Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Regelung einer Lüftungsanlage oder Klimaanlage von Gebäuden. Solche
Regelungen werden vorwiegend bei Gewerbeimmobilien eingesetzt und dienen zur Herstellung
und Beibehaltung gewünschter Raumklimabedingungen.
Stand der Technik
Bei herkömmlichen Lüftungsanlagen, die aus dem Stand der
Technik bekannt sind, wird ständig eine konstante Luftmenge in die zu belüftenden
Räume eingeblasen. Wahlweise sind maximal zwei Abstufungen für das Einblasen
der Luft vorgesehen. Eine solche herkömmliche Belüftungsanlage ist schematisch
in 1 dargestellt.
Die angesaugte Luft wird je nach Bedarf und Anforderung aufbereitet,
gefiltert, beheizt, gekühlt und be- oder entfeuchtet und dann in den Raum eingeblasen.
Als wesentliche Parameter für die Regelung der Lüftungsanlage dienen Temperaturmessungen
und Temperaturvorgaben. Die Abluft wird durch ein zweites Gebläse abgesaugt.
Typischerweise verschwindet bei herkömmlicher Raumbe- und entlüftung ein
erheblicher Anteil der aufbereiteten Luft von dem Zuluftauslass direkt in der Abluftansaugung,
dieser Effekt wird Schlupf genannt und liegt üblicherweise in der Größenordnung
von 20% bis 30%. Somit wird ein Teil der für die Aufbereitung aufgewendeten
Energie nicht für die Raumklimatisierung benutzt, folglich steigt der Umluftanteil.
Die zur Luftaufbereitung verwendete Energie wird nicht optimal eingesetzt.
Zusätzlich entstehen Zugprobleme, diese treten auf, wenn sich
die Luft mit größeren Geschwindigkeiten im Raum bewegt.
Aus der DE 196 54 955 C2
ist eine Klimatisierungsvorrichtung bekannt, bei der eine Regelung vorgesehen ist,
die einen Differenzdruck gegenüber dem Außendruck im zu klimatisierenden
Raum bildet, wobei zum Zweck einer besseren Durchmischung der Raumluft mit zugeführter
Luft der Differenzdruck durch mehr zugeführte als entweichende Luft einen Raumüberdruck
bildet.
Weitere Lüftungsvorrichtungen und -verfahren sind z.B. aus
DE 100 33 209 A1, DE
44 30 704 A1, DE 196 54 542 C2
und DE 40 04 519 C2 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelung für
Lüftungsanlagen bereitzustellen, die die oben genannten Probleme beseitigt
oder zumindest deutlich reduziert.
Diese Aufgabe wird gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch
1 und der Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Lüftungsanlage
oder einer Klimaanlage verwendet als wesentlichen Parameter für die Regelung
die Luftdichte. Die Luftdichte ist abhängig von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit
und dem Luftdruck. Sind diese drei Größen bekannt, so lässt sich
die Luftdichte daraus mit allgemein bekannten Formeln berechnen.
Bei Kenntnis der Luftdichte der einzubringenden Luft und der Luftdichte
in den zu klimatisierenden Räumen kann eine Luftdichtedifferenzsteuerung vorgenommen
werden. Diese Differenz wird möglichst gering gehalten. Bei gleichmäßiger
Luftdichte werden Thermik und/oder Zugerscheinungen vermieden, wenn dort nicht isotherm
Luft eingeblasen wird.
Die einzubringende Luft dient als Energieträger für die
Klimatisierung des Raums. Bei Luftdichtedifferenzsteuerung verteilt sich die eingebrachte
Luft effizient im Raum, hierdurch wird ihre Energie effizienter genutzt verglichen
mit herkömmlichen Lüftungsanlagen. Daher ist die Erfindung geeignet, den
Energiebedarf zu senken. Zudem braucht nur eine geringere Luftmenge zur Klimatisierung
eingebracht werden.
