsbereiche 70<br />
5.1.1 Temperaturregelung 70<br />
5.1.2 Feuchteregelung 70<br />
5.1.3 Zustandsänderungen im h,x-Diagramm 71<br />
5.2 Teilklimaanlagen für Räume mit hohem innerem<br />
Feuchte-Anfall (Schwimmbad-<strong>Lüftungs</strong>anlagen) 73<br />
5.2.1 Anlagen mit stetiger Regelung der Raumtemperatur<br />
<strong>und</strong> Entfeuchtung durch Aussenluft-Beimischung 73<br />
5.2.2 Schwimmbad-Raumtemperatur- <strong>und</strong> Feuchteregelung<br />
mit Sollwertführung der relativen Raumfeuchte 74<br />
5.2.3 Schwimmbad-Raumtemperatur- <strong>und</strong> Feuchteregelung<br />
mit Sollwertführung der rel. Raumfeuchte <strong>und</strong> WRG 77<br />
5.3 Teilklimaanlage mit WRG – Heizen – Kühlen 78<br />
6.1 Allgemeines 80<br />
6.2 Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG – Kühlen –<br />
Heizen – Befeuchten (mit Dampf) – Entfeuchten 82<br />
6.3 Vollklimaanlage mit Umluftbeimischung – Kühlen –<br />
Heizen – Befeuchten (stetig, adiabat) – Entfeuchten 84<br />
6.4 Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG – Kühlen –<br />
Heizen – Befeuchten (stetig, adiabat) – Entfeuchten 85<br />
6.5 Vollklimaanlage mit regenerativer WRG<br />
(Feuchteübertragung) – Kühlen – Heizen – Befeuchten<br />
(Dampf) – Entfeuchten 86<br />
6.6 Vergleich der verschiedenen Anlagenkonzepte<br />
bezüglich Energieverbrauch 86<br />
6.7 hx-geführte Regelung (Economiser tx2) 87<br />
6.7.1 tx2-Regelung 88<br />
6.7.2 tx2 ERG-Strategie 90<br />
6.8 DEC-Systeme 93<br />
6.8.1 Regelung <strong>von</strong> DEC-Systemen 94
7. Diverse Steuer- <strong>und</strong> Regelfunktionen<br />
8. <strong>Regeln</strong> <strong>und</strong> <strong>Steuern</strong> der<br />
Luftnachbehandlung<br />
7.1 Frostschutz 96<br />
7.1.1 Frostschutzthermostat 97<br />
7.1.2 Zweistufige Frostschutzfunktion 98<br />
7.1.3 Spezielle Frostschutz-Anfahrsteuerung 99<br />
7.2 Luftfilter-Überwachung 101<br />
7.2.1 Überwachung durch Filterwächter 101<br />
7.2.2 Überwachung mittels Druckdifferenzfühler 102<br />
7.3 <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> mit Elektro-Lufterwärmern 103<br />
7.4 Quell-Lüftung 105<br />
7.4.1 Kombination <strong>von</strong> Quell-Lüftung <strong>und</strong> Kühldecke 106<br />
7.4.1.1 Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach der Aussentemperatur 107<br />
7.4.1.2 Lokale Taupunkt-Überwachung im Raum (Ein/Aus) 107<br />
7.4.1.3 Zentrale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach einem kritischen Raum 108<br />
7.4.1.4 Lokale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach dem Raumzustand 109<br />
7.5 Druck- <strong>und</strong> Volumenstromregelungen in <strong>Lüftungs</strong>anlagen 109<br />
7.5.1 Regelung des Zuluftdruckes 110<br />
7.5.2 Überdruck- oder Unterdruckregelung eines Raumes 111<br />
7.5.3 Luftvolumenstromregelung 112<br />
7.6 Kühlung durch intensive Nachtlüftung 113<br />
7.7 Brandfallsteuerung 114<br />
7.7.1 Brandabschaltung 114<br />
7.7.2 Entrauchungsbetrieb 114<br />
8.1 Allgemeines 115<br />
8.2 Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung 115<br />
8.3 Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale 116<br />
8.4 Zweikanal-Anlagen 117<br />
8.5 Funktionsprinzip der VVS-Anlagen 120<br />
8.5.1 Einzelraum-Temperaturregelung mit VVS 121<br />
8.5.2 Führung der zentralen Zulufttemperatur durch die<br />
Sollwerte der Einzelraum-Temperaturen 125<br />
8.5.3 Führung des primären Luftvolumenstroms 126<br />
8.5.4 Statische Druckregelung in den Luft-Kanälen 127<br />
8.6 Fan-Coil-Anlagen 128<br />
8.7 Induktionsanlagen 130<br />
8.8 Sollwertführung der Vorlauftemperaturen 133<br />
8.9 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte 134<br />
8.9.1 Fenster-Klimageräte 134<br />
8.9.2 Truhenklimageräte 134<br />
8.9.3 Split-Klimageräte 135<br />
5
6<br />
1. Temperaturregelung <strong>von</strong> lufttechnischen Anlagen<br />
1.1 Innere Wärmequellen<br />
1.2 Die Zulufttemperaturregelung<br />
Soll eine Raumtemperatur konstant gehalten werden, so sind die<br />
inneren Wärmequellen während der Kühlperiode Störgrössen, die mit<br />
hohem Energieaufwand weggekühlt werden müssen. Während der<br />
ganzen Heizperiode hingegen können die inneren Wärmequellen als<br />
Heizenergie genutzt werden. Aus regeltechnischer Sicht können dabei<br />
die folgenden drei Wärmequellen wirksam sein:<br />
• Wärmeabgabe <strong>von</strong> Heizkörpern (Gr<strong>und</strong>lastheizung)<br />
• Wärmezufuhr der <strong>Lüftungs</strong>anlage<br />
• Innere Wärmequellen (Personen, Geräte, Beleuchtung,<br />
Sonneneinstrahlung etc.)<br />
Bei richtiger Aufteilung der Wärmezufuhr auf die Gr<strong>und</strong>lastheizung<br />
einerseits <strong>und</strong> die <strong>Lüftungs</strong>anlage – unter sorgfältiger Berücksichtigung<br />
der inneren Wärmequellen – andererseits, sollte es deshalb keine<br />
grossen regeltechnischen Probleme geben.<br />
In Fig. 1-1 hat eine einfache <strong>Lüftungs</strong>anlage die Aufgabe, einen Raum<br />
ohne inneren Wärmeanfall mit Aussenluft zu versorgen, während die<br />
Raumheizung selbst mittels Radiatoren erfolgt. Damit die Raumtemperatur<br />
bei der tiefsten Aussentemperatur konstant auf z.B. 21 °C bleibt,<br />
muss die Radiatorenheizung 100 % der Heizlast aufbringen, d.h. alle<br />
Wärmeverluste decken, sowie die Zuluft mit einer Temperatur <strong>von</strong> 21 °C<br />
eingeblasen werden. Die <strong>Lüftungs</strong>anlage trägt in diesem Falle nichts<br />
zur Raumheizung bei. Sie hat lediglich die Aufgabe der Lufterneuerung<br />
<strong>und</strong> damit der Aussenlufterwärmung auf die Raumtemperatur.<br />
8<br />
3<br />
9<br />
7<br />
Fig. 1-1 Zulufttemperaturregelung mit Gr<strong>und</strong>lastheizung<br />
1 Zulufttemperaturfühler<br />
2 Zulufttemperaturregler<br />
3 Stellantrieb mit Heizventil<br />
4 Raumtemperaturfühler<br />
5 Raumtemperaturregler<br />
6 Stellantrieb mit Heizventil<br />
7 Zulufttemperatur-Führungsgeber (nach Aussentemperatur)<br />
8 Aussentemperatur-Fühler<br />
9 Frostschutzthermostat<br />
2<br />
w<br />
1<br />
4<br />
w<br />
5<br />
6<br />
B71-1
Die Regelung der ganzen Anlage geschieht wie folgt:<br />
• Für die <strong>Lüftungs</strong>anlage wird die sogenannte Zulufttemperatur -<br />
regelung gewählt, d.h. der Temperaturfühler für die <strong>Lüftungs</strong>anlage<br />
ist im Zuluftkanal montiert. Der stetige Temperaturregler 2 vergleicht<br />
die vom Fühler 1 gemessene Temperatur mit dem Sollwert.<br />
Bei einer Abweichung bewirkt der Regler das Verstellen des Heizventils<br />
3 so, dass eine konstante Zulufttemperatur erreicht wird.<br />
Der Sollwert der Zulufttemperatur darf nur dann auf den gleichen<br />
Wert wie die Raumtemperatur eingestellt werden, wenn keine innere<br />
Wärme anfällt. Andernfalls ist die Zulufttemperatur entsprechend<br />
tiefer einzustellen, jedoch nicht so tief, dass Zuglufterscheinungen<br />
auftreten. Die Leistung des Lufterwärmers muss so ausgelegt sein,<br />
dass sie auch bei tiefster Aussentemperatur den für die Lüftung<br />
notwendigen Aussenluftvolumenstrom auf den eingestellten Sollwert<br />
bringen kann.<br />
• Weil die im Raum eventuell auftretende innere Wärme nur mit<br />
einem Raumtemperaturfühler (4) erfasst werden kann, muss für die<br />
Radiatorenheizung die Raumtemperaturregelung vorgesehen werden.<br />
• Ist die Zulufttemperatur infolge des inneren Wärmeanfalls tiefer eingestellt<br />
als die Raumtemperatur, so sinkt letztere ab, wenn die inneren<br />
Wärmequellen ausbleiben. In diesem Falle muss die Radiatorenheizung,<br />
nebst der eigentlichen Heizlast, zusätzIich auch die Erwärmung<br />
der kälteren Zuluft auf die gewünschte Raumtemperatur<br />
übernehmen können.<br />
Diese Art der Regelung darf nur bei Anlagen mit kleinerem innerem<br />
Wärmeanfall angewendet werden. Bei grösseren <strong>und</strong> unregelmässig<br />
auftretenden inneren Wärmequellen im Raum senkt der Raumtemperaturregler<br />
5 die Heizkörpertemperatur jeweils entsprechend stark ab.<br />
Oftmals ergibt sich dann so mehr oder weniger ein Auf/Zu-Betrieb der<br />
Radiatorenheizung mit entsprechender Temperaturschwankung im<br />
Raum. Zudem entfällt bei kalten Radiatoren der Warmluftschleier vor<br />
den Fenstern, wodurch ein höchst unbehaglicher Zustand entsteht<br />
(Zugerscheinung durch kalte Fallströmung an den Fenstern).<br />
Soll im Sommer auch gekühlt werden, so können keine Garantien für<br />
die Raumtemperatur abgegeben werden. Meist ist es dann vorteilhaft,<br />
den Sollwert der Zulufttemperatur mit einem Führungsgeber (7) in<br />
Abhängigkeit <strong>von</strong> der Aussentemperatur zu führen (siehe 1.7).<br />
Die Zulufttemperaturregelung wird dort angewendet, wo die <strong>Lüftungs</strong>anlage<br />
hauptsächlich der Lufterneuerung dient:<br />
• Vor allem mit der Belüftung <strong>von</strong> Küchen, Restaurants, Garagen,<br />
Turnhallen u.ä. soll die schlechte Raumluft erneuert werden. Die<br />
Raumtemperatur selbst kann dabei <strong>von</strong> untergeordneter Bedeutung<br />
sein.<br />
• Für andere Räume, wie Werkstätten, Werkhallen, Lagerräume usw.<br />
kann während der Heizperiode mit der Zulufttemperaturregelung<br />
eine konstante Raumtemperatur gewährleistet werden, wenn im<br />
betreffenden Raum keine veränderliche innere Wärmequelle, dafür<br />
aber eine zu 100 % regelbare Gr<strong>und</strong>lastheizung vorhanden ist.<br />
Diese Gr<strong>und</strong>lastheizung (z.B. Radiatorenheizung) muss nach der<br />
Raumtemperatur geregelt werden.<br />
• Zur besseren Anpassung der Zulufttemperatur an die Wärmever -<br />
luste des belüfteten Raumes kann die Zulufttemperatur nach der<br />
Aussentemperatur geführt werden.<br />
7
8<br />
1.3 Die Raumtemperaturregelung<br />
Tritt in einem Raum eine grössere innere Wärmemenge auf, so muss<br />
diese aus wirtschaftlichen Gründen zur Beheizung des Raumes genutzt<br />
werden, d.h. sie muss in die Regelung der <strong>Lüftungs</strong>anlage einbezogen<br />
werden. Dies geschieht mit der Raumtemperaturregelung gemäss<br />
Fig. 1-2.<br />
3<br />
13<br />
7<br />
MAX<br />
4<br />
8<br />
MIN<br />
Fig. 1-2 Raumtemperaturregelung mit Gr<strong>und</strong>lastheizung<br />
1 Raumtemperaturfühler (alternativ Ablufttemperaturfühler 1a)<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Stellantrieb mit Heizventil<br />
4 Stellantrieb mit Kühlventil<br />
5 Zulufttemperatur-Fühler<br />
6 Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer<br />
7 Vorrangauswahl Heizventil<br />
8 Vorrangauswahl Kühlventil<br />
9 Vorlauftemperaturfühler<br />
10 Aussentemperaturfühler<br />
11 Vorlauftemperaturregler<br />
12 Stellantrieb mit Heizventil<br />
13 Frostschutzthermostat<br />
6<br />
Die Regelung dieser Anlage funktioniert wie folgt:<br />
• Die Zulufttemperatur wird nicht mehr auf einen konstanten Wert<br />
geregelt, sondern raumtemperaturabhängig, d.h. der stetige Regler<br />
2 vergleicht die vom Fühler 1 gemessene Raumtemperatur mit dem<br />
Sollwert. Bei einer Abweichung bewirkt der Regler das Verstellen<br />
des Heizventils 3 oder des Kühlventils 4. Je höher z.B. die Raumtemperatur<br />
infolge innerer Wärmequellen ansteigen will, desto kälter<br />
wird die Zuluft eingeblasen, so dass die Raumtemperatur konstant<br />
auf ihrem gewählten Wert bleibt. Ein Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer<br />
5 sorgt dafür, dass bei grossem innerem Wärmeanfall<br />
die Zuluft nicht so kalt eingeblasen werden kann, dass unbehagliche<br />
Zugerscheinungen auftreten (siehe 1.8).<br />
• Damit die Anlage, nebst der verbrauchten Luft, nicht auch die innere<br />
Wärme ungenutzt ins Freie fördert, muss die Gr<strong>und</strong>lastheizung<br />
reduziert werden. Dadurch «wird Platz geschaffen» für die inneren<br />
Wärmequellen. Die Heizleistung der Radiatoren wird aber nur so<br />
stark reduziert, dass auch bei ungünstigen Verhältnissen der Warmluftschleier<br />
vor den Fenstern gerade noch sichergestellt ist. Im Allgemeinen<br />
legt man hierfür die Radiatorenheizung für eine Raumtemperatur<br />
<strong>von</strong> etwa 12...15 °C aus. Die Regelung der Radiatorenheizung<br />
muss dabei unbedingt witterungsabhängig erfolgen.<br />
• Durch die Herabsetzung der Wärmeleistung der Radiatoren kann<br />
der Raum bei einem eventuellen Ausbleiben der inneren Wärmequellen<br />
nicht mehr genügend geheizt werden. Die dann fehlende<br />
Heizleis tung muss deshalb vom Lufterwärmer übernommen werden.<br />
2<br />
5<br />
w �ZU<br />
1a<br />
w �R<br />
1<br />
9<br />
12<br />
11<br />
10<br />
B71-2
1.4 Die Ablufttemperaturregelung<br />
• Die Heizleistung lässt sich demnach wie folgt aufteilen:<br />
Wärmeleistung der Radiatorenheizung (Gr<strong>und</strong>lastheizung)<br />
+ Wärmeleistung der <strong>Lüftungs</strong>anlage<br />
+ Innere Wärmequellen<br />
= 100 % Heizleistung<br />
Die Raumtemperaturregelung der <strong>Lüftungs</strong>anlage wird angewendet<br />
für die Heizung <strong>und</strong> Belüftung <strong>von</strong> Büro-, Konferenz-, Verkaufs- <strong>und</strong><br />
Lagerräumen, Werkstätten <strong>und</strong> ähnlichen Räumen mit oder ohne innere<br />
Wärmequellen. Die Heizlast kann in einem beliebigen Verhältnis auf<br />
die Gr<strong>und</strong>lastheizung <strong>und</strong> die <strong>Lüftungs</strong>anlage aufgeteilt werden (Luftschleier!).<br />
Die Regelung der Gr<strong>und</strong>lastheizung darf jedoch nicht auch<br />
als Raumtemperaturregelung erfolgen, da sich sonst die beiden Raumtemperatur-Regelkreise<br />
gegenseitig störend beeinflussen würden. Der<br />
Vorteil der Raumtemperaturregelung gegenüber der Zulufttemperaturregelung<br />
liegt vor allem in der Ausregelgeschwindigkeit <strong>von</strong> Störungen,<br />
die innerhalb des belüfteten Raumes auftreten:<br />
• Bei der Zulufttemperaturregelung wird eine im Raum auftretende<br />
Störung vom Temperaturfühler der Radiatorenheizung erfasst. Weil<br />
diese Heizung allgemein träge ist, dauert es relativ lange, bis die<br />
Störung beseitigt ist.<br />
• Bei der Raumtemperaturregelung hingegen wird die Störung vom<br />
Temperaturfühler der <strong>Lüftungs</strong>anlage erfasst. Da die Luft im Raum<br />
pro St<strong>und</strong>e mehrmals umgewälzt wird (Luftwechselzahl), erfolgt<br />
eine, im Verhältnis zur Radiatorenheizung, schnelle Beseitigung der<br />
Störung. Störungen hingegen, die über die Zuluft in den Raum<br />
gelangen, werden wegen der Zeitkonstante des Raumes nur relativ<br />
träge ausgeregelt. Solche Störungen können unter anderem sein:<br />
– Schnelle Aussentemperatur-Änderung<br />
– Schwankung der Vorlauftemperatur für die Wärmetauscher<br />
– Ein- <strong>und</strong> Ausschalten eines Luftwäschers<br />
– Stellungsänderung <strong>von</strong> Luftklappen, die <strong>von</strong> einem Hygrostat<br />
gesteuert werden.<br />
Die Ablufttemperaturregelung hat gr<strong>und</strong>sätzlich die gleiche Aufgabe<br />
wie die Raumtemperaturregelung, nur ist der Temperaturfühler 1a im<br />
Abluftkanal montiert (in Fig. 1-2, gestrichelt gezeichnet). Dazu sind<br />
unter anderem folgende Punkte zu beachten:<br />
Der im Abluftkanal montierte Temperaturfühler misst nur die Lufttemperatur,<br />
während ein Raumtemperaturfühler nebst der Raumlufttemperatur<br />
auch einen gewissen Anteil an Strahlungswärme z.B. <strong>von</strong> der<br />
Wandtemperatur erfasst. Dadurch wird den Anforderungen an die<br />
Behaglichkeit besser entsprochen. Dafür wird die Ausgleichszeit der<br />
Regelstrecke (Tg) bei der Ablufttemperaturregelung kürzer, weil der<br />
Fühler bei höherer Strömungsgeschwindigkeit schneller reagiert.<br />
Die Verzugszeit Tu der Regelstrecke wird dadurch aber nicht verkürzt<br />
<strong>und</strong> deshalb wird der Schwierigkeitsgrad S der Regelstrecke grösser<br />
(S = Tu/Tg).<br />
Die Ablufttemperaturregelung wird dort bevorzugt, wo die richtige Platzierung<br />
eines Raumtemperaturfühlers problematisch ist oder wo nur<br />
die Raumlufttemperatur, ohne Strahlungsanteil, die wesentliche Rolle<br />
spielt (z.B. in Labors, Operationssälen usw.).<br />
9
10<br />
1.5 Die Raum-Zulufttemperatur-<br />
Kaskadenregelung<br />
1.5.1 Aufbau<br />
Haupt-/Führungsregelkreis<br />
Hilfs-/Folgeregelkreis<br />
Wie unter 1.3 erklärt, können bei einer Raumtemperaturregelung Störungen<br />
durch die Zuluft erst vom Raumtemperaturfühler erfasst <strong>und</strong><br />
ausgeregelt werden. Dieser Nachteil wird durch die Kaskadenregelung<br />
ausgemerzt. Zudem ermöglicht sie eine bessere Beherrschung schwieriger<br />
Regelstrecken.<br />
7<br />
9<br />
Fig. 1-3 Raum-Zulufttemperatur-Kaskadenregelung<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Raumtemperatur-SolIwertgeber<br />
3 Führungsregler<br />
4 Einstellpotentiometer für Kaskadeneinfluss<br />
5 Zulufttemperaturfühler<br />
6 Folgeregler (Zulufttemperaturregler)<br />
7 Heizventil mit Stellantrieb<br />
8 Einstellpotentiometer für Kaskaden-Basiswert<br />
9 Frostschutzthermostat<br />
1-2-3-4 Haupt- oder Führungsregelkreis<br />
4-5-6-7 Hilfs- oder Folgeregelkreis<br />
5<br />
6 3<br />
8<br />
Der Haupt- oder Führungsregelkreis besteht aus Führungsregler (3,<br />
Raumtemperaturregler), Raumtemperaturfühler (1), Raumtemperatur-<br />
Sollwertgeber (2), dem Zulufttemperatur-Sollwert-Korrektursignal (4,<br />
Kaskadeneinfluss) als Ausgangsgrösse des Reglers <strong>und</strong> dem Raum als<br />
Regelstrecke. Die Zulufttemperatur hat also hier die Bedeutung der<br />
Stellgrösse y des Führungsreglers. Statt einen Stellantrieb zu verstellen,<br />
wird der Sollwert der Zulufttemperatur verändert <strong>und</strong> dadurch eine<br />
Korrektur der Raumtemperaturabweichung eingeleitet.<br />
Der Hilfs- oder Folgeregelkreis wird gebildet aus dem Zulufttemperatur-<br />
Sollwert (8), der Stellgrösse des Raumtemperaturreglers (3) mit dem<br />
Kaskadeneinfluss (4) als Reglerverstärkung, dem Zulufttemperaturfühler<br />
(5), dem Zulufttemperaturregler (6), dem Heizventil (7) als Stellgerät<br />
<strong>und</strong> der Regelstrecke zwischen Heizventil <strong>und</strong> Zulufttemperaturfühler.<br />
Wird als Führungsregler ein P-Regler <strong>und</strong> als Folgeregler ein Pl-Regler<br />
verwendet, so spricht man <strong>von</strong> einer P+PI-Kaskadenregelung. In der<br />
weiteren Beschreibung wird nur auf das Verhalten dieser P+PI-Kaskadenregelung<br />
eingegangen.<br />
4<br />
2<br />
1<br />
B71-3
1.5.2 Arbeitsweise<br />
P+PI-Kaskadenregelung<br />
1.5.3 Einstellmöglichkeiten<br />
P+PI-Kaskadenregelung<br />
(vgl. Fig. 1-3)<br />
• Der Führungsregler (3) erfasst über den Fühler (1) die Raumtemperatur.<br />
Sobald eine Abweichung vom Sollwert (2) auftritt, ändert der<br />
Folgeregler (6, Pl-Regler) die Zulufttemperatur mit Hilfe des Zulufttemperaturfühlers<br />
(5) entsprechend dem vom Raumtemperaturregler<br />
(3) <strong>und</strong> dem Kaskadeneinfluss (4) vorgegebenen Sollwert. Stör -<br />
grössen der Zulufttemperatur werden schon vom Zulufttemperaturfühler<br />
erfasst <strong>und</strong> durch den Folgeregler lastunabhängig auskorrigiert,<br />
bevor sie die Raumtemperatur beeinflussen können. Dieses<br />
Fernhalten <strong>von</strong> Störungen der Raumtemperatur durch die Zulufttemperatur<br />
erleichtert die Aufgabe des Führungsreglers. Dieser hat folglich<br />
nur noch Störungen, die im Raum selber auftreten, auszuregeln.<br />
• Bei einer Abweichung der Raumtemperatur (1) vom Sollwert (2) verschiebt<br />
der Führungsregler (3, P-Regler) entsprechend dieser Regeldifferenz<br />
<strong>und</strong> dem eingestellten Kaskadeneinfluss (4) den Sollwert<br />
der Zulufttemperatur in entgegengesetzter Richtung. Beispielsweise<br />
muss bei einem Kaskadeneinfluss <strong>von</strong> 20 % die Zulufttemperatur-Änderung<br />
fünfmal grösser sein als die aufgetretene Raumtemperaturabweichung,<br />
d.h. wenn die Raumtemperatur 1 K unter den<br />
Sollwert (2) absinkt, dann wird der Sollwert der Zulufttemperatur um<br />
5 K über den Einstellwert (8) angehoben (Fig. 1-3).<br />
• Der Folgeregler (6) erfasst über den Fühler (5) die Zulufttemperatur,<br />
vergleicht sie mit dem neuen Sollwert <strong>und</strong> verstellt das Ventil (7) so<br />
lange, bis die geforderte Zulufttemperatur wieder erreicht ist.<br />
• Der Führungsregler als P-Regler kann aber eine Raumtemperaturstörung<br />
meist nicht vollständig beseitigen; er hinterlässt eine bleibende<br />
Regeldifferenz. Diese fällt allerdings bei der P+PI-Kaskadenregelung<br />
wesentlich kleiner aus als bei einer reinen P-Regelung, da<br />
der Sollwert der Zulufttemperatur vom PI-Folgeregler genau eingehalten<br />
wird. Und, weil der Übertragungsbeiwert KS der Raumregelstrecken<br />
meist < 0,5 ist, kann die Reglerverstärkung des<br />
Raumtemperatur reglers relativ hoch eingestellt werden. Dadurch<br />
ergeben sich in der Praxis max. bleibende Regeldifferenzen < 1 K.<br />
Zusammenfassend kann über die P+PI-Kaskadenregelung also gesagt<br />
werden:<br />
Der Führungsregler verschiebt den Sollwert der Zulufttemperatur proportional<br />
zur Raumtemperaturabweichung. Dadurch entsteht eine bleibende<br />
Regeldifferenz der Raumtemperatur. Die Zulufttemperatur wird<br />
aber vom PI-Folgeregler lastunabhängig ausgeregelt. Störgrössen der<br />
Zuluftstrecke werden auskorrigiert, bevor sie die Raumtemperatur<br />
beeinflussen können. In der HLK-Technik werden der Führungs- <strong>und</strong><br />
der Folgeregler zu einem einzigen Regelgerät oder Funktionsblock (in<br />
der Regler-Software) zusammengefasst (Fig. 1-3, strichpunktierte<br />
Umrandung).<br />
• Sollwert 2 für die gewünschte Raumtemperatur (wR)<br />
• Einstellwert 8 für die Zulufttemperatur (Kaskaden-Basiswert wK):<br />
Dieser wird auf den Wert eingestellt, der erforderlich ist, um die<br />
gewünschte Raumtemperatur unter Normalbedingungen aufrechtzuerhalten.<br />
Er ist abhängig <strong>von</strong> der Auslegung der <strong>Lüftungs</strong>anlage,<br />
der Gr<strong>und</strong>lastheizung des Raumes <strong>und</strong> dem inneren Wärmeanfall.<br />
• wenn eine Gr<strong>und</strong>lastheizung vorhanden ist <strong>und</strong> die geregelte Anlage<br />
nur zur Lüftung des Raumes dient, kann der Kaskaden-Basiswert<br />
wK etwa auf den gleichen Wert wie der Raumtemperatur-Sollwert<br />
wR eingestellt werden<br />
11
12<br />
PI-PI Kaskadenregelung<br />
• dient die geregelte <strong>Lüftungs</strong>anlage gleichzeitig auch zur Heizung<br />
des Raumes, dann ist der Kaskaden-Basiswert wK höher als der<br />
Raumtemperatur-Sollwert wR einzustellen (etwa Halblast)<br />
• bei dauernd anfallender innerer Wärme ist der Kaskaden-Basiswert<br />
wK tiefer als der Raumtemperatur-Sollwert wR einzustellen<br />
• Kaskaden-Einfluss 4 (E %):<br />
Dieser Wert ist abhängig <strong>von</strong> der Auslegung der <strong>Lüftungs</strong>anlage. Je<br />
kleiner der Einfluss eingestellt wird, desto grösser ist die Reglerverstärkung<br />
des Raumtemperaturreglers d.h. umso mehr muss die<br />
Zulufttemperatur zur Korrektur einer Raumtemperatur-Regeldifferenz<br />
ändern. Störungen der Raumtemperatur werden schnell ausgeregelt<br />
<strong>und</strong> die bleibende Regeldifferenz wird entsprechend kleiner.<br />
Je grösser der Einfluss eingestellt wird, desto stabiler wird die<br />
Raumtemperatur-Regelung, aber die bleibende Regeldifferenz wird<br />
auch entsprechend grösser. Allgemeine Erfahrungswerte, die bei<br />
unbekannten Verhältnissen eingestellt werden, liegen bei ca. 15 %.<br />
w K<br />
°C<br />
26<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
� ZU<br />
E = 20 %<br />
E %<br />
�� R<br />
�� ZU<br />
17 18 19 20 21 °C<br />
Fig. 1-4 Kaskaden-Einfluss<br />
�R Raumtemperatur<br />
wR SolIwert der Raumtemperatur<br />
Δ�R Raumtemperaturabweichung<br />
�ZU Zulufttemperatur<br />
wK Kaskaden-Basiswert (Einstellwert der Zulufttemperatur)<br />
Δ�ZU ZuIufttemperatur-Änderung<br />
E % Kaskadeneinfluss in %<br />
Reglerverstärkung KP = Kaskadensteilheit S = Δ� ZU<br />
Δ� R<br />
Kaskadeneinfluss E[%] = 100 % = Δ� R * 100 %<br />
S Δ� ZU<br />
Heute werden in Software-Programmen üblicherweise PI-PI-Kaskadenregelungen<br />
realisiert, für die die gleichen Gr<strong>und</strong>überlegungen gelten,<br />
wie oben für die P-PI-Kaskadenregelung erklärt.<br />
� R<br />
w R B71-4
1.6 Sequenzschaltung <strong>von</strong> Heizventil<br />
<strong>und</strong> Kühlventil<br />
Die Anlage gem. Fig. 1-5 ist mit einem Lufterwärmer <strong>und</strong> einem Luftkühler<br />
ausgerüstet. Dadurch kann die Raumtemperatur nicht nur im<br />
Winter, sondern auch im Sommer <strong>und</strong> bei innerem Wärmeanfall auf<br />
einem gewünschten Wert (wR) gehalten werden.<br />
Fig. 1-5 <strong>Lüftungs</strong>anlage mit Heiz- <strong>und</strong> Kühlregister<br />
1 Temperaturregler<br />
2 Raumtemperaturfühler<br />
3 Heizventil<br />
4 Kühlventil<br />
5 Frostschutzthermostat<br />
Der Temperaturregler (1) vergleicht die vom Fühler (2) gemessene<br />
Raumtemperatur mit dem eingestellten Sollwert wR. Bei einer Abweichung<br />
(Fig. 1-6a) verstellt der Regler das Heizventil (3) bzw. das Kühlventil<br />
(4) solange, bis der Raumtemperatur-Sollwert erreicht ist. Die<br />
Raumtemperatur wird somit im Heiz- <strong>und</strong> Kühlbetrieb auf den gleichen<br />
Sollwert wR geregelt.<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
5<br />
3 4<br />
3 4<br />
w R<br />
X dz<br />
3 4<br />
w H<br />
w K<br />
Fig. 1-6 Sequenzschaltung Heizventil – Kühlventil<br />
a) Heizen – Kühlen ohne Totzone<br />
b) Heizen – Kühlen mit Totzone<br />
Q Last (– = Heizlast, + = Kühllast)<br />
3 Heizventil<br />
4 KühIventiI<br />
wR Raumtemperatur-Sollwert<br />
wH Heiz-Sollwert<br />
wK Kühl-Sollwert<br />
xdz Totzone<br />
1<br />
w R<br />
B71-6<br />
2<br />
B71-5<br />
13
14<br />
1.7 Führen einer Temperaturregelung<br />
nach der Aussentemperatur<br />
Es besteht aber auch die Möglichkeit, im Kühlbetrieb die Raumtempe -<br />
ratur um ca. 4 K über den Heiz-Sollwert wH ansteigen zu lassen, bevor<br />
das Kühlventil zu öffnen beginnt (Fig. 1-6b). Das Trennen <strong>von</strong> Heiz- <strong>und</strong><br />
Kühlbetrieb durch die sogenannte Totzone xdz hat den Zweck, Kühlenergie<br />
zu sparen. Dies bedeutet, dass der Regler im Heizbetrieb auf den<br />
tieferen Heiz-Sollwert wH <strong>und</strong> im Kühlbetrieb auf den höheren Kühl-Sollwert<br />
wK regelt.<br />
Es empfiehlt sich, für diese Totzonenregelung einen Regler mit PI-Verhalten<br />
einzusetzen, weil dadurch die bleibende Regeldifferenz des<br />
P-Reglers nicht berücksichtigt werden muss <strong>und</strong> so die Totzone<br />
zwischen den beiden Sollwerten wH <strong>und</strong> wK voll, d.h. ohne Energie -<br />
verbrauch ausgenutzt werden kann.<br />
In <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> kann der Sollwert einer Raum-, Abluft-,<br />
Zuluft- oder Kaskadenregelung nach der Aussentemperatur geführt<br />
werden. Dies bedeutet, dass der Sollwert der Temperaturregelung,<br />
innerhalb einem bestimmten Bereich der Aussentemperatur, stetig verändert<br />
wird.<br />
Das Führen eines Raumtemperatur-Sollwertes nach der Aussentemperatur<br />
hat folgende Gründe:<br />
• Im Sommerbetrieb wird der betreffende Temperatur-Sollwert, während<br />
einem Aussentemperaturanstieg <strong>von</strong> z.B. 20 °C auf 32 °C, stetig<br />
erhöht (Sommerkompensation), um zu grosse Temperatur-Unterschiede<br />
zwischen Raum- <strong>und</strong> Aussentemperatur <strong>und</strong> damit die<br />
Gefahr eines Hitzeschocks zu vermeiden. Ausserdem wird dadurch<br />
der Kühlenergieaufwand reduziert.<br />
• Gemäss VDI-<strong>Lüftungs</strong>regeln soll bei einer Aussentemperatur <strong>von</strong><br />
32 °C die Raumtemperatur auf max. 26 °C angehoben werden. Für<br />
den Aussentemperatur-Bereich <strong>von</strong> 20 °C bis 32 °C gelten nach VDI<br />
folgende Raumtemperatur-Sollwerte:<br />
Aussentemperatur °C 20 22 24 26 28 30 32<br />
Raumtemperatur °C 20 21 22 23 24 25 26<br />
• Im Winterbetrieb wird bei Aussentemperaturen unter z.B. 0 °C der<br />
Sollwert der Raumtemperaturregelung ebenfalls stetig erhöht<br />
(Winter-Kompensation), um den Einfluss der tieferen Oberflächen -<br />
temperaturen <strong>von</strong> Raumwänden <strong>und</strong> Fenstern auf die Behaglichkeit<br />
(Wärmeabstrahlung) sowie die bleibende Abweichung der Raumtemperatur<br />
bei P-Regelung auszugleichen.<br />
• Die Fig. 1-7 zeigt das Prinzipschema einer Raumtemperaturregelung<br />
mit Führung nach der Aussentemperatur. Die vom Temperaturfühler<br />
(3) gemessene Aussentemperatur bewirkt im Temperaturregler (1)<br />
im «Sommer» oder/<strong>und</strong> im «Winter» eine Sollwert-Erhöhung. Im<br />
Regler (1) kann einerseits der Startpunkt für die «Sommer-» <strong>und</strong> für<br />
die «Winter-Kompensation» <strong>und</strong> anderseits die Grösse des «Sommer-»<br />
<strong>und</strong> des «Winter-Einflusses» getrennt eingestellt werden. Die<br />
Sollwertänderung ist der Aussentemperatur im Sommerbetrieb<br />
direkt, im Winterbetrieb umgekehrt proportional.
3<br />
Fig. 1-7 Raumtemperaturregelung, geführt nach der Aussentemperatur<br />
1 Temperaturregler mit Aussentemperatur-Führung<br />
2 Raumtemperaturfühler<br />
3 Aussentemperaturfühler<br />
4 Sollwert-Führungsgeber<br />
5 Frostschutzthermostat<br />
Das Wirkdiagramm einer Raumtemperaturregelung mit Führung nach<br />
der Aussentemperatur zeigt die Fig. 1-8. Als übliche Einstellwerte für<br />
den Aussentemperatur-Führungsgeber gelten bei stetigen Reglern:<br />
Fig. 1-8 Aussentemperatur-FührungseinfIuss<br />
�R Raumtemperatur<br />
�wR Raumtemperatur-Sollwertänderung<br />
�AU Aussentemperatur<br />
Δ�AU Aussentemperatur-Änderung<br />
wR Raumtemperatur-Sollwert<br />
wFS Startpunkt Sommerkompensation<br />
wFW Startpunkt Winterkompensation<br />
E1 Winter-Führungseinfluss in %<br />
Sommer-Führungseinfluss in %<br />
E2<br />
5<br />
4<br />
Einstellgrösse: P-Regler: PI/PID-Regler:<br />
Sommereinfluss (E2 = Δ�R/Δ�AU * 100 %) 40 % 50 %<br />
Wintereinfluss (E1 = Δ�R/Δ�AU * 100 %) 12–15 % 5 %<br />
Startpunkt Sommerkompensation (wFS) Sollwert der Raumtemperatur<br />
Startpunkt Winterkompensation (wFW) 0 ... 5 °C<br />
w R<br />
�R<br />
°C<br />
30<br />
25<br />
20<br />
E1<br />
w Fw<br />
-10 0<br />
20<br />
30<br />
Die Berechnung des Sommer- resp. Winter-Führungseinflusses erfolgt<br />
nach der Formel:<br />
1<br />
E = Δ� R * 100 [%]<br />
Δ� AU<br />
w Fs<br />
w<br />
E2<br />
��AU<br />
2<br />
�W R<br />
B71-7<br />
�AU [°C]<br />
B71-8<br />
15
16<br />
1.8 Minimalbegrenzung der<br />
Zulufttemperatur<br />
In <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> mit Raumtemperaturregelung begrenzt<br />
ein Temperaturregler mit seinem Fühler im Zuluftkanal die Zulufttemperatur<br />
auf einen minimalen Wert (Fig. 1-9). Dies ist dort erforderlich, wo<br />
infolge grossem innerem Wärmeanfall der Regler die Zulufttemperatur<br />
stark absenken will, um die eingestellte Raumtemperatur einzuhalten.<br />
Ohne diese Begrenzung würde die Zulufttemperatur so tiefe Werte<br />
erreichen, dass ges<strong>und</strong>heitsschädigende Zugerscheinungen auftreten.<br />
7<br />
6<br />
MAX<br />
5<br />
MIN<br />
Fig. 1-9 Raumtemperaturregelung mit Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur<br />
1 Raumtemperaturregler<br />
2 Raumtemperaturfühler<br />
3 Minimalbegrenzungsregler<br />
4 Zulufttemperaturfühler<br />
5 Vorrangauswahl Heizventil<br />
6 Vorrangauswahl Kühlventil<br />
7 Frostschutzthermostat<br />
Die Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur wird wie folgt verwirklicht:<br />
Der Kanaltemperaturfühler (4) wird im Zuluftkanal in der Nähe der Einblasöffnung<br />
montiert <strong>und</strong> auf den Begrenzungsregler (3) aufgeschaltet.<br />
Der Begrenzungswert wird im Regler auf 17...18 °C eingestellt. Er<br />
muss so tief sein, dass einerseits die innere Wärme abgeführt werden<br />
kann, anderseits aber noch keine Zugerscheinungen auftreten können.<br />
Unterschreitet die Zulufttemperatur den eingestellten Begrenzungswert,<br />
so übernimmt der Begrenzungsregler über die Vorrangauswahl<br />
das Schliessen des Kühlventils <strong>und</strong> über die Vorrangauswahl<br />
das Öffnen des Heizventils <strong>und</strong> verhindert so ein weiteres<br />
Absinken der Zulufttemperatur. Bei Erreichen des Begrenzungswertes<br />
schaltet dieses Regelkonzept <strong>von</strong> Raumtemperatur- auf Zulufttemperaturregelung<br />
um, wodurch nun die Zulufttemperatur auf dem Begrenzungswert<br />
konstant gehalten wird (Fig. 1-10).<br />
Die Reglerverstärkung KP (oder das Proportionalband XP) des Raum -<br />
temperaturreglers muss der Trägheit der Raum-Regelstrecke <strong>und</strong> die -<br />
jenige des Begrenzungsreglers dem Schwierigkeitsgrad der schnellen<br />
Kanal-Regelstrecke angepasst werden.<br />
3<br />
1<br />
4<br />
w ZU<br />
w R<br />
2<br />
B71-9
w ZU<br />
°C<br />
28<br />
24<br />
20<br />
16<br />
12<br />
Fig. 1-10 Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur<br />
�R<br />
Raumtemperatur<br />
�ZU Zulufttemperatur<br />
wR<br />
� ZU<br />
18 20 22 24 26 °C<br />
w R<br />
Sollwert der Raumtemperatur<br />
wZU Begrenzungswert der Zulufttemperatur<br />
� R<br />
B71-10<br />
17
18<br />
2. Feuchteregelungen<br />
2.1 Allgemeines<br />
2.2 Taupunktregelung<br />
2.2.1 Aufbau<br />
Eine Klimaanlage hat die Aufgabe, im belüfteten Raum (oder Räumen)<br />
die Temperatur <strong>und</strong> die relative Feuchte der Luft auf vorgegebenen<br />
Werten konstant, oder innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten,<br />
unabhängig vom Zustand der Aussenluft <strong>und</strong> den Vorgängen im Raum.<br />
Es werden deshalb Verfahren <strong>und</strong> geeignete Regelsysteme zum Erwärmen,<br />
Kühlen, Be- <strong>und</strong> Entfeuchten der Luft angewendet. Bei der<br />
Feuchte regelung unterscheidet man dabei hauptsächlich zwischen:<br />
• indirekter Feuchteregelung über die Taupunkttemperatur des<br />
gewünschten Raumluftzustandes oder über den Wasserdampf -<br />
gehalt x der Zuluft<br />
• direkter Feuchteregelung mit einem Relativ-Feuchtefühler im betreffenden<br />
Raum<br />
Voraussetzung zur Taupunktregelung ist ein Luftwäscher der einen<br />
Befeuchtungs-Wirkungsgrad <strong>von</strong> mindestens 95 %, also praktisch den<br />
Sättigungszustand der ausströmenden Luft erreicht. Wird dabei die<br />
Temperatur dieser praktisch gesättigten Luft geregelt, dann wird damit<br />
auch deren Wasserdampfgehalt fixiert. Der dazu benötigte Regelgeräte-<br />
Aufwand wird deshalb relativ gering. Diese Lösung ist dort sinnvoll, wo<br />
die auf den Taupunkt abgekühlte Luft weitgehend durch innere Wärme<br />
im Raum nachgewärmt werden kann (z.B. Maschinenwärme in Indus -<br />
triebetrieben). Wo dies nicht zutrifft, wird aus wirtschaftlichen Gründen<br />
(Energiekosten), für konventionelle <strong>Klimaanlagen</strong> die direkte Feuchteregelungen<br />
vorgezogen.<br />
Fig. 2-1 zeigt den Aufbau einer Taupunktregelung:<br />
• Die Taupunktregelung arbeitet mit dem Temperaturregler 2 <strong>und</strong> dem<br />
direkt nach dem Luftwäscher eingesetzten Temperaturfühler 1. Mit<br />
seinen Ausgangssignalen betätigt er das Vorwärmer- <strong>und</strong> Kühlventil.<br />
Die Antriebe der beiden Ventile sind in Sequenz geschaltet.<br />
• Die Wasserumwälzmenge im Befeuchter bleibt konstant <strong>und</strong> die<br />
Befeuchterpumpe ist während des Betriebes der Anlage dauernd<br />
eingeschaltet.<br />
7<br />
5<br />
A B C<br />
2 4<br />
T T<br />
Fig. 2-1 Aufbau der Taupunktregelung<br />
1 Taupunkttemperaturfühler<br />
2 Taupunkttemperaturregler<br />
3 Raumtemperaturfühler<br />
4 Raumtemperaturregler<br />
5 Frostschutzthermostat<br />
6 Fühler für Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer<br />
7 Fühler für Aussentemperatur-Führungsgeber<br />
A...F Luftzustände im h,x-Diagramm<br />
D<br />
E<br />
1 6<br />
w Tp<br />
3 F<br />
w R<br />
B72-1
2.2.2 Regelung<br />
• Die Regelung der Raumtemperatur <strong>und</strong> damit indirekt auch der<br />
relativen Raumfeuchte nach der Taupunktregelung erfordert in konventionellen<br />
Anlagen einen Nachwärmer, dessen Heizleistung vom<br />
Raumtemperaturregler bestimmt wird.<br />
• Die Anlage kann mit einem Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer <strong>und</strong><br />
einem Aussentemperatur-Führungsgeber, sowie Aussenluft-<br />
/Umluftklappen ergänzt werden.<br />
Der Taupunkttemperaturregler (2) mit dem Taupunkttemperaturfühler<br />
(1) nach dem Befeuchter sorgt dafür, dass der Sollwert der Taupunkttemperatur<br />
bei den verschiedenen Luftzuständen eingehalten wird. Bei<br />
Abweichung der Taupunkttemperatur vom eingestellten Sollwert wTP<br />
betätigt er das Vorwärmer- oder das Kühlventil. Zum Erreichen der<br />
gewünschten Raumtemperatur <strong>und</strong> relativen Raumfeuchte ist ein weiterer<br />
Regelkreis mit dem Regler (4) <strong>und</strong> dem Raumtemperaturfühler (3)<br />
erforderlich, der über das Nachwärmerventil die befeuchtete <strong>und</strong> abgekühlte<br />
Luft wieder auf die erforderliche Einblastemperatur regelt.<br />
Ist z.B. in Industrieanlagen (Chemie, Textil etc.) die genaue Einhaltung<br />
einer bestimmten relativen Luftfeuchte vorrangig vor der Raumtemperatur,<br />
dann kann im Nachwärmer-Regelkreis, anstelle des Raumtemperaturfühlers<br />
ein Raumfeuchtefühler eingesetzt werden.<br />
19
20<br />
2.2.3 Anwendung<br />
Die Taupunktregelung kann in Anlagen angewendet werden, wo die<br />
relative Raumfeuchte innerhalb bestimmter Grenzen schwanken darf,<br />
z.B. in Büros, Konferenzräumen, Verkaufsräumen u. a., denn wechselnder<br />
innerer Wärmeanfall, Raumtemperatur-SolIwertänderungen <strong>und</strong><br />
Feuchtestörgrössen werden <strong>von</strong> der Regelung nur bei Einsatz <strong>von</strong><br />
Hilfsregelkreisen erfasst. Die Taupunktregelung wird hauptsächlich im<br />
In dust riebereich angewendet, wo Maschinen-Abwärme zur Nachwärmung<br />
genutzt werden kann, <strong>und</strong> im Komfortbereich zur zentralen Luftaufbereitung<br />
in Zweikanal-, Induktions- oder Fan-coil-Anlagen (Fig. 2-2).<br />
1<br />
T<br />
1<br />
T<br />
w<br />
Fig. 2-2 Zentrale Luftaufbereitungsanlagen mit Taupunktregelung<br />
a) Zentrale Primärluftaufbereitung (z.B. für Induktionsgeräte)<br />
b) Zentrale Luftaufbereitung für Zweikanalanlage<br />
1 Taupunktregelung<br />
2 Zulufttemperatur-Regelung in Primärluftanlage<br />
3 Kaltlufttemperaturregelung in Zweikanalanlage<br />
4 Warmluftkanalregelung in Zweikanalanlage<br />
5 Zuluftkanal-Druckregelung<br />
6 Zulufttemperatur-Sollwert-Führungsgeber<br />
+ Warmluftkanal<br />
– Kaltluftkanal<br />
w<br />
5<br />
p<br />
6<br />
w<br />
3<br />
T<br />
5<br />
2<br />
p<br />
T<br />
w<br />
w<br />
w<br />
T<br />
4<br />
w<br />
B72-2
2.2.4 Taupunkttemperatur<br />
Die gewünschte Raumtemperatur (1, z.B. 20 °C) <strong>und</strong> die relative Raumfeuchte<br />
(2, z.B. 50 %) ergeben im h,x-Diagramm (Fig. 2-3) die Taupunkttemperatur<br />
�TP (3) <strong>von</strong> etwa 9 °C die – abgesehen vom Wirkungsgrad<br />
des Befeuchters – als Sollwert für den Taupunkttemperaturregler<br />
eingestelIt wird.<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m 3<br />
1<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
3<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-3 Bestimmen der Taupunkttemperatur �TP im h,x-Diagramm<br />
1 gewünschte Raumtemperatur<br />
2 gewünschte Raumluftfeuchtigkeit<br />
3 resultierende Taupunkttemperatur �TP<br />
25<br />
15<br />
2<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
25<br />
45<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-3<br />
21
22<br />
2.2.5 Zustandsänderungen<br />
im h,x-Diagramm<br />
Luftzustände im Winter<br />
Im Anlagenschema (Fig. 2-1) sind interessierende Luftzustände mit<br />
Buchstaben gekennzeichnet, die im h,x-Diagramm (Fig. 2-4 <strong>und</strong> Fig.<br />
2-5) ebenfalIs erscheinen.<br />
(Fig. 2-4) Im Vorwärmer wird die angesaugte Luft A auf den Zustand B<br />
erwärmt. Im Befeuchter wird hierauf die Luft befeuchtet bis fast zur<br />
Sättigungslinie d.h. auf eine relative Luftfeuchte <strong>von</strong> ca. 95 %. Dabei<br />
kühlt sie sich ab bis zur gewünschten Taupunkttemperatur D. Die Luft<br />
muss also vom Vorwärmer immer so weit aufgeheizt werden, dass sie<br />
nach der Befeuchtung die Taupunkttemperatur erreicht (Aufgabe des<br />
Taupunkttemperaturregelkreises).<br />
Durch Erwärmung im Nachwärmer wird anschliessend die Luft wieder<br />
soweit aufgeheizt (Zustand E), dass sie den Wärmebedarf bzw. die<br />
Transmissions-Wärmeverluste des Raumes decken kann <strong>und</strong> daraus<br />
die gewünschte Raumtemperatur <strong>und</strong> relative Raumfeuchte resultiert<br />
(Zustand F = Aufgabe des Raumtemperaturregelkreises, E-F = Wärmeverluste<br />
im Raum).<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m 3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-4 Zustandsänderungen bei Taupunkttemperaturregelung im Winter<br />
A Vorwärmer-Eintrittszustand<br />
B Luftwäscher- Eintrittszustand<br />
D Taupunkt der Zuluft<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
25<br />
15<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-4
Luftzustände im Sommer<br />
(Fig. 2-5) Die angesaugte Luft A (A = Mischpunkt nach Aussenluft-/Um -<br />
luftmischung) wird im Kühler auf den Zustand C abgekühlt <strong>und</strong> – wenn<br />
die Kühlflächentemperatur 2 unter der Taupunkttemperatur des Luft -<br />
zustandes A liegt – auch entfeuchtet. Im Wäscher wird die Luft dann<br />
befeuchtet bis zur Sättigungslinie (� � 95 % r.F.). Dabei kühlt sie sich<br />
weiter ab bis zur Taupunkttemperatur D. Die Luft muss also vom Kühler<br />
immer so weit abgekühlt werden, dass sie nach dem Luftwäscher<br />
die erforderliche Taupunkttemperatur erreicht (Aufgabe des Taupunkttemperaturregelkreises).<br />
Im Nachwärmer wird die Luft anschliessend wieder soweit aufgeheizt<br />
(Punkt E), dass sie die Kühllast des Raumes decken kann <strong>und</strong> sich da -<br />
raus die gewünschte Raumtemperatur <strong>und</strong> relative Raumfeuchte ergibt<br />
(Zustand F, Aufgabe des Raumtemperaturregelkreises).<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m 3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-5 Zustandsänderungen bei der Taupunkttemperaturregelung im Sommer<br />
A Kühler-Eintrittszustand<br />
C Luftwäscher- Eintrittszustand<br />
D Taupunkt der Zuluft<br />
E Zuluft- Eintrittszustand<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
1 Aussenluftzustand im Sommer<br />
2 mittlere Kühler-Oberflächentemperatur<br />
15<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-5<br />
23
24<br />
2.2.6 Eigenschaften der<br />
Taupunktregelung<br />
2.2.7 Gleitende Taupunktregelung in<br />
Abhängigkeit der Aussentemperatur<br />
Anwendung<br />
Aufbau<br />
• Bei Änderung der Raumtemperatur durch Sollwert-Verschiebung<br />
oder Einfluss des Aussentemperatur-Führungsgebers ändert sich<br />
die relative Raumfeuchte. Auch Feuchtestörgrössen im Raum (z.B.<br />
Fremdfeuchte-Anfall) werden nicht erfasst.<br />
Sollte aber die Raumfeuchte konstant bleiben, so muss die Taupunkttemperatur<br />
entsprechend angepasst werden.<br />
• Die relative Raumfeuchte ist auch vom Befeuchtungs-Wirkungsgrad<br />
des Luftwäschers abhängig. Für die Praxis bedeutet dies, dass bei<br />
tieferem Befeuchtungs-Wirkungsgrad, der Sollwert des Taupunkttemperaturreglers<br />
entsprechend höher eingestellt werden muss, als<br />
die theoretische Taupunkttemperatur des gewünschten Raumluft -<br />
zustandes ist (Fig. 2-6).<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m 3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
15<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-6 Einfluss des Befeuchtungswirkungsgrades auf die einzustellende<br />
Taupunkttemperatur<br />
D Taupunkttemperatur-Sollwert bei einem Befeuchtungswirkungsgrad<br />
<strong>von</strong> ca. 95 %<br />
D’ Taupunkttemperatur-Sollwert bei einem Befeuchtungswirkungsgrad<br />
<strong>von</strong> ca. 75 %<br />
F Gewünschter Raumluftzustand (20 °C / 50 % r.F.)<br />
Diese Regelung ist dort angebracht, wo eine Verschiebung des Raumtemperatur-Sollwertes<br />
durch den Aussentemperatur-Führungsgeber<br />
die relative Raumfeuchte nicht beeinflussen darf.<br />
30<br />
Der Unterschied zur Anlage gem. Fig. 2-1 liegt darin, dass mit der<br />
aussentemperaturabhängigen Führung der Raumtemperatur gleichzeitig<br />
auch die Taupunkttemperatur verändert wird. Dazu kann der gleiche<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-6
Aussentemperatur-Führungsgeber 3 verwendet werden, weil die<br />
Verschiebung dieser beiden Temperaturen praktisch parallel verläuft<br />
(Fig. 2-7b).<br />
a)<br />
b)<br />
1,15<br />
Δϑ1<br />
1,20<br />
Δϑ2<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
3<br />
10<br />
15<br />
20<br />
1<br />
2<br />
T w T<br />
w<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-7 Taupunkttemperaturregelung mit Sollwertführung nach der Aussentemperatur<br />
a) Prinzipschema<br />
b) Sollwertführung im h,x-Diagramm<br />
1 Taupunkttemperaturregler<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Aussentemperatur-Führungsgeber<br />
Δ�1 Raumtemperatur-Sollwertänderung (20...26 °C)<br />
Δ�2 Taupunkttemperatur-Sollwertänderung (9...15 °C)<br />
25<br />
15<br />
• Störungen der relativen Raumfeuchte durch den Einfluss des<br />
Aussentemperatur-Führungsgebers fallen weg.<br />
• Die Raumfeuchte kann jedoch noch gestört werden durch:<br />
– Fremdfeuchte<br />
– Raumtemperatur-Änderung durch Sollwert-Verstellung<br />
– Innere Wärme, die <strong>von</strong> der Anlage nicht mehr abgeführt werden<br />
kann (wenn z.B. die Zulufttemperatur durch den Begrenzer auf<br />
dem Minimalwert gehalten wird).<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
25<br />
45<br />
50<br />
30<br />
55<br />
B72-7a<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-7b<br />
25
26<br />
2.3 Direkte, stetige Feuchteregelung<br />
2.3.1 Allgemeines<br />
Anwendung<br />
Aufbau<br />
Die direkte Feuchteregelung wird angewendet, wo die eingestellten<br />
Sollwerte der Raumtemperatur <strong>und</strong> der relativen Raumfeuchte, bei<br />
jedem Aussenluftzustand, bei innerem Wärme- <strong>und</strong> Fremdfeuchte-<br />
Anfall im Raum, genau eingehalten werden sollen.<br />
Wenn eine Klimaanlage die Raumtemperatur <strong>und</strong> die relative Raumfeuchte<br />
genau gewährleisten soll, so ist dies nur durch den Einsatz je<br />
eines Temperatur-Regelkreises mit einem Raumtemperaturfühler, <strong>und</strong><br />
eines Feuchte-Regelkreiseses mit einem Feuchtefühler im zu klimati -<br />
sierenden Raum oder in dessen Abluft möglich (Fig. 2-8). Dabei wirken<br />
die Stellsignale des Raumtemperaturreglers (2) in Sequenz auf das<br />
Heizventil <strong>und</strong> das KühIventil <strong>und</strong> diejenigen des Feuchtereglers (4) auf<br />
das Befeuchterventil <strong>und</strong> – in Vorrangschaltung (5) zwecks Entfeuchtung<br />
– ebenfalls auf das Kühlventil.<br />
7<br />
A<br />
T<br />
B C D<br />
w<br />
5<br />
MAX<br />
Fig. 2-8 Klimaanlage mit direkter Feuchteregelung<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Raumfeuchtefühler<br />
4 Feuchteregler<br />
5 Vorrangwähler<br />
6 Zulufttemperaturfühler für Minimalbegrenzer<br />
7 Aussentemperaturfühler für Führungsgeber<br />
A..F Luftzustände<br />
Die Befeuchtung wird hauptsächlich mit den folgenden Befeuchtertypen<br />
ausgeführt:<br />
• Regelbarer Luftwäscher<br />
• Regelbare Dampfbefeuchtung<br />
Beide Arten bieten die Möglichkeit, die Befeuchtung nach absoluter<br />
oder relativer Feuchte zu regeln.<br />
Der Luftkühler hat die Doppelfunktion Kühlen (vom Temperaturregler 2<br />
gesteuert) <strong>und</strong> Entfeuchten (vom Feuchteregler 4 gesteuert). Deshalb<br />
muss er vor dem Nachwärmer <strong>und</strong> dem Befeuchter angeordnet werden.<br />
Je nach Betriebszustand muss ja gekühlt (Temperaturregler),<br />
befeuchtet oder entfeuchtet (Feuchteregler) <strong>und</strong> nachgewärmt (Temperaturregler)<br />
werden können. Die Reihenfolge Befeuchter – Nachwärmer<br />
kann auch umgetauscht werden, ohne dass dadurch die Funktion<br />
der Anlage beeinträchtigt wird.<br />
6<br />
max.<br />
H<br />
T<br />
H<br />
E<br />
2<br />
4<br />
1<br />
w ϑR<br />
w ϕR<br />
F<br />
3<br />
B72-8
Für eine konstante Raumtemperatur sorgt der Temperaturregler (2) mit<br />
dem Temperaturfühler (1), der das Nachwärmerventil <strong>und</strong> – über den<br />
Vorrangwähler (5) – das Kühlventil ansteuert. Der Sollwert des Temperaturreglers<br />
kann mit einem Führungsgeber nach der Aussentemperatur<br />
(Fühler 7) geführt werden. Zusätzlich kann auch ein Minimalbegrenzer<br />
der Zulufttemperatur (mit Fühler 6) eingesetzt werden.<br />
Die Feuchteregelung erfolgt durch den Feuchteregler (4) mit dem<br />
Feuchtefühler (3) sowie dem Befeuchterventil <strong>und</strong> dem Kühlventil (Entfeuchtung)<br />
als Stellgeräte. Weil sowohl der Temperatur- wie auch der<br />
Feuchteregler das Kühlventil steuern, muss dieses über den sogenannten<br />
Vorrangwähler (5) automatisch immer demjenigen Regler mit dem<br />
grösseren Stellsignal zugeordnet, d.h. der die grössere Kühlleistung fordert.<br />
1,15<br />
1,20<br />
1<br />
2<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-9 Bestimmen des Einstellwertes für den Vorwärmer-Regelkreis<br />
F Gewünschter Raumluftzustand<br />
E Tiefste zulässige Zulufttemperatur<br />
B1 Grenzwert max. für den Vorwärmer-Regelkreis<br />
(tiefste zulässige Zulufttemperatur)<br />
B2 Grenzwert min. für den Vorwärmer-Regelkreis<br />
(Vermeidung <strong>von</strong> Kondensation)<br />
25<br />
15<br />
30<br />
Der separate Vorwärmer-Regelkreis dient als Frostschutz für den<br />
Kühler.<br />
Die Lufttemperatur nach dem Vorwärmer muss einerseits so tief sein,<br />
dass das Kühlventil auf keinen Fall öffnet, bevor das Vorwärmerventil<br />
geschlossen ist <strong>und</strong> andererseits so hoch, dass bei geschlossenem<br />
Nachwärmerventil die Taupunkttemperatur der benötigten Zuluft nicht<br />
unterschritten wird. In der Fig. 2-9 liegt der Einstellwert für die Vorregelung<br />
daher zwischen den Punkten B1 <strong>und</strong> B2. In Sequenz zum Vorwärmerventil<br />
kann selbstverständlich auch ein Luftklappenantrieb für die<br />
Betätigung <strong>von</strong> Aussen-/Umluftklappen oder ein WRG-System zugeschaltet<br />
werden.<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-9<br />
27
28<br />
2.3.2 Klimaanlage mit stetig<br />
regelbarem Luftwäscher<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 [bar]<br />
�<br />
�B<br />
x1 x2 x3<br />
Fig. 2-10 Befeuchtungswirkungsgrad des Luftwäschers<br />
a) Befeuchtungswirkungsgrad in Funktion des Düsendruckes<br />
b) Erklärung des Befeuchtungswirkungsgrades<br />
ηB Befeuchtungswirkungsgrad des Luftwäschers<br />
p Düsendruck des Luftwäschers<br />
x1 Angenommener tiefster Wasserdampfgehalt der Luft<br />
x2 Wasserdampfgehalt der Luft bei Raumluftzustand<br />
x3 Wasserdampfgehalt der Luft bei Sättigung<br />
Durch den Feuchteregler (4, Fig. 2-8) wird in Abhängigkeit der relativen<br />
Raumfeuchte (3) das Befeuchterventil stetig gesteuert. Dadurch kann<br />
der Befeuchtungs-Wirkungsgrad des Luftwäschers beliebig verringert<br />
werden (Fig. 2-10), d.h. die Zuluft kann so auf den gewünschten Wasserdampfgehalt<br />
befeuchtet werden. Bei geschlossenem Befeuchterventil<br />
wird die Befeuchterpumpe über einen Hilfsschalter im Stellantrieb<br />
ausgeschaltet.<br />
Im Anlagenschema (Fig. 2-8) sind interessierende Luftzustände mit<br />
Buchstaben gekennzeichnet, die in den h,x-Diagrammen (Fig. 2-11,<br />
Fig. 2-12, Fig. 2-13) mit gleicher Bedeutung verwendet werden.<br />
�B =<br />
x2 � x1<br />
x3 � x1<br />
B72-10
2.3.2.1 Luftzustandsänderungen<br />
im Winter<br />
Luft-Erwärmung<br />
Im Vorwärmer wird die angesaugte Luft A auf den Zustand B erwärmt.<br />
Da das Kühlventil geschlossen ist, ist Zustand B = Zustand C. Im Nachwärmer<br />
wird die Luft weiter erwärmt, <strong>und</strong> zwar so hoch, dass die<br />
Zuluft nach der vom Feuchteregler bestimmten Stärke der Befeuchtung<br />
Δx (adiabatische Abkühlung, allerdings nicht bis auf die Sättigungslinie,<br />
da ja regelbar) die für die Aufrechterhaltung des geforderten<br />
Raumluftzustandes F notwendige Temperatur hat (Zustand E). Ist die<br />
Temperatur der angesaugten Luft A höher als der Zustand B, so bleibt<br />
das Vorwärmerventil geschlossen.<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
15<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-11 Zustandsänderungen bei direkter Feuchteregelung (regelbarer Wäscher)<br />
im Winter<br />
A Vorwärmer-Eintrittszustand<br />
B Nachwärmer-Eintrittszustand<br />
D Luftwäscher-Eintrittszustand<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-11<br />
29
30<br />
2.3.2.2 Luftzustandsänderungen<br />
im Sommer<br />
Kühlen<br />
Die angesaugte Luft A (Zustand A = Zustand B, da das Vorwärmerventil<br />
geschlossen ist) wird im Kühler auf den vom Raumtemperaturregler<br />
geforderten Wert abgekühIt (Zustand C = D, da das Nachwärmerventil<br />
geschlossen ist).<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte � in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit � in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-12 Zustandsänderungen beim Kühlen mit direkter Feuchteregelung<br />
A Vorwärmer-Eintrittszustand<br />
B Kühler-Eintrittszustand<br />
C Nachwärmer-Eintrittszustand<br />
D Luftwäscher-Eintrittszustand<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
1 mittlere Kühlflächentemperatur �Kü<br />
25<br />
15<br />
1<br />
30<br />
Dies ergibt – nach der vom Feuchteregler bestimmten Befeuchtung<br />
(zusätzliche adiabatische Abkühlung) – den für die Einhaltung des ge -<br />
forderten Raumluftzustandes F notwendigen Zustand E der Zuluft. Weil<br />
hier die mittlere Kühlflächentemperatur �Kü (1) über dem Taupunkt des<br />
Luftzustandes B liegt, erfolgt die Kühlung ohne Entfeuchtung.<br />
35<br />
20<br />
40<br />
45<br />
25<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-12
Kühlen/Entfeuchten<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m 3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-13 Zustandsänderungen Kühlen/Entfeuchten bei direkter Feuchteregelung<br />
A Vorwärmer-Eintrittszustand<br />
B Kühler-Eintrittszustand<br />
C Nachwärmer-Eintrittszustand<br />
D Luftwäscher-Eintrittszustand<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt<br />
E’ Schnittpunkt des Kühlverlaufes mit der Solltemperatur<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
1 mittlere Kühlflächentemperatur �Kü<br />
25<br />
15<br />
F<br />
30<br />
Beim Luftzustand A (Fig. 2-13) sind sowohl die Temperatur wie auch<br />
die absolute Feuchte zu hoch. Deshalb muss hier gekühlt <strong>und</strong> zugleich<br />
entfeuchtet werden: In der ersten Phase fordert der Temperaturregler<br />
«Kühlen» <strong>und</strong> der Feuchteregler «Entfeuchten». Dabei bestimmt der<br />
Regler mit dem grösseren Ausgangssignal – über die Vorrangfunktion –<br />
die Stellung des Kühlventils.<br />
Der Temperaturregler fordert solange Kühlen, bis die ZuIufttemperatur<br />
den für die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperatur erforderlichen<br />
Wert hat (Zustand E’). Dieser Luftzustand E’ ist aber noch zu<br />
feucht, weshalb der Feuchteregler weiterhin Entfeuchten (Kühlen) fordert.<br />
Durch die weitere Entfeuchtung wird aber die Zuluft unter die<br />
erforderliche Eintrittstemperatur abgekühlt. Der Feuchteregler fordert<br />
solange Entfeuchten, bis der für die Einhaltung der relativen Raumfeuchte<br />
erforderliche Wasserdampfgehalt x erreicht ist (Zustand C/D).<br />
Der Raumtemperaturregler muss dann über den Nachwärmer die zu<br />
tief abgekühlte Luft wieder auf die erforderliche Zulufttemperatur E<br />
erwärmen.<br />
35<br />
20<br />
E E'<br />
1<br />
C/D<br />
A/B<br />
40<br />
25<br />
45<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B72-13<br />
31
32<br />
2.3.3 Stetig regelbare Dampfbefeuchtung<br />
Bei Befeuchtung mit Wasserdampf erfolgt die Richtung der Zustandsänderung<br />
im h,x-Diagramm entsprechend dem Wärmeinhalt des eingesprühten<br />
Dampfes. Man kann mit Hilfe der Dampftabelle die Enthalpiezunahme<br />
Δh in kJ ausrechnen, die der Luft mit der Dampfmenge Δx in<br />
Gramm zugeführt wird.<br />
3<br />
Fig. 2-14 Zustandsänderungen bei stetig regelbarer Dampfbefeuchtung<br />
A Vorwärmer-Eintrittszustand<br />
B Dampfbefeuchter-Eintrittszustände (je nach Enthalpie des Dampfes)<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand bei Raumeintritt<br />
F Sollzustand der Raumluft<br />
Δx Spezifische Dampfzufuhr in g/kg Luft<br />
ΔhS Erhöhung des Wärmeinhaltes durch Sattdampf <strong>von</strong> ca. 100 °C<br />
Bei der Befeuchtung mit Sattdampf <strong>von</strong> ca. 100 °C (Fig. 2-14) verläuft<br />
die Zustandsänderung ungefähr parallel zur Isothermen. Es findet somit<br />
nur eine geringfügige Erwärmung, aber eine sehr wirksame Befeuchtung<br />
der Luft statt. Die anderen Zustandsänderungen verlaufen gleich<br />
wie bei der Regelung mit regelbaren Sprühwasser-Befeuchtern.
2.3.4 Eigenschaften der direkten,<br />
stetigen Feuchteregelung<br />
Die direkte, stetig regelbare Befeuchtung hat folgende Eigenschaften:<br />
• Die relative Raumfeuchte (<strong>und</strong> die Raumtemperatur) kann bei jedem<br />
Aussenluftzustand, bei Sollwertverstellung der Raumtemperatur, bei<br />
inneren Wärmequellen, bei Fremdfeuchteanfall im Raum oder<br />
Feuchteverlust konstant gehalten werden.<br />
• Bei der Sprühwasser-Befeuchtung genügt ein Befeuchtungswirkungsgrad<br />
der wesentlich niedriger ist als derjenige eines Taupunkt-<br />
Luftwäschers. Dafür kann ein entsprechend preisgünstigeres Gerät<br />
eingesetzt werden. Wichtig ist jedoch, dass der Befeuchter innerhalb<br />
eines genügend grossen Leistungsbereiches regelbar ist.<br />
Ungünstige Betriebszustände, wie sie sich bei Taupunktregelung im<br />
Teillast bereich einstellen können, werden vermieden. Es wird nur<br />
soviel gekühlt, befeuchtet <strong>und</strong> nachgewärmt, wie notwendig ist.<br />
Daraus resultieren tiefere Betriebskosten.<br />
Die Fig. 2-15 zeigt hierzu 2 verschiedene Luftzustandsänderungen<br />
im Vergleich zwischen Taupunktregelung (links) <strong>und</strong> direkter Feuchteregelung<br />
(rechts) mit einem regelbaren adiabatischen Sprühwasser-Befeuchter.<br />
Taupunktregelung mit Energieverschwendung Δh durch unnötiges<br />
Kühlen, Befeuchten <strong>und</strong> Nachwärmen.<br />
Direkte Feuchteregelung (rechts) mit regelbarem adiabatischem<br />
Befeuchter (es wird nur soviel gekühlt wie erforderlich ist).<br />
Taupunktregelung Direkte Feuchteregelung<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
5<br />
5<br />
10<br />
10<br />
15<br />
15<br />
20<br />
A<br />
20<br />
25<br />
25<br />
15<br />
15<br />
1<br />
E<br />
30<br />
F<br />
30<br />
F<br />
E<br />
35<br />
35<br />
20<br />
20<br />
40<br />
Δh<br />
40<br />
2 Δh<br />
A<br />
25<br />
45<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 2-15 Taupunktregelung (links) <strong>und</strong> direkte Feuchteregelung (rechts) im Vergleich<br />
A Aussenluftzustand<br />
F Gewünschter Raumluftzustand<br />
E Erforderlicher Zuluftzustand<br />
1 mittlere Kühlflächentemperatur<br />
2 Taupunkttemperatur der Raumluftt<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
10<br />
15<br />
15<br />
20<br />
A<br />
20<br />
25<br />
25<br />
15<br />
15<br />
1<br />
E<br />
30<br />
F<br />
30<br />
F<br />
E<br />
35<br />
35<br />
20<br />
20<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
40<br />
40<br />
A<br />
25<br />
45<br />
33
34<br />
2.4 Zweipunktregelung der Befeuchtung<br />
2.4.1 Befeuchtung mit Luftwäscher<br />
Bei einfachen Anlagen, wo eine geregelte Befeuchtung erwünscht ist,<br />
kann diese durch einen Raum-Hygrostaten (Zweipunktregler) erfolgen.<br />
Wenn die Raumfeuchte den eingestellten Sollwert (-Schaltdifferenz)<br />
unterschritten hat, schaltet er den Befeuchter ein. Wird durch das<br />
Ansteigen der Raumfeuchte der obere Schaltpunkt des Hygrostaten<br />
erreicht, so wird die Befeuchtung wieder ausgeschaltet (Fig. 2-16).<br />
Diese Art der Feuchteregelung kann jedoch nur bescheidenen Ansprüchen<br />
genügen, weil durch die «Ein/Aus»-Regelung Schwankungen der<br />
relativen Raumfeuchte unvermeidlich sind.<br />
Fig. 2-16 Lüfttungsanlage mit Zweipunktregelung der adiabatischen Befeuchtung<br />
1 Lufterwärmer<br />
2 Frostschutzthermostat<br />
3 Befeuchter (z.B. Luftwäscher)<br />
4 Einstelldrossel (Befeuchtungs-Wirkungsgrad)<br />
5 Befeuchterpumpe<br />
6 Feuchte-Regler (Hygrostat)<br />
7 Raumtemperaturfühler<br />
8 Raumtemperaturregler<br />
A Aussenluftzustand<br />
B Luftzustand nach Erwärmer<br />
Z Erforderlicher Zuluftzustand<br />
R Gewünschter Raumluftzustand<br />
Mögliche Betriebszustände des Befeuchters (Fig. 2-17):<br />
• Liegt der Lufteintrittszustand A auf oder unter der Adiabaten des<br />
minimal notwendigen Zuluft-Zustandes Z, also im horizontal schraffierten<br />
Bereich, dann ist die Befeuchter-Pumpe durch den Hygrostaten<br />
dauernd eingeschaltet. Der Befeuchtungswirkungsgrad ηB wird<br />
durch einmaliges Drosseln der Umlauf-Wassermenge auf Volllast<br />
abgestimmt (d.h. auf die <strong>von</strong> der Luft maximal aufzunehmende<br />
Wassermenge ΔxMAX). Die Anlage arbeitet in diesem Betriebszustand<br />
einwandfrei.<br />
• Ist der Wassergehalt x der Eintrittsluft jedoch grösser als benötigt<br />
(im senkrecht schraffierten Bereich), so bleibt die Pumpe dauernd<br />
ausgeschaltet.<br />
• Zwischen diesen beiden Grenzgebieten (punktierter Bereich) greift<br />
der Hygrostat regelnd ein <strong>und</strong> schaltet die Befeuchterpumpe intermittierend<br />
ein <strong>und</strong> aus. Das Einschaltverhältnis der Pumpe ist dabei<br />
vom fehlenden Wasserdampfgehalt Δx <strong>und</strong> vom eingestellten<br />
Befeuchtungs-Wirkungsgrad abhängig.