Vorteilhafterweise wird die Luftdichte, d.h. die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit
und der Luftdruck, sowohl im Zuluftbereich wie auch im zu klimatisierenden Raum
gemessen. Weiterhin kann die Luftdichte ebenfalls im Außenbereich gemessen
werden, um Referenzwerte zu erhalten. So kann die Zuluft in Abhängigkeit von
gewünschten Werten für die Raumtemperatur und Luftfeuchte in geeigneter
Weise vorkonditioniert werden. Sie kann z.B. erhitzt bzw. gekühlt oder befeuchtet
bzw. entfeuchtet werden. Die gemessenen Außenwerte werden bevorzugt als Referenzwerte
verwendet, um in Abhängigkeit von ihnen das Klimatisierungsverfahren so zu
regeln, dass es nicht zu Instabilitäten kommt. Die Gefahr von Instabilitäten
der Regelung besteht vor allem, wenn ohne Referenz gearbeitet wird und nur Messungen
im Raum und hinter den Luftkonditionierungseinheiten vorgenommen werden. Der Betrag
der Luftdruckdifferenz zwischen Raum und Außenbereich sollte vorbestimmte Werte
nicht überschreiten.
Zur Gewährleistung einer guten Raumluftqualität kann selbige
in dem zu belüftenden Raum gemessen werden. Zur Bewertung kann wahlweise der
Kohlendioxidgehalt gemessen werden oder eine Bewertung mit Hilfe eines Mischgassensors
vorgenommen werden. Die Regelung der Abluftmenge hängt wesentlich von dem Ergebnis
der gemessenen Luftqualität ab. Je schlechter die Luftqualität ist, desto
mehr Luft wird aus dem betroffenen Raum abgesaugt und desto mehr Frischluft wird
zugeführt. Auf einen Umluftbetrieb kann verzichtet werden, da im Wesentlichen
nur auf Grund schlechter Luftqualität Luft abgesaugt wird. Diese Luft hat durch
die Differenzdichteregelung ihre Klimatisierungsaufgabe zuvor erfüllt. Der
Effekt des Schlupfs herkömmlicher Lüftungsanlagen wird vermieden.
Für eine optimierte Raumklimatisierung können die Zuluftmenge
und die Abluftmenge unabhängig voneinander variabel geregelt werden. Hierdurch
wird eine bessere Anpassung an die aktuellen Erfordernisse erzielt.
Gemäß der Erfindung kann die Luft mit einem Druck in den
Raum eingebracht werden, der höher ist als der Druck im Raum, so dass sich
die eingebrachte Luft durch im Wesentlichen ungerichtete Bewegungen im Raum verteilt,
wodurch Zugerscheinungen vermieden werden. Dies geschieht durch vorherigen Angleich
der Luftdichten.
Zur Sicherstellung der Stabilität der Regelung kann eine Luftdruckdifferenz
zwischen Raum und Außenbereich ermittelt werden. Diese Differenz sollte einen
gewissen Betrag nicht überschreiten, sie sollte nicht größer als
10 Pascal werden, bevorzugt sollte sie 6 Pascal nicht überschreiten. Durch
die Luftdichtedifferenzregelung wird in den meisten Fällen ein Druckunterschied
zwischen Raum und Außenbereich entstehen. Dies ist eine Folge der Minimierung
der Luftdichtedifferenz.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch vorteilhaft für
die Belüftung von Schwimmbädern eingesetzt werden. Bei dieser Anwendung
hat die geringe Luftaustauschmenge weitere Vorteile, so wird die Wasserverdunstung
und die Kondenswasserbildung reduziert.