�<br />
� max.<br />
Fig. 2-17 Zweipunkt-Feuchteregelung mit adiabatischem Befeuchter<br />
a) Betriebszustände der Befeuchterpumpe<br />
b) Befeuchtungswirkungsgrad (siehe auch Fig. 2-10b)<br />
Fläche punktiert: Intermittierender Betrieb;<br />
horizontal schraffiert: Pumpe dauernd eingeschaltet;<br />
vertikal schraffiert: Pumpe dauernd ausgeschaltet.<br />
A,B,Z,R = Luftzustände<br />
ΔxMAX = maximal erforderliche Erhöhung des Wasserdampfgehaltes x<br />
Die Problematik beim intermittierendem Betrieb eines adiabatischen<br />
Befeuchters liegt darin, dass die Zuluft bei eingeschaltetem Befeuchter<br />
sofort auch abgekühlt wird. Die dadurch verursachte Raumtemperatur-<br />
Absenkung bewirkt, dass der Temperaturregler das Heizventil öffnet,<br />
bis die Raumtemperatur wieder dem eingestellten Sollwert entspricht.<br />
Schaltet der Hygrostat dann den Befeuchter wieder aus, entfällt die<br />
adiabatische Abkühlung der Zuluft. Diese wird folglich mit überhöhter<br />
Temperatur eingeblasen bis der Temperaturregler das Heizventil wieder<br />
entsprechend geschlossen hat. Im intermittierenden Betrieb der Be -<br />
feuchtung überträgt sich also das Zweipunkt-Verhalten des Hygrostaten<br />
auch auf die Raumtemperaturregelung, die dadurch ebenfalls ins<br />
Pendeln gerät.<br />
� B<br />
35
36<br />
2.4.2 Zweipunktregelung der<br />
Befeuchtung mit Dampf<br />
1<br />
2<br />
MAX<br />
3 4<br />
7 12<br />
Fig. 2-18 Lüfttungsanlage mit Zweipunktregelung der Dampfbefeuchtung<br />
1 Lufterwärmer<br />
2 Frostschutzthermostat<br />
3 LuftkühIer<br />
4 Dampfbefeuchter<br />
5 Einstelldrossel<br />
6 Befeuchterventil (Auf/Zu)<br />
7 Maximalbegrenzungs-Hygrostat<br />
8 Zulufttemperatur-MinimaIbegrenzungs-Regler<br />
9 Raum-Hygrostat<br />
10 Raumtemperaturfühler<br />
11 Raumtemperaturregler<br />
12 Zulufttemperaturfühler / Zuluftbegrenzungsfühler<br />
5<br />
6<br />
MIN<br />
H H<br />
9 10<br />
Die Fig. 2-18 zeigt eine Lüfttungsanlage mit Zweipunktregelung der<br />
Dampfbefeuchtung. Bei Dampf <strong>von</strong> 100 °C erfolgt die Zustandsänderung<br />
im h,x-Diagramm ungefähr parallel zur Isotherme. Es findet somit<br />
nur eine geringfügige Erwärmung, aber eine sehr wirksame Befeuchtung<br />
der Luft statt. Die Regeleingriffe des Hygrostaten haben (im<br />
Gegensatz zur adiabatischen Befeuchtung) praktisch keine Auswirkungen<br />
auf die Raumtemperaturregelung. Dafür besteht hier die Gefahr<br />
<strong>von</strong> Wasserausscheidung (Kondensation) im Zuluftkanal infolge Übersättigung<br />
der Luft. Diese Gefahr kann dadurch verringert werden, dass<br />
die maximal zulässige Dampfmenge durch einmaliges Drosseln auf den<br />
Wert begrenzt wird, der für die Befeuchtung auf den gewünschten<br />
Raumluftzustand bei Vollast erforderlich ist. Noch sicherer ist die<br />
Begrenzung der zulässigen Dampfmenge auf den Wert, der auch bei<br />
minimal zulässiger Zulufttemperatur (Zulufttemperatur-Minimalbegrenzung)<br />
noch keine Übersättigung ergibt. Im Zuluftkanal sollte ausserdem<br />
ein Maximalbegrenzungs-Hygrostat montiert sein, der bei Überschreiten<br />
des eingestellten Wertes das Befeuchterventil schliesst. Durch das<br />
einmalige Drosseln der Dampfmenge erhält man zugleich ein optimales<br />
Einschaltverhältnis der Befeuchtung <strong>und</strong> damit geringste Feuchtigkeitsschwankungen<br />
im Raum.<br />
8<br />
wMIN<br />
11<br />
w �R<br />
B72-18
3. Umluftbeimischung<br />
3.1 Allgemeines<br />
3.2 Konstante Umluft-Beimischung<br />
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit kann bei <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong><br />
ein Teil der Abluft – sofern deren hygienische Qualität dies<br />
zulässt – wieder der angesaugten Aussenluft beigemischt werden. Die<br />
Mischluft wird dann nach der weiteren Aufbereitung (filtern, erwärmen<br />
oder kühlen usw.) wieder dem Raum zugeführt.<br />
Durch die Beimischung warmer Abluft aus dem Raum kann im Winter,<br />
gegenüber reinem Aussenluftbetrieb, der Heizenergieverbrauch<br />
beträchtlich reduziert werden. Im Sommer wird – sofern eine Kühlung<br />
vorhanden ist – der warmen Aussenluft kühlere Abluft aus dem Raum<br />
beigemischt, wodurch bedeutend weniger Kühlenergie benötigt wird.<br />
Die Umluft-Beimischung wird mit Hilfe <strong>von</strong> stetig verstellbaren Aussenluft-,<br />
Fortluft- <strong>und</strong> Umluftklappen erreicht. Im Kühlbetrieb der Klimaanlage<br />
bleiben die Aussen- <strong>und</strong> die Fortluftklappe solange ganz offen bzw.<br />
die Umluftklappe geschlossen, bis die Aussenlufttemperatur die Ablufttemperatur<br />
übersteigt. Ist dies der Fall, wird der Aussenluftanteil sofort<br />
auf das erforderliche Minimum (z.B. nach VDI-<strong>Lüftungs</strong>regeln, DIN<br />
1946, Blatt 1) reduziert. Sinkt aber die Zulufttemperatur unter ihren<br />
Sollwert, so werden die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappe stetig geschlossen<br />
<strong>und</strong> die Umluftklappe entsprechend geöffnet, bis die minimale Aussenluftrate<br />
erreicht ist. Weil der Volumenstrom durch die Luftklappen sich<br />
nicht linear zum Schliesswinkel ändert, sollte die minimale Aussenluftrate<br />
nach gemessenen Werten eingestellt werden. Die minimal zulässige<br />
Aussenluftrate kann normalerweise am Temperaturregler, als Minimalbegrenzung<br />
des betreffenden Stellsignals eingestellt werden.<br />
Die Umluft-Beimischung kann nach verschiedenen Kriterien gesteuert<br />
werden, z.B.:<br />
• Konstante UmIuft-Beimischung<br />
• Manuelle Steuerung<br />
• Aussentemperaturabhängige Steuerung*<br />
• nach dem Stellsignal eines Mischlufttemperatur- oder Mischluft -<br />
enthalpie-Reglers<br />
• nach dem Stellsignal eines Zulufttemperatur-Sequenzreglers mit<br />
den Stellsequenzen: Heizventil – Kühlventil – Luftklappen*<br />
* (evtl. kombiniert mit einer Zweipunkt-Umschaltung auf den maximalen<br />
Umluftanteil im Kühlbetrieb, sobald die Aussenluft-Temperatur<br />
oder -Enthalpie höher ist als diejenige der Abluft.)<br />
Die konstante Umluft-Beimischung ist die einfachste Art des Betriebes<br />
<strong>von</strong> Mischluftklappen. Sie werden auf einen vorher festgelegten Wert<br />
eingestellt, so dass immer ein bestimmter Anteil Umluft der Aussenluft<br />
zugeführt wird (meistens wird der Umluftanteil so gewählt, dass die<br />
minimale Aussenluftrate eingehalten wird). Dieser Anteil beeinflusst<br />
selbstverständlich die Auslegung der <strong>Lüftungs</strong>- oder Klimaanlage. Je<br />
grösser der Umluftanteil ist, desto geringer müssen die Leistungen zur<br />
Erwärmung der Luft im Winter bzw. zur Abkühlung im Sommer sein.<br />
Die konstante Umluft-Beimischung wird in Anlagen mit praktisch konstantem<br />
innerem Wärmeanfall angewendet.<br />
37
38<br />
3.3 Manuelle Steuerung der<br />
Umluft-Beimischung<br />
3.4 Steuerung der Luftklappen<br />
im Heizbetrieb<br />
Der gewünschte Umluftanteil wird hier, je nach Aussentemperatur<br />
oder erhöhter Personenbelegung des Raumes (z.B. Konferenzräume,<br />
Speisesäle, Turnhallen), mittels Einstellpotentiometer stufenlos oder<br />
mittels Wahlschalter stufenweise erhöht oder reduziert. Diese Steuerungsart<br />
ist jedoch, im Hinblick auf den Energieverbrauch, nicht zu<br />
empfehlen, da meistens vergessen wird, nach der erhöhten Personenbelegung<br />
des Raumes, den Aussenluftanteil wieder zu reduzieren.<br />
Bei dieser Steuerungsart wird die Stellung der Aussenluft-, Fortluft<strong>und</strong><br />
Umluft-Klappen im Winterbetrieb proportional zur Aussenlufttemperatur<br />
verändert, d.h. zur Reduktion des Heizenergieverbrauchs wird<br />
mit sinkender Aussentemperatur der Umluftanteil stetig erhöht, bis bei<br />
einer bestimmten Aussentemperatur der Mindest-Aussenluftanteil<br />
erreicht ist. Fig. 3-1a zeigt die entsprechende Schaltung.<br />
2<br />
1<br />
w2<br />
0<br />
Fig. 3-1 Aussentemperaturabhängige Umluft-Beimisch-Steuerung<br />
a) Prinzipschema<br />
b) Wirkdiagramm<br />
1 Luftklappen-Steuergerät<br />
2 Aussenlufttemperaturfühler<br />
3 Luftklappen-Stellantrieb<br />
�2 Aussenlufttemperatur<br />
1<br />
w1<br />
X P<br />
w1 Basiswert (Heizbetrieb)<br />
w2 Begrenzungswert Luftklappen (minimaler-Aussenluftanteil)<br />
XP Proportionalbereich des Steuergerätes<br />
y Stellgrösse (Aussenluftklappe)<br />
Das Steuergerät (1) erfasst über den Fühler (2) die Aussentemperatur<br />
(Fig. 3-1a). Sinkt die Aussentemperatur in den Proportionalbereich XP<br />
(Fig. 3-1b), beginnt der Luftklappenantrieb (3) die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen<br />
in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Aussentemperatur zu schliessen <strong>und</strong><br />
die Umluftklappe zu öffnen. Dabei wird die Aussenluftklappe nur bis<br />
zur eingestellten Minimalstellung w2 geschlossen, damit der minimal<br />
erforderliche Aussenluftanteil noch gewährleistet ist.<br />
3<br />
�2<br />
B73-1
3.5 Steuerung der Luftklappen<br />
im Kühlbetrieb<br />
Bezüglich Energieverbrauch ist diese Schaltung nicht optimal, weil die<br />
Nichtlinearität der Klappenkennlinien <strong>und</strong> Änderungen der Umlufttemperatur<br />
bei gleitender Raumtemperatur nicht erfasst werden. Ausserdem<br />
ist eine geregelte freie Kühlung bei innerem Wärmeanfall (Einblasen<br />
einer entsprechenden Menge kälterer Aussenluft) nicht möglich.<br />
Diese Steuerung sollte daher nur angewendet werden, wenn keine<br />
inneren Wärmequellen vorhanden sind <strong>und</strong> wenn eine Mischstrecke<br />
zur Durchmischung der kalten <strong>und</strong> warmen Luft im Anschluss an die<br />
Mischklappen fehlt.<br />
In Anlagen mit Luftkühlung wird im Kühlbetrieb die Aussenluft, bei<br />
Überschreiten einer einstellbaren Grenztemperatur w3, auf den minimal<br />
erforderlichen Anteil reduziert, um dadurch den Verbrauch <strong>von</strong> Kühlenergie<br />
zu reduzieren (Prinzipschema gem. Fig. 3-1a, Wirkdiagramm<br />
gem. Fig. 3-2). Die Stellungsänderung der Fortluftklappe erfolgt dabei<br />
synchron zur Aussenluftklappe <strong>und</strong> die Umluftklappe wird gegenläufig<br />
angesteuert.<br />
1<br />
w2<br />
0<br />
X P<br />
w1 w3<br />
Fig. 3-2 Aussentemperaturabhängige Klappen-Schliessfunktion im Sommerbetrieb<br />
�2 Aussenlufttemperatur<br />
w1 Basiswert (Heizbetrieb)<br />
w2 Begrenzungswert Luftklappen (minimaler-Aussenluftanteil)<br />
w3 Grenztemperatur zur Umschaltung auf min. Aussenluftanteil im Kühlbetrieb<br />
XP Proportionalbereich des Steuergerätes<br />
y Stellgrösse (Aussenluftklappe)<br />
Der Nachteil des aussentemperaturabhängigen Auf/ Zu-Betriebes im<br />
Kühlbetrieb ist, dass Änderungen der Umlufttemperatur (z.B. bei Führung<br />
der Raumtemperatur nach der Aussentemperatur) nicht berück -<br />
sichtigt werden.<br />
�2<br />
B73-2<br />
39
40<br />
3.6 Energie-optimale Luftklappen -<br />
steuerung nach der Temperatur-<br />
oder Enthalpie-Differenz<br />
zwischen Abluft <strong>und</strong> Aussenluft<br />
3.6.1 Heizbetrieb<br />
Der zuvor erwähnte Nachteil (vgl. 3.5) kann umgangen werden, wenn<br />
die Anlage mit einer Temperatur- oder Enthalpiedifferenz-Umschaltung<br />
erweitert wird (Fig. 3-3a).<br />
Das Steuergerät 1 erfasst über den Fühler (2) die Aussentemperatur.<br />
Es schliesst bei sinkender Aussentemperatur innerhalb des eingestellten<br />
Proportionalbereiches XP die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen <strong>und</strong> öffnet<br />
die Umluftklappe (Funktion wie unter 3.4 beschrieben).<br />
2<br />
3<br />
1<br />
w2<br />
0<br />
1 4<br />
w1<br />
�2 �4<br />
3 4<br />
�2 �4<br />
Fig. 3-3 Energieoptimale-Steuerung der Luftklappen<br />
a) Prinzipschema<br />
b) Wirkdiagramm<br />
1 Luftklappen-Steuergerät<br />
2 AussenIufttemperaturfühler<br />
3 Aussenluftenthalpiefühler (nur bei Δh-Umschaltung)<br />
4 Ablufttemperaturfühler oder Abluftenthalpiefühler<br />
�2 Aussenlufttemperatur<br />
�4 Ablufttemperatur<br />
Δ� Temperaturdifferenz<br />
h3 Aussenluftenthalpie<br />
h4 Abluftenthalpie<br />
Δh Enthalpiedifferenz<br />
X P<br />
�2<br />
�� �<br />
3 4 B73-3
3.6.2 Kühlbetrieb<br />
3.7 Energie-optimale Umluftbeimischung<br />
in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Mischluft-<br />
Temperatur oder Mischluft-EnthaIpie<br />
Im Kühlbetrieb soll aus wirtschaftlichen Gründen vermieden werden,<br />
dass eine grosse Menge Aussenluft abgekühlt werden muss, die wärmer<br />
ist (oder eine höhere Enthalpie hat) als die Abluft. Daher werden<br />
die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen im Auf/Zu-Betrieb bis zur Minimalstellung<br />
geschlossen, wenn die vom Fühler (2) gemessene Aussenlufttemperatur<br />
(oder die vom Fühler 3 gemessene Aussenluftenthalpie) höher<br />
ist als die vom Fühler (4) gemessene Ablufttemperatur (oder Abluft -<br />
enthalpie). Das entsprechende Wirkdiagramm zeigt Fig. 3-3b.<br />
Der Vorteil dieser Schaltung gegenüber dem nur aussentemperaturabhängigen<br />
Auf/Zu-Betrieb liegt darin, dass der obere Schliesspunkt der<br />
Aussenluftklappe in Abhängigkeit der Ablufttemperatur (Einfluss des<br />
Aussentemperatur-Führungsgebers auf die Raumtemperatur, Sollwertverstellung<br />
der Raumtemperatur) geschoben wird. Daraus resultiert ein<br />
noch wirtschaftlicherer Betrieb der Anlage. Empfehlenswert ist diese<br />
Schaltung daher in Anlagen mit Kühlung <strong>und</strong> gleitender Raumtemperaturregelung.<br />
Bei der Mischluftregelung (Fig. 3-4) vergleicht der Regler (1) die vom<br />
Fühler (2) gemessene Mischlufttemperatur oder -enthalpie mit dem<br />
eingestellten Sollwert w. In Abhängigkeit <strong>von</strong> der Regelabweichung<br />
verstellt er durch den Stellantrieb (3) die Luftklappen <strong>und</strong> bewirkt damit<br />
eine Änderung des Mischungsverhältnisses zwischen Umluft <strong>und</strong><br />
Aussenluft. Liegt der Mischluftzustand z.B. unter dem am Regler eingestellten<br />
Sollwert, so wird die Aussenluftklappe (4) geschlossen<br />
(weniger kalte Aussenluft) <strong>und</strong> die Umluftklappe (5) geöffnet (mehr<br />
warme Umluft), bis der Sollwert erreicht ist. Dabei werden die Klappen<br />
nur bis zur gewählten Minimalstellung geschlossen, so dass der erforderliche<br />
minimale Aussenluftanteil gewährleistet ist.<br />
6<br />
Fig. 3-4 Mischluftregelung<br />
1 Temperatur- oder Enthalpieregler<br />
2 Mischlufttemperatur- oder -enthalpiefühler<br />
3 Luftklappenstellantrieb<br />
4 Aussenluftklappe<br />
5 Umluftklappe<br />
6 Aussenlufttemperatur- oder -enthalpiefühler<br />
7 Ablufttemperatur- oder -enthalpiefühler<br />
3<br />
4<br />
1<br />
5<br />
w �<br />
2<br />
7<br />
B73-4<br />
41
42<br />
Die Mischluft-Regelung vermindert somit die Nachteile der aussentemperaturabhängigen<br />
Klappensteuerung aus folgenden Gründen:<br />
• Weil der Mischluft-Fühler die Temperatur oder Enthalpie der<br />
Aussenluft wie der Umluft über den Mischluftzustand erfasst, wird<br />
jede Änderung einer dieser beiden Grössen durch entsprechendes<br />
Verstellen der Luftklappen korrigiert.<br />
• Die KlappenkennIinien werden im StelIbereich gewissermassen<br />
linearisiert, da der Regler die Klappen immer soweit verstellt, dass<br />
der erforderliche Mischluftzustand eingehalten wird.<br />
Die Mischluft-Regelung kann durch Anschliessen <strong>von</strong> 2 weiteren Fühlern<br />
an den Regler mit einer energieoptimalen Luftklappen-Umschaltung<br />
ergänzt werden (Fig. 3-4). Dabei werden, unabhängig <strong>von</strong> der vorbeschriebenen<br />
Regelfunktion, die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen bis zur<br />
Minimalstellung geschlossen (Fig. 3-5), wenn die vom Fühler (6)<br />
gemessene Aussenlufttemperatur (alternativ Aussenluftenthalpie)<br />
höher ist als die vom Fühler (7) gemessene Ablufttemperatur (aIternativ<br />
Abluftenthalpie). Diese Umschaltung auf den minimalen Aussenluftanteil,<br />
bringt eine Reduktion des Kühlenergieverbrauchs.<br />
Fig. 3-5 Wirkdiagramm Mischluft-Regelung mit Maximum-Economy-Umschaltung<br />
Q Last<br />
Δ� Temperaturdifferenz Aussenluft (�6) – Abluft (�7)<br />
Δh Enthalpiedifferenz Aussenluft (h6) – Abluft (h7)<br />
4 Stellsignal Aussenluftklappe
3.8 Sequenzschaltungen<br />
3.8.1 Die Komfortschaltung<br />
In <strong>Lüftungs</strong>anlagen, in denen die erforderliche Zulufttemperatur teilweise<br />
durch Beimischen <strong>von</strong> Umluft <strong>und</strong> teilweise durch Erwärmen in<br />
einem Lufterwärmer erreicht werden soll, kann das Heizventil mit den<br />
Luftklappen in Sequenz, d.h. in Folge gesteuert werden (Fig. 3-6). Je<br />
nachdem, ob zuerst die Aussenluftklappe geschlossen oder das Heizventil<br />
geöffnet wird unterscheidet man zwischen Komfortschaltung<br />
<strong>und</strong> Sparschaltung.<br />
Fig. 3-6 Sequenzschaltung <strong>von</strong> Luftklappen <strong>und</strong> Heizventil<br />
1 Raumtemperaturregler<br />
2 Raumtemperaturfühler<br />
3 Heizventil mit Stellantrieb<br />
4 Luftklappen-Stellantrieb<br />
5 Aussenluftklappe<br />
6 Fortluftklappe<br />
7 Umluftklappe<br />
Der stetige Temperaturregler (1) vergleicht die vom Raumtemperaturfühler<br />
(2) gemessene Temperatur mit dem Sollwert. Bei einer Ab wei -<br />
chung öffnet der Regler zuerst das Heizventil (3, Wirkdiagramm Fig.<br />
3-7). Ist die Lufterwärmerleistung trotz voll geöffnetem Ventil nicht aus -<br />
reichend, bewirkt der Regler durch den Luftklappenantrieb (4), das<br />
Schliessen der Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappe (5 <strong>und</strong> 6) <strong>und</strong> das Öffnen<br />
der Umluftklappe (7). Der Aussenluft wird jetzt die Menge warmer<br />
Abluft beigemischt, die zur Aufrechterhaltung der geforderten Raumtemperatur<br />
(oder Zulufttemperatur) erforderlich ist.<br />
Die Minimalstellung der Klappen zur Gewährleistung einer Mindest-<br />
Aussenluftrate kann im Regelsystem eingestellt, bzw. programmiert<br />
werden.<br />
1<br />
min.<br />
0<br />
5/6<br />
Fig. 3-7 Wirkdiagramm der Komfortschaltung<br />
3 Heizventil<br />
5/6 Aussenluft-/Fortluftklappe<br />
7 Umluftklappe<br />
7<br />
3<br />
0<br />
B73-7<br />
43
44<br />
3.8.2 Die Sparschaltung<br />
Bei der Komfortschaltung wird also zuerst das Heizventil ganz geöffnet,<br />
bevor die Aussenluftklappe zu schliessen beginnt. Dadurch wird der<br />
Aussenluftanteil möglichst lange auf 100 % gehalten, was aus hygienischer<br />
Sicht sicher komfortabel ist. Weil aber der Lufterwärmer so ausgelegt<br />
wird, dass seine Leistung nur an wenigen Tagen der Heizperiode<br />
ohne Umluftbeimischung nicht ausreicht, wird die Anlage während des<br />
grössten Teils der Betriebszeit mit 100 % Aussenluft betrieben. Dies<br />
führt aber zu einem entsprechend hohen Verbrauch <strong>von</strong> Heizenergie.<br />
Sinkt die Regelgrösse unter den Sollwert des Temperaturreglers (1),<br />
werden zuerst die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen (5 <strong>und</strong> 6) geschlossen<br />
<strong>und</strong> parallel dazu wird die Umluftklappe (7) geöffnet (Fig. 3-8). Erst<br />
dann, wenn die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen bei der Minimalstellung<br />
angelangt sind, beginnt der Regler das Heizventil (3) zu öffnen. Vom<br />
Lufterwärmer muss aber – ausser der eigentlichen Heizlast des Raumes<br />
– nur der minimale Aussenluftanteil aufgewärmt werden. Gegen -<br />
über der Komfortschaltung erfordert dies eine wesentlich kleinere Lufterwärmerleistung<br />
<strong>und</strong> das Heizventil muss – je nach Klimazone – nur<br />
an wenigen Tagen der Heizperiode voll geöffnet sein. Diese Schaltung<br />
bringt also etwas weniger Raumlufterneuerung als die Komfortschaltung,<br />
ist dafür aber wesentlich wirtschaftlicher.<br />
1<br />
min.<br />
0<br />
Fig. 3-8 Wirkdiagramm der Sparschaltung<br />
3 Heizventil<br />
5/6 Aussenluft-/Fortluftklappe<br />
7 Umluftklappe<br />
8 Geregelte freie Kühlung<br />
3<br />
8<br />
7<br />
Bei Raumtemperaturregelung ergibt sich in Anlagen mit inneren Wärmequellen<br />
auch die Möglichkeit, den Kühlenergieverbrauch zu reduzieren.<br />
Im Aussentemperaturbereich <strong>von</strong> etwa +10...20 °C kann nämlich<br />
der Raumtemperaturregler die Aussenluft-/Umluftklappen so einstellen,<br />
dass die innere Wärme mit einem entsprechend grösseren Anteil<br />
Aussenluft weggekühlt werden kann (geregelte freie Kühlung, 8).<br />
Wenn im Raum, infolge innerer Wärmequellen oder Aussentemperaturanstieg<br />
keine Heizlast mehr vorhanden ist, kann die Aussenluft ohne<br />
geheizt, <strong>und</strong> – solange sie kühler ist als die Raum-Solltemperatur –<br />
auch ohne gekühlt zu werden, in den Raum eingeblasen werden.<br />
5/6<br />
0 B73-8
3.8.3 Sequenzschaltung Luftklappen,<br />
Heizventil, Kühlventil<br />
In der Fig. 3-9 ist die <strong>Lüftungs</strong>anlage zusätzlich mit einem Kühlregister<br />
ausgestattet. Während des Kühlbetriebes soll im Sinne der Energie-<br />
Optimierung nur diejenige Luft (Aussenluft oder Umluft) gekühlt werden,<br />
welche die tiefere Temperatur hat. Die Umschaltung der Luftklappen<br />
zwischen 100 % <strong>und</strong> dem minimalen Anteil Aussenluft übernimmt<br />
eine Temperaturdifferenz-Umschaltung 10, mit je einem Temperatur -<br />
fühler in der Aussenluft <strong>und</strong> in der Abluft, die ins Luftklappen-Stellsignal<br />
des Temperaturreglers eingreift. In komplexeren Anlagen ist mit<br />
entsprechenden Fühlern auch eine Enthalpiedifferenz-Umschaltung<br />
möglich (Fig. 3-10).<br />
3<br />
10<br />
7<br />
5<br />
6<br />
8<br />
Fig. 3-9 Sequenzschaltung Luftklappen, Heizventil, Kühlventil<br />
1 Temperaturregler<br />
2 Raumtemperaturfühler<br />
3 Aussenlufttemperatur- oder -enthalpiefühler<br />
4 Ablufttemperatur- oder -enthalpiefühler<br />
5 Aussenluftklappe<br />
6 Umluftklappe<br />
7 Fortluftklappe<br />
8 Heizventil mit Antrieb<br />
9 Kühlventil mit Antrieb<br />
10 MAX.-/MIN.-Umschaltung der Luftklappen nach der Temperaturdifferenz<br />
Der stetige Temperaturregler (1) erfasst über den Fühler (2) die Raumtemperatur.<br />
Unterschreitet diese den Sollwert (Fig. 3-10), bewirkt der<br />
Regler das Schliessen der Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappe (5 <strong>und</strong> 7) <strong>und</strong> in<br />
der Folge das Öffnen des Heizventils (8). Die Luftklappen können nur<br />
bis zur eingestellten Minimalstellung schliessen, damit eine Mindest-<br />
Aussenluftrate gewährleistet ist.<br />
Überschreitet die Raumtemperatur den Sollwert, so bewirkt der Regler<br />
zuerst das Öffnen der Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappe <strong>und</strong> in der Folge auch<br />
des Kühlventils.<br />
4<br />
9<br />
1<br />
w R<br />
2<br />
B73-9<br />
45
46<br />
1<br />
min.<br />
0<br />
8 5/710 9<br />
Fig. 3-10 Sequenzdiagramm für die Schaltung: Luftklappen, Heizventil,<br />
0<br />
� 3 < � 4<br />
h 3 < h 4<br />
�3 > �4 h3 > h4 �� �<br />
Kühlventil mit Temperatur- oder Enthalpiedifferenz-Umschaltung<br />
Q Last (– = Heizlast, + = Kühllast)<br />
Δ� Temperaturdifferenz Aussenluft (�3) – Abluft (�4)<br />
(Δh) Enthalpiedifferenz Aussenluft (h3) – Abluft (h4)<br />
5/7 Aussenluft-/Fortluftklappe<br />
8 HeizventiI<br />
9 Kühlventil<br />
10 Temperatur- oder Enthalpiedifferenz-Umschaltung<br />
B73-10<br />
Unabhängig <strong>von</strong> vorbeschriebener Regelfunktion werden die Aussen<strong>und</strong><br />
Fortluftklappe bis zur Minimalstellung geschlossen, wenn die vom<br />
Fühler (3) gemessene Aussentemperatur oder -enthalpie höher ist als<br />
die vom Fühler (4) gemessene Ablufttemperatur oder -enthalpie.<br />
Dadurch arbeitet die Lüftung mit minimaler Aussenluftrate <strong>und</strong> der Verbrauch<br />
<strong>von</strong> Kühlenergie wird reduziert.<br />
Sinkt die Aussenlufttemperatur oder -enthalpie wieder unter die Ablufttemperatur<br />
oder -enthalpie, so schaltet der Temperatur- oder Enthalpiedifferenz-Umschalter<br />
wieder auf das Luftklappen-Stellsignal des<br />
Reglers um, d.h. die Luftklappen werden wieder in Sequenz zum Heizventil<br />
der Raumtemperaturregelung zugeschaltet.
3.8.4 Bedarfsgeführte<br />
Luftqualitätsregelung<br />
Ziel:<br />
Hoher Komfort bei tiefen<br />
Betriebskosten<br />
Raumluftqualität =<br />
Indoor Air Quality (IAQ)<br />
Vorteile<br />
Energiekosteneinsparung<br />
Messgrössen<br />
CO2, VOC<br />
Bei dieser Regelstrategie wird die Leistung der Raumluftanlage entsprechend<br />
der Raumluftqualität geregelt mit dem Ziel, den Komfort zu<br />
verbessern <strong>und</strong> die Betriebskosten der Anlage möglichst tief zu halten.<br />
International wird Raumluftqualität mit dem Begriff Indoor Air Quality<br />
(IAQ) beschrieben. Dieser Begriff wurde hauptsächlich durch die World<br />
Health Organization (WHO) <strong>und</strong> die American Society of Heating, Refrigerating<br />
and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) geprägt <strong>und</strong> wird so<br />
auch in den entsprechenden Normen <strong>und</strong> Richtlinien geführt.<br />
Durch den Einsatz einer bedarfsgeführten Luftqualitätsregelung wird<br />
der Komfort in einem Raum sichergestellt, in dem die Raumluftqualität<br />
als Regelgrösse in der Regelstrategie mitberücksichtigt wird.<br />
Vorteile der bedarfsgeführten Luftqualitätsregelung sind:<br />
• gute Raumluftqualität reduziert SBS (Sick Building Syndrome)<br />
� höhere Produktivität der Mitarbeiter, weniger Krankheitsabsenzen<br />
Eine Produktivitätssteigerung <strong>von</strong> nur 1 % kann 50 % höhere Inves -<br />
titionen für Heizungs- <strong>und</strong> <strong>Lüftungs</strong>systeme rechtfertigen. Studien<br />
habe gezeigt, dass Büroarbeiter mit SBS bis zu 30 % mehr Fehler<br />
unterlaufen <strong>und</strong> bis zu 10 % langsamer arbeiten<br />
• genügend tiefer CO2-Gehalt erhöht die Konzentrationsfähigkeit<br />
� wichtig in Schulzimmern <strong>und</strong> Bürogebäuden<br />
• gute Luftqualität in Restaurants <strong>und</strong> Einkaufszentren erhöht die Verweildauer<br />
der K<strong>und</strong>en in den Räumlichkeiten � höherer Umsatz<br />
• Anlage regelt automatisch entsprechend Raumluftqualität<br />
� Personal muss sich nicht um Anlage kümmern, keine Probleme<br />
mit vergessenen oder zu spätem Ein- bzw. Ausschalten<br />
(z.B in Restaurants)<br />
Es können teilweise beträchtliche Energiekosteneinsparung realisiert<br />
werden (30 % bis teilweise 50 % belegt durch Fallstudien). Dies ist vor<br />
allem durch zwei Faktoren begründet:<br />
• Anlage läuft nur bei Bedarf<br />
� Einsparungen bei Aufbereitung der Aussenluft<br />
(z. B. Erwärmer, Kühler)<br />
• Leistungsaufnahme der Ventilatoren wird erheblich reduziert<br />
(z.B. durch Stufenschaltung oder durch stetige Ansteuerung über<br />
einen Frequenzumformer) weil sich die Leistungsaufnahme mit der<br />
3. Potenz zum Luftmengenverhältnis verändert<br />
(vgl. Theorie Proportionalitätsgesetze).<br />
Die Luftqualität wird mit zwei verschiedene Messgrössen gemessen.<br />
Es sind dies:<br />
• CO2<br />
(Kohlendioxid)<br />
• Mischgase / VOC<br />
(Volatile Organic Compo<strong>und</strong>s, flüchtige organische Verbindungen)<br />
47
48<br />
CO2 (Kohlendioxid)<br />
Messprinzip<br />
CO2 ist ein geruchloses Gas das bei der Verbrennung, (z. B. Heizöl,<br />
Benzin) aber auch bei der Atmung entsteht. Für die Raumluftqualität ist<br />
CO2 eine entscheidende Grösse, weil der Mensch beim Ausatmen CO2<br />
produziert <strong>und</strong> so die CO2 Konzentration in Räumen ansteigt<br />
� CO2 Konzentration im Raum ist ein Mass für die Anzahl Personen in<br />
Räumen<br />
CO2 hat auch ges<strong>und</strong>heitliche Auswirkungen (Atmung des Menschen<br />
durch CO2 Gehalt gesteuert) <strong>und</strong> somit Einfluss auf das Wohlbefinden,<br />
Konzentration etc., falls gewisse ppm Zahlen überschritten werden:<br />
CO2 wird in Volumen % oder in ppm (parts per million) gemessen.<br />
Normale Aussenluft enthält r<strong>und</strong> 0.033 Volumen % CO2. resp. 330 ppm.<br />
Konzentration<br />
[ppm]<br />
330 Konzentration in normaler Aussenluft<br />
1’000 20 % der in einen Raum eintretenden Personen sind mit der<br />
herrschenden Luftqualität unzufrieden<br />
1’500 Grenzwert gemäss DIN 1946<br />
2’000 Sensible Personen klagen über Kopfweh<br />
4’000 Maximalwerte im Klassenzimmer nach Unterricht<br />
Konzentration [ppm]<br />
5’000 MAK Wert (zulässige maximale Arbeitsplatzkonzentration)<br />
100’000 Erlöschen einer Kerze im Raum, Bewusstseinsverlust<br />
Fig. 3-11 CO2 Konzentrationen <strong>und</strong> Grenzwerte<br />
Der CO2-Sensor basiert auf einer photoakustischen Messung. Dieses<br />
Messprinzip wurde bereits 1880 <strong>von</strong> A.G. Bell <strong>und</strong> J. Tyndal entdeckt.<br />
Nur drei Einzelbauteile sind für dieses Messprinzip nötig:<br />
• eine Strahlungsquelle für Infrarot (IR)<br />
• eine druckisolierte Messzelle<br />
• ein Mikrophon mit Signalaufbereitung<br />
Ein kleines Glühlämpchen strahlt durch ein optisches Filter in die Messzelle.<br />
Dieses Filter ist nur für Licht im Infrarotbereich (mit Wellenlänge<br />
um 4.26 �m) durchlässig. Die CO2-Moleküle werden durch Licht bei<br />
dieser Wellenlänge angeregt, nehmen die Strahlungsenergie auf <strong>und</strong><br />
geben sie bei Zusammenstössen mit anderen Molekülen wieder ab. In<br />
der Messzelle führt dies zu einer geringen Druckerhöhung. Wird die<br />
Lichtquelle periodisch abgeschaltet, können die Druckdifferenzen durch<br />
ein empfindliches Mikrophon erfasst <strong>und</strong> elektronisch ausgewertet,<br />
d.h. in das Mess-Signal umgewandelt werden. Dieses Mess-Signal ist<br />
proportional zum CO2-Gehalt. Ein Vorteil dieses Messverfahrens ist,<br />
dass der Nullpunkt nicht periodisch geeicht werden muss.<br />
Vorteile des photoakustischen Messprinzips gegenüber anderen sind:<br />
• direkte Proportionalität des Messsignals zur CO2-Konzentration<br />
• hohe Sensitivität<br />
• gute Stabilität des Nullpunktes (keine Eichung nötig, Relativ -<br />
messung)
CO2 oder CO?<br />
Mischgase / VOC<br />
IR-Filter<br />
4.26�m<br />
A.G.Bell, J.Tyndal<br />
CO 2<br />
Luft Filter<br />
Mess-<br />
Signal<br />
Fig. 3-12 CO2-Messung mit photoakustischem Messprinzip<br />
CO2 ist nicht zu verwechseln mit CO (Kohlenmonoxid), welches bei<br />
unvollständiger Verbrennung entsteht (z.B. in Autoabgasen) <strong>und</strong> das,<br />
im Gegensatz zu CO2, auch in sehr kleinen Konzentrationen giftig ist.<br />
CO muss überall dort gemessen werden, wo dieses in gefährlichen<br />
Konzentrationen auftreten kann (z.B. Parkgarage). Diese Messung ist<br />
dann Bestandteil eines Warnsystems- <strong>und</strong> nicht eines Regelsystems.<br />
Quellen für Mischgase / VOC sind:<br />
• Menschen, besonders Raucher<br />
• Ausdünstungen Materialien, Möbel etc.<br />
• Raumluftanlagen, besonders falls schlecht gewartet<br />
Photoakustisch<br />
andere Mess-<br />
verfahren<br />
CO 2 -Konzentration<br />
Mischgase (Gerüche) sind viel schwieriger zu messen als CO2. Es gibt<br />
keinen Sensor der die menschliche Nase komplett ersetzt. Für schlechte<br />
Luft sind hauptsächlich VOC (Volatile organic compo<strong>und</strong>s, flüchtige<br />
organische Verbindungen) verantwortlich.<br />
Schwierigkeiten die bei der Messung <strong>von</strong> VOC auftreten, sind:<br />
• verschiedene Gerüche, z.B. Tabakrauch oder Ausdünstungen <strong>von</strong><br />
Materialien werden unterschiedlich gewichtet, nicht unbedingt dem<br />
Empfinden der menschlichen Nase entsprechend<br />
• Vergleich Aussenluft/Innenluft notwendig für Messung � Probleme<br />
bei schlechter Aussenluft<br />
Ohne zusätzliche Signalbearbeitung sind die handelsüblichen VOC-Sensoren<br />
für Anwendungen in der Klimatechnik allerdings nicht genügend<br />
genau <strong>und</strong> zuverlässig, da hier schon kleinste VOC-Konzentrationen<br />
gemessen werden müssen. Mit einem intelligenten Algorithmus lässt<br />
sich das VOC-Signal an die aktuelle Zuluftqualität adaptieren <strong>und</strong> auch<br />
sehr kleine VOC-Konzentrationen zuverlässig <strong>und</strong> stabil messen.<br />
49
50<br />
Messprinzip<br />
Die VOC-Erfassung erfolgt mit einem Gassensor nach dem Taguchi-<br />
Prinzip (Fig. 3-13). Dieser besteht im wesentlichen aus einem gesinterten<br />
Keramikrohr mit innenliegendem Heizwendel. Neuere Ausführungen<br />
werden auch in Flachbauweise in Dickfilmtechnologie ausgeführt.<br />
Das Sensorröhrchen ist hochporös <strong>und</strong> hat dadurch eine sehr grosse<br />
Oberfläche. Es besteht aus dotiertem Zinndioxid (SnO2). Das sensitive<br />
Material arbeitet nach einem Redox-Vorgang.<br />
Durch Aufheizen des Sensor-Röhrchens auf 400 °C bilden sich freie<br />
Elektronen an der Sensoroberfläche. Durch diese angezogen, lagern<br />
sich Sauerstoffatome an der Oberfläche an. Gase oder Dämpfe, die mit<br />
der Sensoroberfläche in Berührung kommen werden im Idealfall zu<br />
CO2 <strong>und</strong> Wasserdampf oxidiert. Der zur Oxidation benötigte Sauerstoff<br />
wird dabei der Sensoroberfläche entzogen. Dabei werden Elektronen<br />
frei, was den Widerstand des Halbleiters verändert. Diese Widerstandsänderung<br />
kann als Spannungsänderung gemessen werden. Der<br />
verbrannte Sauerstoff wird durch Luftsauerstoff wieder ersetzt. Alle<br />
oxidierbaren Gase können somit durch den Mischgassensor proportional<br />
zur Konzentration <strong>und</strong> ihrem Redoxpotential erfasst werden.<br />
Das Taguchi-Messprinzip wird für Gas-Leckmessungen seit langem<br />
erfolgreich eingesetzt. Für Luftqualitäts-Messungen in HLK-Anlagen<br />
wurde das Messprinzip wenig eingesetzt. Ein Gr<strong>und</strong> ist sicher, dass der<br />
nötige Messbereich in die unterste sensitive Zone des Taguchi-Sensors<br />
fällt, wo der Gr<strong>und</strong>wert des Sensorsignals relativ stark streut <strong>und</strong> driftet.<br />
Ausserdem existieren über Geruch <strong>und</strong> Luftqualität ausser für CO2<br />
keine verbindlichen, messbaren Aussagen in der Literatur.<br />
Durchm: 17 mm<br />
Höhe: 10 mm<br />
Edelstahl<br />
Edel-Metall<br />
Sensor<br />
Heizung<br />
Synth. Material<br />
Ni-Anschlüsse<br />
Halbleiter<br />
(Zinndioxid)<br />
Elektrode<br />
Heiz-Wendel<br />
Elektrode<br />
Fig. 3-13 VOC-Messung mit Gassensor nach dem Taguchi-Prinzip
Kombinierte CO2/VOC-Messung<br />
üblich<br />
Andere Indikatoren<br />
olf<br />
decipol<br />
PD = Percentage Dissatisfied<br />
Mittlerweile gilt die kombinierte CO2/VOC-Messung als Optimum der<br />
Luftqualitätsregelung.<br />
Im Zusammenhang mit Gerüchen wird oft über olf, decipol <strong>und</strong> Prozentzahl<br />
Unzufriedene (PD) gesprochen (Theorie Fanger). Diese Grössen<br />
sind keine messbaren Grössen wie CO2, zeigen aber den<br />
Zusammenhang zwischen Geruch, Luftwechsel <strong>und</strong> Zufriedenheit der<br />
Personen. Sie können deshalb nicht zu Regelzwecken eingesetzt werden,<br />
wohl aber um z.B. Sollwerte festzulegen (vgl. Fig. 3-11, Wert für<br />
1000 ppm CO2).<br />
1 olf = Verunreinigungslast einer Standardperson.<br />
Eine Standardperson heisst eine erwachsene Person bei sitzender<br />
Tätigkeit mit einem Hygienezustand <strong>von</strong> 0.7 Bädern pro Tag. Die Einheit<br />
«olf» gibt die jeweilige Verunreinigungslast <strong>von</strong> Gegenständen wie<br />
<strong>von</strong> Menschen an. Sie ist als Grösse nicht direkt messbar, sondern nur<br />
über die empf<strong>und</strong>ene Luftqualität bestimmbar.<br />
1 decipol = empf<strong>und</strong>ene Luftqualität in einem Raum mit einer Verun -<br />
reinigunslast <strong>von</strong> 1 olf <strong>und</strong> einer Lüftung mit einem Volumenstrom <strong>von</strong><br />
10 l/s resp. 36 m 3 /h. Decipol ist die Masseinheit für die empf<strong>und</strong>ene<br />
Luftqualität.<br />
Die empf<strong>und</strong>ene Luftqualität wird mit Hilfe <strong>von</strong> Testpersonen ermittelt<br />
<strong>und</strong> dabei wird festgelegt, wie viele Personen mit der Luftqualität nicht<br />
zufrieden sind (Percentage Dissatisfied resp. Prozentzahl Unzufriedener).<br />
Diese Werte werden in Abhängigkeit der personenbezogenen<br />
Aussenluftrate festgehalten.<br />
Unzufriedene PD in %<br />
50.00<br />
40.00<br />
30.00<br />
20.00<br />
10.00<br />
0.00<br />
Prozentuale Anzahl Unzufriedener<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Personenbezogene Aussenluftrate [m 3 /h, Pers.]<br />
Fig. 3-14 Abhängigkeit der Prozentzahl Unzufriedener (PD) <strong>von</strong> der personenbezogenen<br />
Aussenluftrate<br />
51
52<br />
<strong>Lüftungs</strong>bedarfsrechner<br />
Vorteil<br />
Der <strong>Lüftungs</strong>bedarfsrechner ist ein wichtiger Bestandteil einer bedarfsgeführten<br />
Luftqualitätsregelung. Er erfasst die beiden Fühlersignale<br />
(CO2- <strong>und</strong> VOC-Signal) <strong>und</strong> verarbeitet diese zu einem <strong>Lüftungs</strong>bedarfssignal.<br />
Das <strong>Lüftungs</strong>bedarfssignal ist das Ergebnis einer Maximalauswahl<br />
aus dem CO2 - <strong>und</strong> dem im Rechner gefilterten VOC-Fühlersignal.<br />
Das <strong>Lüftungs</strong>bedarfssignal ist ein 2...10 V-Signal welches einem CO2 -<br />
äquivalenten Bereich <strong>von</strong> 400...2’000 ppm entspricht.<br />
Der Einfluss des VOC-<strong>Lüftungs</strong>bedarfs auf die Maximalauswahl gegen -<br />
über dem CO2 -<strong>Lüftungs</strong>bedarf kann entsprechend einem Einfluss <strong>von</strong><br />
± 200 ppm CO2 verändert werden.<br />
Durch die Verwendung eines separaten <strong>Lüftungs</strong>bedarfsrechners muss<br />
der darin ablaufende (komplexe) Algorithmus nicht jedes Mal neu<br />
programmiert werden <strong>und</strong> es wird eine hohe Qualität der Luftqualitätsregelung<br />
sichergestellt.<br />
a)<br />
b)<br />
max. 8<br />
max.<br />
4<br />
Δp<br />
Fig. 3-15 Luftqualitätsregelung kombiniert mit Temperaturregelung<br />
1 Luftqualitätsfühler (CO2/VOC)<br />
2 <strong>Lüftungs</strong>bedarfsrechner<br />
3 Luftqualitätsregler<br />
4 Bedarfssignal der Ventilatorsteuerung (z.B. Zeitschaltprogramme,<br />
Präsenzmelder, ...)<br />
5 Maximalauswähler der Bedarfsignale für Ventilatorensteuerung<br />
6 Raumtemperaturfühler<br />
7 Raumtemperaturregler<br />
8 Maximalauswähler der Bedarfsignale für Heizen, Kühlen<br />
a) Variante mit Umluft-Beimischung<br />
b) Variante mit reinem Aussenluft-Betrieb<br />
Δp<br />
5<br />
3<br />
7<br />
2<br />
1<br />
6
Funktionsweise<br />
LQ-Regelstrategien<br />
Der Lufterneuerungsbedarf wird mit einem kombinierten CO2/Mischgas(VOC)-Sensor<br />
(1) erfasst. Das Signal für den Lufterneuerungsbedarf<br />
wird <strong>von</strong> einem separaten <strong>Lüftungs</strong>bedarfsrechner (2) ermittelt. Das<br />
<strong>Lüftungs</strong>bedarfssignal wird an den Luftqualitätsregler (3) weitergegeben.<br />
Parallel dazu entstehen Bedarfssignale <strong>von</strong> der Ventilatorsteuerung<br />
(4) z.B. <strong>von</strong> Zeitschaltprogrammen, Präsenzmeldern, usw. Mittels<br />
einer Maximalauswahl (5) wird stets das grössere der beiden Signale<br />
ausgewählt <strong>und</strong> auf die Ventilatoren geführt. Die Temperaturregelung<br />
ermittelt mit dem Raumtemperaturfühler (6) <strong>und</strong> dem Temperaturregler<br />
(7) ein Bedarfssignal für Heizen/Kühlen. Dieses Signal wird mit dem<br />
Bedarfssignal der Luftqualitätsregelung für die Umluftklappen verglichen,<br />
das grössere Signal ausgewählt (8) <strong>und</strong> dann auf den Lufterhitzer<br />
resp. Luftkühler geführt.<br />
Je nach dem ob eine Anlage mit Umluftklappen ausgerüstet ist (a) oder<br />
für reinen Aussenluftbetrieb (b) gebaut ist, werden verschiedene Luftqualitäts-Regelstrategien<br />
angewendet. Nachfolgend werden drei übliche<br />
Anlagetypen <strong>und</strong> die zugehörigen Regelstrategien besprochen. Es<br />
sind dies:<br />
• Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren <strong>und</strong> direkter Umluft-Beimischung<br />
• Aussenluft-Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren<br />
• Anlage mit drehzahl-geregelten Ventilatoren<br />
Zu diesen Luftqualitäts-Regelstrategien gehört auch ein Temperaturregelkreis<br />
(z.B. Regler 7 in Fig. 3-15), dessen Funktion zuvor schon unter<br />
3.8.3 besprochen wurde.<br />
100 %<br />
min.<br />
0 %<br />
y<br />
2 1 4 3<br />
0<br />
ϑ 1 < ϑ 2<br />
ϑ 1 > ϑ 2<br />
Q<br />
Δϑ<br />
Fig. 3-16 Sequenzdiagramm für die Schaltung: Luftklappen, Heizventil, Kühlventil<br />
mit Temperaturdifferenz-Umschaltung<br />
Q Last (– = Heizlast, + = Kühllast)<br />
Δ� Temperaturdifferenz Aussenluft (�1) - Abluft (�2)<br />
1 Aussenluft-/Fortluftklappe<br />
2 HeizventiI<br />
3 Kühlventil<br />
4 Temperaturdifferenz-Umschaltung Aussen-/Fortluftklappe<br />
Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren <strong>und</strong> direkter Umluft-Beimischung<br />
• verschlechtert sich die Luftqualität, so wird die Anlage vorerst auf<br />
der 1. Ventilatorstufe (I) eingeschaltet<br />
• die Aussenluftklappe geht auf die eingestellte Minimalstellung <strong>und</strong><br />
öffnet stetig bei einer weiteren Verschlechterung der Luftqualität<br />
• die 2. Ventilatorstufe (II) wird erst dann eingeschaltet, wenn die<br />
Luftklappe voll geöffnet ist<br />
• bei tiefen Aussentemperaturen kann die Aussenluftmenge nach<br />
oben begrenzt werden (� max.), damit sichergestellt wird, dass der<br />
Lufterhitzer die benötigte Zulufttemperatur erreichen kann<br />
53
54<br />
100 %<br />
max.<br />
min.<br />
0 %<br />
Fig. 3-17 Bedarfssignale für Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren (I, II) <strong>und</strong> direkter<br />
Umluft-Beimischung<br />
y Stellsignal Aussenluftklappe<br />
-IAQ sich verschlechternde Raumluftqualität<br />
- IAQ<br />
Aussenluft-Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren<br />
• verschlechtert sich die Luftqualität, so wird die Anlage auf der<br />
ersten Ventilatorstufe (I) eingeschaltet<br />
• die 2. Ventilatorstufe (II) wird bei einer weiteren Verschlechterung<br />
der Luftqualität eingeschaltet<br />
y<br />
I<br />
0<br />
y<br />
I II<br />
I II<br />
- IAQ<br />
Fig. 3-18 Bedarfssignale für Frischluft-Anlage mit 2-stufigen Ventilatoren (I, II)<br />
y Stellbefehl Ventilatorstufen<br />
-IAQ sich verschlechternde Raumluftqualität<br />
Anlage mit drehzahl-geregelten Ventilatoren<br />
• verschlechtert sich die Luftqualität, so schaltet die Anlage <strong>und</strong><br />
damit die Ventilatoren (I) ein. Die Ventilatoren laufen auf minimaler<br />
Drehzahl<br />
• die Aussenluftklappe öffnet 100 %<br />
• bei einer weiteren Verschlechterung der Luftqualität wird die Drehzahl<br />
des Ventilators stetig erhöht (Stellsignal y)<br />
y<br />
100 %<br />
min.<br />
0 %<br />
I<br />
- IAQ<br />
Fig. 3-19 Bedarfssignale für Anlage mit drehzahlgeregelten Ventilatoren<br />
y Stellsignal Ventilatordrehzahl<br />
-IAQ sich verschlechternde Raumluftqualität
Freigabestrategien<br />
Nutzzeit<br />
Vorlüftung<br />
Nachlüftung<br />
Zwangslüftung (Hand EIN)<br />
Präsenzerfassung<br />
Koordination mit der<br />
Temperaturregelung<br />
Eine Anlage mit bedarfsgeführter Luftqualitätsregelung kann auf Gr<strong>und</strong><br />
verschiedener Kriterien ein-/ausgeschaltet werden. Die nachfolgende<br />
Grafik zeigt eine Anlage im Tagesverlauf mit verschiedenen Möglichkeiten<br />
zum Ein-/Ausschalten der Anlage.<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
I<br />
0<br />
00:00 08:00 18:00 24:00<br />
Fig. 3-20 Anlage mit Zeitschaltprogramm, Handeingriff <strong>und</strong> Präsenzdetektor<br />
A Nutzzeit E Präsenzdetektor<br />
B Vorlüftung F Lufterneuerungsbedarf<br />
C Nachlüftung G Anlage<br />
D Hand EIN<br />
Mögliche Gründe zum Ein-/Ausschalten sind:<br />
Innerhalb der Nutzzeit befinden sich typischerweise Personen im<br />
Gebäude. Die Bedarfssteuerung hat hier die Aufgabe, den Komfort<br />
(gute Luft qualität) zu gewährleisten.<br />
Gute Luftqualität soll sichergestellt werden, bevor die Benutzer den<br />
Raum betreten. Die Dauer der Vorlüftung kann eingestellt werden (ca.<br />
zwei Luftwechsel) <strong>und</strong> endet bei Beginn der Nutzzeit. Die Anlage läuft<br />
während der Vorlüftung auf der höchsten Ventilator-Drehzahl mit 100 %<br />
Aussenluftanteil.<br />
Damit sich ausserhalb der Nutzzeit keine unangenehmen Gerüche in<br />
den Inneneinrichtungen festsetzen kann nachgelüftet werden. Die<br />
Nachlüftung beginnt bei Ende der Nutzzeit sofern der Luftqualitätsfühler<br />
einen Lufterneuerungsbedarf anzeigt. Sie endet spätestens nach<br />
einer einstellbaren Zeitperiode.<br />
Innerhalb oder ausserhalb der Nutzzeit kann über eine Impulstaste die<br />
Lüftung für eine begrenzte Zeit zwangsweise eingeschaltet werden.<br />
Die Anlage läuft während der Zwangslüftung auf der höchsten Ventilator-Drehzahl<br />
mit 100 % Aussenluftanteil.<br />
Bei Räumen, welche auch innerhalb der Nutzzeit unregelmässig<br />
benutzt werden, kann mittels Präsenzdetektoren festgestellt werden,<br />
ob sich Personen im Raum aufhalten. Die Bedarfslüftung wird nur dann<br />
freigegeben, wenn der Präsenzdetektor die Anwesenheit <strong>von</strong> Personen<br />
anzeigt.<br />
Unabhängig <strong>von</strong> der Bedarfslüftung muss die Temperaturregelung feststellen<br />
ob der thermische Komfort gewährleistet ist <strong>und</strong> die Anlage bei<br />
Heiz- bzw. Kühlbedarf einschalten.<br />
t<br />
55
56<br />
4. Regelung <strong>und</strong> Vereisungsschutz <strong>von</strong> WRG-Apparaten<br />
4.1 Allgemeines<br />
4.2 Umluftbeimischung<br />
Zur Luftaufbereitung in <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> wird Energie verbraucht.<br />
Der grösste Anteil wird dabei zum Heizen oder Kühlen, bei<br />
Vollklimatisierung aber auch zum Be- <strong>und</strong> Entfeuchten der Luft benötigt.<br />
Da in Komfort-<strong>Klimaanlagen</strong> aus hygienischen Gründen, je nach<br />
Personenbelegung der klimatisierten Räume, eine bestimmte Luftwechselzahl<br />
[h -1 ] (dem Raum zugeführte Aussenluft [m 3 /h] / Raumvolumen<br />
[m 3 ]) einzuhalten ist, bedeutet dies, dass im Winter – je nach<br />
Grösse der An lage – ein erheblicher Volumenstrom beheizter <strong>und</strong> eventuell<br />
befeuchteter, bzw. im Sommer gekühlter <strong>und</strong> entfeuchteter Luft,<br />
ins Freie geblasen <strong>und</strong> durch Aussenluft ersetzt werden muss. Hier gilt<br />
es, einen möglichst grossen Anteil der vorher aufgewendeten Energie<br />
wieder zurück zugewinnen.<br />
Die anlagen-, steuer- <strong>und</strong> regeltechnischen Möglichkeiten der Umluftbeimischung<br />
wurde im Kapitel 3 ausführlich behandelt. Die reine<br />
Umluftbeimischung ist eigentlich keine Wärmerückgewinnung (nach<br />
VDI 2071), sondern eher eine Vermeidung <strong>von</strong> unnötigem Energieverlust<br />
mit der Fortluft.<br />
Fig. 4-1 Umluftbeimischung<br />
1 Aussenluftklappe<br />
2 Forluftklappe<br />
3 Umluftklappe<br />
2<br />
1<br />
3<br />
Wenn aus hygienischen Gründen der Umluftanteil etwa 50 % nicht<br />
übersteigen darf, lohnt sich in der Regel eine Kombination der Umluftbeimischung<br />
mit einem WRG-Apparat. Solche Kombinationen mit den<br />
entsprechenden Steuer- <strong>und</strong> Regelfunktionen werden unter 4.8 behandelt.<br />
B73-9
4.3 Platten- oder<br />
Röhren-Wärmeübertrager<br />
(rekuperative WRG)<br />
4.3.1 Regelung<br />
Fortluft- <strong>und</strong> Aussenluftstrom sind durch feststehende Trennflächen<br />
getrennt. Meistens Kuben mit Platten – teilweise auch mit Rohren.<br />
Material je nach Anwendung <strong>und</strong> Luftzustand/-qualität z.B. Aluminium,<br />
Chromstahl, Glas, Kunststoffe.<br />
4<br />
1<br />
3<br />
Fig. 4-2 Rekuperative WRG: Plattentauscher (Quelle Klingenburg)<br />
1 Aussenluft<br />
2 Zuluft<br />
3 Abluft<br />
4 Fortluft<br />
2<br />
Die Übertragungsleistung dieser WRG-Apparate kann nur durch einen<br />
Umführungskanal in der Abluft oder Aussenluft beeinflusst werden<br />
(Fig. 4-3).<br />
Fig. 4-3 Leistungsregelung durch Umführungskanal in der Aussenluft<br />
1 Aussenluftkanal<br />
2 Fortluftkanal<br />
3 WRG durch Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager<br />
4 Umführungskanal zur Leistungsregelung<br />
5 Luftklappen mit StelIantrieb<br />
Die richtige Dimensionierung des Umführungskanals <strong>und</strong> der Einbau<br />
<strong>von</strong> gegenläufigen Segmentklappen sind entscheidende Voraussetzungen<br />
zur guten Regelbarkeit dieses Systems. Es empfiehlt sich, dabei<br />
die folgenden groben Richtlinien zu beachten:<br />
• Der Druckabfall über dem WRG-Apparat soll nicht grösser sein als<br />
ca. 50 % des Druckverlustes im Kanalnetz.<br />
• Der Druckabfall über der geöffneten Klappe soll ca. 10 % des Wärmeübertragerwiderstandes<br />
betragen.<br />
• Der Druckverlabfall im Umführungskanal soll gleich dem Druckverlust<br />
über dem Wärmeübertrager sein.<br />
• Anordnungen mit nur einer Regelklappe im Umführungskanal, die<br />
zudem nur einen geringen Luftwiderstand aufweist, ergeben ein<br />
unbrauchbares Regelverhalten.<br />
57
58<br />
4.3.2 Vereisungsschutz<br />
Wird bei Aussentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes der Taupunkt<br />
der Abluft unterschritten, so bildet sich auf der Abluftseite des<br />
Wärmeübertragers Eis, das den Strömungsquerschnitt verengt. Dieser<br />
Vorgang muss durch eine Schutzeinrichtung vermieden werden: Ist<br />
eine Beimischung <strong>von</strong> Abluft erlaubt, so kann der Vereisungsschutz<br />
ohne Verminderung des Änderungsgrades realisiert werden. Diese<br />
Schaltung wird unter 4.8 beschrieben.<br />
Müssen Fortluft <strong>und</strong> Aussenluft vollkommen getrennt bleiben, so kann<br />
das Vereisungsproblem entweder mit einem Vorwärmer im Aussenluftkanal<br />
oder durch einen Umführungskanal mit Regelklappen gelöst werden.<br />
Die erstgenannte Möglichkeit zeigt Fig. 4-4 mit einem Elektro-<br />
(oder Warmwasser-) Lufterwärmer, der die Eintrittstemperatur der<br />
Aussenluft auf einen einstellbaren minimalen Wert erhöht.<br />
1<br />
2<br />
4<br />
w min<br />
3<br />
Fig. 4-4 Vereisungsschutzregelung durch Elektro-Lufterwärmer im Aussenluftkanal<br />
1 Aussenluftkanal<br />
2 Fortluftkanal<br />
3 WRG durch Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager<br />
4 Elektro-Lufterwärmer mit eigenem Regelkreis<br />
Die zweitgenannte Möglichkeit mit Umführungskanal zeigt Fig. 4-5. Die<br />
Fortluft-Austrittstemperatur wird dabei auf einen Minimalwert<br />
begrenzt, indem der Aussenluft-Volumenstrom durch den Wärmeübertrager<br />
entsprechend reduziert wird. Diese Art <strong>von</strong> Vereisungsschutz<br />
muss aber mit Vorsicht angewendet werden, denn die Minimaltemperatur,<br />
die am Regler einzustellen ist, kann nicht pauschal bestimmt werden<br />
(z.B. 0 °C). Sie ist für jedes Wärmeübertragerfabrikat spezifisch <strong>und</strong><br />
muss experimentell bestimmt werden. Es ist auch denkbar, dass der<br />
Temperaturfühler für den Vereisungsschutz im Wärmeübertrager an der<br />
kritischen Stelle montiert wird.<br />
B74-2
1<br />
4<br />
Fig. 4-5 Vereisungsschutzregelung durch Umführungskanal für die Aussenluft<br />
1 AussenIuftkanal<br />
2 Fortluftkanal<br />
3 WRG durch Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager<br />
4 Luftklappenregelung mit Umführungskanal<br />
Anstelle des Temperaturfühlers <strong>und</strong> Temperaturreglers kann für den<br />
Vereisungsschutz auch eine Druckdifferenzregelung im Abluftkanal (mit<br />
je einem Druckfühler vor <strong>und</strong> nach der WRG) eingesetzt werden, da<br />
durch eine zunehmende Vereisung der Wärmeübertragerflächen die<br />
Druckdifferenz ansteigt.<br />
Alle Vereisungsschutzregelungen können mit der WRG-Regelung kombiniert<br />
werden, indem sie über eine Vorrangschaltung auf das gleiche<br />
Stellglied wirken.<br />
Regelungstechnische Varianten zeigen Fig. 4-6 mit einem Umführungskanal<br />
in der Abluft <strong>und</strong> Vereisungsschutz durch einen separaten Regelkreis<br />
mit Wärmeübertrager.<br />
1<br />
2<br />
2<br />
w min<br />
4 5<br />
w min<br />
3<br />
3<br />
B74-3<br />
Fig. 4-6 Vereisungsschutz- <strong>und</strong> Leistungsregelung durch Elektro-Lufterwärmer<br />
im Aussenluftkanal <strong>und</strong> Umführungskanal für die Abluft<br />
1 Aussenluftkanal<br />
2 Fortluftkanal<br />
3 WRG durch Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager<br />
4 Elektro-Lufterwärmer mit Vereisungsschutzregelkreis<br />
5 Luftklappen mit Umführungskanal für die Abluft<br />
4<br />
B74-4<br />
59
60<br />
Fig. 4-7 zeigt die Variante mit einem Umführungskanal in der Aussenluft<br />
<strong>und</strong> Vereisungsschutz über Vorrangschaltung auf den Klappenantrieb<br />
wirkend. Bei dieser Schaltung ist unbedingt auf eine gute Durchmischung<br />
der Luftströme nach dem Umführungskanal zu achten. Weiter<br />
wird oft die, durch die Begrenzung hervorgerufene, Minderleistung<br />
der WRG durch eine erhöhte Leistung des nachgeschalteten Lufterwärmers<br />
kompensiert (z.B. <strong>Siemens</strong> AEROGYR). Dieser Ansatz kommt<br />
auch bei Kreislaufverb<strong>und</strong>-Systemen (vgl. 4.4.2) <strong>und</strong> Rotations-Wärmeübertragern<br />
(vgl. 4.6.2) zur Anwendung.<br />
1<br />
2<br />
w min<br />
5 7 6<br />
T MIN<br />
3<br />
Fig. 4-7 Kombination <strong>von</strong> Vereisungsschutz- <strong>und</strong> Leistungsregelung durch Umführungskanal<br />
für die Aussenluft <strong>und</strong> Vorrangschaltung auf Klappenantrieb<br />
1 Aussenluft<br />
2 Fortluft<br />
3 Rekuperativer WRG-Apparat (Platten- oder Röhren-Wärmeübertrager)<br />
4 Luftklappenregelung mit Umführungskanal für die Aussenluft<br />
5 Vereisungsschutzregelung<br />
6 Temperaturregler der Anlage<br />
7 Minimal-Vorrangauswahl<br />
Der Nachteil beider Regelungsarten ist, dass der Temperatur-Änderungsgrad<br />
durch den Eingriff der Vereisungsschutzregelung reduziert<br />
wird.<br />
4<br />
B74-5
4.4 Kreislaufverb<strong>und</strong>-System<br />
4.4.1 Regelung<br />
4.4.2 Vereisungsschutz<br />
Die Regelung erfolgt am besten über ein Dreiwegventil im Zwischenmedium<br />
(Fig. 4-8). Das Ventil wird möglichst nahe am Aussenluft-Wärmeübertrager<br />
platziert <strong>und</strong> nach üblichen Richtlinien dimensioniert. In<br />
Anlagen mit stark variierendem Luftstrom muss das maximal umgewälzte<br />
Zwischenmedium z.B. durch Drehzahlsteuerung der Pumpe<br />
dem Luftmassenstrom angepasst werden. Dadurch wird das Wasserwertverhältnis<br />
(Wärmestrom der Luft/Wärmestrom des Zwischenmediums)<br />
<strong>von</strong> 1 eingehalten <strong>und</strong> die Anlage arbeitet so mit optimalem<br />
Gesamt-Änderungsgrad.<br />
Sobald die Oberflächentemperatur des Abluft-Wärmeübertragers<br />
wegen des abgekühlten Zwischenmediums unter 0 °C absinkt, kann<br />
das Kondensat aus der Abluft gefrieren. Diese Eisbildung muss verhindert<br />
werden. Dazu dient die Schaltung gem. Fig. 4-8, wo dem abgekühlten<br />
Zwischenmedium aus dem Aussenluft-Wärmeübertrager ein<br />
entsprechender Anteil wärmeres Zwischenmedium aus dem Fortluft-<br />
Wärmeübertrager beigemischt wird (Umlenkschaltung).<br />
1<br />
2<br />
w min<br />
5<br />
T<br />
6<br />
MIN<br />
3<br />
7<br />
> 0,5 m<br />
Fig. 4-8 WRG-Regelung kombiniert mit Vereisungsschutzregelung in Verteilschaltung<br />
1 Aussenluft<br />
2 Fortluft<br />
3 Umwälzpumpe<br />
4 WRG-Leistungsregler<br />
5 Vereisungsschutzregler<br />
6 Vorrangschalter<br />
7 Mischventil (als Verteiler eingebaut)<br />
Bei welchem Betriebszustand wirklich Vereisungsgefahr besteht, ist<br />
nicht nur <strong>von</strong> der Aussentemperatur, sondern auch <strong>von</strong> der Ablufttemperatur<br />
<strong>und</strong> vom Temperatur-Änderungsgrad des WRG-Systems abhängig.<br />
Fig. 4-9 zeigt die minimal zulässige Aussentemperatur in Abhängigkeit<br />
vom Temperatur-Änderungsgrad bei einer Ablufttemperatur <strong>von</strong> 20 °C.<br />
Aus dem eingezeichneten Beispiel ist ersichtlich, dass bei einem Temperatur-Änderungsgrad<br />
<strong>von</strong> 50 % die zulässige minimale Aussentemperatur<br />
ungefähr –6,5 °C beträgt. Ist eine Vereisungsschutzregelung<br />
erforderlich, so kann diese über eine Vorrangschaltung mit der Leistungsregelung<br />
kombiniert werden (Fig. 4-8).<br />
4<br />
w<br />
B74-6<br />
61
62<br />
4.5 Wärmerohre (Heat pipes)<br />
4.6 Rotations-Wärmeübertrager<br />
�<br />
�<br />
�<br />
Fig. 4-9 Minimal zulässige Aussentemperatur � in Funktion des Temperatur-<br />
Änderungsgrades Φ�<br />
Bei den Wärmerohren handelt es sich um einen Kältemittelkreislauf<br />
ohne Zufuhr <strong>von</strong> Hilfsenergie. Das Wärmerohr ist wartungsfrei <strong>und</strong><br />
benötigt auch keinen Vereisungsschutz. Die Leistungsregelung ist relativ<br />
schwierig <strong>und</strong> kann z.B. durch Bypass oder durch Veränderung des<br />
Kippwinkels mit Hilfe eines Stellantriebes erfolgen.<br />
Rotierende, zellenförmige Speichermasse wird abwechselnd <strong>von</strong><br />
Aussenluft <strong>und</strong> Abluft durchströmt. Das Mass der Wärmeübertragung<br />
kann durch Veränderung der Rotor-Drehzahl beeinflusst werden. Durch<br />
hygroskopische Beschichtung der Speicheroberfläche kann auch<br />
Feuchte, bzw. Enthalpie übertragen werden.<br />
Die in der <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> Klimatechnik eingesetzten Konstruktionen lassen<br />
die Speichermasse kontinuierlich mit ca. 1...10 Umdrehungen pro<br />
Minute [min -1 ] zwischen dem Aussen- <strong>und</strong> Fortluftkanal rotieren. Der<br />
Änderungsgrad ist abhängig <strong>von</strong> der Drehzahl des Rotors <strong>und</strong> <strong>von</strong> der<br />
Anström-Luftgeschwindigkeit.<br />
Fig. 4-10 Regenerative WRG: Rotations-Wärmeübertrager<br />
Schnittbild <strong>und</strong> Prinzip (Sommerfall)<br />
1 Aussenluft<br />
2 Zuluft<br />
3 Abluft<br />
4 Fortluft<br />
2<br />
� �
4.6.1 Regelung<br />
4.6.2 Vereisungsschutz<br />
Die Regelung der Wärmerückgewinnung (Fig. 4-11) erfolgt über die<br />
Drehzahl des Rotors. Steigt sie, so nimmt der Änderungsgrad zu, bis<br />
eine obere Grenzdrehzahl erreicht ist. Der Verlauf des Anstiegs ist <strong>von</strong><br />
der Anströmgeschwindigkeit abhängig; bei kleinen Luftgeschwindigkeiten<br />
verläuft die Kurve sehr steil. Daher sind in diesem Betriebszustand<br />
Schwierigkeiten (Regelschwingungen) zu erwarten, da zur Reinhaltung<br />
des Rotors die Drehzahl meist auf einem unteren Wert begrenzt wird.<br />
Somit muss der WRG-Apparat einerseits bei Erreichen der unteren<br />
Begrenzung ganz ausgeschaltet, andererseits aber (zur Rotorreinigung)<br />
periodisch für kurze Zeit wieder in Betrieb gesetzt werden. Dieser<br />
ElN/AUS-Betrieb kann jedoch durch richtige Auslegung des Apparates<br />
vermieden werden.<br />
�h<br />
Fig. 4-11 Änderungsgrad der Rotations-WRG in Funktion der Rotordrehzahl<br />
<strong>und</strong> der Anström- Luftgeschwindigkeit<br />
Φ Änderungsgrad der Temperatur oder Enthalpie<br />
n Rotordrehzahl (Umdrehungen pro Minute)<br />
v Anström- Luftgeschwindigkeit<br />
Bei Unterschreiten einer Grenztemperatur, die vom Hersteller festgelegt<br />
wird, vereist der Rotor. Diese Grenztemperatur muss durch einen<br />
Lufterwärmer (Fig. 4-12) oder – wenn dies zulässig ist – durch Umluftbeimischung<br />
gehalten werden. Die Vereisungsschutzregelung durch<br />
Beimischung wird unter 4.8 behandelt.<br />
1<br />
2<br />
5<br />
6<br />
T<br />
w min<br />
Fig. 4-12 Vereisungsschutzregelung mit Hilfe eines Elektro-Lufterwärmers<br />
im Aussenluftkanal<br />
1 Aussenluft 4 Reglersignal WRG<br />
2 Fortluft 5 Elektro-Lufterwärmer<br />
3 Rotations-Wärmeübertrager 6 Vereisungsschutzregelkreis<br />
3<br />
4<br />
B74-9<br />
�1<br />
B74-8<br />
63
64<br />
4.7 Wärmepumpen<br />
4.8 Kombination <strong>von</strong> WRG-Apparat<br />
mit Umluftbeimischung<br />
4.8.1 Umluftbeimischung<br />
vor dem WRG-Apparat<br />
Mit einer Wärmepumpe könnte z.B. der Abluft einer <strong>Lüftungs</strong>- oder<br />
Klimaanlage mehr Wärme entzogen werden als mit den übrigen WRG-<br />
Apparaten. Für diesen Anwendungsfall ergeben sich mit der Wärmepumpe<br />
aber auch Nachteile:<br />
• Einfache Wärmepumpen transportieren die Wärme nur in einer<br />
Richtung. Soll die Richtung des Wärmetransportes wechseln können,<br />
z.B. bei Kühlbetrieb der Anlage, so muss die Wärmepumpe mit<br />
einer zusätzlichen Umkehrschaltung ausgerüstet werden.<br />
• Die Anlage erfordert relativ hohe Investitions- <strong>und</strong> Unterhaltskosten.<br />
Aus diesen Gründen ist es unwahrscheinlich, dass sich die Wärmepumpe<br />
für die hier beschriebenen WRG-Anlagen durchsetzen wird.<br />
Wärmepumpen eignen sich also eher als WRG-Systeme in Industriebetrieben<br />
wo z.B. relativ konstante Mengen <strong>von</strong> Prozessabwärme durch<br />
ein <strong>Lüftungs</strong>system abgeführt werden müssen.<br />
Wird ein WRG-Apparat in eine Luftaufbereitungsanlage eingebaut, bei<br />
der auch ein Umluftanteil <strong>von</strong> ca. 50 % zulässig ist, so ist es sinnvoll,<br />
den Wärmerückgewinn durch eine Kombination des WRG-Apparates<br />
mit einer Umluftbeimischung zu steigern. Für eine solche Kombination<br />
kommt aber praktisch nur ein Rotations-Wärmeübertrager in Frage,<br />
weil das Kreislaufverb<strong>und</strong>-System <strong>und</strong> der Platten-Wärmeübertrager<br />
nur dann als WRG-Apparat gewählt werden, wenn absolut kein Luftaustausch<br />
zwischen Abluft <strong>und</strong> Zuluft gestattet ist. In diesem Kapitel<br />
sollen einerseits die prinzipiellen anlagentechnischen Varianten erklärt<br />
<strong>und</strong> andererseits die dadurch erzielbaren Temperatur-Änderungsgrade<br />
aufgezeigt werden.<br />
Die Kombination gem. Fig. 4-13 kann einerseits zur Erhöhung des<br />
Gesamt-Wärmerückgewinns <strong>und</strong> anderseits zur Vereisungsschutzregelung<br />
des WRG-Apparates verwendet werden, sofern der dafür erforderliche<br />
minimale Umluftanteil in jedem Falle zulässig ist. Diese Lösung<br />
bietet ausserdem den Vorteil, dass der Vereisungsschutz ohne Änderungsgradverlust<br />
realisiert werden kann.<br />
Weil bei dieser Variante immer der gesamte Luftstrom durch den<br />
WRG-Apparat geführt wird, muss dieser entsprechend gross dimensioniert<br />
werden. Sein Temperatur-Änderungsgrad ist aber unabhängig vom<br />
Aussenluftanteil. Die nachfolgend gezeigten Ergebnisse sind daher für<br />
alle WRG-Apparatetypen gültig.<br />
1<br />
2<br />
3<br />
Fig. 4-13 Umluftbeimischung vor dem WRG-Apparat<br />
1 Aussenluft<br />
2 Fortluft<br />
3 Umluft-Beimischklappen<br />
4 WRG-Apparat (Rotations-Wärmeübertrager)<br />
5 Zuluft-Aufbereitung<br />
6 Raum<br />
4<br />
5<br />
6<br />
B74-10
Die Fig. 4-14 zeigt den Gesamt-Änderungsgradverlauf der Kombination<br />
– in Funktion des Aussenluftanteils a – für die Apparate-Änderungs -<br />
grade ΦWR = 0,5 <strong>und</strong> ΦWR = 0,7 sowie die entsprechenden Werte für<br />
die Umluftbeimischung allein (ΦM). Es ist daraus ersichtlich, dass der<br />
Wärmerückgewinn bei einem Aussenluftanteil < 50 % hauptsächlich<br />
durch die Umluftbeimischung erfolgt. Das eingezeichnete Beispiel für a<br />
= 0,5 <strong>und</strong> ΦWR = 0,5 oder 0,7 ergibt einen Gesamt-Änderungsgrad für<br />
die Kombination <strong>von</strong> 0,67 bzw. 0,77 <strong>und</strong> für die Umluftbeimischung<br />
allein <strong>von</strong> 0,5. Der Einbau eines WRG-Apparates wäre in diesem Falle<br />
also wirtschaftlich. Je grösser aber der Aussenluftanteil ist, umso grösser<br />
wird auch der WRG-Anteil durch den Apparat. Das Diagramm zeigt<br />
also deutlich, dass sich bei einem Aussenluftanteil a > 70 % eine zu -<br />
sätzliche Umluftbeimischung zur WRG, <strong>und</strong> bei einem Aussenluftanteil<br />
a < 30 % eine zusätzliche WRG zur Umluftbeimischung nicht mehr<br />
lohnt.<br />
� K<br />
� M<br />
� WR<br />
� WR<br />
B74-11<br />
Fig. 4-14 Temperatur-Änderungsgrade der Kombination WRG mit Umluftbeimischung<br />
vor dem WRG-Apparat<br />
a AussenluftanteiI<br />
ΦK Änderungsgrad der Kombination<br />
ΦWR Änderungssrad des WRG-Apparates<br />
ΦM Änderungsgrad durch Umluftbeimischung allein<br />
Die Fig. 4-15 zeigt den Verlauf der Mischlufttemperatur in Funktion des<br />
Aussenluftanteils, mit den Temperatur-Änderungsgraden ΦWR = 0,5<br />
<strong>und</strong> ΦWR= 0,7 des WRG-Apparates als Parameter. Das eingezeichnete<br />
Beispiel ergibt bei a = 50 % eine Mischtemperatur <strong>von</strong> 0 °C bei ΦWR =<br />
0,5 <strong>und</strong> –3 °C bei ΦWR = 0,7.<br />
65
66<br />
4.8.2 Umluftbeimischung nach dem<br />
WRG-Apparat<br />
ϑM [°C]<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
−3<br />
−5<br />
ΦWR = 0,7<br />
ΦWR = 0,5<br />
−10<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Fig. 4-15 Verlauf der Mischlufttemperatur in Funktion des Aussenluftanteils (bei einer<br />
Ablufttemperatur <strong>von</strong> 20 °C <strong>und</strong> einer Aussenlufttemperatur <strong>von</strong> –10 °C)<br />
�M Mischlufttemperatur<br />
a Aussenluftanteil<br />
ΦWR Temperatur-Änderungsgrade des WRG-Apparates<br />
Die Anordnung gemäss Fig. 4-16 erfordert eine sorgfältige Dimen -<br />
sionierung der Mischklappen, damit diese Kombination auch zufriedenstellend<br />
geregelt werden kann.<br />
Fig. 4-16 Umluftbeimischung nach dem WRG-Apparat<br />
1 Aussenluft<br />
2 Fortluft<br />
3 Umluft-Beimischklappen<br />
4 WRG-Apparat<br />
5 Zuluft-Aufbereitung<br />
6 Raum<br />
a [%]<br />
B74-12
Regelung<br />
Gesamt-Änderungsgrad<br />
Werden die folgenden groben Richtlinien eingehalten, so kann mit<br />
einem brauchbaren Regelverhalten gerechnet werden, bei dem der<br />
Gesamtluftstrom weniger als 10 % variiert:<br />
• Der Bypass-Widerstand soll dem zweifachen WRG-Apparatewiderstand<br />
entsprechen.<br />
• Alle drei Klappen sollen die gleiche Dimension haben <strong>und</strong> gleichzeitig<br />
betrieben werden.<br />
Dabei sind folgende Klappentypen zu wählen:<br />
– Parallel laufende Klappen, wenn der WRG-Apparatewiderstand<br />
< 50 % des Kanalwiderstandes beträgt. Der Klappenwiderstand<br />
ist auf ca. 20 % des WRG-Apparatewiderstandes auszulegen.<br />
– Gegenläufige Klappen, wenn der WRG-Apparatewiderstand<br />
50...100 % des Kanalwiderstandes beträgt. Der Klappenwiderstand<br />
ist auf ca. 10 % des WRG-Apparatewiderstandes auszu -<br />
legen.<br />
Der WRG-Apparat <strong>und</strong> die Luftklappen sollen in Folge geschaltet werden.<br />
Apparate, die mit Hilfsenergie arbeiten, werden dabei erst nach<br />
der Umluftbeimischung zugeschaltet:<br />
Im Regelbereich der Luftklappen ist der WRG-Apparat noch ausgeschaltet<br />
<strong>und</strong> ev. sogar überbrückt. Es liegt somit eine reine Mischung<br />
<strong>von</strong> zwei Luftströmen vor. Die Betriebskennlinie des Klappensystems<br />
(Aus senluftanteil in Funktion des Klappendrehwinkels) muss daher linear<br />
verlaufen. Ausserdem sollte der Gesamtluftstrom im ganzen Drehwinkelbereich<br />
möglichst konstant bleiben.<br />
Im Regelbereich des WRG-Apparates stehen die Mischklappen in der<br />
Stellung mit minimalem Aussenluftanteil. Die Dimensionierung <strong>und</strong> die<br />
Regelung des WRG-Apparates ist deshalb für diese Betriebsverhältnisse<br />
auszulegen.<br />
Der Gesamt-Änderungsgrad ΦK der Kombination kann aus dem<br />
Aussenluftanteil a <strong>und</strong> dem Änderungsgrad des WRG-Apparates ΦWR<br />
berechnet werden. Der Apparate-Änderungsgrad ist in diesem Fall<br />
nicht mehr konstant, sondern vom Aussenluftanteil a <strong>und</strong> vom Apparatetyp<br />
abhängig.<br />
67
68<br />
� K<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
�<br />
M<br />
� WR<br />
� WR<br />
0<br />
0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100<br />
Fig. 4-17 Änderungsgrad der Kombination WRG mit Umluftbeimischung<br />
nach dem WRG-Apparat<br />
a Aussenluftanteil<br />
ΦK Änderungsgrad der Kombination<br />
ΦWR Änderungsgrade des WRG-Apparates<br />
ΦM Änderungsgrad durch Umluftbeimischung allein<br />
Die Fig. 4-17 zeigt den Gesamt-Änderungsgrad ΦK in Funktion des<br />
Aussenluftanteils a für die Apparate-Änderungsgrade ΦWR = 0,5 <strong>und</strong><br />
ΦWR = 0,7 für die Kombination der Wärmerückgewinnung mit der<br />
Umluftbeimischung. Das eingezeichnete Beispiel zeigt, dass bei einem<br />
Aussenluftanteil a <strong>von</strong> nur 30 %, der Änderungsgrad <strong>von</strong> 70 %, bei<br />
Umluftbeimischung allein, durch Kombination mit einer WRG mit ΦWR<br />
= 0,5 auf über 90 % gesteigert werden kann.<br />
� K<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
� M<br />
� WR<br />
B74-14<br />
0<br />
0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100<br />
B74-15<br />
Fig. 4-18 Änderungsgrade der Kombination Kreislaufverb<strong>und</strong>-System <strong>und</strong> Umluft -<br />
beimischung nach dem WRG-Apparat mit (gestrichelt) <strong>und</strong> ohne nachgeführtem<br />
Umlauf des Zwischenmediums<br />
a AussenIuftanteiI<br />
ΦK Änderungsgrad der Kombination<br />
ΦM Änderungsgrad durch Umluftbeimischung allein<br />
ΦWR Änderungsgrad des Kreislaufverb<strong>und</strong>-Systems
Bei der Wärmerückgewinnung mit dem Kreislaufverb<strong>und</strong>-System kann<br />
der Änderungsgrad durch Nachführen des Umlauf-Volumenstroms<br />
noch erhöht werden, da der Verlauf <strong>von</strong> ΦWR ein Maximum aufweist.<br />
Die Fig. 4-18 zeigt deshalb den Gesamt-Änderungsgrad der Kombination<br />
Kreislaufverb<strong>und</strong>-System <strong>und</strong> Umluftbeimischung für den Apparate-Änderungsgrad<br />
ΦWR = 0,5 in Funktion des Aussenluftanteils a, mit<br />
<strong>und</strong> ohne Nachführen des Zwischenmedium-Umlaufes.<br />
Bei der Kombination des WRG-Apparates mit der Umluftbeimischung<br />
nach dem Apparat kann der Gesamt-Änderungsgrad ΦK – bei gleichem<br />
Apparateaufwand – im Vergleich zur Kombination mit der Umluftbeimischung<br />
vor dem WRG-Apparat also erheblich gesteigert werden. Beim<br />
Vergleich dieser beiden Kombinationen ist jedoch die Vereisungsschutzfunktion<br />
der ersten Kombination, mit Umluftbeimischung vor<br />
dem WRG-Apparat, zu berücksichtigen.<br />
69
70<br />
5. Teilklima-Anlagenkonzepte<br />
5.1 Aufbau <strong>und</strong> Anwendungsbereiche<br />
5.1.1 Temperaturregelung<br />
5.1.2 Feuchteregelung<br />
Teilklimaanlagen bringen gute Resultate im gemässigten Klima, da nur<br />
an wenigen Tagen im Jahr die relative Aussenluftfeuchte über 65 %<br />
ansteigt. Besonders günstig sind sie in Anlagen mit vielen inneren Wärmequellen<br />
QI, da durch das Kühlen auch entfeuchtet werden kann.<br />
Dazu muss aber die Eintrittstemperatur des Kühlmediums mindestens<br />
2 bis 3 K tiefer liegen als die Taupunkttemperatur der zu kühlenden<br />
Zuluft.<br />
7<br />
9<br />
MAX<br />
8<br />
11<br />
10<br />
MIN<br />
Fig. 5-1 Aufbau einer Teilklimaanlage<br />
1 Raumtemperaturregler<br />
2 Raumfeuchteregler<br />
3 ZuIufttemperatur-Minimal-Begrenzer<br />
4 Raumfeuchtefühler (rel. Feuchte)<br />
5 Raumtemperaturfühler<br />
6 Zulufttemperaturfühler<br />
7 Aussentemperaturfühler<br />
8 Sollwert-Führungsgeber<br />
9 Maximal-Vorrangauswahl<br />
10 Minimal-Vorrangauswahl<br />
11 Frostschutzthermostat<br />
Der Raum- oder Zulufttemperatur-Regler steuert das Heiz- <strong>und</strong> KühI -<br />
ventiI in Sequenz. Der Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer (3) vermeidet<br />
Zuglufterscheinungen im Raum. Die Raumtemperatur-Sollwerte<br />
können durch einen Aussentemperatur-Führungsgeber (8), oder mit<br />
einer Tot zonenregelung dem Sommer-/Winterbetrieb angepasst werden.<br />
Für grössere Räume empfiehlt sich eine Raum-/Zulufttemperatur-<br />
Kaskadenregelung.<br />
Ein Fühler misst die relative Raumfeuchte, der Feuchteregler steuert<br />
aber nur das BefeuchterventiI (keine Entfeuchtung). Es können dafür<br />
verschiedene Befeuchtertypen eingesetzt werden:<br />
• Regelbarer Luftwäscher (Befeuchtungswirkungsgrad siehe Kap. 2)<br />
• Regelbarer Dampfbefeuchter (max. Begrenzung der Zuluftfeuchte<br />
erforderlich!)<br />
T<br />
H<br />
T<br />
3<br />
2<br />
1<br />
6<br />
w MIN<br />
w ϕ<br />
4 5<br />
B75-1
5.1.3 Zustandsänderungen<br />
im h,x-Diagramm<br />
Beim regelbaren Luftwäscher wird – bei geschlossenem Befeuchterventil<br />
– die Pumpe über einen Hilfsschalter ausgeschaltet. Zudem ge -<br />
nügt ein preisgünstiger Luftwäscher, da die erforderliche Raumfeuchte<br />
auch mit einem mittleren Befeuchtungs-Wirkungsgrad erreicht werden<br />
kann. Voraussetzung ist jedoch, dass der Luftwäscher mit mengenvariablen<br />
Düsen ausgerüstet ist. Eine Entfeuchtung erfolgt nur partiell,<br />
wenn der Temperaturregler das Kühlventil öffnet.<br />
Die Fig. 5.2 zeigt die Zustandsänderungen der Luft im Heizbetrieb,<br />
entweder mit regelbarer Sattdampfbefeuchtung oder mit regelbarem<br />
Wäscher, anhand eines Beispiels:<br />
Vorgaben: Raumluft-Sollzustand 20 °C / 40 % r.F.<br />
Aussenluftzustand –5 °C / 60 % r.F.<br />
Erforderliche Temperaturdifferenz (Heizlast) = �ZU – �R = 8 K<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
4<br />
3 5<br />
1<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
2<br />
25<br />
15<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 5-2 Zustandsänderungen Heizen – Befeuchten in Teilklimaanlage<br />
1 Aussenluftzustand<br />
2 Raumluft-Sollzustand<br />
3 Dampfbefeuchter-Eintritt<br />
4 Luftwäscher-Eintritt<br />
5 erforderlicher Zuluft-Zustand bei Raumeintritt (Heizlast, �R + 8 K)<br />
3-5 Verlauf Befeuchtung mit Dampfbefeuchter<br />
4-5 Verlauf Befeuchtung mit geregeltem Luftwäscher<br />
30<br />
35<br />
20<br />
40<br />
25<br />
45<br />
50<br />
30<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B75-2<br />
71
72<br />
Fig. 5-3 zeigt die Zustandsänderungen der Luft im Kühlbetrieb mit Entfeuchtung<br />
durch Kühlung, anhand eines Beispiels:<br />
Annahmen: Raumluft-Sollzustand 24 °C / ca. 50 % r.F.<br />
Aussenluftzustände (max.) 30 °C / 45 % r.F.<br />
Erforderliche Temperaturdifferenz (Kühllast).= �R – �ZU = 7 K<br />
Mittlere Kühlflächentemperatur ca. 10 °C<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Dichte ρ in kg/m3<br />
2<br />
Temperatur t in °C<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17<br />
Wasserdampfgehalt in g/kg<br />
0 relative Feuchtigkeit ϕ in %<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
Teildruck des Wasserdampfes p D in mbar<br />
0 5 10 15 20 25<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
15<br />
spezifische Enthalpie h in kJ/(1+x) kg<br />
Fig. 5-3 Zustandsänderungen Kühlen – Entfeuchten in Teilklimaanlage<br />
1 (1’) Aussenluftzustände (Kühler-Eintritt)<br />
2 Raumluft-Solltemperatur<br />
3 (3’) erforderlicher Zuluft-Zustand bei Raumeintritt (Kühlllast; �R – 7 K)<br />
4 mittlere Kühlflächentemperatur<br />
4<br />
30<br />
Die eingezeichneten Zustandsänderungen gelten nur für die angenommen<br />
Daten. Ändert sich z.B. der Aussenluftzustand 1 auf den Zustand<br />
1’, dann regelt der Raumtemperaturregler die Kühleraustrittstemperatur<br />
auf den Zustand 2’, um die Raumtemperatur auf dem aktuellen Sollwert<br />
<strong>von</strong> 24 °C halten zu können. Weil hier der Feuchteregler keinen<br />
Einfluss auf die Entfeuchtung hat, erhöht sich die relative Raumfeuchte<br />
dabei auf ca. 55 % (Zustandsänderungen gestrichelt gezeichnet).<br />
3<br />
35<br />
20<br />
40<br />
3'<br />
25<br />
45<br />
1<br />
50<br />
30<br />
1'<br />
55<br />
60<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B75-3
5.2 Teilklimaanlagen für Räume mit<br />
hohem innerem Feuchte-Anfall<br />