Die Erfindung sieht ebenfalls eine Vorrichtung zur Realisierung der
Regelung vor. Vorteilhafterweise sind am Eingang des Zuluftbereichs und/oder am
Ausgang des Abluftbereichs steuerbare Klappen vorgesehen, insbesondere automatisierte
steuerbare Klappen. Mit Hilfe dieser Klappen kann z.B. bei ausgeschalteter Lüftungsanlage
ein unerwünschtes Eindringen oder Entweichen von Luft verhindert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit Kommunikationsmitteln
ausgestattet sein. Über diese Kommunikationsmittel kann die Vorrichtung z.B.
an ein Netzwerk oder direkt an einen Computer angeschlossen werden. So können
selbst aus großer Entfernung Daten, die von der Vorrichtung erfasst und gespeichert
wurden, abgerufen werden. Hierdurch kann der ordnungsgemäße Betrieb überwacht
werden. Zudem ist diese Einrichtung für Wartungsarbeiten oder für eine
fernkontrollierte Steuerung sehr hilfreich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Vorrichtung als zusätzliches Modul konzipiert, die zu
einer herkömmlichen Lüftungsanlage hinzugefügt werden kann. Dies
ermöglicht die Nachrüstung bereits bestehender Systeme. Je nach vorgefundener
Lage müssen Fühler oder andere Elemente im Gebäude nachgerüstet
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehen anhand von Zeichnungen genauer erläutert
werden, aus denen weitere Vorteile deutlich werden.
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Anlage
gemäß dem Stand der Technik zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die eine erfindungsgemäße
Anlage zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen
Belüftungsanlage. Hier wird eine gewünschte Zieltemperatur für den
Raum 1 gewählt. Die Temperaturfühler 2 messen die Temperatur
an verschiedenen Stellen. In Abhängigkeit von der Temperatur der abgesaugten
Luft wird die Zuluft in einem Luftkonditionierer 9 erhitzt oder gekühlt.
Der Luftkonditionierer 9 dient ebenfalls zum Be- bzw. Entfeuchten der Luft.
Die Zuluft wird von außen angesaugt und passiert auf ihrem Weg zum Zuluftgebläse
8 eine steuerbare Klappe 6 und einen Filter 7. Die Luft
wird mit Hilfe eines zweiten Gebläses 8 aus dem Raum 1 abgesaugt.
Die beiden Gebläse 8 weisen eine fixe Luftleistung von z.B. 4000 m3/h
auf.
Zum Erreichen von gewünschten Klimabedingungen wird mit hohen
Luftaustauschraten gearbeitet, dies resultiert in hohen Strömungsgeschwindigkeiten
der Luft. Da auf Grund der hohen Luftströmgeschwindigkeit ein substantieller
Anteil der eingeblasenen Luft gleich wieder abgesaugt wird, ist ein Umluftkreis
vorgesehen, um die Energieeffizienz zu steigern. Abgesaugte Luft kann über
eine weitere Klappe 6 nach außen abgegeben werden.
2 ist eine schematische Darstellung einer Anlage mit
Luftdichtevergleichssteuerung. Vergleichbare Objekte sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen, die bereits in 1 verwendet wurden. Zusätzlich
zu den Temperaturfühlern 2 sind hier Feuchte-
3 und Druckfühler 4 vorgesehen. Jeweils einer dieser Fühler
ist im Außenbereich, im Zuluftbereich und im Raum 1 vorgesehen. Zudem
ist im Raum 1 noch ein Luftqualitätsfühler 10 vorgesehen.
Weiterhin wird mit Gebläsen 8 gearbeitet, die im Gegensatz zum Stand
der Technik stufenlos einstellbar sind. Alternativ zu der stufenlosen Einstellbarkeit
kann auch eine feinstufige Einstellbarkeit verwendet werden.
Die Luftdichte kann für verschiedene Stellen aus den Messungen
der Fühler 2, 3, 4 ermittelt werden. Die Luftdichtedifferenz
zwischen der einzubringenden Luft und der Raumluft wird minimiert. Dies geschieht
mit Hilfe des Luftkonditionierers 9 und des Zuluftgebläses
8, das stufenlos einstellbar, startend bei einer Zuluftmenge von z.B. 0
m3/h oder 400 m3/h. Auf diese Weise kann Thermik und eine
möglichst optimale Energieaufnahme der eingebrachten Heiz- und Kühlenergie
sichergestellt werden. Folglich werden geringere Luftaustauschmengen zur Klimatisierung
benötigt. Der Luftkonditionierer 9 wird zum Kühlen des Raums
1 nur eingesetzt, wenn eine adiabatische Kühlung nicht mehr ausreicht.