(Schwimmbad-<strong>Lüftungs</strong>anlagen)<br />
5.2.1 Anlagen mit stetiger Regelung der<br />
Raumtemperatur <strong>und</strong> Entfeuchtung<br />
durch Aussenluft-Beimischung<br />
In speziellen Anlagen für Räume mit hohem Fremdfeuchte-Anfall (z.B.<br />
in Schwimmbädern) kann – bei tiefen Aussentemperaturen – die Raumluftfeuchte<br />
durch Erhöhen des Aussenluftanteils reduziert werden.<br />
Dies ermöglicht eine Begrenzung der maximalen Raumfeuchte, aber<br />
nur solange der Wasserdampfgehalt x der Aussenluft unter demjenigen<br />
des gewünschten Raumluftzustandes liegt. Andernfalls ist eine<br />
Entfeuchtung ohne Kühlung nicht mehr möglich.<br />
In der Teilklimaanlage (Fig. 5-4) wird die Raumtemperatur <strong>und</strong> die<br />
Raumfeuchte nach konstanten Grenz-Sollwerten stetig geregelt. Der<br />
Raumtemperaturfühler (1) erfasst die Regelgrösse für den Temperaturregler<br />
(4). Liegt diese unter dem eingestellten Sollwert, öffnet er über<br />
sein Stellsignal das Heizventil. Liegt die Raumtemperatur jedoch über<br />
dem Sollwert, kann der Temperaturregler keine Kühlung veranlassen.<br />
8<br />
7<br />
MAX<br />
5<br />
4<br />
6<br />
1 2<br />
Fig. 5-4 Anlagen mit stetiger Begrenzungsregelung der Raumtemperatur <strong>und</strong><br />
Entfeuchtung durch Aussenluft-Beimischung<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Raumfeuchtefühler<br />
3 Zulufttemperaturfühler<br />
4 Temperaturregler<br />
5 Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer<br />
6 Feuchteregler<br />
7 Maximal-Vorrangauswahl<br />
8 Frostschutz-Thermostat<br />
3<br />
w MIN<br />
Der Temperatur-Begrenzungsregler (5) überwacht mit dem Zulufttemperaturfühler<br />
(3) die Einblastemperatur. Unterschreitet diese den eingestellten<br />
Grenzsollwert, greift er über die Maximal-Vorrangauswahl 7 in<br />
den Temperaturregelkreis ein <strong>und</strong> öffnet das Heizventil. Die vom<br />
Feuchtefühler (2) gemessenen Raumfeuchte wird vom Feuchteregler<br />
(6) mit dem eingestellten Grenz-Sollwert verglichen. Liegt diese über<br />
dem eingestellten Sollwert, öffnet er über sein Stellsignal die Aussenluftklappe.<br />
Dabei wird nur soviel Aussenluft zugeführt wie nötig ist, um<br />
die gewünschte Raumfeuchte einzuhalten. Liegt die Raumfeuchte<br />
jedoch unter dem Sollwert, erfolgt keine Befeuchtung. Steigt der Wasserdampfgehalt<br />
der Aussenluft über denjenigen der Raumluft, kann der<br />
Raumfeuchte-Grenzsollwert nicht mehr eingehalten werden.<br />
w �<br />
w �<br />
B75-4<br />
73
74<br />
5.2.2 Schwimmbad-Raumtemperatur<strong>und</strong><br />
Feuchteregelung<br />
mit Sollwertführung der relativen<br />
Raumfeuchte<br />
Der Zweck dieses Anlagenkonzeptes (Fig. 5-5) ist weniger die Einhaltung<br />
einer behaglichen Raumfeuchte, als vielmehr die Verhinderung<br />
<strong>von</strong> Kondensatbildung an den Wänden <strong>und</strong> Fensterscheiben. Es gilt<br />
dabei, die relative Raumfeuchte soweit zu reduzieren, dass die Taupunkttemperatur<br />
der Raumluft immer tiefer liegt, als die tiefste Oberflächentemperatur<br />
der Umschliessungsflächen (�Wi) des betreffenden<br />
Raumes. Weil sich jedoch diese Oberflächentemperatur mit der<br />
Aussentemperatur ändert, ist es (zur Vermeidung unnötigen Energieverbrauchs)<br />
sinnvoll, den Sollwert des Raumfeuchtereglers nach der<br />
tiefsten Wand- oder Fensteroberflächen-Temperatur zu führen. Zu diesem<br />
Zweck gibt es spezielle Oberflächen-Temperaturfühler (Fenster-<br />
Temperaturfühler).<br />
Die Berechnung der inneren Oberflächentemperatur basiert auf den<br />
Gr<strong>und</strong>lagen <strong>von</strong> Wärmeübertragung <strong>und</strong> Wärmedurchgang (vgl. «Physikalische<br />
Gr<strong>und</strong>lagen» in B01HV). Die tiefste innere Wand- oder Fensteroberflächentemperatur<br />
�Wi kann einfach nach der Formel:<br />
�Wi = �R – Δ�i<br />
berechnet werden, wenn folgende Daten bekannt sind:<br />
• Raumtemperatur �R<br />
• Aussentemperatur �AU<br />
• Wärmeübergangszahl Raumluft � Wand �i (�i = 8 W/m 2 K für<br />
ruhende Luft)<br />
• niedrigster k-Wert der Aussenwand (meist ist dies der k-Wert der<br />
Fenster)<br />
Die zu berechnende Temperaturdifferenz Δ�i wird ermittelt mit der<br />
Formel:<br />
Δ�i = k – Wert (�R – �A) * 1 [K]<br />
�i<br />
Δ�i = k – Wert (�R – �A) *<br />
9<br />
MAX<br />
5<br />
T<br />
4<br />
6<br />
T<br />
7<br />
3 1 2<br />
T T H<br />
Fig. 5-5 Schwimmbad-Raumtemperatur- <strong>und</strong> Feuchteregelung mit Sollwertführung der<br />
relativen Raumfeuchte, in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Fenster-Oberflächentemperatur<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Raumfeuchtefühler<br />
3 Oberflächen-Temperaturfühler<br />
4 Zulufttemperaturfühler<br />
5 Zulufttemperatur-Minimalbegrenzer<br />
6 Temperaturregler<br />
7 Feuchteregler<br />
8 Sollwert-Führungsgeber<br />
9 Frostschutz-Thermostat<br />
w MIN<br />
H<br />
w �<br />
w �<br />
8<br />
B75-5
Beispiel<br />
Sinkt infolge tiefer Aussentemperatur die Oberflächentemperatur der<br />
Aussenwand- oder Fensterinnenseite in die Nähe des Taupunktes der<br />
Raumluft (resultierend aus der Raumtemperatur �R <strong>und</strong> relativen<br />
Raumfeuchte �R), wird diese vom Oberflächen-Temperaturfühler (3)<br />
erfasst <strong>und</strong> über den Führungsgeber (8) der Raumfeuchtesollwert linear<br />
soweit reduziert, dass es nicht zu Kondenswasserbildung an den<br />
Wand- oder Fensteroberflächen kommen kann.<br />
Für eine Anlage soll der Sollwert für die relativen Raumfeuchte in<br />
Abhängigkeit der Oberflächentemperatur der Fensterinnenseite geführt<br />
werden. Die Raumtemperatur �R soll auf 28 °C geregelt werden. Die<br />
Fenster (Glas) haben eine k-Wert <strong>von</strong> 2 W/m 2 K <strong>und</strong> für den inneren<br />
Wärmeübergang kann mit �i <strong>von</strong> 8 W/m 2 K gerechnet werden.<br />
Zuerst soll der max. zulässige Sollwert für die Raumfeuchte bei der<br />
tiefsten Aussentemperatur �A bestimmt werden. Diese Temperatur ist<br />
abhängig vom Standort der Anlage <strong>und</strong> ist aus den Planungsunterlagen<br />
einer Anlage ersichtlich. Für dieses Beispiel ist tiefste zu berücksichtigende<br />
Aussentemperatur –15 °C.<br />
Jetzt kann die Oberflächentemperatur, die zu dieser Aussentemperatur<br />
gehört, bestimmt werden. Sie berechnet sich bei den oben genannten<br />
Bedingungen wie folgt (siehe oben für Erklärung):<br />
Δ�i = k – Wert (�R – �A) * 1<br />
�i<br />
Δ�i = k – Wert (�R – �A) *<br />
Δ�i = 2W (28 – (–15))K * m2 K = 10.75 K<br />
Δ�i = m2 K 8W<br />
� �Wi = ΔR – Δ�i = 28 °C – 10.75 K = 17.25 °C<br />
Mit diesen Informationen kann nun der zulässige Raumfeuchte-Sollwert<br />
aus dem h,x-Diagramm ermittelt werden (vgl. Fig. 5-9; 1-2-3-4). Es<br />
zeigt sich, dass der Sollwert für die Raumfeuchte �R unter 50 % r.F.<br />
gehalten werden muss, damit kein Kondensat an der Fensteroberfläche<br />
entsteht.<br />
Ebenso können noch weitere Betriebspunkte (z.B. bei �A = +5 °C)<br />
untersucht <strong>und</strong> die zugehörige, zulässige Raumfeuchte bestimmt werden.<br />
Daraus kann die einzuhaltende Grenzlinie in Abhängigkeit der<br />
Aussen- resp. Oberflächentemperatur gezeichnet werden (vgl. Fig. 5-7,<br />
gestrichelte Linie). Damit also die Kondensatbildung an den Wänden<br />
<strong>und</strong> Fensterscheiben vermieden wird, muss die Raumfeuchte bei +5<br />
°C unter 70 % <strong>und</strong> bei –15 °C unter 50 % geregelt werden. Die Führung<br />
des Sollwertes wird in der Praxis etwas unterhalb dieser Grenzlinie<br />
eingestellt (vgl. Fig. 5-11, w�).<br />
75
76<br />
1,15<br />
1,20<br />
1,25<br />
1,30<br />
Temperature t in °C Density ρ in kg/m 3<br />
0 Relative humidity ϕ in %<br />
40<br />
ϑR<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
ϑ Wi<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
- 5<br />
- 10<br />
1,35<br />
- 15<br />
- 10<br />
- 5<br />
0<br />
Fig. 5-6 Bestimmung der maximal zulässigen rel. Raumfeuchte, aufgr<strong>und</strong> der<br />
ϕ [% r.F.]<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
15<br />
Raumtemperatur <strong>und</strong> der tiefsten Wand- oder Fensteroberflächentemperatur,<br />
im h,x-Diagramm<br />
�Wi Tiefste Wand- oder Fensteroberflächentemperatur<br />
�R Raumtemperatur<br />
�MAX Maximale relative Raumluftfeuchte (Kondensationsgrenze)<br />
Fig. 5-7 Lineare Sollwertführung der rel. Raumfeuchte, in Abhängigkeit <strong>von</strong> der tiefsten<br />
inneren Wand- oder Fensteroberflächentemperatur<br />
�Wi Tiefste innere Wand- oder Fensteroberflächentemperatur<br />
�AU Aussentemperatur<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
1<br />
25<br />
15<br />
�MAX Maximale relative Raumluftfeuchte (Kondensationsgrenze)<br />
w� Sollwertführung zur Vermeidung <strong>von</strong> Kondensatbildung<br />
30<br />
35<br />
20<br />
Specific enthalpy h in kJ/(1+x) kg<br />
4 ϕMAX<br />
40<br />
25<br />
45<br />
2<br />
ϕ MAX<br />
16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
−15 −5 +5 +15<br />
3<br />
50<br />
w ϕ<br />
30<br />
55<br />
60<br />
ϑWi [°C]<br />
ϑ A [°C]<br />
35<br />
65<br />
40<br />
45<br />
50<br />
60<br />
70<br />
80<br />
90<br />
100<br />
B75-6E
5.2.3 Schwimmbad-Raumtemperatur<strong>und</strong><br />
Feuchteregelung mit Sollwert -<br />
führung der rel. Raumfeuchte <strong>und</strong> WRG<br />
Die Teilklimaanlage gemäss Fig. 5-8 ist ein geeignetes, komfortables<br />
Konzept für grössere Schwimmbadhallen. Das regeltechnisch träge Verhalten<br />
eines grossen Raumes wird mittels einer Raum-Zuluft-Kaskadenregelung<br />
problemlos beherrscht. Der Raumtemperaturregler (6, P-Regler)<br />
führt dabei den Sollwert des Zulufttemperatur-Reglers (5, PI-Regler)<br />
zwischen einem Minimal- <strong>und</strong> Maximalwert, was gleichzeitig auch die<br />
Minimal- <strong>und</strong> Maximal-Begrenzung der Zulufttemperatur beinhaltet.<br />
w MIN<br />
10<br />
11 12<br />
5<br />
6<br />
MIN<br />
T<br />
T<br />
9<br />
3 1 2<br />
T T H<br />
Fig. 5-8 Schwimmbad-Raumtemperatur- <strong>und</strong> Feuchteregelung mit Sollwertführung der<br />
rel. Raumfeuchte in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Fenster-Oberflächentemperatur<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Raumfeuchtefühler<br />
3 Oberflächen-Temperaturfühler<br />
4 Zulufttemperaturfühler<br />
5 Zulufttemperatur-Regler<br />
6 Raumtemperatur-Regler<br />
7 Feuchteregler<br />
8 Sollwert-Führungsgeber<br />
9 Frostschutz-Thermostat<br />
10 Vereisungsschutz-Fühler<br />
11 Vereisungsschutz-Regler<br />
12 Minimal-Vorrangauswahl<br />
Das Regelkonzept für die relative Raumfeuchte ist identisch mit dem<br />
im 5.2.2 beschriebenen <strong>und</strong> wird deshalb hier nicht nochmals erläutert.<br />
In einer oft benutzten, grösseren Schwimmhalle, wo ständig ein be -<br />
deutender Anteil Aussenluft zur Trocknung der Raumluft beigemischt<br />
werden muss, lohnt sich der Einbau einer kreislaufverb<strong>und</strong>enen WRG<br />
(Abluftkanal wird örtlich getrennt vom Zuluft-Aufbereitungsgerät platziert).<br />
Die erforderliche Vereisungsschutz-Regelung (Fühler 10, Regler<br />
11) kann über eine Minimal-Vorrangauswahl (12) ins Stellsignal der<br />
WRG-Sequenz des Zulufttemperatur-Reglers (5) eingreifen.<br />
7<br />
H<br />
w ZU<br />
4<br />
8<br />
w R<br />
B75-8<br />
77
78<br />
5.3 Teilklimaanlage mit WRG –<br />
Heizen – Kühlen<br />
Die Fig. 5-9 zeigt das Prinzipschema dieser Anlage mit dem dafür<br />
geeigneten Regelkonzept.<br />
T<br />
1<br />
3<br />
2<br />
4<br />
Fig. 5-9 Prinzipschema einer Teilklimaanlage mit WRG, Heizen, Kühlen<br />
1 Aussenluft-Temperaturfühler<br />
2 Abluft-Temperaturfühler<br />
3 WRG-Apparat<br />
4 Heizventil<br />
5 Kühlventil<br />
6 Zuluft-Temperaturfühler<br />
7 Raum-Temperaturfühler<br />
8 Raum-Temperaturregler<br />
9 Zuluft-Temperaturregler<br />
10 Zweipunkt-Umschalter (WRG Max./Min.)<br />
Im WRG-System dieser Anlage wird sich – je nachdem ob die Temperatur<br />
der Aussenluft tiefer oder höher ist als diejenige der Abluft – die<br />
Richtung des Wärmeflusses ändern. Ist die Aussentemperatur tiefer<br />
als die Ablufttemperatur, so steigt am Aussenluft-Austritt eines Rotationswärmetauschers<br />
die Temperatur, wenn die Drehzahl erhöht wird.<br />
Ist jedoch die Aussenlufttemperatur höher als die Ablufttemperatur, so<br />
wird deren Austrittstemperatur am Rotor bei steigender Drehzahl sinken.<br />
5<br />
10<br />
9<br />
6<br />
w ZU<br />
8<br />
B75-9<br />
7<br />
w R
Regelkonzept<br />
Diese Temperatur-Unterschiede, die eine Wirkungsumkehr im Regelkreis<br />
verursachen, werden durch den Aussenluft- <strong>und</strong> den Abluftfühler<br />
erfasst <strong>und</strong> durch die WRG-Umschaltfunktion berücksichtigt: Sobald<br />
die Aussenlufttemperatur �1 höher ist als die Ablufttemperatur �2, wird<br />
die Wärmerückgewinnung unabhängig vom momentanen Regelsignal<br />
auf Maximalbetrieb gesteuert (Fig. 5-10). Dies gilt für alle WRG-Apparate,<br />
bei denen die Richtung des Wärmeflusses wechseln kann.<br />
y<br />
−<br />
3<br />
Fig. 5-10 Hub-/Last-Diagramm zum Prinzipschema Fig. 5-9<br />
y Hub (Stellgrösse)<br />
Q Last (- = Heizlast; + = Kühllast)<br />
�1 Aussenluft-Temperatur<br />
�2 Abluft-Temperatur<br />
ϑ 1 < ϑ 2<br />
4'<br />
4 5<br />
ϑ 1 > ϑ 2<br />
3 Heizventil<br />
4 WRG-Stellgrösse<br />
4’ Luftklappenantrieb resp. Aussenluftklappe (anstelle WRG)<br />
5 Kühlventil<br />
Der Regler muss drei Apparate (WRG-Apparat, Lufterwärmer, Kühler)<br />
mit unterschiedlichen statischen <strong>und</strong> dynamischen Eigenschaften<br />
ansteuern. Die Stellwirkung Xh (statische Regelkennlinie) des WRG-<br />
Apparates ist durch die Temperatur- bzw. Enthalpiedifferenz zwischen<br />
der Abluft <strong>und</strong> der Aussenluft bestimmt <strong>und</strong> variiert somit sehr stark.<br />
Die Stellwirkung der Wärmerückgewinnung ist meist auch viel kleiner<br />
als diejenige des Lufterwärmers. Wird die WRG vom Regler angesteuert,<br />
so arbeitet der Regelkreis überstabil, d.h. zu träge. Durch die Wahl<br />
einer Raum-/Zuluft-Kaskadenregelung wird dieses Problem etwas entschärft,<br />
weil die Regeldynamik durch den Hilfsregelkreis entscheidend<br />
verbessert wird.<br />
+<br />
Q<br />
B75-10<br />
79
80<br />
6. Vollklima-Anlagenkonzepte mit Wärmerückgewinnung<br />
6.1 Allgemeines<br />
Begriffsdefinition<br />
Warum Regelung <strong>und</strong> Steuerung<br />
der WRG?<br />
Spezifische Probleme bei der<br />
Regelung <strong>und</strong> Steuerung der WRG<br />
Als Vollklimaanlage wird eine lufttechnische Anlage dann bezeichnet,<br />
wenn sowohl die Lufttemperatur wie auch die Luftfeuchte auf vorgegebene<br />
Sollwerte geregelt werden.<br />
Eine <strong>Lüftungs</strong>- oder Klimaanlage mit einem WRG-System soll so betrieben<br />
werden können, dass die notwendige Energie für die Zuluft-Aufbereitung<br />
minimal wird. Die dafür zu einem bestimmten Zeitpunkt erforderliche<br />
Übertragungsleistung des WRG-Systems wird durch folgende<br />
Grössen bestimmt:<br />
• Temperatur <strong>und</strong> relative Feuchte der Aussenluft, Abluft <strong>und</strong> Zuluft<br />
• Art des Befeuchtungssystems (Dampfbefeuchtung oder Luft -<br />
wäscher)<br />
Beim Einsatz einer Wärmerückgewinnung kann es in einigen Betriebsfällen<br />
vorkommen, dass die rückgewonnene Wärme den momentanen<br />
Bedarf für die Zuluft-Aufbereitung übersteigt. Dies ist bei grossem<br />
Fremdwärmeanfall im Raum gut möglich. Systematische Betriebsuntersuchungen<br />
haben gezeigt, dass WRG-Anlagen während 20...40 %<br />
ihrer Betriebsdauer mit reduzierter Wärmeübertragung betrieben werden<br />
müssen. Wird in diesen Fällen die Übertragungsleistung nicht<br />
reduziert, so muss die rückgewonnene Wärme in der Zuluft-Aufbereitungsanlage<br />
wieder mit zusätzlichem Energieaufwand weggekühlt werden.<br />
Deshalb muss die Übertragungsleistung einer WRG-Anlage durch<br />
eine Steuerung oder Regelung dem Bedarf angepasst werden.<br />
Soll die WRG-Anlage mit einer Steuerung betrieben werden, so muss<br />
der Energiebedarf an Orten gemessen werden, an denen die Messgrössen<br />
durch den WRG-Apparat nicht beeinflusst werden können.<br />
Diese Bedingung ist aber nur für die Aussenluft erfüllt. Die Aussenlufttemperatur<br />
oder -enthalpie ist aber kein Mass für den Energiebedarf<br />
der Anlage, weil darin die Fremdwärme im Raum unberücksichtigt<br />
bleibt. Eine energie-optimale Steuerung der WRG-Anlage im gesamten<br />
Be triebsbereich ist deshalb so nicht möglich. Es stellt sich also die<br />
Frage, ob das WRG-System mit einem eigenen Regelkreis geregelt<br />
oder als Sequenz in die gesamte Luftaufbereitungs-Regelung mit einbezogen<br />
werden soll.<br />
Würde die WRG-Anlage mit einem eigenen Regelkreis betrieben, mit<br />
der Zulufttemperatur oder -enthalpie als Führungsgrösse <strong>und</strong> der Lufttemperatur<br />
bzw. -enthalpie am Austritt der WRG-Anlage als Regelgrösse,<br />
so würde eine starke Vermaschung der WRG-Regelung mit der<br />
Zuluft- oder Raumtemperaturregelung entstehen. Deshalb wäre so kein<br />
stabiler Regelbetrieb möglich.<br />
Da bei reduziertem WRG-Betrieb die Energie für die Zulufterwärmung<br />
nur durch Fremdwärme <strong>und</strong> Wärmerückgewinnung zugeführt wird, ist<br />
es naheliegend, die WRG-Anlage als Sequenz in die Raum- oder Zuluftregelung<br />
einzubauen. Diese Sequenzregelung wird nachfolgend für die<br />
wichtigsten Typen <strong>von</strong> Luftaufbereitungsanlagen vorgeschlagen. Die<br />
funktionelle Auslegung erfolgt dabei hauptsächlich nach statischen<br />
Betriebszuständen.
Bei der Planung einer <strong>Lüftungs</strong>-/Klimaanlage mit Wärmerückgewinnung<br />
steht man vor der Entscheidung, ob man als Umschaltkriterium bei<br />
Richtungsänderung des Wärmeflusses die Temperaturdifferenz (Δ�)<br />
oder die Enthalpiedifferenz (Δh) zwischen Abluft <strong>und</strong> Aussenluft wählen<br />
soll. Dieser Entscheid ist einerseits <strong>von</strong> der Art der Wärmerückgewinnung<br />
(mit oder ohne Feuchteübertragung) <strong>und</strong> andererseits <strong>von</strong> der Be -<br />
feuchtungsmethode (Dampfbefeuchtung oder Luftwäscher) abhängig.<br />
Fig. 6-1 zeigt eine Entscheidungsmatrix zur Auswahl der richtigen Be -<br />
zugsgrössen (Δ� oder Δh) für die WRG-Umschaltfunktion. Diese<br />
Matrix ist als grobe Entscheidungshilfe gedacht <strong>und</strong> gilt für normale<br />
Aussenluftzustände in gemässigten Klimazonen. Eine Überprüfung der<br />
effek tiven Zustandsänderungen mit Hilfe des h,x-Diagramms wird in<br />
jedem Fall empfohlen. Eine Umschaltung nach Δh macht nur beim Einsatz<br />
eines Luftwäschers zusammen mit einer regenerativen WRG oder<br />
mit Umluftklappen Sinn, weil da die Zustandsänderung im h,x-Diagramm<br />
entlang der Enthalpielinie verläuft (adiabat).<br />
�� �<br />
Fig. 6-1 Entscheidungs-Matrix für die WRG-Umschaltfunktion nach Δ� oder Δh<br />
B76-1<br />
81
82<br />
6.2 Vollklimaanlage mit rekuperativer<br />
WRG – Kühlen – Heizen – Befeuchten<br />
(mit Dampf) – Entfeuchten<br />
Regelkonzept<br />
Die Fig. 6-2 zeigt das Prinzipschema einer Vollklimaanlage mit rekuperativer<br />
Wärmerückgewinnung <strong>und</strong> Dampfbefeuchtung. Als geeignetes<br />
Regelkonzept wird auch hier die Raum-/Zulufttemperatur-Kaskadenregelung<br />
gewählt. Ein zusätzlicher Regelkreis ist für die Einhaltung des<br />
Raumfeuchte-Sollwertes verantwortlich.<br />
1<br />
T<br />
a)<br />
b)<br />
y<br />
y<br />
Fig. 6-2 Prinzipschema einer Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG, Kühlen, Heizen,<br />
Dampfbefeuchtung <strong>und</strong> Entfeuchten<br />
1 AussenIuft-Temperaturfühler<br />
2 Abluft-Temperaturfühler<br />
3 Regelklappen für WRG-Apparat<br />
4 Zuluft-Temperaturfühler<br />
5 Raum-Feuchtefühler<br />
6 Raum-Temperaturfühler<br />
7 Kühlventil<br />
8 Heizventil<br />
9 Dampf-BefeuchterventiI<br />
10 Raum-Temperaturregler (Hauptregler)<br />
11 Zuluft-Temperaturregler (Hilfsregler)<br />
12 Raum-Feuchteregler<br />
13 Max.-Vorrangauswahl: Kühlen/Entfeuchten<br />
14 WRG-Max. / Min.-Umschaltfunktion<br />
�1 Aussenlufttemperatur<br />
�2 Ablufttemperatur<br />
−<br />
2<br />
T<br />
3<br />
a) Hub-Last-Diagramm der Temperatur-Regelung<br />
QT – = Heizlast, + = Kühllast<br />
b) Hub-Last-Diagramm der Feuchte-Regelung<br />
QH – = Befeuchtungslast, + = Entfeuchtungslast<br />
8<br />
14<br />
7<br />
3<br />
8 9<br />
ϑ1 < ϑ2 ϑ1<br />
13 12<br />
MAX<br />
9 3 7<br />
13,MAX<br />
X dz<br />
> ϑ2<br />
− +<br />
14<br />
7<br />
4<br />
11 10<br />
+<br />
Q T<br />
w ϕ<br />
Q H<br />
5 6<br />
w R
Die Funktion «Befeuchten» erfolgt über ein Dampfventil (9) <strong>und</strong> die<br />
Funktion «Entfeuchten», gemeinsam mit der Funktion «Kühlen» des<br />
Temperaturreglers, über eine Vorrangauswahl (13) auf das Kühlventil<br />
(7). Raumtemperatur <strong>und</strong> relative Raumfeuchte werden auf konstante<br />
Werte geregelt. Wenn die Raumfeuchte nur innerhalb vorgegebener<br />
Grenzen gehalten werden muss, kann dies durch Einfügen einer Totzone<br />
xdz, gemäss Hub-Last-Diagramm erreicht werden. Weil innerhalb der<br />
Totzone weder be- noch entfeuchtet werden muss, ist diese Betriebsweise<br />
wirtschaftlicher <strong>und</strong> deshalb zu empfehlen. Soll aus Kostengründen<br />
ganz auf eine Entfeuchtung verzichtet werden, so kann dies durch<br />
Weglassen der WRG- <strong>und</strong> Kühlersequenz im Feuchteregelkreis bewirkt<br />
werden. Ob eine solche Massnahme aber zulässig ist, muss zuerst<br />
anhand der meteorologischen Daten abgeklärt werden.<br />
83
84<br />
6.3 Vollklimaanlage mit Umluft -<br />
beimischung – Kühlen – Heizen –<br />
Befeuchten (stetig, adiabat) –<br />
Entfeuchten<br />
Diese Anlage ist ähnlich aufgebaut wie die zuvor besprochene Anlage.<br />
Anstelle der WRG werden Aussen-/Fortluft-/Umluftklappen eingesetzt<br />
<strong>und</strong> im Aussen- <strong>und</strong> Abluftkanal werden Enthalpiefühler für die<br />
Umschaltung der Klappen gewählt (vgl. Fig. 6-3).<br />
a)<br />
b)<br />
y<br />
y<br />
1<br />
Fig. 6-3 Prinzipschema einer Vollklimaanlage mit Umluftbeimischung, Kühlen Heizen,<br />
adiabater Befeuchtung <strong>und</strong> Entfeuchtung<br />
1 AussenIuft-Enthalpiefühler<br />
2 Abluft-Enthalpiefühler<br />
3 Regelklappen für WRG-Apparat<br />
4 Zuluft-Temperaturfühler<br />
5 Raum-Feuchtefühler<br />
6 Raum-Temperaturfühler<br />
7 Kühlventil<br />
8 Heizventil<br />
9 Lüftwäscherventil<br />
10 Raum-Temperaturregler (Hauptregler)<br />
11 Zuluft-Temperaturregler-(Hilfsregler)<br />
12 Raum-Feuchteregler<br />
13 Max.-Vorrangauswahl: Kühlen/Entfeuchten<br />
14 WRG-Max./Min.-Umschaltfunktion<br />
15 Min.-Vorrangauswahl Umluftklappe: Heizen/Befeuchten<br />
h1 Aussenluft-Enthalpie<br />
h2 Abluft-Enthalpie<br />
3<br />
8<br />
9<br />
2<br />
h 1 < h 2<br />
3<br />
14<br />
15,MIN<br />
3<br />
7 8 9<br />
13<br />
MAX<br />
h1 > h2 7<br />
a) Hub-Last-Diagramm der Temperatur-Regelung<br />
QT – = Heizlast; + = Kühllast<br />
b) Hub-Last-Diagramm der Feuchte-Regelung<br />
QH – = Befeuchtungslast; + = Entfeuchtungslast<br />
14<br />
MIN<br />
15<br />
13,MAX<br />
7<br />
Q T<br />
Q<br />
H<br />
12<br />
4<br />
wϕ 11 10<br />
5 6<br />
w R
6.4 Vollklimaanlage mit rekuperativer<br />
WRG – Kühlen – Heizen – Befeuchten<br />
(stetig, adiabat) – Entfeuchten<br />
Die vorgeschlagene Regeleinrichtung arbeitet auch hier energieoptimal.<br />
Die WRG-Umschaltfunktion wird, im Gegensatz zu den vorangegangenen<br />
Beispielen, nicht durch Temperaturvergleich, sondern durch Enthalpievergleich<br />
in der Aussen- <strong>und</strong> Abluft bestimmt.<br />
Wird die relative Feuchte nur innerhalb <strong>von</strong> zwei Grenzwerten vorgeschrieben,<br />
so kann dies ebenfalls durch Einfügen einer Totzone (mit<br />
PI-Regelung) zwischen den Funktionen Befeuchten <strong>und</strong> Entfeuchten<br />
bewirkt werden. Wird aus Kostengründen auf eine Entfeuchtung verzichtet,<br />
so kann die entsprechende Sequenz im Feuchteregelkreis weggelassen<br />
werden. Die WRG-Sequenz wird aber beibehalten, weil damit<br />
bei Anlagen mit grosser Feuchtelast im Raum zeitweise (Heizbetrieb)<br />
entfeuchtet werden kann.<br />
Bei <strong>Klimaanlagen</strong>, die sehr häufig im Entfeuchtungsbetrieb arbeiten,<br />
wird die Luftfeuchte mit Hilfe einer Kältemaschine ausgeschieden,<br />
deren Verdampfer <strong>und</strong> Kondensator im Zuluftkanal eingebaut werden.<br />
Die Fig. 6-4 zeigt das Prinzipschema einer solchen Anlage. Wenn diese<br />
Anlage energie-optimal betrieben werden soll, so sind dafür wesentlich<br />
kompliziertere Betriebseinrichtungen notwendig als jene, die in den<br />
vorangegangenen Beispielen gezeigt wurden. Zufriedenstellend nahe<br />
an einen energie-optimalen Betrieb kommt man mit einem Regelkonzept<br />
gemäss Fig. 6-2. Die Umschaltfunktion der WRG erfolgt dabei aufgr<strong>und</strong><br />
der Temperaturdifferenz zwischen Aussen- <strong>und</strong> Abluft.<br />
1<br />
3<br />
2<br />
7 8 9<br />
Fig. 6-4 Prinzipschema einer Vollklimaanlage mit rekuperativer WRG, Kühlen, Heizen,<br />
adiabate Befeuchtung <strong>und</strong> Entfeuchtung (Regelung wie Fig. 6-2)<br />
1 Aussenluft-Temperaturfühler<br />
2 Abluft-Temperaturfühler<br />
3 Rekuperativer WRG-Apparat<br />
4 Zuluft-Temperaturfühler<br />
5 Raum-Temperaturfühler<br />
6 Raum-Feuchtefühler<br />
7 KühIventiI<br />
8 Heizventil<br />
9 Luftwäscher-VentiI<br />
4<br />
5 6<br />
B76-4<br />
85
86<br />
6.5 Vollklimaanlage mit regenerativer<br />
WRG (Feuchteübertragung) – Kühlen –<br />
Heizen – Befeuchten (Dampf) –<br />
Entfeuchten<br />
6.6 Vergleich der verschiedenen<br />
Anlagenkonzepte bezüglich<br />
Energieverbrauch<br />
Auch für das Anlagenbeispiel gemäss Prinzipschema Fig. 6-5 müsste<br />
für den energie-optimalen Betrieb eine sehr aufwendige Steuerung <strong>und</strong><br />
Regelung gewählt werden. Zufriedenstellende Ergebnisse können aber<br />
auch hier mit dem Regelkonzept gemäss Fig. 6-3 (mit Min.-Vorrangauswahl<br />
15) erzielt werden.<br />
1<br />
3<br />
2<br />
7 8<br />
Fig. 6-5 Prinzipschema einer Vollklimaanlage mit regenerativer WRG<br />
(Feuchteübertragung), Kühlen, Heizen, Dampfbefeuchtung <strong>und</strong> Entfeuchtung<br />
(Regelung wie Fig. 6-3)<br />
1 Aussenluft-Temperaturfühler<br />
2 Abluft-Temperaturfühler<br />
3 Regenerativ-WRG-Apparat<br />
4 Zuluft-Temperaturfühler<br />
5 Raum-Temperaturfühler<br />
6 Raum-Feuchtefühler<br />
7 KühIventiI<br />
8 Heizventil<br />
9 Dampfbefeuchter-Ventil<br />
Der genaue Energieverbrauch der verschiedenen Anlagentypen zur<br />
Luftaufbereitung kann nur mit grossem Rechenaufwand ermittelt werden.<br />
Ein qualitativer Vergleich bezüglich Energieaufwand kann jedoch<br />
sofort angestellt werden, wenn die Luftaufbereitungsvorgänge im h,x-<br />
Diagramm verfolgt werden. Nachfolgend sollen die vorher beschriebenen<br />
Anlagentypen kurz beurteilt <strong>und</strong> verglichen werden:<br />
• Dampfbefeuchtung mit rekuperativer Wärmerückgewinnung<br />
(Fig. 6-2):<br />
Dieser Anlagentyp wird am meisten Energie benötigen, weil die<br />
natürliche Kühlung bei der Befeuchtung <strong>und</strong> die Feuchteübertragung<br />
durch die WRG-Anlage entfallen.<br />
• Stetige adiabate Luftbefeuchtung <strong>und</strong> regenerative Wärmerückgewinnung<br />
oder Klappen (Fig. 6-3):<br />
Dieser Anlagentyp wird sicher am wenigsten Energie für die Luft -<br />
aufbereitung benötigen, da durch die adiabate Befeuchtung ohne<br />
zusätzlichen Energieaufwand gekühlt wird <strong>und</strong> mit der Wärme -<br />
rückgewinnung Feuchte übertragen wird (be- <strong>und</strong> entfeuchten).<br />
• Stetige adiabate Befeuchtung <strong>und</strong> rekuperative Wärmerückgewinnung<br />
(Fig. 6-4):<br />
Bei diesem Anlagentyp fällt die Feuchteübertragung durch die WRG<br />
weg. Für die deshalb zusätzlich erforderliche Befeuchtung <strong>und</strong> Entfeuchtung<br />
der Luft ergibt sich ein erhöhter Energieverbrauch.<br />
• Dampfbefeuchtung mit regenerativer Wärmerückgewinnung oder<br />
Klappe (Fig. 6-5):<br />
Die natürliche Kühlung des Befeuchters fällt weg. Dieser Anteil der<br />
Kühlung muss durch die Kühlmaschine übernommen werden. Der<br />
Energieverbrauch liegt deshalb höher als bei der entsprechenden<br />
Anlage mit Luftwäscher.<br />
9<br />
4<br />
5 6<br />
B76-5
6.7 hx-geführte Regelung<br />
(Economiser tx2)<br />
Ziel<br />
Bei der Strategie zur Regelung <strong>von</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> hat sich in den letzten<br />
Jahrzehnten wenig geändert. Typisch sind die zuvor beschriebenen<br />
Steuerungen der Energierückgewinnung nach der Enthalpie bzw. je<br />
Temperatur- <strong>und</strong> Feuchteregelkreis mit jeweils energieneutralen Zonen,<br />
ohne dass eine gegenseitige Abstimmung erfolgt. Hier liegt zweifellos<br />
ein Optimierungspotential brach.<br />
Mit der hx-geführten Regelung (Economiser tx2) wird dieses Potential<br />
durch konsequente Ausnützung der Behaglichkeitsgrenzen <strong>und</strong> die<br />
gegenseitige Abstimmung <strong>von</strong> Sollwert, Prozessregelung <strong>und</strong> Betreibung<br />
der Energierückgewinnung (ERG) auf einfache Weise nutzbar<br />
gemacht.<br />
ERG<br />
tx2 ERG-Strategie<br />
Von der ERG vorkonditionierter<br />
Luftzustand<br />
Minimaler Energieeinsatz<br />
Fig. 6-6 Prinzip des Economiser tx2<br />
Economiser tx2<br />
Als Ausgangspunkt wird eine betriebsbereite Vollklimaanlage mit Energierückgewinnung<br />
angenommen (vgl. z.B. Fig. 6-2). Aufgabe dieser<br />
Klimaanlage ist die Schaffung <strong>von</strong> ausreichenden Behaglichkeits -<br />
bedingungen (nutzungsgerechte Raumkonditionen) bei möglichst<br />
niedrigen Betriebskosten. Die Minimierung der Betriebskosten darf<br />
dabei nicht zu Lasten der Behaglichkeit erfolgen.<br />
Temperatur<br />
°C<br />
24<br />
22<br />
20<br />
+2°C<br />
-2°C<br />
-15% +15%<br />
30 45 60<br />
Relative Feuchte<br />
%<br />
Sollwert<br />
Absolute Feuchte<br />
11 g / kg<br />
Behaglichkeitsfeld<br />
hx-Diagramm<br />
Fig. 6-7 Behaglichkeitsfeld als Basis für hx-geführte Regelung<br />
Raumzustand im<br />
Behaglichkeitsfeld<br />
tx2 Regelung<br />
87
88<br />
6.7.1 tx2-Regelung<br />
Kaskadenregelung<br />
Der Economiser tx2 (t: Temperatur, x: absolute Feuchtigkeit, 2: 2-Grössenregelung)<br />
sucht sich den bestmöglichen Raumsollwert an der Grenze,<br />
oder im Innern des Behaglichkeitsfeldes (Fig. 6-7) <strong>und</strong> setzt die<br />
Energierückgewinnung (ERG) optimiert ein. Dies wird durch die tx2-<br />
Regelung (siehe 6.7.1) <strong>und</strong> die tx2-ERG-Strategie (siehe 6.7.2) erreicht.<br />
Damit eine sinnvolle Optimierung überhaupt möglich wird, müssen<br />
sowohl die Kosten der Prozesse Heizen, Kühlen, Befeuchten <strong>und</strong><br />
Entfeuchten relativ zueinander bekannt sein (siehe 6.7.2, Gewichtung<br />
der Prozesse), sowie die physikalischen Eigenschaften der Prozesse.<br />
Fig. 6-8 gibt eine Übersicht über die vom Economiser tx2 berücksichtigten<br />
Prozesseigenschaften.<br />
Prozess Allgemeine Beschreibung Beispiel<br />
Heizen absolute Feuchte bleibt konstant Plattentauscher<br />
Kühlen absolute Feuchte bleibt konstant Plattentauscher<br />
Befeuchten temperaturkonstant Dampfbefeuchter<br />
enthalpiekonstant Wäscher<br />
Entfeuchten Temperatur- <strong>und</strong> Feuchteabnahme Plattentauscher<br />
ERG Teilweise Rückgewinnung Regenerative Systeme<br />
<strong>von</strong> sensibler <strong>und</strong> latenter Wärme (Energierückgewinnungsrad)<br />
Teilweise Rückgewinnung Rekuperative Systeme<br />
<strong>von</strong> sensibler Wärme (Plattenwärmetauscher,<br />
Kreislaufverb<strong>und</strong>system)<br />
Vollständige Rückgewinnung Umluftklappen<br />
<strong>von</strong> sensibler <strong>und</strong> latenter Wärme<br />
Fig. 6-8 Prozesseigenschaften<br />
ERG- <strong>und</strong> Befeuchtungsvarianten können frei miteinander kombiniert werden.<br />
Der dynamische Regler besteht aus einem Kaskadenregler für den<br />
Temperatur- <strong>und</strong> den Feuchteregelkreis.<br />
Raumluft-Istwert<br />
Zuluft-Istwert<br />
Bestimmung des<br />
Raumsollwertes<br />
Y T: Bedarfssignal Temperaturregler<br />
Y H : Bedarfssignal Feuchteregler<br />
Behaglichkeitsfeld<br />
Optimaler<br />
Raumsollwert<br />
Raumregler<br />
PI-Regler<br />
Zuluftsollwert<br />
tx2 Regelung<br />
Zuluftregler<br />
PID-Regler<br />
Fig. 6-9 Kaskadenregelung<br />
Die tx2-Regelung basiert auf je einem Kaskadenregler für die Temperatur <strong>und</strong><br />
die absolute Feuchte<br />
Die Messgrössen sind Temperatur <strong>und</strong> relative Feuchte, die Führungsgrössen<br />
sind jedoch Temperatur <strong>und</strong> absolute Feuchte.<br />
Y T<br />
Y H
Bestimmung des Sollwertes<br />
Die absolute Feuchte wird aus der Temperatur <strong>und</strong> der relativen Feuchte<br />
berechnet. Mit dieser Umrechnung werden die beiden Führungsgrössen<br />
entkoppelt, was sich in einem besseren dynamischen Verhalten<br />
ausdrückt. Die Kaskade beinhaltet drei wichtige Komponenten:<br />
• Bestimmung des Sollwertes an der Grenze, oder im Innern des<br />
Behaglichkeitsfeldes<br />
• Raumregler<br />
• Zuluftregler<br />
Durch den <strong>von</strong> der ERG vorkonditionierten Luftzustand <strong>und</strong> den Raum-<br />
Istwert ist der optimale Raum-Sollwert an der Grenze oder im Innern<br />
des Behaglichkeitsfeldes definiert.<br />
Aufgr<strong>und</strong> des vorkonditionierten Luftzustandes <strong>und</strong> des Zuluft-Sollwerts<br />
ergibt sich ein Bedarf Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten<br />
oder eine Kombination da<strong>von</strong>.<br />
• In den Fällen Heizen-Befeuchten, Kühlen-Befeuchten <strong>und</strong> Entfeuchten-Nachheizen<br />
wird der jeweilige Sollwert identisch mit dem energetisch<br />
besten Eckpunkt des Behaglichkeitsfeldes.<br />
• Im Fall nur Kühlen wird der Sollwert durch Projektion des Istwertes<br />
auf die obere Begrenzungslinie des Behaglichkeitsfeldes gewonnen.<br />
• Im Fall nur Heizen wird auf die untere Grenze projiziert. Im Bereich,<br />
wo die relative Feuchte die Grenze bildet, existiert ein Spezialfall.<br />
Hier wird der Temperatur-Sollwert entlang der rel. Feuchte-Linie<br />
geschoben. Dies ergibt einen grösseren Heizaufwand, dafür muss<br />
in diesem Bereich nicht gekühlt werden; das senkt die Kosten, da<br />
Heizen normalerweise billiger ist als Kühlen.<br />
• Im Fall nur Befeuchten wird der Feuchte-Istwert auf die rel. Feuchte-<br />
Linie projiziert. Dies ergibt einen grösseren Befeuchtungsaufwand,<br />
dafür muss in diesem Bereich nicht gekühlt werden; das senkt die<br />
Kosten, da Befeuchten normalerweise billiger ist als Kühlen.<br />
Temperatur<br />
Kühlen <strong>und</strong><br />
Befeuchten<br />
nur Befeuchten<br />
Heizen <strong>und</strong><br />
Befeuchten<br />
Behaglichkeitsfeld<br />
nur Kühlen<br />
nur<br />
ERG<br />
tx2 Regelung<br />
Absolute Feuchte<br />
Entfeuchten <strong>und</strong><br />
evtl. Nachheizen<br />
nur Heizen<br />
Von der ERG<br />
vorkonditionierter Luftzustand<br />
hx-Diagramm<br />
Fig. 6-10 Mögliche Zustandsänderungen im h,x-Diagramm, um zum Behaglichkeitsfeld<br />
zu gelangen<br />
89
90<br />
Raumregler<br />
Zuluftregler<br />
6.7.2 tx2 ERG-Strategie<br />
Strategie<br />
Beispiel<br />
Der Raumregler berechnet aus der raumseitigen Regeldifferenz den<br />
Zuluft-Sollwert. Er besteht je aus einem PI-Regler für den Temperatur<strong>und</strong><br />
den Feuchteregelkreis.<br />
Der Zuluftregler berechnet aus der zuluftseitigen Regeldifferenz die<br />
Bedarfssignale YT <strong>und</strong> YH. Er besteht aus PID-Reglern für den Temperatur-<br />
<strong>und</strong> den Feuchteregelkreis. Die Bedarfssignale werden zum Stellen<br />
der Regelorgane der Klimaanlage <strong>und</strong> für die Regelung der<br />
Energierück gewinnung verwendet.<br />
Die Energierückgewinnung wird so geregelt, dass die Summe der ge -<br />
wichteten Bedarfssignale für die Prozesse Heizen, Kühlen, Befeuchten<br />
<strong>und</strong> Entfeuchten minimiert wird. Der ERG-Strategie liegt ein Modell -<br />
denken im tx-Diagramm zugr<strong>und</strong>e. Jedem Prozess wird ein Vektor in<br />
der tx-Ebene (siehe Fig. 6-11) <strong>und</strong> eine Gewichtung zugewiesen. Die<br />
Vektoren geben die theoretische Wirkung jedes Prozesses wieder. Im<br />
Betrieb können nebst dem ERG-Vektor aber nur immer zwei Vektoren<br />
aktiv sein.<br />
In der Mitte des Diagramms wird der Zuluft-Sollwert eingetragen. Weiter<br />
trägt man den Raum- <strong>und</strong> Aussenluft-Istwert ein. Danach wird der<br />
ERG-Vektor, je nach Rückgewinnungsgrad <strong>von</strong> Temperatur <strong>und</strong> Feuchte,<br />
ausgehend vom Aussenluft-Istwert eingetragen.<br />
Das Ziel ist nun, den Punkt auf dem ERG-Vektor ausfindig zu machen,<br />
welcher die Summe der theoretischen Wirkungen der beiden aktiven<br />
Prozesse minimiert.<br />
Die Aussenluft ist kühler als die Raumluft. Bei einem grossen Kühlbedarf<br />
soll die ERG auch kühlere Luft konditionieren <strong>und</strong> somit den<br />
Aussenluftanteil erhöhen. Durch diese Aktion reduziert sich die nötige<br />
Kühlenergie. Muss gleichzeitig befeuchtet werden, kommt eine zusätz -<br />
liche Dimension dazu (siehe Algorithmus).<br />
Plattentauscher<br />
Rad<br />
Aussenluft-Istwert<br />
Temperatur<br />
Raum-Istwert<br />
Umluft<br />
Entfeuchten<br />
Heizen<br />
Befeuchten<br />
Zuluftsollwert<br />
Kühlen<br />
Absolute Feuchte<br />
Fig. 6-11 tx-Diagramm<br />
Um eine bestmögliche Entkopplung der Prozesse zu Erreichen, wird im Economiser<br />
tx2 mit den Grössen Temperatur <strong>und</strong> absolute Feuchte gearbeitet.
Gewichtung der Prozesse<br />
Algorithmus<br />
Mit der Energierückgewinnung wird durch Vorkonditionierung der<br />
Aussenluft der Energieverbrauch optimiert. Dazu werden die Bedarfssignale<br />
des Zuluftreglers (6.7.1) mit den spezifischen Kosten der entsprechenden<br />
Prozesse gewichtet (Fig. 6-12) <strong>und</strong> die Energierückgewinnung<br />
mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren geregelt.<br />
Prozess Spezifische Kosten Relative Gewichtung<br />
Heizen 0.09 € 1<br />
Kühlen 0.16 € 2<br />
Befeuchten 0.08 € 1<br />
Entfeuchten 0.23 € 3<br />
Fig. 6-12 Beispiel zu den spezifischen Kosten <strong>und</strong> der relativen Gewichtung<br />
Die spezifische Kosten sind in €, bezogen auf eine Temperaturdifferenz <strong>von</strong> 1 K<br />
<strong>und</strong> eine Betriebsdauer <strong>von</strong> 1 St<strong>und</strong>e.<br />
Die relativen Gewichtungen werden zur Optimierung der ERG verwendet.<br />
Das in der Patentanmeldung 1 beschriebene Vorgehen zur Berechnung<br />
des Stellsignals der Energierückgewinnung wird anschliessend<br />
beschrieben. Die Schritte können anhand der Nummern in Fig. 6-13<br />
nachvollzogen werden.<br />
1. Eintrag des Zuluft-Sollwerts, des Aussenluft- <strong>und</strong> des Raumluft-Istwertes<br />
ins tx-Diagramm.<br />
Die Raum- <strong>und</strong> Aussenluft in Kombination mit der Art der eingesetzten<br />
Energierückgewinnung teilen den ERG-Vektor auf. Das Ziel ist,<br />
den Zuluft-Sollwert zu erreichen. Tatsächlich können mit der ERG<br />
aber nur Punkte auf dem ERG-Vektor erreicht werden.<br />
2. Gewichtete Bedarfssignale vektoriell eintragen (im Beispiel sind<br />
dies die Vektoren Heizen <strong>und</strong> Entfeuchten).<br />
Gewichtete Bedarfsvektoren zeigen die gewünschte Aktion des<br />
Reglers. Heizen verlangt nach einer Temperaturerhöhung <strong>und</strong> zeigt<br />
darum auf der Temperaturachse nach oben. Entfeuchten verlangt<br />
nach einer kleineren absoluten Feuchte. Dies ist aber nur über eine<br />
Taupunktunterschreitung im Kühler möglich. Deshalb wird auch<br />
Kühlen verlangt <strong>und</strong> der Entfeuchte-Vektor erhält eine Temperaturkomponente.<br />
3. Projektion des Zuluft-Sollwerts <strong>und</strong> der gewichteten Bedarfsvektoren<br />
auf den ERG-Vektor.<br />
Mit der Projektion der gewichteten Bedarfsvektoren kann auf die<br />
Lage des ERG-Vektors eingegangen werden. Hat z.B. die Raumluft<br />
die gleiche absolute Feuchte wie die Aussenluft, ist es nicht möglich<br />
einen Feuchteanteil rückzugewinnen. Bei einem aktiven<br />
Befeuchtungsbedarf ergibt die Projektion den Nullvektor <strong>und</strong> somit<br />
hat in diesem Fall der gewichtete Bedarfsvektor keinen Einfluss <strong>und</strong><br />
nur der Temperaturbedarfsvektor bestimmt das Stellsignal für die<br />
Energierückgewinnung. Der projizierte Zuluft-Sollwert ergibt den<br />
Ausgangspunkt für die Addition auf dem ERG-Vektor.<br />
4. Vektorielle Addition der projizierten Bedarfsvektoren vom projizierten<br />
Zuluft-Sollwert aus.<br />
Die Projektionen der Bedarfsvektoren sind zu addieren. Je nach<br />
Bedarf <strong>und</strong> Lage des ERG-Vektors zeigen die projizierten Vektoren<br />
in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung. D.h. auch,<br />
dass die gleiche Reaktion mit der ERG gewünscht wird, oder nicht.<br />
Sind sie nicht gleich gerichtet, bestimmen die Gewichtung <strong>und</strong> der<br />
aktuelle Bedarf die sich ergebende Reaktion der ERG. In Fig. 6-13<br />
bestimmt der Vektor Entfeuchten die resultierende Wirkung, da er<br />
projiziert wesentlich grösser ist als der Vektor Heizen.<br />
1 Europäische Patentanmeldung Nr. 97’100’822, Veröffentlichung Juli 1997<br />
91
92<br />
5. Berechnung des Stellsignals für die Energierückgewinnung durch<br />
Interpolation des sich ergebenden Punktes <strong>von</strong> Schritt 4 zwischen<br />
Raumluft (max. ERG, z.B. 20 %) <strong>und</strong> der Aussenluft (min. ERG,<br />
100 %).<br />
Das Resultat <strong>von</strong> Schritt 4 ist ein Punkt auf dem ERG-Vektor oder in<br />
der Verlängerung des ERG-Vektors. Liegt der Punkt auf dem Vektor,<br />
dann wird das Stellsignal für die Energierückgewinnung durch lineare<br />
Interpolation zwischen den beiden Endwerten bestimmt. Dabei<br />
wird der Raumluft z.B. 20 % (Maximum ERG) <strong>und</strong> der Aussenluft<br />
100 % (Minimum ERG) zugewiesen. Befindet sich der Punkt auf der<br />
Verlängerung, wird der Wert des näher liegenden Luftzustandes<br />
genommen.<br />
YHmd<br />
Entfeuchten<br />
Temperatur<br />
[ °C ]<br />
YTemp<br />
Heizen<br />
W_Zuluft<br />
Fig. 6-13 Steuerung der Energierückgewinnung<br />
--- Gewichtetes Bedarfssignal Heizen<br />
-··- Gewichtetes Bedarfssignal Entfeuchten<br />
— Verbindung Raumluft <strong>und</strong> Aussenluft, ERG Vektor<br />
Å Projektion des Zuluft-Sollwerts<br />
Ç Projektion des Bedarfsvektors<br />
É Addition des Bedarfsvektors<br />
Ñ Berechnung des Stellsignals für die ERG<br />
2<br />
2<br />
Abluft<br />
1<br />
4<br />
3<br />
Absolute Feuchte<br />
[ g/kg ]<br />
Stellsignal<br />
Y_WRG<br />
Aussenluft
6.8 DEC-Systeme<br />
Adiabatische Kühlung <strong>und</strong> adsorptive<br />
Entfeuchtung geschickt kombiniert<br />
Funktionsprinzip<br />
(Sommerfall)<br />
Der Begriff DEC (Desiccative and Evaporative Cooling) steht für Trock -<br />
nung <strong>und</strong> Verdunstungskühlung.<br />
Der Gr<strong>und</strong>gedanke der DEC-Technik besteht darin, den klassischen –<br />
mit elektrischen Kompressoren betriebenen – Kälteerzeugungsprozess<br />
in der Klimatisierung mit Luftentfeuchtungsaufgaben zu ersetzen. Dazu<br />
wendet man die seit langem bekannten Verfahren der adiabatischen<br />
Kühlung <strong>und</strong> der adsorptiven Luftentfeuchtung in einer speziellen Kombination<br />
an. Meistens werden feste Sorptionsmittel eingesetzt, deren<br />
Anwendung sich bewährt hat (z.B. Silicagel). Antriebsenergie des Prozesses<br />
(vgl. 5 in Fig. 6-14) ist Wärme auf einem nicht allzu hohen Temperaturniveau,<br />
die sehr oft – insbesondere im Sommer – in Form <strong>von</strong><br />
Abwärme zur Verfügung steht. Aus untenstehender Abbildung ist<br />
ersichtlich, dass dieser Prozess auf einem, gegenüber den Lufttemperaturen,<br />
hohen Temperaturniveau abläuft (Regenerations-Lufterhitzer<br />
bis z.B. 70 °C).<br />
Die Aussenluft (z.B. 32 °C, 35 % r.F.) wird nach der üblichen Filterung<br />
in einem Adsorptions-Tauscher (1) entfeuchtet. Diese Entfeuchtung findet<br />
kontinuierlich statt <strong>und</strong> erfolgt nahezu adiabat. Die dabei freiwerdende<br />
Adsorptionswärme wird an den Luftstrom abgegeben, was zu<br />
einer Erwärmung der Aussenluft führt.<br />
Die trockene warme Luft wird anschliessend in einem regenerativen<br />
Wärmerückgewinner (2) vorgekühlt. Im Winter dient dieser Rotationstauscher<br />
zur Vorwärmung der Aussenluft mit Hilfe der Abluft. Die so<br />
vorgekühlte Luft wird anschliessend durch einen Verdunstungsbefeuchter<br />
(3) auf die geforderte Zuluftemperatur <strong>und</strong> -feuchte gebracht.<br />
Die Abluft wird durch einen weiteren Verdunstungsbefeuchter (4) in<br />
der Temperatur abgesenkt zur besseren Vorkühlung der Zuluft im Wärmerückgewinner<br />
(2). Dabei erwärmt sich die Abluft. Es erfolgt eine<br />
Nachwärmung mit einem Lufterhitzer (5), damit der Adsorptions-Tauscher<br />
(1) wieder regeneriert werden kann. Dabei wird die Abluft<br />
gekühlt <strong>und</strong> die Feuchte nimmt zu. Man nennt diesen Vorgang auch<br />
«adiabate Desorption».<br />
5<br />
FOL<br />
4<br />
ABL<br />
1<br />
3<br />
AUL ZUL<br />
2<br />
Fig. 6-14 Funktionsprinzip einer DEC-Anlage – Sommerfall (Quelle Klingenburg)<br />
1 Sorptions-Tauscher (Trocknung der Aussenluft)<br />
2 Rotations-Wärmetauscher<br />
3 Zuluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung)<br />
4 Abluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung, z.B. Kaltdampf-Generator)<br />
5 Regenerations-Lufterhitzer (erwärmt Luft auf z.B. 70 °C)<br />
I Zustandsverlauf (1➝2➝3); Aussenluft (AUL) ( Zuluft (ZUL);<br />
II Zustandsverlauf (4➝2➝5➝1); Abluft (ABL) ( Fortluft (FOL)<br />
I<br />
2<br />
3<br />
1<br />
4<br />
II<br />
5<br />
2<br />
1<br />
93
94<br />
6.8.1 Regelung <strong>von</strong> DEC-Systemen<br />
1. Regelkreis<br />
Eintri ts-Enthalpie in<br />
Zuluft-Befeuchter<br />
Für die Regelung <strong>von</strong> DEC-Systemen kommen teilweise sehr komplexe<br />
Regelstrategien zum Einsatz – abgestimmt auf die jeweiligen<br />
Anwendungsbedürfnisse. Oft werden dabei für den Heiz- <strong>und</strong> den<br />
Kühlfall verschiedene Regelstrategien verwendet.<br />
Nachfolgend die Regelung für die in Fig. 6-14 gezeigte Anlage im Sommerfall<br />
(Kühlfall).<br />
Die Regelung wird in zwei Regelkreise aufgeteilt:<br />
Der 1. Regelkreis regelt die Eintritts-Enthalpie in den Zuluft-Befeuchter<br />
(3) mit Hilfe des Verdunstungs-Befeuchters (4), dem Rotations-Wärmetauscher<br />
(2), dem Regenerations-Lufterhitzer (5) <strong>und</strong> dem Sorptionstauscher<br />
(1).<br />
1. Sequenz regelt dabei den Verdunstungsbefeuchter (4) stufenlos<br />
zwischen 0...100 %, wobei der Rotationswärmetauscher (2) mit voller<br />
Drehzahl läuft (100 % WRG).<br />
2. Sequenz regelt den Regenerationslufterhitzer (5) stetig, wobei der<br />
Sorptionstauscher (1) voll arbeitet (100 % Entfeuchtung).<br />
3. Sequenz (optional) passt die Zuluftmenge über Stufenschaltung oder<br />
Drehzahlregelung an.<br />
100<br />
5<br />
FOL ABL<br />
4<br />
1<br />
2<br />
3<br />
AUL ZUL<br />
0<br />
y [%]<br />
w<br />
4 (2) 5 (1)<br />
h ϑ<br />
1. 2. 3.<br />
h [kJ/kg,K]<br />
Fig. 6-15 Enthalpie-Regelkreis im DEC-System<br />
1. Sequenz mit Verdunstungsbefeuchter (4) <strong>und</strong> Rotations-Wärmetauscher (2)<br />
2. Sequenz mit Regenerations-Lufterwärmer (5) <strong>und</strong> Sorptionstauscher (1)<br />
3. Sequenz (optional) Luftvolumenstrom (Stufenschaltung oder<br />
Drehzahl regelung)<br />
I<br />
2<br />
3<br />
1<br />
4<br />
II<br />
5<br />
2<br />
1
2. Regelkreis<br />
Zuluf temperatur<br />
Der 2. Regelkreis regelt die Zulufttemperatur mit dem Zuluft-Befeuchter<br />
(3) stetig.<br />
100<br />
0<br />
y [%]<br />
w<br />
3<br />
Fig. 6-24 Zulufttemperatur-Regelkreis im DEC-System<br />
mit Hilfe vom Zuluft-Befeuchter (3)<br />
ϑ [°C]<br />
95
96<br />
7. Diverse Steuer- <strong>und</strong> Regelfunktionen<br />
7.1 Frostschutz<br />
Anomalie des Wassers<br />
Bei Aussentemperaturen unter 0 °C besteht die Gefahr, dass das Wasser<br />
im Aussenluft-Vorwärmer einfriert <strong>und</strong> dieser dabei beschädigt<br />
wird, weil durch die Zustandsänderung <strong>von</strong> flüssig zu fest, das Volumen<br />
schlagartig zunimmt (vgl. Fig. 7-1). Bei stehendem Wasser setzt<br />
die Eisbildung sofort ein, zirkuliert es, sind dafür einige Minusgrade notwendig.<br />
Die Wassertemperatur im Lufterwärmer darf also in keiner<br />
Lastsituation <strong>und</strong> an keiner Stelle unter 0 °C sinken.<br />
Zur Information wird hier nochmals das Volumen-/Temperatur-Verhalten<br />
<strong>von</strong> Wasser aufgezeigt (vgl. auch B01HV_de, 2 Physikalische Eigenschaften).<br />
Speziell dabei ist, dass sich das Wasser zwischen 0 °C <strong>und</strong><br />
4 °C zuerst einmal zusammenzieht <strong>und</strong> erst danach beginnt, sich normal<br />
zu verhalten, d.h. sich auszudehnen.<br />
1000 kg Wasser<br />
-1 °C ca. 1090,0 Liter<br />
0 °C 1000,2 Liter<br />
2 °C 1000,1 Liter<br />
4 °C 1000,0 Liter<br />
10 °C 1000,4 Liter<br />
20 °C 1001,8 Liter<br />
30 °C 1004,4 Liter<br />
40 °C 1007,9 Liter<br />
50 °C 1012,1 Liter<br />
60 °C 1017,1 Liter<br />
70 °C 1022,8 Liter<br />
80 °C 1029,0 Liter<br />
90 °C 1035,9 Liter<br />
100 °C 1043,5 Liter<br />
l/1000 kg<br />
1'100<br />
1'090<br />
1'080<br />
1'070<br />
1'060<br />
1'050<br />
1'040<br />
1'030<br />
1'020<br />
1'010<br />
1'000<br />
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 °C<br />
Fig. 7-1 Volumenänderung <strong>von</strong> Wasser in Abhängigkeit der Temperatur
7.1.1 Frostschutzthermostat<br />
Luftseitige Überwachung<br />
Wasserseitige Überwachung<br />
Folgende Ursachen können eine Frostgefahr herbeiführen:<br />
• Undichte Luftklappen bei abgeschalteter Anlage (bewirken Auskühlung<br />
des Lufterwärmers)<br />
• Anfahren der Anlage bei tiefen Aussentemperaturen <strong>und</strong> noch zu<br />
wenig erwärmtem Wasser im Lufterwärmer<br />
• Störungen in der Wärmeversorgung (z.B. Brennerstörung, Brennstoffmangel<br />
usw.)<br />
• Störungen oder Defekte in der Anlage (Pumpe, Ventilantrieb usw.)<br />
• Planungsfehler (überdimensionierter Lufterwärmer, falsche hydrau -<br />
lische Schaltung (Durchflussregelung anstatt Mischregelung)<br />
• Geringer <strong>Lüftungs</strong>-Wärmebedarf bei grossem Fremdwärmeanfall im<br />
belüfteten Raum <strong>und</strong> gespeicherter Wärme in nachgeschalteten<br />
Geräten (Kühler, Nachwärmer etc.) <strong>und</strong> deshalb nur wenig geöffnetes<br />
Regelventil.<br />
Der Lufterwärmer kann aber vor Frostschäden geschützt werden<br />
durch:<br />
• einen Frostschutzthermostaten (luftseitig oder wasserseitig), oder<br />
• eine zweistufige Frostschutzfunktion (luftseitig oder wasserseitig),<br />
oder<br />
• eine spezielle Frostschutz-Anfahrsteuerung.<br />
Bei wasserseitigem Frostschutz muss unter einer Aussentemperatur<br />
<strong>von</strong> +5 °C automatisch die Vorerwärmerpumpe eingeschaltet werden.<br />
Die einfachste Frostschutzeinrichtung besteht aus einem Thermostaten<br />
mit Kapillarrohr-Fühler. Dieser Kapillarrohr-Fühler ist – in der Richtung<br />
des Luftstromes gesehen – nach dem Lufterwärmer, in einem<br />
Abstand <strong>von</strong> ca. 5 cm in Schleifen über die ganze Erwärmerfläche verteilt.<br />
Der Frostschutzthermostat schaltet auf «Frostgefahr» um, sobald<br />
die Lufttemperatur am Kapillarrohr, auf einer Länge <strong>von</strong> ca. 30 cm, den<br />
eingestellten Grenzwert <strong>von</strong> z.B. +5 °C unterschreitet.<br />
Beim wasserseitigen Frostschutz überwacht ein Thermostat die Wassertemperatur<br />
am Lufterwärmer-Austritt. Unterschreitet die Rücklauftemperatur<br />
den eingestellten Grenzwert, schaltet der Thermostat auf<br />
«Frostgefahr» um. Beim luft- <strong>und</strong> wasserseitigen Frostschutz bewirkt<br />
das Umschalten des Thermostaten auf «Frostgefahr» folgende Anlageneingriffe<br />
(Fig. 7-2):<br />
• Öffnen des Lufterwärmerventils auf 100 %<br />
• Einschalten der Umwälzpumpe (sofern sie noch nicht laufen sollte)<br />
• Ausschalten des Zuluft- <strong>und</strong> Abluftventilators<br />
• Schliessen der Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappe sowie der Brandschutzklappen<br />
mit Motor-Stellantrieb<br />
• Störungsmeldung vor Ort durch ein Melde-Element (z.B. Lampe<br />
oder Alarmhupe) <strong>und</strong> an ein ev. Gebäudeautomations-System.<br />
Steigt die Lufttemperatur wieder um die Grösse der Schaltdifferenz<br />
des Frostschutzthermostaten an, so gibt dieser die Anlage wieder frei.<br />
In Anlagen mit Einschaltsperre muss zusätzlich vor Ort eine Entriegelungstaste<br />
<strong>von</strong> Hand betätigt werden. Ein solcher Rückstellzwang veranlasst<br />
das Bedienpersonal, die Ursache der Sicherheitsabschaltung zu<br />
suchen <strong>und</strong> eventuelle Fehler zu beheben, bevor die Anlage wieder<br />
gestartet wird.<br />
97
98<br />
7.1.2 Zweistufige Frostschutzfunktion<br />
Fig. 7-2 Frostschutzthermostat in einfacher <strong>Lüftungs</strong>anlage<br />
1 Frostschutzthermostat (luftseitig, alternativ: wasserseitig)<br />
2 Aussenthermostat für Vorerwärmerpumpe<br />
3 Lufterwärmerventil<br />
4 Umwälzpumpe<br />
5 Aussenluftklappe<br />
6 Zuluftventilator<br />
7 Alarmeinrichtung<br />
y Stellsignal des Reglers<br />
Ist mit dem Einfrieren des Lufterwärmers ein grosser Folgeschaden zu<br />
erwarten, so kann zur Erhöhung der Sicherheit, ein luftseitiger <strong>und</strong> ein<br />
wasserseitiger Frostschutz kombiniert werden.<br />
Die zweistufige Frostschutzfunktion greift zuerst mit einer stetigen<br />
Funktion (präventiver Frostschutz) <strong>und</strong> anschliessend mit einer 2-Punkt-<br />
Funktion (Frostgefahr) in den Anlagenbetrieb ein, sobald am Messelement<br />
des Frostschutzfühlers 1 die Temperatur einen eingestellten Wert<br />
unterschreitet (Fig. 7-3).<br />
a)<br />
y 1<br />
2<br />
Q<br />
y 2<br />
Fig. 7-3 Zweistufige Frostschutzfunktion<br />
a) Prinzipschema<br />
b) Wirkdiagramm<br />
1 Frostschutztemperaturfühler (luft- oder wasserseitig)<br />
2 Frostschutz-Steuer- <strong>und</strong> Regelgerät<br />
y1 Stetiges Stellsignal vom Frostschutz-Steuer- <strong>und</strong> Regelgerät<br />
y2 Stetiges Stellsignal vom Frostschutz-Steuer- <strong>und</strong> Regelgerät<br />
w1 Frostschutzwert 1<br />
w2 Frostschutzwert 2<br />
Q 2-Punkt-Steuersignal für Ventilatoren, Klappen <strong>und</strong> Pumpe<br />
1<br />
1<br />
0<br />
b)<br />
Y<br />
Q y 2<br />
w 2<br />
w 1<br />
ϑ<br />
B77-2
Präventiver Frostschutz<br />
Frostgefahr<br />
7.1.3 Spezielle<br />
Frostschutz-Anfahrsteuerung<br />
Die Frostschutzfunktion bewirkt folgende Anlageneingriffe:<br />
Der präventive (vorbeugende) Frostschutz verhindert das unnötige<br />
Aktivieren der Funktion «Frostgefahr» bei ausgeschalteter Anlage (Ventilatoren<br />
aus), beim Anfahren <strong>und</strong> während dem Betrieb der Anlage.<br />
Wenn also die gemessene Temperatur den höheren Frostschutzwert<br />
w1 unterschreitet, werden vom Steuer- <strong>und</strong> Regelgerät (2) folgende<br />
Anlagenelemente stetig angesteuert:<br />
• Lufterwärmerventil weiter öffnen (Maximal-Auswahl zwischen<br />
Frostschutz- <strong>und</strong> Temperaturregelung)<br />
• Leistung der Wärmerückgewinnung (sofern vorhanden) erhöhen<br />
oder über stetige Mischklappen (sofern vorhanden) mehr warme<br />
Umluft beimischen<br />
• Ein evtl. geöffnetes Kühlventil wird gleichzeitig geschlossen um<br />
unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.<br />
Der «präventive Frostschutz» sorgt folglich dafür, dass die Funktion<br />
«Frostgefahr» erst aktiv werden kann, wenn trotz des vorherigen Öffnens<br />
des Regelventils, resp. der weiteren stetigen «Wärmelieferanten»,<br />
der Lufterwärmer nicht die erforderliche, frostsichere Betriebs -<br />
temperatur erreicht.<br />
Wenn die Temperatur den tieferen Frostschutzwert w2 unterschreitet,<br />
werden folgende Not-Schaltungen ausgelöst:<br />
• Öffnen des Lufterwärmerventils auf 100 % (sofern noch nicht voll<br />
offen)<br />
• Einschalten der Vorerwärmerpumpe (sofern diese noch nicht in<br />
Betrieb ist)<br />
• Ausschalten des Zuluft- <strong>und</strong> des Abluftventilators<br />
• Schliessen der Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen sowie der Brandschutzklappen<br />
mit Motor-Stellantrieb<br />
• Störungsmeldung am Steuer- <strong>und</strong> Überwachungsgerät. Zusätzlich<br />
kann die Frostgefahr durch ein Melde-Element vor Ort (z.B. Lampe<br />
oder Alarmhorn) oder auch extern an eine Gebäudeautomations-<br />
System gemeldet werden.<br />
Die Funktion «Frostgefahr» wird wieder aufgehoben, wenn der Störzustand<br />
quittiert wird <strong>und</strong> die vom Frostfühler gemessene Temperatur<br />
über den tieferen Sollwert w2 ansteigt. Die Stellung des Ventils verharrt<br />
jedoch auf 100 %, bis die Temperatur wieder den höheren Sollwert w1<br />
erreicht hat.<br />
Wird bei tiefen Aussentemperaturen eine <strong>Lüftungs</strong>- oder Klimaanlage<br />
eingeschaltet, so ist die Gefahr besonders gross, dass das Wasser im<br />
Lufterwärmer, wegen der plötzlichen Kaltluftströmung, innerhalb kürzester<br />
Zeit einfriert. Dieses Problem ist bei einer Anlage mit Auf-/Zu-Klappen<br />
ausgeprägter als bei der Verwendung stetiger Klappen mit Umluftbeimischung.<br />
99
100<br />
Achtung<br />
Bei einer Anlage mit Auf-/Zu-Klappen verhindert eine Frostschutz-<br />
Anfahrsteuerung auf die folgende Weise einen Frostschaden (Fig. 7-4):<br />
Wird die Anlage bei einer Aussentemperatur unter z.B. +8 °C – gemessen<br />
<strong>von</strong> einem Fühler an der Aussenwand – eingeschaltet t1, so werden<br />
vorerst nur das Lufterwärmerventil y1 ganz geöffnet <strong>und</strong> die<br />
Umwälzpumpe eingeschaltet. Während einer einstellbaren <strong>und</strong> <strong>von</strong> der<br />
Aussentemperatur abhängigen Zeit Δt2 erfolgt nun ein Vorwärmen des<br />
Heizregisters, so dass dann beim Anlaufen der Ventilatoren keine Einfriergefahr<br />
mehr besteht. Nach Ablauf der Vorwärmzeit Δt2, d.h. zum<br />
Zeitpunkt t3, öffnen sich die Luftklappen <strong>und</strong> die Ventilatoren gehen in<br />
Betrieb. Gleichzeitig beginnt das Lufterwärmerventil gemäss einer einstellbaren<br />
Rückfahrzeit Δt4 zu schliessen, bis die Ventilstellung durch<br />
den Wärmebedarf des Temperaturreglers y2 übernommen wird.<br />
a)<br />
b)<br />
[%]<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1<br />
0<br />
y<br />
t 1<br />
Fig. 7-4 Spezielle Frostschutz-Anfahrsteuerung<br />
a) Steuerung des Vorwärmerventils<br />
b) Ventilatoren- <strong>und</strong> Klappensteuerung<br />
tL1, tL2 Laufzeiten der Stellantriebe<br />
t1 Einschaltbefehl der Anlage<br />
Δt2 Vorwärmzeit<br />
t3 Start der Auf-/Zu-Klappen, Ventilatoren <strong>und</strong> Regelung<br />
Δt4 Zusteuerzeit<br />
y1 Ventilstellsignal der Anfahrsteuerung<br />
Ventilstellsignal des Temperaturreglers<br />
y2<br />
t L1<br />
y 1<br />
t L2<br />
y 2<br />
1 2 3 3'25" 4 5 6 [min]<br />
Δt2 t3 Δt4 Beim Definieren einer minimalen Vorwärmzeit ist die jeweilige Laufzeit<br />
des Ventil-Antriebes zu beachten. In den üblichen Anlagen werden<br />
Antriebe mit einer Öffnungszeit <strong>von</strong> tL1, = 15...35 s, seltener <strong>von</strong> tL2, =<br />
30...150 s verwendet. Wenn die Vorwärmzeit unter der Antriebslaufzeit<br />
liegt, ist das Erreichen der maximalen Auf-Stellung nicht möglich.<br />
Bei einer Anlage mit Umluftbeimischung werden beim Starten der<br />
Anlage, unter einer Aussentemperatur <strong>von</strong> z.B. +15 °C, die Ventilatoren<br />
sofort eingeschaltet. Die Anlage arbeitet aber vorerst im Umluftbetrieb,<br />
d.h. die Aussen- <strong>und</strong> Fortluftklappen bleiben ganz geschlossen <strong>und</strong> die<br />
Umluftklappe 100 % geöffnet (kein minimaler Aussenluftanteil). Während<br />
dieser Zeit ist die Warmwasser-Umwälzpumpe eingeschaltet, das<br />
Lufterwärmerventil wird geöffnet <strong>und</strong> ein eventuell vorhandenes Kühlventil<br />
gesperrt. Nach Ablauf einer einstellbaren <strong>und</strong> <strong>von</strong> der Aussentemperatur<br />
mitbestimmten Zeit, geht die Anlage in den normalen<br />
Regel betrieb über.<br />
t<br />
B77-3
7.2 Luftfilter-Überwachung<br />
7.2.1 Überwachung durch Filterwächter<br />
Filter halten staubförmige Verunreinigungen aus der Aussenluft <strong>und</strong><br />
evtl. der Abluft zurück <strong>und</strong> ermöglichen damit:<br />
• eine verbesserte Raumluftqualität <strong>und</strong> eine geringere Verschmutzung<br />
des Raumes<br />
• eine geringere Verschmutzung der Anlagenelemente <strong>und</strong> der Luft -<br />
kanäle<br />
• eine geringere Umweltbelastung<br />
Die bei konstantem Luftvolumenstrom mit zunehmender Filterverschmutzung<br />
ansteigende Druckdifferenz über dem Filter ist ein Mass<br />
für dessen Verschmutzungsgrad. Dieser kann durch einen Filterwächter<br />
oder durch einen Druckdifferenzfühler überwacht werden.<br />
Sobald die Druckdifferenz den am Filterwächter einstellten Grenzwert<br />
überschreitet, meldet der Filterwächter die Verschmutzung des Filters.<br />
Diese wird dann als Störung angezeigt.<br />
1<br />
�p<br />
2<br />
w B77-4<br />
Fig. 7-5 Filterüberwachung durch Filterwächter<br />
1 Luftfilter<br />
2 Filterwächter (Pressostat)<br />
3 Störungsmeldung Luftfilter<br />
In Anlagen mit variablem Luftvolumenstrom hält die Volumenstromregelung<br />
den Luftvolumenstrom trotz zunehmender Filterverschmutzung<br />
konstant, indem sie die Ventilatordrehzahl entsprechend erhöht. Wird<br />
die Anlage mit reduziertem Luftvolumenstrom betrieben, so werden<br />
bis zum Auslösen des Filterwächters die Ventilatoren mit einer unverhältnismässig<br />
hohen Drehzahl betrieben, was unnötig Energie verbraucht.<br />
In solchen Anlagen <strong>und</strong> in Anlagen mit zwei oder mehr Ventilatorstufen<br />
ist somit eine optimale Filterüberwachung durch Filterwächter<br />
nur möglich, wenn mindestens einmal am Tag die Anlage mit maximalem<br />
Volumenstrom betrieben wird.<br />
3<br />
101
102<br />
7.2.2 Überwachung mittels<br />
Druckdifferenzfühler<br />
In Anlagen mit variablem Luftvolumenstrom ist der vom Luftfilter verursachte<br />
Druckabfall nicht nur vom Verschmutzungsgrad, sondern auch<br />
<strong>von</strong> der Grösse des Luftvolumenstromes abhängig. Aus den Proportionalitätsgesetzen<br />
(vgl. B01HV_de, 6 Übersicht <strong>Lüftungs</strong>anlagen) ist<br />
bekannt, dass sich der Druckabfall im Quadrat zum Volumenstrom<br />
ändert � Volumenstromreduktion 100 % auf 50 % reduziert den<br />
Druck abfall über dem Filter <strong>von</strong> 100 % auf 25 %.<br />
Damit in solchen Anlagen eine wirksame Filterüberwachung auch bei<br />
reduziertem Luftvolumenstrom möglich ist, wird empfohlen, den Verschmutzungsgrad<br />
des Luftfilters mit einem Druckdifferenzfühler zu<br />
überwachen <strong>und</strong> den Grenzsollwert der Filterverschmutzung in Abhängigkeit<br />
vom aktuellen Luftvolumenstrom zu führen. Diese Führung<br />
erfolgt über einen Führungsgeber (5) mit der Luftgeschwindigkeit (4)<br />
als Führungsgrösse.<br />
a)<br />
b)<br />
3<br />
Δp<br />
Δp<br />
%<br />
100<br />
75<br />
50<br />
25<br />
0<br />
v<br />
0 50 100 %<br />
5<br />
6<br />
4<br />
u<br />
Fig. 7-6 Filter-Überwachung bei variablem Luftvolumenstrom mit Druckdifferenzfühler<br />
a) Prinzipschema der Filterüberwachung<br />
b) Wirkdiagramm des Führungsgebers<br />
1 Zonen mit variablem Zuluft-Volumenstrom<br />
2 Zuluft-Druckregelung mit Ventilator-Drehzahlsteuerung<br />
3 Druckdifferenzfühler der Filterüberwachung<br />
4 Luftgeschwindigkeitsfühler<br />
5 Sollwert-Führungsgeber<br />
6 Druckdifferenzregler der Filterüberwachung<br />
7 Luftfilter-Störungsmeldung<br />
n<br />
2<br />
w<br />
7<br />
1<br />
B77-5
7.3 <strong>Lüftungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Klimaanlagen</strong> mit<br />
Elektro-Lufterwärmern<br />
Diese Anlagen werden im Prinzip genau gleich geregelt, wie Anlagen<br />
mit Warmwasser-Lufterwärmern. Die Leistungsregelung geschieht hier<br />
jedoch mit Hilfe eines Mehrstufenschalters, Digitalstufenschalters oder<br />
Stromventils, d.h. das Ausgangssignal vom Temperatur-Regler wird in<br />
ein, für den Elektro-Lufterwärmer geeignetes, Steuersignal umgesetzt.<br />
2<br />
T<br />
3 4<br />
u<br />
Fig. 7-7 Elektro-Lufterwärmer mit Leistungsregelung über Stufenschalter<br />
1 Temperaturregler<br />
2 Mehrstufen-, Digitalstufenschalter oder Stromventil<br />
3 Elektro-Lufterwärmer (evtl. mehrstufig)<br />
4 Sicherheitsthermostat<br />
5 Strömungswächter<br />
Ist ein Elektro-Lufterwärmer mehrstufig gebaut, d.h. die Heizelemente<br />
sind zu separaten Leistungseinheiten verdrahtet (z.B. 7-tel Aufteilung;<br />
1/7, 2/7, 4/7), kann dieser direkt mit einem Mehr- oder Digital-Stufenschalter<br />
geschaltet werden. Dabei werden, je nach Anlagesituation,<br />
unterschiedliche Leistungseinheiten (teilweise in Kombination) geschaltet.<br />
Elektro-Lufterwärmer können auch mit einem Stromventil betrieben<br />
werden. Das Stromventil dosiert die erforderliche Leistung mit einem<br />
kontaktlosen Leistungsschalter (Triac). Angesteuert wird das Stromventil<br />
mit einem Puls-/Pausen-Ausgangssignal. Stromventile können nur<br />
eine bestimmte Leistung direkt schalten. Deshalb müssen bei grossen<br />
Leistungen mehrere Stromventile verwendet werden (Hersteller-Unterlagen<br />
beachten).<br />
Bei der Auslegung des Elektro-Lufterwärmers für Komfortanlagen ist<br />
darauf zu achten, dass die Temperaturdifferenz pro Leistungsstufe ca.<br />
3 K nicht überschreitet. Dadurch können unbehagliche Zugerscheinungen<br />
im Raum vermieden werden.<br />
Da bei Ausfall der Luftströmung die Heizstäbe des Elektro-Lufterwärmers<br />
sehr hohe Temperaturen annehmen können, ist bei allen Anwendungen<br />
der Brandgefahr besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Es<br />
muss deshalb immer eine Luftstromüberwachung (Strömungswächter,<br />
Windfahnenschalter oder Druckdose), ein Sicherheits-Temperaturbegrenzer<br />
<strong>und</strong> eine Ventilator-Nachlaufzeit als Sicherheitskette wie folgt<br />
wirksam sein:<br />
• Der Strömungswächter sperrt das Einschalten des Elektro-Lufterwärmers,<br />
bevor eine Luftströmung gemeldet wird, bzw. schaltet ihn<br />
aus, wenn die Luftströmung infolge Defekt oder Abschalten des<br />
Ventilators wegfällt. Eine einstellbare Ausschalt-Verzögerung verhindert,<br />
dass kurzzeitige Strömungsschwankungen zu einer Störabschaltung<br />
führen.<br />
1<br />
5<br />
Δp<br />
B77-6<br />
103
104<br />
• Der Sicherheits-Temperaturbegrenzer überwacht die Temperatur<br />
des Elektro-Lufterwärmers <strong>und</strong> schaltet ihn ab, wenn eine Über -<br />
temperatur festgestellt wird.<br />
• Ventilator-Nachlaufzeit: In Anlagen mit einem Elektro-Lufterwärmer<br />
müssen die Ventilatoren nach dem Ausschalten der Anlage noch<br />
während einer einstellbaren Zeitdauer in Betrieb bleiben, damit in<br />
der Umgebung des Elektro-Lufterwärmers kein übermässiger Wärmestau<br />
entsteht.<br />
In komplexeren Anlagen mit zweistufigen Zuluft-Ventilatoren sorgt<br />
ausserdem eine Stufenüberwachung dafür, dass bei einer Umschaltung<br />
<strong>von</strong> der höheren auf die tiefere Drehzahlstufe, die Heizleistung<br />
des Elektro-Lufterwärmers während einer einstellbaren Zeitdauer auf<br />
50 % reduziert wird. Damit wird ein übermässiger Temperaturanstieg,<br />
der bei einer Reduktion des Luftvolumenstromes in der Zuluft entstehen<br />
würde, verhindert. Nach Ablauf der eingestellten Zeitdauer übernimmt<br />
wieder der Temperaturregler die Leistungssteuerung des<br />
Elektro-Lufterwärmers.