Der ermittelte Außenluftdruck dient als Referenzwert. Die Differenz
zum Raumdruck sollte einen gewissen Betrag nicht überschreiten.
Die Luftabsaugung wird im Wesentlichen von der Luftqualität bestimmt,
die durch den Luftqualitätsfühler 10 gemessen wird. Je schlechter
die Luftqualität ist, desto mehr Luft wird aus dem betroffenen Raum abgesaugt.
Beispielhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren beim Heizen
bzw. Kühlen in den folgenden Schritten ausgeführt. Zuerst findet ein Temperaturvergleich
zwischen der gewünschten Raumtemperatur und der tatsächlichen Raumtemperatur
statt, dies geschieht vorzugsweise mittels Differenzbildung. Wenn der Temperaturvergleich
eine Abweichung zwischen gewünschter Raumtemperatur und tatsächlicher
Raumtemperatur ergibt, die oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts ist, wird die
Zulufttemperatur auf eine hohe bzw. niedrige Temperatur geregelt, je nachdem, ob
die gewünschte Raumtemperatur überschritten oder unterschritten ist. Bevorzugt
wird eine maximale Heiz- bzw. Kühltemperatur eingestellt. Die Luftdichtedifferenzregelung
ermöglicht es, im Vergleich mit herkömmlichen Lüftungsanlagen, mit
größeren Temperaturdifferenzen zwischen einzubringender Luft und Raumluft
zu arbeiten, weil durch die angepasste Luftdichte der einzubringenden Luft Zugerscheinungen
vermieden werden. Folglich kann die Luftmenge, die benötigt wird, um einen
bestimmten Heiz- bzw. Kühleffekt zu erzielen, reduziert werden.
In Abhängigkeit von dem Ergebnis des Temperaturvergleichs wird
die Zuluftmenge über das Gebläse 8 in einer vorbestimmten Art
und Weise erhöht. Hierzu kann beispielsweise eine Rampe, die in Abhängigkeit
von dem Ergebnis des Temperaturvergleichs ausgewählt wird, verwendet werden,
um die Zuluftmenge kontinuierlich oder schrittweise zu erhöhen.
Während der gesamten Regelung wird durch wiederholtes, insbesondere
kontinuierliches, Ermitteln der Raumluftdichte und der Zuluftdichte die Zuluftdichte
in Abhängigkeit von den ermittelten Luftdichten nachgeregelt. Die Zuluftdichte
wird stets an die Raumluftdichte angeglichen.
Wenn sich die Raumtemperatur in die gewünschte Richtung bewegt,
wird die Zuluftmenge reduziert. Die Reduzierung hängt von der verbleibenden
Temperaturdifferenz und/oder der Geschwindigkeit der Temperaturänderung im
Raum ab. Die Zuluftmenge wird im Verlaufe der Temperaturangleichung stetig reduziert,
bis die Mindestdrehzahl des Zuluftgebläses 8 erreicht ist. Die Mindestdrehzahl
variiert naturgemäß für unterschiedliche Zuluftgebläsetypen.
Bevorzugt wird erst jetzt eine Zulufttemperaturänderung vorgenommen.
Die Zulufttemperatur wird von einer hohen bzw. niedrigen Temperatur, die hier üblicherweise
noch die maximale Heiz- bzw. Kühltemperatur ist, auf eine Temperatur, die näher
an der gewünschten Raumtemperatur ist, geregelt. Dies geschieht insbesondere,
wenn eine Abweichung zwischen gewünschter Raumtemperatur und tatsächlicher
Raumtemperatur einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Durch die lange Verwendung der sehr hohen bzw. sehr niedrigen Zulufttemperatur
kann die Zuluftmenge deutlich reduziert werden, was zu den bereits beschriebenen
Vorteilen führt.