7.4 Quell-Lüftung<br />
In Räumen mit vorwiegender Kühllast können mit der Quell-Lüftung die<br />
immer höheren Anforderungen an die <strong>Lüftungs</strong>anlagen bezüglich Zugfreiheit,<br />
Wärme- <strong>und</strong> Schadstoffabfuhr weitgehend abgedeckt werden.<br />
Eine allfällige Heizlast muss aber <strong>von</strong> statischen Heizflächen übernommen<br />
werden.<br />
Bei der Quell-Lüftung wird die aufbereitete Luft mit einer – gegenüber<br />
der Raumtemperatur – geringen Untertemperatur im Bodenbereich<br />
laminar oder turbulenzarm eingeblasen (Fig. 7-8). Die Zulufttemperatur<br />
sollte einerseits im Maximum 2...3 K in Büros, bzw. bis zu 8 K in Fabriken,<br />
tiefer liegen als die Raumtemperatur, anderseits einen Wert <strong>von</strong><br />
21 °C in Büros bzw. 17 °C in Industrieräumen nicht unterschreiten<br />
(unbehagliche Fusskälte). Die Austrittsgeschwindigkeit beträgt ca.<br />
0.2 m/s im Bürobereich <strong>und</strong> bis 0.6 m/s bei anderen Anwendungen.<br />
Somit bildet sich in der Aufenthaltszone ein sogenannter «Frischluftsee».<br />
Die thermischen Auftriebskräfte an Personen <strong>und</strong> Geräten sorgen<br />
dann dafür, dass die Luft nach oben in den Deckenbereich steigt,<br />
wo sie wieder abgesaugt wird. Durch die Tatsache, dass aufbereitete<br />
Aussenluft nur im Bereich <strong>von</strong> Wärmequellen nach oben strömt, wird<br />
die Wärme <strong>und</strong> die stoffliche Belastung direkt dort abgeführt, wo sie<br />
auftritt <strong>und</strong> nicht im ganzen Raum verteilt. Dadurch kann eine hohe<br />
Luftqualität mit relativ kleinen Luftmengen erzielt werden. Die übliche<br />
Luftwechselzahl liegt dabei zwischen 1...4 h -1 .<br />
1<br />
3<br />
ca. 1 m<br />
< 0,2 m/s<br />
> 21 °C<br />
0,15 m/s<br />
25 ... 27 °C<br />
� 0,1 m/s<br />
= 24 � 25 °C<br />
22 °C<br />
Fig. 7-8 Prinzip, Temperaturen <strong>und</strong> Luftgeschwindigkeiten der Quell-Lüftung<br />
1 Quellluft-Auslass<br />
2 Abluftkanal<br />
3 Nahzone<br />
2<br />
� 0,1 m/s<br />
24 °C<br />
Bei Anwendung der reinen Quell-Lüftung im Komfortbereich ist die<br />
Untertemperatur der Zuluft gegenüber der Raumtemperatur im allgemeinen<br />
auf ca. 2...3 K begrenzt. Deshalb lassen sich entweder nur<br />
relativ kleine Kühllasten abführen oder es sind entsprechend grössere<br />
Luftmengen zur Abführung einer grösseren Kühllast notwendig. Zudem<br />
kann direkt im Einblasbereich der Zuluft der thermische Komfort nicht<br />
gewährleistet werden, so dass für Aufenthaltszonen ein gewisser<br />
Abstand zu den Auslässen einzuhalten ist, d.h. die Auslässe sollten<br />
nicht im Bereich <strong>von</strong> Aufenthaltszonen angebracht werden.<br />
Quell-Luftsysteme eignen sich besonders für Räume, in denen keine<br />
stark unterschiedlichen Lasten vorhanden sind oder wenn die Luftqualität<br />
eine wesentliche Rolle spielt (Industrie- <strong>und</strong> Sporthallen, Hotels,<br />
Theater, Schulen, Restaurants).<br />
B77-7<br />
105
106<br />
Regelung<br />
7.4.1 Kombination <strong>von</strong> Quell-Lüftung<br />
<strong>und</strong> Kühldecke<br />
Taupunkt-Überwachung<br />
In einer Quell-<strong>Lüftungs</strong>-Anlage wird normalerweise die Zulufttemperatur<br />
(Einblastemperatur) geregelt (vgl. auch Kapitel 1). Bei Bedarf kann<br />
der Sollwert der Zulufttemperatur-Regelung auch nach der Raumtemperatur<br />
geführt sein (evtl. auch nach der Aussentemperatur).<br />
7<br />
3<br />
Fig. 7-9 Zulufttemperatur-Regelung einer Quell-Lüftung<br />
1 Zulufttemperaturfühler<br />
2 Zulufttemperaturregler<br />
3 Stellantrieb mit Heizventil<br />
4 Stellantrieb mit Kühlventil<br />
5 Raumtemperaturfühler<br />
6 Sollwert-Führungsgeber Raumtemperatur<br />
7 Aussentemperaturfühler<br />
8 Sollwert-Führungsgeber Aussentemperatur<br />
8<br />
4<br />
Die in Fig. 7-8 gezeigte Luftgeschwindigkeit beim Auslass (z.B.<br />
0.15 m/s) wird nicht geregelt, sondern muss durch die korrekte Dimensionierung<br />
der Auslässe in der Planungs- <strong>und</strong> Ausführungsphase<br />
sichergestellt werden.<br />
Sind grössere Kühllasten abzuführen, wird eine Kombination <strong>von</strong> Quell-<br />
Lüftung <strong>und</strong> Kühldecken eingesetzt. Die Quell-Lüftung wird dabei für<br />
die Lufterneuerung im Raum eingesetzt, die Kühldecken führen die<br />
Kühllast ab. Dadurch können hohe Komfortansprüche zufriedengestellt<br />
werden.<br />
Die Quell-Lüftung wird auf eine konstante Zulufttemperatur geregelt.<br />
Es kann damit teilweise auch eine minimale Kühlleistung in den Raum<br />
gebracht werden (Winter, bei internem Wärmeanfall).<br />
Die Regelung der Kühldecken erfolgt über den Raumtemperatur-Regler<br />
in Sequenz zur Raumheizung (falls Teil der Regelung).<br />
Beim Einsatz <strong>von</strong> Kühldecken muss sichergestellt werden, dass die<br />
Temperatur der Kühldecken oder der Leitungen, <strong>und</strong> damit des Kühlwassers,<br />
immer über dem Taupunkt der Raumluft liegt, da sonst Kondenswasser<br />
ausgeschieden wird.<br />
Die Taupunkt-Überwachung kann auf verschiedene Arten erfolgen:<br />
• Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach der Aussentempe -<br />
ratur<br />
• lokale Taupunkt-Überwachung im Raum (Ein/Aus)<br />
• zentrale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach einem<br />
kritischen Raum<br />
• lokale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach dem Raum -<br />
zustand<br />
2<br />
1<br />
w ϑZU<br />
6 w ϑR<br />
5
7.4.1.1 Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach der Aussentemperatur<br />
7.4.1.2 Lokale Taupunkt-Überwachung<br />
im Raum (Ein/Aus)<br />
Die Kühlwasser-Vorlauftemperatur wird im gesamten Gebäude nach<br />
dem Taupunkt der Aussenluft geschoben. Dies ist eine kostengünstige<br />
<strong>und</strong> effiziente Art einer Taupunkt-Überwachung, allerdings wird dabei<br />
mit einer relativ grossen Sicherheitszone gearbeitet, was zu einer<br />
Reduktion der nutzbaren Kühlleistung in einzelnen Räumen führt.<br />
Eine weitere Schiebung durch Berechnung des Taupunktes eines Referenzraumes<br />
resp. der Abluft ist ebenfalls möglich. Die Feuchtelasten<br />
können zentral oder für einzelne Zonen erfasst werden, sofern die<br />
Feuchtlast gleichmässig verteilt ist. Das Resultat ist die zulässige Kühlwasser-Vorlauftemperatur.<br />
ϑ CW<br />
2<br />
3<br />
1<br />
Fig. 7-10 Zentrale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach der Aussentemperatur<br />
1 Taupunkttemperatur der Aussenluft<br />
2 Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
3 Sicherheitszone<br />
Die Überwachung erfolgt lokal mit einem Kondensationswächter pro<br />
Raum. Die Kühldecke wird bei Überschreitung des Taupunktes abgeschaltet.<br />
Dies ist eine kostengünstige Art, einzelne Räume individuell<br />
vor Schwitzwasser zu schützen. Nachteil dieser Lösung ist, dass im<br />
Falle der Taupunkt-Überschreitung keine Kühlung des Raumes mehr<br />
erfolgt.<br />
Fig. 7-11 Kühldecke mit lokaler Taupunktüberwachung (Beispiel <strong>Siemens</strong> Desigo RX)<br />
D3 Taupunktfühler R1 Raumgerät mit Temperaturfühler<br />
YC Kühlventil (stetig) D1 externer Kontakt (z.B. Fenster)<br />
N1 Einzelraumregler D2 Präsenzmelder<br />
t<br />
107
108<br />
7.4.1.3 Zentrale Führung der<br />
Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach einem kritischen Raum<br />
Der Kondensatwächter muss am kältesten Punkt angebracht werden<br />
(Kaltwassereintritt), sowie die Raumluftfeuchte gut erfassen können.<br />
Bei Decken mit feuchteempfindlicher Oberfläche ist diese Lösung nicht<br />
zu empfehlen.<br />
ϑ CW<br />
2<br />
3<br />
1<br />
4<br />
5<br />
Fig. 7-12 Lokale Taupunkt-Überwachung mit Kondensatwächter<br />
(z.B. <strong>Siemens</strong> QFX 21, rechts)<br />
1 Taupunktemperatur der Aussenluft, Abluft oder eines Referenzraumes<br />
2 Kühlwasser-Vorlauftemperatur zentral geführt<br />
3 Sicherheitszone<br />
4 Taupunkttemperatur eines kritischen Raumes<br />
5 Kühlung unterbrochen im kritischen Raum durch Kondensatwächter<br />
Die Taupunkt-Überwachung erfolgt in Sequenz zu der zentralen Kühlwasser-Vorlauftemperatur-Regelung<br />
<strong>und</strong> der lokalen Taupunktberechnung.<br />
Die zulässige Kühlwasser-Vorlauftemperatur wird für den kritischen<br />
Raum aus Raumfeuchte <strong>und</strong> Temperatur individuell berechnet<br />
<strong>und</strong> – wenn nötig – zentral angehoben. Für den kritischen Raum muss<br />
der Kühlwasser-Anschluss mit einer temperaturvariablen hydraulischen<br />
Schaltung (z.B. Beimisch- oder Einspritz-Schaltung) erfolgen.<br />
ϑ CW<br />
2<br />
3<br />
1<br />
4<br />
5<br />
3<br />
Fig. 7-13 Zentrale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach der<br />
Raumluft-Temperatur<br />
1 Taupunktemperatur der Aussenluft, Abluft oder eines Referenzraumes<br />
2 Kühlwasser-Vorlauftemperatur zentral geführt<br />
3 Sicherheitszone<br />
4 Taupunkttemperatur eines kritischen Raumes<br />
5 Kühlwasser-Vorlauftemperatur berechnet für den kritischen Raum<br />
t<br />
t
7.4.1.4 Lokale Führung der<br />
Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
nach dem Raumzustand<br />
7.5 Druck- <strong>und</strong> Volumenstromregelungen<br />
in <strong>Lüftungs</strong>anlagen<br />
Die Taupunkt-Überwachung erfolgt individuell in jeden Raum. Die zulässige<br />
Kühlwasser-Vorlauftemperatur wird in jedem Raum aus Temperatur<br />
<strong>und</strong> Raumfeuchte berechnet <strong>und</strong> – wenn nötig – in diesem Raum<br />
angehoben. Der Kühlwasser-Anschluss erfolgt mit einer temperaturvariablen<br />
hydraulischen Schaltung (z.B. Beimisch- oder Einspritz-Schaltung).<br />
ϑ CW<br />
2 3<br />
1<br />
Fig. 7-14 Lokale Führung der Kühlwasser-Vorlauftemperatur nach dem Raumzustand<br />
1 Taupunkttemperatur des Raumes<br />
2 Kühlwasser-Vorlauftemperatur<br />
3 Sicherheitszone<br />
Bei vielen Grossanlagen (z.B. zentrale Luftaufbereitung mit Einzelraumregelungen)<br />
besteht oft die sehr wichtige Forderung, dass variierende<br />
Luftvolumenströme bei gleichbleibendem Druck gefördert werden. Die<br />
durch Drosselung oder Abschaltung des Luftstromes einzelner Räume<br />
oder Zonen entstehenden unterschiedlichen Kanaldrücke bewirken<br />
sonst in den anderen Räumen oder Zonen eine entsprechende Erhöhung<br />
des Zuluft-Volumenstromes <strong>und</strong> die damit verb<strong>und</strong>enen Zug- <strong>und</strong><br />
Geräuschbelästigungen. In andern Anlagen – so z.B. für gewisse Räu -<br />
me in Krankenhäusern, Fabrikationsgebäuden, Bürogebäuden usw. –<br />
wird ein Überdruck oder Unterdruck gegenüber der Aussenluft oder<br />
benachbarten Räumen gefordert.<br />
Die Regelung einer Luft-Druckdifferenz oder eines Luftvolumenstromes,<br />
zur Anpassung an den Bedarf, kann z.B. durch folgende Stellgrössen-Änderungen<br />
geschehen:<br />
• Stufenlose Drehzahlsteuerung des Ventilator-Antriebsmotors<br />
• Polumschaltbarer Elektromotor (stufenweise Drehzahländerung)<br />
• Dralldrosselregelung: Im Luftstrom wird vor dem Eintritt in das Laufrad<br />
des Ventilators, durch verstellbare Leitschaufeln, ein mehr oder<br />
weniger starker Drall <strong>und</strong> damit Druckabfall erzeugt.<br />
• Laufradschaufelregelung (nur für Axialventilatoren): Der Anstellwinkel<br />
der Laufradschaufeln ist – über ein im Zentrum des Laufrades<br />
eingebautes Getriebe – im Lauf stufenlos verstellbar. (Kostspielige<br />
Lösung für grosse Industrie-Ventilatoren)<br />
• Parallelbetrieb mehrerer kleinerer Ventilatoren statt eines einzigen<br />
grossen Ventilators. Einer der Ventilatoren kann noch zusätzlich mit<br />
einer stufenlosen Drosselsteuerung ausgerüstet sein, während die<br />
andern, je nach Belastung, zu- oder weggeschaltet werden.<br />
• Einstellbare Bypassklappe (Kurzschluss) über dem Ventilator: Je<br />
nach Luftklappenstellung wird ein variabler Anteil der vom Ventilator<br />
geförderten Luft vom Ventilator-Austritt (Druckseite) wieder zum<br />
Ventilator-Eintritt (Saugseite) zurückgeführt.<br />
• Verstellbare Abluftklappen: Je nach Stellung der Abluftklappen verändert<br />
sich der Luftwiderstand des Abluftkanals. Dadurch resultiert<br />
ein veränderlicher Überdruck im belüfteten Raum.<br />
t<br />
109
110<br />
7.5.1 Regelung des Zuluftdruckes<br />
Wenn in einem verzweigten Kanalnetz Teilbereiche gedrosselt oder<br />
abgeschaltet werden müssen, ohne dass in Betrieb stehende Anlagen<br />
beeinflusst werden dürfen, dann muss der Zuluftkanal auf einem<br />
bestimmten Druck oder auf einer bestimmten Druckdifferenz zur<br />
Umgebung gehalten werden (Fig. 7-15).<br />
Der stetige Regler (1) vergleicht die vom Fühler (2) gemessene<br />
Druckdifferenz (Druck im Kanal gegenüber Umgebung) mit dem Sollwert.<br />
Bei einer Abweichung korrigiert der Regler den Förderdruck des<br />
Ventilators (3) über die Drehzahl, das Leitgerät oder (alternativ) die<br />
Bypassluftklappen (4).<br />
4<br />
3<br />
n<br />
u<br />
�p 2<br />
Fig. 7-15 Regelung des Zuluftdruckes in einem verzweigten Kanalnetz<br />
1 Zuluft-Druckregler<br />
2 Druckdifferenzfühler<br />
3 Drehzahlsteuerung des Ventilators<br />
4 Bypassklappe mit stetigem Antrieb (alternativ)<br />
5 Verschiedene Zonen<br />
Heute sind Frequenzumrichter (3) auf dem Markt, die den Druckregler<br />
(1) schon miteingebaut haben <strong>und</strong> den direkten Anschluss eines Druck -<br />
differenzfühlers (2) ermöglichen.<br />
Fig. 7-16 Frequenzumrichter mit eingebauter Druckregelung (z.B. <strong>Siemens</strong> SED2)<br />
1<br />
p<br />
w<br />
B77-8<br />
5
7.5.2 Überdruck- oder Unterdruck -<br />
regelung eines Raumes<br />
aseptisch / septisch<br />
Bei diesen Regelungen wird im belüfteten Raum gegenüber der Aus -<br />
sen luft <strong>und</strong> benachbarten Räumen ein Überdruck oder ein Unterdruck<br />
erzeugt. Über- oder Unterdruck in einem Raum kann erreicht werden<br />
z.B. durch unterschiedliche Förderleistung des Zuluft- <strong>und</strong> Abluftventi -<br />
lators, Veränderung des Luftwiderstandes im Luftkanal durch Klappen<br />
usw.<br />
Wird ein Raum auf Überdruck gehalten, so wird der Zustrom <strong>von</strong> unerwünschter,<br />
unreiner Luft durch <strong>und</strong>ichte Stellen verhindert (Fig. 7-17).<br />
Die Überdruckregelung wird z.B. in Labors <strong>und</strong> Fabrikationsräumen für<br />
empfindliche elektronische, optische <strong>und</strong> mechanische Geräte, <strong>und</strong><br />
auch in Operationssälen <strong>von</strong> Krankenhäusern (zur Vermeidung <strong>von</strong> In -<br />
fektionen) angewendet. Ein bestimmter Überdruck wird erzeugt, indem<br />
der Zuluftstrom konstant gehalten wird <strong>und</strong> der Regler (1) durch die<br />
Abluftklappe (3) den Abluftstrom in Abhängigkeit des gewünschten<br />
Raum-Überdruckes (Fühler 2) drosselt oder die Drehzahlsteuerung des<br />
Ventilators (4) verstellt.<br />
Bei der Unterdruckregelung eines Raumes wird die Ausbreitung<br />
schlechter Luft in Nebenräume verhindert. Sie findet daher hauptsächlich<br />
Anwendung bei Räumen mit starker Luftverunreinigung durch<br />
Gase, Dämpfe oder Gerüche wie z.B. Küchen, WC-Anlagen, Garderoben,<br />
Laboratorien, Fabrikationsräumen, Akkuräumen usw. In Operationssälen<br />
<strong>von</strong> Krankenhäusern wird im Unterdruckbetrieb die Ausbreitung<br />
<strong>von</strong> Bakterien verhindert. Zur Erzeugung <strong>von</strong> Unterdruck hält man<br />
den Abluftstrom konstant <strong>und</strong> drosselt den Zuluftstrom entsprechend<br />
dem geforderten Raum-Unterdruck.<br />
3<br />
Fig. 7-17 Überdruckregelung in einem Raum<br />
1 Druckregler<br />
2 Druckdifferenzfühler<br />
3 Abluftklappe mit stetigem Antrieb<br />
4 Abluftventilator mit Leistungssteuerung (alternativ)<br />
4<br />
Im Zusammenhang mit Über- <strong>und</strong> Unterdruckregelung wird z.B. in<br />
Krankenhäusern oft auch <strong>von</strong> aseptischen <strong>und</strong> septischen Räumen<br />
gesprochen.<br />
Aseptisch steht für steril, keimfrei. Aseptische Räume sind also keimfreie<br />
Räume, in die keine Verunreinigungen eindringen dürfen � Überdruck<br />
erforderlich.<br />
Septisch stammt vom griechischen Wort sepis <strong>und</strong> bedeutet faulig,<br />
verlaufen. Septische Räume sind Räume, die verunreinigt sind, z.B.<br />
durch Krankheitserreger, Bakterien, ... <strong>und</strong> aus denen diese nicht austreten<br />
dürfen � Unterdruck. erforderlich.<br />
n<br />
u<br />
1<br />
p<br />
2<br />
�p<br />
w<br />
B77-9<br />
111
112<br />
7.5.3 Luftvolumenstromregelung<br />
Die Luftvolumenstromregelung wird z.B. in Anlagen angewendet, in<br />
denen der Luftvolumenstrom trotz zunehmendem Verschmutzungsgrad<br />
(= Druckabfall) des Luftfilters konstant bleiben soll oder in denen<br />
ein Luftvolumenstrom variabel ist <strong>und</strong> ein anderer proportional dazu<br />
verändert werden muss. Als Beispiel dazu dient ein Fabrikationsbetrieb,<br />
in welchem der Abluftvolumenstrom wegen verschiedener<br />
Absaugeinrichtungen oft ändert <strong>und</strong> der Zuluftvolumenstrom – trotz<br />
Undichtheit des Gebäudes – zur Erzeugung eines leichten Über- oder<br />
Unterdruckes proportional dazu angepasst werden muss (Fig. 7-18).<br />
Eine stabile Regelung gewährleistet auch hier die Kaskaden-Regelung.<br />
Messwert für den Luftvolumenstrom im Zuluft- <strong>und</strong> Abluftkanal ist sein<br />
dynamischer Druck, d.h. die Differenz zwischen dem Gesamtdruck <strong>und</strong><br />
dem statischen Druck. Als Messwertgeber dienen Druckdifferenzfühler<br />
mit Membranen zur Aufnahme der Druckdifferenz. Bei der Kaskaden-<br />
Regelung (Fig. 7-18) erfasst der Druckdifferenzfühler (2) den Zuluftvolumenstrom<br />
<strong>und</strong> der Druckdifferenzfühler (3) den Abluftvolumenstrom.<br />
Der Zuluftvolumenstrom-Regler (1, Folgeregler) regelt den Zuluftvolumenstrom<br />
in Abhängigkeit des Abluftvolumenstromes, d.h. bei einer<br />
Änderung des Abluftvolumenstromes ändert der Abluftvolumenstrom-<br />
Regler (4, Führungsregler) den Sollwert des Zuluftvolumenstrom-<br />
Reglers, entsprechend dem eingestellten Kaskadeneinfluss (siehe auch<br />
Kap. 1, Abs. 1.5). Stellglied des Regelkreises ist z.B. eine Einrichtung<br />
(5) zur Änderung der Ventilatordrehzahl oder ein Klappenantrieb. Da hier<br />
der Abluftvolumenstrom als Führungsgrösse für den Zuluftvolumenstrom<br />
dient, haben Druckeinflüsse <strong>von</strong> aussen oder <strong>von</strong> benachbarten<br />
Räumen keinen Einfluss.<br />
Fig. 7-18 Regelung des Zuluftvolumenstroms in Abhängigkeit des Abluftvolumenstroms<br />
1 Zuluft-Volumenstromregler<br />
2 Zuluft-Druckdifferenzfühler<br />
3 Abluft-Druckdifferenzfühler<br />
4 Abluft-Volumenstromregler<br />
5 Drehzahlsteuerung des Zuluftventilators
7.6 Kühlung durch intensive<br />
Nachtlüftung<br />
Einschalt-Bedingungen<br />
Ausschalt-Bedingungen<br />
In Perioden mit hohen Tagestemperaturen wird mit der intensiven<br />
Nachtlüftung, besonders in Gebäuden mit grossen Wärmespeichermassen,<br />
der Kühlenergieverbrauch reduziert, indem während der Nacht<br />
die Räume (Speichermassen) mit kühler Aussenluft für den folgenden<br />
Tag vorgekühlt werden.<br />
Um einen energie-optimalen Betrieb der intensiven Nachtlüftung zu<br />
gewährleisten, muss diese an das Gebäude «angepasst» werden.<br />
Diese Anpassung erfolgt am Steuergerät (Fig. 7-19) durch entsprechendes<br />
Einstellen der Uhrzeiten <strong>und</strong> Temperatur-Grenzwerte für die Ein<strong>und</strong><br />
Ausschaltbedingungen.<br />
Die intensive Nachtlüftung wird eingeschaltet, wenn folgende Bedingungen<br />
gleichzeitig erfüllt sind:<br />
• die Aussenlufttemperatur liegt über dem eingestellten Minimal-<br />
Grenzwert <strong>von</strong> 12 bis 14 °C<br />
• die Raumtemperatur liegt über dem eingestellten Maximal-<br />
Grenzwert<br />
• die Differenz zwischen Raum- <strong>und</strong> Aussenlufttemperatur ist grösser<br />
als die eingestellte Differenz<br />
Die intensive Nachtlüftung wird ausgeschaltet:<br />
• durch das Zeitschaltprogramm<br />
oder<br />
• frühestens nach Ablauf der eingestellten Minimal-Betriebszeit,<br />
wenn eine der obenstehenden Einschaltbedingungen nicht mehr<br />
erfüllt ist<br />
In der Anlagen-Betriebsart «Intensive Nachtlüftung» werden:<br />
• Auf-/Zu-Luftklappen ganz geöffnet<br />
• stetige Luftklappen ungeregelt auf die Maximalstellung gesteuert<br />
(Umluftklappen geschlossen)<br />
• 1-stufige Ventilatoren eingeschaltet<br />
• 2-stufige Ventilatoren auf der höheren Drehzahlstufe betrieben<br />
Nicht in Betrieb genommen sind Lufterwärmer, Wärmerückgewinnung<br />
<strong>und</strong> Regelung.<br />
2<br />
Q1<br />
Fig. 7-19 Prinzip der intensiven Nachtlüftung<br />
1 Raumtemperaturfühler<br />
2 Aussentemperaturfühler<br />
3 Steuergerät oder Steuerprogramm<br />
4 Zeitschaltprogramm<br />
Q1 Steuersignal für die Luftklappen<br />
Q2 Steuersignal für die Ventilatoren<br />
Q2<br />
3<br />
4<br />
1<br />
B77-11<br />
113
114<br />
7.7 Brandfallsteuerung<br />
7.7.1 Brandabschaltung<br />
7.7.2 Entrauchungsbetrieb<br />
Wird <strong>von</strong> der Brandmelde-Anlage ein Brand im Gebäude gemeldet,<br />
übernimmt die Brandfallsteuerung den Anlagenbetrieb. Diese umfasst<br />
folgende Funktionen:<br />
• Ausschalten der Anlage <strong>und</strong> der Anlagenelemente<br />
• Melden des Brandes am Prozessgerät, an die Brandmeldezentrale<br />
<strong>und</strong> extern durch Alarmhorn oder Lampe<br />
• Entrauchen des Gebäudes nach dem Brand<br />
Durch die Brandmeldung wird die Anlage in den Betriebszustand<br />
Brandabschaltung geschaltet. Dabei werden – je nach Anlagenkonfiguration<br />
– die folgenden Schaltungen vorgenommen:<br />
• Ausschalten der Ventilatoren<br />
• Schliessen der Aussenluft-/Fortluft-Klappen<br />
• Schliessen der Brandschutzklappen mit Motorantrieb<br />
Die Entrauchungsfunktion ermöglicht nach dem Brand das Entfernen<br />
<strong>von</strong> Rauch <strong>und</strong> Wärme aus dem Gebäude. Nur im Betriebszustand<br />
Brandabschaltung kann die Anlage durch den Entrauchungsbefehl<br />
des Feuerwehrschalters in den Betriebszustand Entrauchungsbetrieb<br />
geschaltet werden. Je nach Anlage stehen dazu folgende Ent rau -<br />
chungs möglichkeiten zur Verfügung:<br />
In Anlagen ohne Überdruck- oder Unterdruckgefahr:<br />
• Entrauchen nur mit Zuluftventilator<br />
• Entrauchen nur mit Abluftventilator<br />
• Entrauchen gleichzeitig mit Zuluft- <strong>und</strong> Abluftventilator<br />
In Anlagen mit Überdruck- oder Unterdruckgefahr:<br />
• Entrauchen gleichzeitig mit Zuluft- <strong>und</strong> Abluftventilator<br />
Je nach Entrauchungskonzept werden stetige Klappen, entsprechende<br />
Auf-/Zu- <strong>und</strong> Brandschutzklappen geöffnet, sowie entsprechende Ventilatoren<br />
eingeschaltet:<br />
Ein Entrauchungsbetrieb mit drehzahlgesteuerten Ventilatoren ist in<br />
VVS-Anlagen nur möglich, wenn die Drosselklappen der Luftvolumenstromregelungen<br />
in den einzelnen Zonen ganz geöffnet sind. In diesen<br />
Anlagen muss deshalb im Entrauchungsbetrieb ein Schaltbefehl zum<br />
Öffnen der Drosselklappen ausgelöst werden.
8. <strong>Regeln</strong> <strong>und</strong> <strong>Steuern</strong> der Luftnachbehandlung<br />
8.1 Allgemeines<br />
8.2 Einkanal-Anlage mit<br />
Zonen-Nachbehandlung<br />
Zweck der Luftnachbehandlung ist die Anpassung der Zuluft an die<br />
Komfortbedürfnisse einzelner Räume oder Raum-Zonen eines Gebäudes.<br />
Übergeordnetes Ziel ist dabei die Optimierung des Energieverbrauchs.<br />
Dieses Ziel wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass nur<br />
soviel Komfort wie nötig, <strong>und</strong> dieser nur dann geboten wird, wenn er<br />
auch genutzt, bzw. angefordert wird. Es hat beispielsweise keinen<br />
Sinn, Büroräume oder Hotelzimmer auf Komfort zu halten, wenn sich<br />
niemand darin aufhält.<br />
Der unterschiedliche Wärmeanfall in einzelnen Räumen oder Zonen<br />
erfordert eine individuelle Anpassung der Heiz- oder Kühlleistung, entweder<br />
durch Temperatur- oder Volumenstromänderung der Zuluft. Wie<br />
diese Anpassung in den gebräuchlichen Anlagentypen steuer- <strong>und</strong><br />
regeltechnisch erfolgen kann, wird in diesem Kapitel erklärt. Das Funktionsprinzip<br />
dieser Anlagen wird im Trainingsmodul B01HV «Einführung<br />
in die HLK- <strong>und</strong> Gebäudetechnik», Kapitel 7 «Einführung in die Luft<strong>und</strong><br />
Klimatechnik» behandelt.<br />
Die in der Zentrale vorbehandelte Zuluft wird für jeden Raum oder jede<br />
Zone, entsprechend dem gewünschten Raumluftzustand, nachbehandelt.<br />
Diese Nachbehandlung kann die Funktionen Nachwärmen, Nachkühlen,<br />
Nachentfeuchten oder Nachbefeuchten beinhalten.<br />
In Einkanal-Anlagen mit terminaler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 8-1)<br />
erfolgt die Nachbehandlung nahe bei den Zonen. Die Stellsignale der<br />
Raum- oder Zonenregler (7) steuern direkt die Stellgeräte der Nachbehandlungs-Komponenten<br />
(3+4), entsprechend dem individuellen Leis -<br />
tungsbedarf.<br />
Fig. 8-1 Einkanal-Anlage mit terminaler Zonen-Nachbehandlung<br />
1 Zentrale Luftaufbereitung<br />
2 Zuluftkanal<br />
3 Lufterwärmer als Nachbehandlungseinheit<br />
4 Luftkühler als Nachbehandlungseinheit<br />
5, 6 Raum oder Raumzone<br />
7 Raum- oder Zonentemperatur-Regelgerät<br />
In Einkanal-Anlagen mit zentraler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 8-2)<br />
erfolgt die Nachbehandlung unmittelbar nach der Zentrale. Die Stell -<br />
signale der Raum- oder Zonenregler steuern direkt die Stellgeräte der<br />
Nachbehandlungs-Komponenten, entsprechend dem individuellen Leis -<br />
tungsbedarf. Die Stellsignalleitungen müssen allerdings <strong>von</strong> den einzelnen<br />
Räumen oder Zonen zum Schaltschrank der Luftaufbereitungszentrale<br />
geführt werden. Um Energieverschwendung zu vermeiden, sollten<br />
die gleichzeitig erforderlichen Zulufttemperaturen der einzelnen<br />
Zonen nicht zu stark <strong>von</strong>einander abweichen.<br />
115
116<br />
8.3 Mehrzonen-Anlage mit<br />
Mehrzonenzentrale<br />
Fig. 8-2 Einkanal-Anlage mit zentraler Zonen-Nachbehandlung<br />
1 Zentrale Luftaufbereitung<br />
2 Zonen-Nachwärmer<br />
3 Zonen-Heizventil<br />
I...III Zonen-Zuluft<br />
R1...R3 Zonen-Temperaturregler<br />
In der Zentrale (Fig. 8-3) erfolgt zuerst die Aussenluft-/Umluft-<br />
Mischung, die Filterung <strong>und</strong> die Vorwärmung der gesamten Zuluftmenge.<br />
Nach dem Zuluftventilator wird der Zuluftstrom in zwei Teilströme<br />
aufgeteilt (Fig. 8-4). Ein Teilstrom wird durch den Nachwärmer, der<br />
andere durch den Kühler geblasen. In den anschliessenden Zonenklappen<br />
(5) wird durch Mischen <strong>von</strong> Kalt- <strong>und</strong> Warmluft die individuell erforderliche<br />
Zulufttemperatur für jede Zone gemischt. Die Zonenklappen<br />
sind ver tikal angeordnet <strong>und</strong> je eine Kalt- <strong>und</strong> Warmluftklappe sitzt auf<br />
der gemeinsamen Klappenachse. Die Kaltluftklappe ist gegenüber der<br />
Warmluftklappe um 90 Winkelgrade verdreht, so dass bei geschlossener<br />
Kaltluft- die Warmluftklappe ganz geöffnet ist.<br />
Fig. 8-3 Mehrzonen-Anlage<br />
1 Mehrzonenzentrale<br />
2 Zuluftkanäle<br />
3 Verschiedene Zonen<br />
1<br />
2<br />
3<br />
3<br />
3<br />
B78-4
8.4 Zweikanal-Anlagen<br />
Fig. 8-4 Funktionsweise einer Mehrzonen-Anlage<br />
1 Vorwärmer 5 Zonenklappen<br />
2 Zuluft-Ventilator 6 Zonen-Temperaturregler<br />
3 Nachwärmer A Warmluft<br />
4 Luftkühler B Kaltluft<br />
Bezüglich Heiz- <strong>und</strong> Kühlenergieverbrauch (Mischungs-Verluste) ist es<br />
vorteilhaft, wenn die Zulufttemperaturen für die einzelnen Zonen nur<br />
geringe Unterschiede (< 5 K) aufweisen.<br />
Die Mischung der Warm- <strong>und</strong> Kaltluft nach dem individuellen Bedarf<br />
der einzelnen Räume erfolgt in speziell dafür konstruierten Mischkästen,<br />
die in den Räumen (Zwischendecken) installiert sind. Das Mischverhältnis<br />
wird durch die einzelnen Raumtemperatur-Regler gesteuert.<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2 3<br />
Fig. 8-5 Zweikanal Anlage mit Entfeuchtung des Gesamt-Zuluftstromes<br />
1 Zentrale Luftaufbereitung<br />
2 Nachwärmer<br />
3 Dampfbefeuchter<br />
4 Warmluftkanal<br />
5 Kaltluftkanal<br />
6 Mischkästen (Mischboxen)<br />
6<br />
3<br />
Die Zulufttemperatur-Sollwerte bleiben nicht konstant, sondern die<br />
Warmlufttemperatur entspricht dem jeweils höchsten <strong>und</strong> die Kaltlufttemperatur<br />
dem jeweils tiefsten Zulufttemperatur-Sollwert aller angeschlossenen<br />
Raumtemperatur-Regler (Fig. 8-6). Die moderne Digitaltechnik<br />
ermöglicht, diese aktuellen Werte über einen Gebäudebus<br />
abzufragen <strong>und</strong> daraus den jeweiligen Maximal- <strong>und</strong> Minimalwert auszuwählen.<br />
Dadurch lassen sich die Mischverluste verringern. Räume mit maxi -<br />
maler Kühllast erhalten nur Kaltluft, solche mit maximaler Heizlast nur<br />
Warmluft <strong>und</strong> Räume mit Teillast ein Gemisch <strong>von</strong> Kalt- <strong>und</strong> Warmluft.<br />
4<br />
4<br />
5<br />
5<br />
6 6<br />
B78-6<br />
B<br />
A<br />
6<br />
B78-5<br />
117
118<br />
1<br />
Fig. 8-6 Zweikanal-Anlage mit Teil-Entfeuchtung der Zuluft<br />
1 Zentrale Luftaufbereitung 6 Mischkasten (Mischbox)<br />
2 Nachwärmer 7 Warmluftregler<br />
3 Kühler 8 Kaltluftregler<br />
4 Warmluftkanal 9 Sollwert-Führungsgeber<br />
5 Kaltluftkanal 10 Max.-/Min.-Auswahl der Stellsignale<br />
R1...R3 Raum- oder Zonen-<br />
Temperaturregler<br />
Die Luft für den Kaltluftkanal wird in der Zentrale auf die erforderliche<br />
Temperatur gebracht <strong>und</strong> entfeuchtet, diejenige für den Warmluftkanal<br />
geheizt <strong>und</strong> eventuell befeuchtet. Die Anordnung des Luftkühlers<br />
gemäss Fig. 8-5 ermöglicht eine geregelte Entfeuchtung des Gesamt-<br />
Zuluftstroms. Zusammen mit der Dampfbefeuchtung im Warmluftkanal<br />
ergibt diese Anordnung eine Vollklimaanlage mit Raumtemperatur <strong>und</strong><br />
Feuchteregelung. Dieser Komfort muss jedoch mit relativ hohem Energieverbrauch<br />
für das Entfeuchten <strong>und</strong> anschließende Nachwärmen der<br />
Zuluft bezahlt werden <strong>und</strong> wird deshalb nur noch in speziellen Fällen<br />
bewilligt. Die Anordnung gemäss Fig. 8-6 mit nur teilweiser, unkontrollierter<br />
Entfeuchtung des Kaltluftstroms durch Wasserausscheidung,<br />
entspricht deshalb der Standardlösung für normale Komfortansprüche.<br />
Fig. 8-7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zweikanal-Mischkastens.<br />
Die Mischkästen sind mit einer Luftmischeinrichtung (Ventile oder Klappen)<br />
ausgerüstet. Ferner enthalten sie einen mechanischen Volumenstrom-Regler,<br />
der den Zuluft-Volumenstrom – auch bei Druckschwankungen<br />
in den Zuluftkanälen – konstant hält. Mischkästen mit variablem<br />
Kaltluft-Volumenstrom sind ebenfalls erhältlich (Fig. 8-8).<br />
6<br />
w<br />
Fig. 8-7 Aufbau eines Zweikanal-Mischkastens<br />
1 Kaltluft-Eintritt<br />
2 Warmluft-Eintritt<br />
3 Luft-Mischventil mit Stellantrieb<br />
4 Konstant-Volumenstrom-Regler<br />
5 Zuluft<br />
6 Raumtemperatur-Regelgerät<br />
2<br />
3<br />
B78-8<br />
6<br />
4<br />
5<br />
7<br />
8<br />
9<br />
9<br />
R 1 R 2 R 3<br />
MAX 10 MIN<br />
B78-7
6<br />
Fig. 8-8 Zweikanal-Mischkasten mit variabler Kaltluft-Volumenstrom-Regelung<br />
1 Kaltluft-Eintritt<br />
2 Warmluft-Eintritt<br />
3 Luft-Mischventil mit Stellantrieb<br />
4 Konstant-Volumenstrom-Regler<br />
5 Zuluft<br />
6 Raumtemperatur-Regelgerät<br />
7 Kaltluft-Volumenstrom-Regler (50 bis 100 %)<br />
Die Raumtemperaturregelung erfolgt gemäss Fig. 8-9. Der PI-Regler (1)<br />
vergleicht die vom Fühler (2) gemessene Raumtemperatur mit dem<br />
eingestellten Sollwert. Bei einer Abweichung verändert er über den<br />
Stellantrieb (3) das Kalt-/Warmluft-Mischverhältnis <strong>und</strong> damit auch die<br />
Zulufttemperatur solange, bis die Regelabweichung beseitigt ist.<br />
4<br />
1<br />
0<br />
w<br />
Y<br />
�<br />
Y1<br />
0 +<br />
3<br />
B78-9<br />
Fig. 8-9 Einzelraum-Temperaturegelung mit Zweikanal-Anlage<br />
1 Raumtemperatur-Regler<br />
2 Raumgerät mit Temperaturfühler<br />
3 Stellantrieb für Mischklappen oder -ventile<br />
4 Wirkdiagramm der Raumtemperaturregelung<br />
Q<br />
3<br />
1<br />
Werden digitale, kommunikationsfähige Raumtemperaturregler eingesetzt,<br />
dann übernimmt das Gebäudeleit-System zusätzlich folgende<br />
Funktionen:<br />
• Vorgabe der Sollwerte für Comfort- oder Sparbetrieb<br />
• Vorgabe sämtlicher Regelparameter<br />
• Abfrage der aktuellen Stellsignale zur Führung der Kanaltemperatur-<br />
Sollwerte<br />
• Überwachung aller Raumtemperatur-Regelkreise Luftkühlanlagen<br />
mit variablem Volumenstrom (VVS)<br />
W<br />
2<br />
B78-10<br />
119
120<br />
8.5 Funktionsprinzip der VVS-Anlagen<br />
VVS-Anlagen (Variabler Volumen-Strom) ist gr<strong>und</strong>sätzlich ein Kühl -<br />
system <strong>und</strong> muss deshalb für den Heizbetrieb mit einem geeigneten<br />
Heiz system (Radiatorenheizung oder Bodenheizung) kombiniert werden.<br />
Die gesamte Kühlleistung wird durch die Zuluft erbracht. Die<br />
Zulufttemperatur bleibt dabei auf einem vorgegebenen Sollwert <strong>und</strong><br />
die Raumtemperatur wird durch Variieren des Zuluft-Volumenstromes<br />
auf dem gewünschten Sollwert gehalten. Eine Zonenaufteilung des<br />
Gebäudes erübrigt sich, denn der Zuluft-Volumenstrom kann in jedem<br />
Raum individuell an die sensible Kühllast angepasst werden. Bei Verwendung<br />
geeigneter Luftauslässe, kann zudem die Temperaturdifferenz<br />
zwischen Raum- <strong>und</strong> Zuluft, gegenüber konventionellen Anlagen,<br />
wesentlich erhöht werden.<br />
Bei der in Fig. 8-10 dargestellten VVS-Anlage wird die zentral aufbereitete<br />
Zuluft durch ein Einkanalsystem den zu klimatisierenden Räumen<br />
zugeführt <strong>und</strong> dort – je nach individueller Kühllast – mengenvariabel<br />
eingeblasen.<br />
1<br />
2<br />
5<br />
6<br />
Fig. 8-10 Variable Volumenstrom-Anlage (VVS)<br />
1 Aussenluft<br />
2 Fortluft<br />
3 Zuluft<br />
4 Abluft<br />
5 Luftklappen<br />
6 Einzonen-Zentrale<br />
7 VVS-Boxen (Zu- <strong>und</strong> Abluft)<br />
8 Gr<strong>und</strong>lastheizung<br />
9 Raum<br />
7<br />
4<br />
8<br />
3<br />
7<br />
9<br />
B17-31
8.5.1 Einzelraum-Temperaturregelung<br />
mit VVS<br />
Eine stabile Raumtemperatur kann nur durch eine Kaskadenregelung<br />
erreicht werden. Bei einer direkt auf den Volumenstrom-Stellantrieb<br />
wirkenden Raumtemperaturregelung, würde dieser – wegen der Trägheit<br />
der Raum-Regelstrecke – nur im AUF/ZU-Betrieb arbeiten, was<br />
grosse Schwankungen der Raumtemperatur <strong>und</strong> unzumutbare Zugluft-<br />
Erscheinungen zur Folge hätte.<br />
Bei der Kaskadenregelung gemäss Fig. 8-11 führt der Raumtemperatur-<br />
Regler (1) den Sollwert des Luftgeschwindigkeits-Reglers (3), der die<br />
Auswirkung des Stelleingriffs (5) mit dem Luftgeschwindigkeits-Fühler<br />
(4) sehr schnell erfassen <strong>und</strong> stabilisieren kann.<br />
Auch in VVS-Anlagen muss normalerweise aus hygienischen Gründen<br />
ein minimaler Aussenluftanteil zugeführt werden. Deshalb wird das<br />
Stellsignal des Volumenstrom-Reglers entsprechend minimalbegrenzt.<br />
100 %<br />
Y MIN<br />
0<br />
Y<br />
5<br />
4<br />
w V<br />
3<br />
x W<br />
w V MAX<br />
w V MIN<br />
2<br />
�<br />
w � R<br />
w �R<br />
Fig. 8-11 Einzelraum-Temperaturregelung mit variablem Volumenstrom (VVS)<br />
1 Raumtemperatur-Führungsregler<br />
2 Raumgerät mit Temperaturfühler <strong>und</strong> Sollwertgeber<br />
3 Zuluftgeschwindigkeits-Folgeregler<br />
4 Luftgeschwindigkeits-Fühler<br />
5 Stellantrieb zu Volumenstrom-Regler<br />
a) Wirkdiagramm des Volumenstrom-Reglers<br />
b) Wirkdiagramm des Raumtemperatur-Reglers<br />
wV Sollwert des Volumenstrom-Reglers<br />
1<br />
w V<br />
B78-12<br />
Q<br />
121
122<br />
VVS-Regelgerät<br />
Die in Fig. 8-11 gezeigten Zuluftgeschwindigkeits-Regler (3), Luft ge -<br />
schwindigkeits-Fühler (4) <strong>und</strong> der Stellantrieb (5) werden meistens in<br />
einem Bauteil – einem VVS-Regelgerät – kombiniert.<br />
Fig. 8-12 VVS-Regelgerät mit Anschluss-Stutzen für Druckmessung<br />
(rechts: Detailansicht)<br />
– P Anschluss für «niedrigeren» Druck der Messeinrichtung<br />
+ P Anschluss für «höheren» Druck der Messeinrichtung<br />
Als Luftgeschwindigkeits-Fühler wird dabei häufig ein statischer, d.h.<br />
nicht durchströmter Druckfühler mit einer Silizium-Membrane eingesetzt<br />
(4 in Fig. 8-13). Dieser wird über Messleitungen (3) mit der Mess -<br />
einrichtung (2, z.B. Messblende, Messkreuz, usw.) der VVS-Box verb<strong>und</strong>en.<br />
Das Messsignal wird im Druckfühler direkt in ein, zum Volumenstrom<br />
proportionales, Messsignal umgewandelt.<br />
4<br />
Fig. 8-13 Druckmessung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit resp. des<br />
Luftvolumenstroms<br />
1 Luftvolumenstrom-Istwert<br />
2 Strömungswiderstand im Kanal (z.B. Messblende, Messkreuz, ...)<br />
3 Messleitungen<br />
4 Statischer Druckfühler (z.B. Silizium-Membrane)<br />
5 Druckmesseinheit mit eingebautem Druckfühler <strong>und</strong> Luftventil<br />
- P<br />
+ P<br />
5
Fig. 8-14 Druckmesseinheit mit Druckfühler (1) <strong>und</strong> Luftventil (2), das für den auto -<br />
matischen Nullpunkt-Abgleich umgestellt wird (Druckfühler erhält <strong>von</strong> beiden<br />
Seiten den niedrigeren Druck «– P»)<br />
Das VVS-Regelgerät wird üblicherweise vom VVS-Boxen-Lieferant auf<br />
die VVS-Box aufgebaut <strong>und</strong> auf die erforderliche Luftmenge (Nennvolumenstrom)<br />
eingestellt. Ebenso stellt der VVS-Boxen Lieferant den minimalen/maximalen<br />
Volumenstrom (V · min, V · max) ein.<br />
Fig. 8-15 VVS-Regelgerät aufgebaut auf VVS-Box<br />
1 2<br />
Der Raumtemperaturregler (Fig. 8-11,1), gibt dem VVS-Regelgerät die<br />
gewünschte Luftmenge in Form eines stetigen Sollwert-Signal zwischen<br />
dem minimalen <strong>und</strong> maximalen Volumenstrom (V · min...V · max)<br />
vor.<br />
+P + P<br />
Reicht dann in einzelnen Räumen die innere Wärme nicht aus, um bei<br />
dieser minimalen Kühlluftmenge, die Raumtemperatur auf dem Sollwert<br />
zu halten, müssen örtlich Nachwärmer eingebaut, <strong>und</strong> diese in<br />
Sequenz mit dem Volumenstrom geregelt werden (Fig. 8-16).<br />
- P<br />
123
124<br />
100 %<br />
Y MIN<br />
0<br />
5<br />
4<br />
Y 2<br />
Y V<br />
w V<br />
3<br />
a) b) w<br />
Fig. 8-16 Einzelraum-Temperaturregelung mit VVS <strong>und</strong> Nachwärmer<br />
Y 1<br />
x W<br />
1 Raumtemperatur-Führungsregler<br />
100 %<br />
2<br />
ϑ<br />
2 Raumgerät mit Temperaturfühler <strong>und</strong> Sollwertgeber<br />
3 Zuluftgeschwindigkeits-Folgeregler<br />
4 Luftgeschwindigkeits-Fühler<br />
5 Stellantrieb zu Volumenstromregler<br />
6 Stellantrieb zu Heizventil<br />
a) Wirkdiagramm des Volumenstrom-Reglers<br />
b) Wirkdiagramm des Raumtemperatur-Reglers<br />
Y1 Stellsignal für Heizventil<br />
Y2 Sollwertführung des Volumenstroms<br />
wV Sollwert des Volumenstrom-Reglers<br />
6<br />
1<br />
0<br />
w ϑR<br />
Y1 Y2<br />
w ϑR<br />
B78-13<br />
w V MAX<br />
w V MIN<br />
Q
8.5.2 Führung der zentralen Zuluft -<br />
temperatur durch die Sollwerte der<br />
Einzelraum-Temperaturen<br />
Um zu vermeiden, dass in den Einzelräumen zu grosse Temperatur -<br />
differenzen zwischen der Zuluft- <strong>und</strong> der Raumtemperatur, <strong>und</strong> damit<br />
Zugluft-Erscheinungen auftreten, können die Sollwerte der Raumtemperaturregler<br />
als Führungsgrösse für die Zulufttemperatur dienen. Voraussetzung<br />
für dieses Regelkonzept (Fig. 8-17) ist die Kommunikation<br />
der Einzelraum-Regler, über einen Bus, mit einem Gebäudeleit-System.<br />
Fig. 8-17 Führung der zentralen Zulufttemperatur in VVS-Anlagen<br />
1 Raumtemperatur-Sollwertgeber<br />
2 Maximal- oder Mittelwertbildung der Raumtemperatur-Sollwerte<br />
3 Sollwert-Führungsgeber für die Zulufttemperatur<br />
4 Zulufttemperaturregler<br />
5 Zulufttemperaturfühler<br />
a) Wirkdiagramm des Führungsgebers<br />
b) Wirkdiagramm des Zulufttemperatur-Reglers<br />
w1 Führungs-Basiswert<br />
w2 Zulufttemperatur-Sollwert<br />
Der Führungsgeber (3) bildet aus dem Maximal- oder Mittelwertbildner<br />
(2) den Raumtemperatur-Sollwerte (1), entsprechend dem eingestellten<br />
(oder programmierten) Führungseinfluss E2 den Sollwert für den<br />
Zulufttemperatur-Regler (4). Dieser wird dann stetig angehoben, wenn<br />
die Raumtemperatur den vorgegebenen Führungsbasiswert w1 überschreitet.<br />
125
126<br />
8.5.3 Führung des primären<br />
Luftvolumenstroms<br />
Für dieses Regelkonzept gelten die gleichen Voraussetzungen wie<br />
unter 8.5.2 erwähnt. Nur wählt hier das Gebäudeautomations-System<br />
nicht die Sollwerte, sondern die aktuellen Stellgrössen der Raumtemperaturregler<br />
als Führungsgrösse aus (Fig. 8-18).<br />
Fig. 8-18 Führung des zentralen Zuluft-Volumenstroms in VVS-Anlagen<br />
1 Stellsignal der Raumtemperaturregler<br />
2 Maximalwertauswahl der Volumenstrom-Stellsignale<br />
3 Zentraler Zuluft-Volumenstromregler<br />
4 Drehzahlsteuergerät des Zuluftventilators<br />
5 Zuluft-Ventilator<br />
Das Gebäudeautomations-System (2) wählt aus allen angeschlossenen<br />
Einzelraumreglern (1) das grösste Volumenstrom-Stellsignal aus <strong>und</strong><br />
übermittelt dieses als Istwert der Regelgrösse dem zentralen Zuluft-<br />
Volumenstromregler (3). Dieser vergleicht den Istwert mit dem programmierten<br />
Sollwert <strong>von</strong> ca. 90 % des Stellbereiches der Raumtemperaturregler.<br />
Sinkt das aktuelle Stellsignal unter den Sollwert, dann<br />
reduziert er über das Steuergerät (4) die Drehzahl des Zuluftventilators.<br />
Dadurch sinkt der Druck im Zuluftkanal <strong>und</strong> die Raumtemperaturregler<br />
müssen ihr Volumenstrom-Stellsignal erhöhen, bis das grösste daraus<br />
wieder dem Sollwert des zentralen Zuluft-Volumenstromreglers (3) entspricht.<br />
Dadurch wird vermieden, dass der Zuluftventilator einen unnötig<br />
hohen Druck erzeugt, der dann in den Luftauslässen der Räume<br />
wieder abgedrosselt werden müsste.
8.5.4 Statische Druckregelung in den<br />
Luft-Kanälen<br />
Die Drosselung der Luftauslässe durch die Einzelraum- oder Zonenregler<br />
bewirkt, bei konstanter Drehzahl des Ventilators, einen Anstieg des<br />
statischen Druckes im Verteilkanal. Dieser Druckanstieg entspricht der<br />
Steilheit der Ventilator-Kennlinie <strong>und</strong> kann durch eine Regelung des statischen<br />
Druckes (Fig. 8-19) im betreffenden Verteilkanal verhindert werden.<br />
Der effizienteste Stelleingriff des Druckreglers ist in diesem Falle<br />
die Drehzahlsteuerung der Ventilatoren in der zentralen Luftaufbereitungs-Anlage.<br />
Fig. 8-19 Statische Druckregelung in den Luftkanälen <strong>von</strong> VVS-Anlagen<br />
1 Kanal-Druckfühler<br />
2 Minimalwertauswahl der Druckmesssignale<br />
3 Zentraler Zuluftkanal-Druckregler<br />
4 Ventilator-Drehzahlsteuergeräte<br />
Die Platzierung der Kanal-Druckfühler muss besonders gut geplant werden.<br />
Sie sollen an einem Ort eingesetzt werden, wo 50...70 % des<br />
betreffenden Kanalwiderstandes, bei Vollast-Luftmenge, erfasst werden<br />
kann. Die Druckfühler (1) übermitteln über eine Minimalauswahl (2)<br />
dem Druckregler (3) den Messwert. Der Regler vergleicht diesen mit<br />
dem eingestellten Sollwert <strong>und</strong> ändert bei Abweichung die Drehzahl<br />
des Zuluftventilators. Mit einer Nachlaufsteuerung wird synchron auch<br />
die Drehzahl des Abluftventilators verändert. Bei dieser Lösung geht<br />
man da<strong>von</strong> aus, dass das Zuluft- <strong>und</strong> das Abluft-Kanalnetz in etwa die<br />
gleiche Druckabfall-Kennlinie aufweisen. Trifft dies nicht zu, <strong>und</strong> sind<br />
die Anforderungen an stabile Druckverhältnisse im den Räumen überdurchschnittlich,<br />
dann müsste anstelle der Drehzahl-Synchronisation,<br />
eine Abluft-Volumenstrom-Regelung, geführt nach dem Zuluft-Volumenstrom,<br />
eingesetzt werden.<br />
127
128<br />
8.6 Fan-Coil-Anlagen<br />
Fan-Coil-Anlagen sind ideale Luftheiz- <strong>und</strong> -kühlanlagen für Hotelzimmer.<br />
Im Heizbetrieb liefert eine aussentemperaturgeführte Zentralheizung<br />
(Fussbodenheizung) die Gr<strong>und</strong>last d.h. die Raumtemperatur wird<br />
im Sparbetrieb auf ca. 15 °C gehalten. Bei Umschaltung auf Komfort -<br />
betrieb erreicht das Fan-Coil-Gerät innerhalb wenigen Minuten die ge -<br />
wünschte Komforttemperatur. In allen anderen Räumen bleiben die<br />
Fan-Coil-Geräte auf Sparbetrieb bzw. ausgeschaltet.<br />
Das sog. «Fan-Coil-Gerät» (Fig. 8-20) wird an eine geeignete Wand des<br />
Raumes montiert <strong>und</strong> an das Kalt- <strong>und</strong> Warmwassernetz, sowie an das<br />
elektrische Stromversorgungsnetz angeschlossen. Wird das Gerät an<br />
einer Aussenwand platziert, kann durch eine Öffnung mit Hand-Einstellklappe<br />
(5), auch ein kleiner Aussenluft-Anteil mitangesaugt <strong>und</strong> der<br />
Umluft beigemischt werden.<br />
Fig. 8-20 a) Fan-Coil-Gerät mit seinen Komponenten b) Fan-Coil-Gerät<br />
mit Aussenluftkasten<br />
1 Steuer- <strong>und</strong> Regelorgane<br />
2 Rippenrohr-Wärmeübertrager<br />
3 Ventilator<br />
4 Verstellbares Zuluftgitter<br />
5 Aussenluftkasten mit Luftklappe<br />
6 Warm- oder Kaltwasser-Kreislauf (Zweileiter-System)<br />
Gr<strong>und</strong>sätzlich wird die im Raum oder in der entsprechenden Raumzone<br />
anfallende Heiz- oder Kühllast durch den Warm- <strong>und</strong> Kaltwasserkreislauf,<br />
im Zwei- oder Vierleitersystem, übernommen. Das Zweileitersys -<br />
tem kann nur zentral auf Heiz- oder Kühlbetrieb geschaltet werden<br />
(«Change over system»), während mit dem Vierleitersystem in jedem<br />
Raum individuell geheizt oder gekühlt werden kann. Je nach Bauart der<br />
Fan-Coil-Geräte, stehen für die Raumtemperatur-Regelung luft- oder<br />
wasserseitige Stellgeräte zu Verfügung. Fig. 8-21 zeigt die Regelung an<br />
einem Zweileiter-Fan-Coil mit wasserseitigem Stellgerät.<br />
Der Raumtemperaturregler (2) vergleicht die vom Fühler (1) gemessene<br />
Raumtemperatur mit dem eingestellten Sollwert. Bei einer Abweichung<br />
bewirkt er das Verstellen des Ventils (3). Je nachdem, ob im Vorlauf<br />
Warm- oder Kaltwasser zirkuliert, schaltet der «Change over»-Thermostat<br />
(4) den Regler auf Wirksinn «Heizen» oder «Kühlen». Steht der<br />
Regler auf Wirksinn «Heizen», öffnet er das Ventil bei unter den Sollwert<br />
sinkender Raumtemperatur, steht er auf Wirksinn «Kühlen», öffnet<br />
er das Ventil bei über den Sollwert steigender Raumtemperatur<br />
(vgl. Wirkdiagramm 9). Es ist dabei möglich <strong>und</strong> sinnvoll, den Kühlsollwert<br />
um 3...4 K höher als den Heizsollwert einzustellen (Totzonenregelung<br />
siehe Kapitel 1.6).
Raumgeräte bieten auch die Möglichkeit, manuell oder automatisch<br />
(Präsenzsteuerung) zwischen «Comfort»- <strong>und</strong> «Economy»-Betrieb<br />
umzuschalten. Im «Economy»-Betrieb wird auf einen ca. 5 K tieferen<br />
Sollwert geheizt <strong>und</strong> das Stellsignal «Kühlen» gesperrt. Ausserdem<br />
wird bei geschlossenem Ventil der Ventilator ausgeschaltet.<br />
Fig. 8-21 Wasserseitige Regelung <strong>und</strong> Steuerung eines Fan-Coil-Gerätes<br />
(Zweileitersystem)<br />
1 Raumgerät mit Temperaturfühler <strong>und</strong> Drehzahlschalter<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Stellgerät zum Lufterwärmer/-kühler<br />
4 «Change over»-Thermostat<br />
5 Ventilator-Drehzahlsteuergerät<br />
6 Umluft<br />
7 Aussenluft<br />
8 Zuluft<br />
9 Wirkdiagramm des Raumtemperaturreglers<br />
In grösseren Gebäuden (Hotels) werden die Fan-Coils mit digitalen,<br />
kommunikationsfähigen Regel- <strong>und</strong> Steuergeräten betrieben, welche<br />
<strong>von</strong> einem Gebäudeautomations-System über einen Bus geführt <strong>und</strong><br />
überwacht werden.<br />
Dieses System übernimmt dann folgende Funktionen:<br />
• Vorgabe der Normal-Sollwerte für den «Comfort»- <strong>und</strong> «Economy»-<br />
Betrieb<br />
• Aufschaltung <strong>von</strong> Sollwert-Führungseinflüssen<br />
• Vorgabe sämtlicher Regelparameter<br />
• Sperrung des «Comfort»-Betriebs<br />
• Überwachung der Regel- <strong>und</strong> Steuerfunktionen<br />
129
130<br />
8.7 Induktionsanlagen<br />
Induktionsgerät<br />
Anstelle eines Ventilators enthalten die Induktionsgeräte eine<br />
geräuschabsorbierende Primärluft-Kammer mit aufgesetzten Kunststoffdüsen,<br />
durch welche die Primärluft mit hoher Geschwindigkeit in<br />
eine Mischkammer ausgeblasen wird <strong>und</strong> dort Unterdruck erzeugt (Fig.<br />
8-22). Durch diesen Unterdruck wird Raumluft als sog. «Sek<strong>und</strong>ärluft»<br />
angesaugt (induziert) <strong>und</strong> dabei durch die Rippenrohr-Wärmeübertrager<br />
geführt, wo sie nach Bedarf erwärmt oder gekühlt wird.<br />
Fig. 8-22 Funktionsprinzip einer Induktionsanlage<br />
1 Zentrale Primärluft-Aufbereitung<br />
2 Primärluft-Kanal (Hochgeschwindigkeits-System)<br />
3 Heizkessel<br />
4 Wasser-Kühlmaschine<br />
5 Raum<br />
6 Induktionsgerät (Zweileitersystem)<br />
Fig. 8-23 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Induktionsgerätes. Die<br />
Primärluft wird mit hoher Geschwindigkeit in die Staukammer (4) eingeblasen,<br />
wo der dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt<br />
wird. Dieser statische Druck bewirkt dann, dass die Primärluft sich<br />
gleichmässig auf alle Düsen verteilt <strong>und</strong> wieder mit hoher Geschwindigkeit<br />
in die Mischkammer ausgeblasen wird. Durch die Injektorwirkung<br />
dieser Luftströme entsteht ein Unterdruck zur Raumluft, wodurch<br />
diese als Sek<strong>und</strong>ärluft über den Rippenrohr-Wärmeübertrager (6) angesaugt<br />
(induziert) wird.<br />
Fig. 8-23 Prinzipieller Aufbau eines Induktionsgerätes (Zweileitersystem)<br />
1 Primärluft (aufbereitete Aussenluft)<br />
2 Sek<strong>und</strong>ärluft (Raumluft)<br />
3 Zuluft<br />
4 Staukammer mit Primärluft-Anschluss<br />
5 Induktionsdüsen<br />
6 Rippenrohr-Wärmeübertrager
Der Wärmeübertrager wird, je nach Bedarf, mit Warm- oder Kaltwasser,<br />
versorgt.<br />
Die induzierte Sek<strong>und</strong>ärluft (2) nimmt im Wärmeübertrager (6) die er -<br />
forderliche Sek<strong>und</strong>är-Heiz- oder Kühlleistung auf <strong>und</strong> vermischt sich<br />
anschliessend mit der Primärluft (1). Das Gemisch <strong>von</strong> Sek<strong>und</strong>är- <strong>und</strong><br />
Primärluft wird schliesslich in den Raum ausgeblasen.<br />
Wie bei der Fan-Coil-Anlage wird die im Raum oder in der entsprechenden<br />
Raumzone anfallende Heiz- oder Kühllast gr<strong>und</strong>sätzlich durch den<br />
Wasserkreislauf, im Zwei- oder Vierleitersystem übernommen. Die Primärluft<br />
kann jedoch eine zusätzliche Be- oder Entfeuchtung übernehmen.<br />
Um die Raumtemperaturregelung nicht zu stören, wird die Primärluft<br />
in der Regel mit einer konstanten Temperatur, die normalerweise<br />
dem Heiz-Sollwert der Raumtemperatur entspricht, eingeblasen.<br />
Das Zweileitersystem kann nur zentral auf Heiz- oder Kühlbetrieb ge -<br />
schaltet werden («Change over system»), während mit dem Vierleitersystem<br />
in jedem Raum individuell geheizt oder gekühlt werden kann.<br />
Je nach Bauart der Induktionsgeräte, stehen für die Raumtemperatur-<br />
Regelung luft- oder wasserseitige Stellgeräte zu Verfügung. Fig. 8-24<br />
zeigt die Regelung an einem Zweileiter-Induktionsgerät mit luftseitigem<br />
Stellgerät.<br />
7<br />
1<br />
0<br />
Y<br />
5<br />
8<br />
9<br />
Y1<br />
� 0 +<br />
3<br />
Q<br />
4<br />
2<br />
Fig. 8-24 Luftseitige Regelung <strong>und</strong> Steuerung eines Induktionsgerätes<br />
(Zweileitersystem)<br />
1 Raumgerät mit Temperaturfühler<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Stetiger Stellantrieb zu Bypassklappe<br />
4 «Change over»-Thermostat<br />
5 AUF/ZU-Steuergerät der Primärluftklappe<br />
6 Sek<strong>und</strong>ärluftstrom durch Wärmeübertrager<br />
6’ Sek<strong>und</strong>ärluftstrom durch Bypass<br />
7 Primärluft (aufbereitete Aussenluft)<br />
8 Zuluft<br />
9 Wirkdiagramm des Raumtemperaturreglers<br />
w<br />
6<br />
6'<br />
T<br />
1<br />
B78-21<br />
131
132<br />
Regelung mit Zweileitersystem<br />
Regelung mit Vierleitersystem<br />
Der Raumtemperaturregler (2) vergleicht die vom Fühler (1) gemessene<br />
Raumtemperatur mit dem eingestellten Sollwert. Bei einer Abweichung<br />
bewirkt er das Verstellen des Luftklappen-Stellantriebs (3). Je<br />
nachdem, ob im Vorlauf Warm- oder Kaltwasser zirkuliert, schaltet der<br />
«Change over»-Thermostat (4) den Regler auf Wirksinn «Heizen» oder<br />
«Kühlen». Steht der Regler auf Wirksinn «Heizen», schliesst er die<br />
Bypassklappe bei unter den Sollwert sinkender Raumtemperatur, steht<br />
er auf Wirksinn «Kühlen», schliesst er die Bypassklappe bei über den<br />
Sollwert steigender Raumtemperatur (vgl. Wirkdiagramm 9). Im «Economy»-Betrieb<br />
der Regelung wird über das Klappensteuergerät (5) die<br />
Primärluftklappe geschlossen.<br />
Mit dem Vierleitersystem kann in jedem Raum individuell geheizt oder<br />
gekühlt werden. Die Raumtemperatur-Regler haben zwei separate<br />
Stellsignalausgänge für «Heizen» <strong>und</strong> «Kühlen» <strong>und</strong> benötigen deshalb<br />
keinen «Change over» Thermostaten. Je nach Bauart der Induktionsgeräte,<br />
stehen für die Raumtemperatur-Regelung luft- oder wasserseitige<br />
Stellgeräte zu Verfügung. Fig. 8-25 zeigt die Regelung an einem Vierleiter-Induktionsgerät<br />
mit wasserseitigen Stellgeräten.<br />
7<br />
1<br />
0<br />
Y<br />
5<br />
8<br />
9<br />
Y1 Y2<br />
� 0 +<br />
3 4<br />
Q<br />
Fig. 8-25 Wasserseitige Regelung <strong>und</strong> Steuerung eines Induktionsgerätes<br />
(Vierleitersystem)<br />
1 Raumgerät mit Temperaturfühler<br />
2 Raumtemperaturregler<br />
3 Stetiger Stellantrieb zum Heizventil<br />
4 Stetiger Stellantrieb zum Kühlventil<br />
5 AUF/ZU-Steuergerät der Primärluftklappe<br />
6 Sek<strong>und</strong>ärluftstrom durch Wärmeübertrager<br />
7 Primärluft (aufbereitete Aussenluft)<br />
8 Zuluft<br />
9 Wirkdiagramm des Raumtemperaturreglers<br />
Y1 Stellsignal Heizventil<br />
Y2 Stellsignal Kühlventil<br />
2<br />
6<br />
T<br />
w<br />
B78-22<br />
1
8.8 Sollwertführung der<br />
Vorlauftemperaturen<br />
Der Raumtemperaturregler (2) vergleicht die vom Fühler (1) gemessene<br />
Raumtemperatur mit dem eingestellten Sollwert. Bei einer Abweichung<br />
unter den Heizsollwert bewirkt er das Öffnen des Heizventils (3),<br />
bzw. bei einer Abweichung über den Kühlsollwert (= Heizsollwert +<br />
Totzone) bewirkt er das Öffnen des Kühlventils (4; vgl. Wirkdiagramm<br />
9). Im «Economy»-Betrieb der Regelung wird über das Klappensteuergerät<br />
(5) die Primärluftklappe geschlossen.<br />
Im Übrigen sind die Steuer-, Regel- <strong>und</strong> Überwachungsfunktionen, wie<br />
z.B. Totzonenregelung, «Comfort»- <strong>und</strong> «Economy»-Betrieb, mit oder<br />
ohne Gebäudeautomations-System identisch mit denjenigen der Fan-<br />
Coil-Geräte (vgl. 8.6).<br />
In Fan-Coil- oder Induktionsanlagen, in denen die Raumklimageräte mit<br />
zentral aufbereitetem Warm- <strong>und</strong> Kaltwasser versorgt werden, kann es<br />
sinnvoll sein, die Vorlauftemperaturen dem Lastzustand dieser Luftheiz<strong>und</strong><br />
-kühlgeräte anzupassen. Als Führungsgrösse können dabei die<br />
aktuellen Stellsignale der Raumtemperaturregler dienen. Voraussetzung<br />
für dieses Regelkonzept (Fig. 8-26) ist die Kommunikation der Einzelraum-Regler,<br />
über einen Bus, mit einem Gebäudeautomations-System.<br />
W 1<br />
W 2<br />
� V<br />
6<br />
4 3 2<br />
MAX<br />
7<br />
�E 1<br />
F 1<br />
5<br />
W 2<br />
W 1<br />
� V<br />
1 1<br />
y [%] y [%]<br />
Fig. 8-26 Führung der Vorlauftemperaturen für Fan-Coil- <strong>und</strong> Induktionsanlagen<br />
1 Raumtemperaturregler<br />
2 Maximal- oder Mittelwertbildung der Raumtemperatur-Stellsignale<br />
3 Sollwert-Führungsgeber für die Vorlauftemperatur<br />
4 Vorlauftemperaturregler<br />
5 Vorlauftemperaturfühler<br />
6 Stellgerät für die Vorlauftemperaturregelung<br />
7 Wirkdiagramm des Führungsgebers «Heizen»<br />
8 Wirkdiagramm des Führungsgebers «Kühlen»<br />
F1 Führungs-Basiswert (z.B. y = 90 %)<br />
w1 Sollwert für Vollastbetrieb<br />
8<br />
+E 1<br />
F 1<br />
B78-23<br />
133
134<br />
8.9 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte<br />
8.9.1 Fenster-Klimageräte<br />
8.9.2 Truhenklimageräte<br />
Das Gebäudeautomations-System wählt aus den angeschlossenen<br />
Einzelraumreglern (1) das grösste aktuelle Stellsignal (2, Heizen oder<br />
Kühlen) aus <strong>und</strong> übermittelt dieses dem nachgeschalteten Sollwert-<br />
Führungsgeber (3).<br />
Wird das grösste Stellsignal mit Wirksinn «Heizen» kleiner als der eingestellte<br />
Führungs-Basiswert F1 (z.B. y = 90 %), dann beginnt die stetige<br />
Absenkung (Wirkdiagramm 7) des Sollwertes der Warmwasser-Vorlauftemperatur,<br />
entsprechend dem programmierten Führungseinfluss<br />
–E1. Wird das grösste Stellsignal mit Wirksinn «Kühlen» kleiner als der<br />
eingestellte Führungs-Basiswert F1 (z.B. y = 90 %), dann beginnt die<br />
stetige Anhebung (Wirkdiagramm 8) des Sollwertes der Kaltwasser-<br />
Vorlauftemperatur, entsprechend dem programmierten Führungseinfluss<br />
+E1.<br />
Je nach unterschiedlichem Lastverhalten der einzelnen Räume könnte,<br />
anstelle des Maximal-Stellsignals, auch der Mittelwert aller Stellsignale<br />
als Führungsgrösse dienen.<br />
Einzelraum-Kompakt-Klimageräte dienen zur Kühlung (<strong>und</strong> teilweisen<br />
Entfeuchtung) oder Erwärmung der Raumluft. Sie werden vom Hersteller<br />
mit den erforderlichen Regel-, Steuer- <strong>und</strong> Sicherheitsorganen ausgerüstet<br />
<strong>und</strong> als «stecker- oder anschlussfertige» Geräte geliefert. Zu<br />
dieser Gruppe gehören:<br />
• Fenster-Klimageräte<br />
• Truhen-Klimageräte<br />
• Schrank-Klimageräte<br />
• Split-Klimageräte<br />
Bei diesen Geräten lässt sich die Ventilatordrehzahl sowie die Heiz- <strong>und</strong><br />
Kühlleistung zwischen einer Minimal- <strong>und</strong> Maximalstufe manuell einstellen.<br />
Bei Fensterklimageräten, die Kühlung <strong>und</strong> Heizung ermöglichen<br />
(Wärmepumpengeräte), erfolgt die Umschaltung <strong>von</strong> Kühl- auf Heizbetrieb<br />
durch Umkehr des Kältemittelflusses mittels eines Vierwegventils.<br />
Dadurch werden die Funktionen zwischen Verdampfer <strong>und</strong> Kondensator<br />
vertauscht.<br />
Die Thermodynamik des Kältekreislaufs ist im Trainingsmodul B01HV<br />
«Einführung in die HLK-Technik», Kapitel 4 «Physikalische Gr<strong>und</strong>lagen<br />
der HLK-Technik» beschrieben.<br />
Truhenklimageräte erfüllen die gleichen Funktionen wie die Fenster -<br />
klimageräte <strong>und</strong> sind auch mit den gleichen Regel- <strong>und</strong> Steuergeräten<br />
ausgerüstet.
8.9.3 Split-Klimageräte<br />
Der funktionelle Aufbau eines Split-Klimagerätes (Fig. 8-27) besteht<br />
prinzipiell aus einem Kältemittel-Kreisprozess mit Kompressor (3), luftgekühlten<br />
Kondensator (4), Expansionsventil (5) <strong>und</strong> Direktverdampfer-<br />
Luftkühler (2). Als Zusatzkomponente im Umluftgerät könnte noch ein<br />
Lufterwärmer als Nachwärmer eingebaut werden, falls der Luftkühler<br />
auch zur Luftentfeuchtung dienen muss.<br />
4<br />
Fig. 8-27 Aufbau eines Split-Klimagerätes<br />
1 Raumtemperatur-Regelgerät<br />
2 Luftkühler (Verdampfer)<br />
3 Kompressor<br />
4 Kondensator (luftgekühlt)<br />
5 Expansionsventil<br />
6 Saugdrosselventil<br />
3<br />
6<br />
Die Regelung der Raumtemperatur (1) erfolgt durch Eingriff in den<br />
Kältemittelkreislauf mittels Saugdrosselventil. Damit kann die Kühlleis -<br />
tung zwischen ca. 40 % bis 100 % stetig, <strong>und</strong> unterhalb 40 % durch<br />
EIN/AUS-Schaltung dem Bedarf angepasst werden. Ist noch ein Elektro-<br />
Lufterwärmer eingebaut, dann muss eine zusätzliche Heizsequenz des<br />
Reglers über einen Stufenschalter oder ein Stromventil dessen Leis -<br />
tung steuern.<br />
5<br />
2<br />
1<br />
W ϑR<br />
B78-1<br />
135
136<br />
Quellennachweis (Zweite aktualisierte Auflage / 2004)<br />
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