Reglertypabha¨ngiges Betriebsverhalten von Splitgera¨ten

K L I M AT E C H N I K /S P L I T G E R ÄT
Gottfried Knabe,
Huu-Thoi Le
In diesem Beitrag wird ein
deterministisches Verfahren
zur Bestimmung des Betriebsverhaltens (Energiebedarf und Regelverhalten) von
Splitgeräten mit einem stetigen Regler vorgestellt. Mit
Hilfe dieses Verfahrens lassen
sich die sensible und latente
Anlagenleistung im Teillastbetrieb, die zum jeweiligen
Betriebszustand die sensiblen
und latenten Kühllasten abdecken, sowie der Energiebedarf ermitteln, sodass der
Raumluftzustand so exakt
wie möglich berechnet werden kann. Die Ergebnisse von
Splitgeräten mit einem Zweipunktregler sind aus IEA-SHC
HVAC BESTEST TASK 22 verfügbar [1, 2, 3]. Daraus lassen
sich die Einflüsse von Reglertypen in Splitgeräten auf das
Betriebsverhalten und den
Energiebedarf feststellen.
Operating Behaviour of Split
System Depending on Controller Types
This article introduces the modelling of the
split system (room air conditioner) with a continuous action controller for a building energy simulation. This model shows a way to calculate the energy consumption, the sensible
and latent cooling capacity of the split system
at part load operation matching the sensible
and latent cooling zone loads. As a result, the
zone air states can be exactly determined.
The model of the split system with a twopoint-controller has already been developed
and verified in IEA/SHC BESTEST TASK 22. Results of the simulation show an impact of the
two controller types on both the room comfort (temperature and humidity) and the
energy consumption.
Keywords: split system, room air conditioner,
operating behaviour, controller types (Discontinuous and Continuous Action Control),
HVAC system simulation, building simulation
Prof. Dr.-Ing. habil. G. Knabe; Dipl.-Ing. H.-T.
Le, Technische Universität Dresden, Institut
für Thermodynamik und TGA
12
Reglertypabhängiges
Betriebsverhalten von
Splitgeräten
Zielstellung
Moderne Büro- und Verwaltungsgebäude werden zunehmend mit großem
Glasanteil ausgestattet. Hohe innere
Wärmequellen (PC/Bürotechnik) und
Sonneneinstrahlung führen zu hohen
Kühllasten. Damit macht sich eine Klimatisierung erforderlich. Zunehmend
werden auch in Europa Splitgeräte aufgrund niedriger Invest- und Betriebskosten eingesetzt.
In Splitsystemen finden zwei Reglertypen (stetig und nichtstetig) Anwendung.
Bei kleinen Anlagen kommt der nichtstetige Regler zum Einsatz, wohingegen
bei Anlagen mit hoher Leistung der stetige Regler geeignet ist. Im Laufe des
technischen Fortschritts bekommt der
stetige Regler zunehmende Bedeutung,
sodass eine Untersuchung seiner Einflüsse auf das Systemverhalten unbedingt erforderlich ist.
Beim Volllastbetrieb läuft das Splitgerät
ununterbrochen, sodass der eingesetzte
Reglertyp keine Einflüsse auf das Systemverhalten hat. Im Gegenteil dazu
ist das Systemverhalten im Teillastbetrieb
vom Reglertyp abhängig. Die Untersuchungen des Mono-Splitsystems mit
einem Zweipunktregler wurden sowohl
beim Voll- als auch beim Teillastbetrieb
bereits im IEA-SHC HVAC BESTEST
TASK 22 [1] durchgeführt und ausführlich in [2, 3] beschrieben.
Ein neues Modell des Mono-Splitsystems
mit einem stetigen Regler wird in diesem
Beitrag vorgestellt. Das Modell zeigt ein
deterministisches Verfahren für die Berechnung des Energiebedarfes sowie
der sensiblen und latenten Anlagenleistung beim Teillastbetrieb. Daraus wird
der Raumluftzustand so genau wie möglich berechnet. Somit erhöht sich die
Aussagekraft für die Vorhersage des
Energiebedarfes und für die Bewertung
des Raumkomforts. Auf der Grundlage
dieses Modells kann ein Berechnungsal-
gorithmus für Multi-Splitsysteme abgeleitet werden.
Anlagenaufbau
Splitsysteme lassen sich in zwei Gruppen
Mono-Splitsysteme und Multi-Splitsysteme einteilen. Das Mono-Splitsystem
ist ein einfaches System, bei dem eine
Außeneinheit (Kondensator) mit einer
Inneneinheit (Verdampfer) verbunden
wird. Bei Multi-Splitsystemen versorgt
eine Außeneinheit mehrere Inneneinheiten. Das in diesem Beitrag verwendete
Mono-Splitgerät ist in Bild 1 mit einer
Außen-, Inneneinheit und Außenluftbeimischungseinrichtung dargestellt.
Modellbildung des Splitgerätes mit einem stetigen Regler
Analyse des Splitgerätes mit
einem stetigen Regler
Die Leistung des Splitgerätes im Volllastbetrieb ist von den Raum- und Außenluftklimaparametern abhängig [1]. Zunächst wird das Verhalten des Splitgerätes beim Teillastbetrieb mit einem idealen
stetigen Regler analysiert. D.h. die Anlagenleistung passt sich genau den jeweiligen Raumlasten an. Daraus ergibt sich
keine Regelabweichung. Beim realen
Anlagenbetrieb ändern sich der Belastungsgrad (PLR-Verhältnis von gesamter Kühllast zur Anlagenleistung) und
der sensible Heizfaktor (SHF-Quotient
von sensibler zur gesamten Anlagenleistung) kontinuierlich. Um das Betriebsverhalten überschaubar darstellen zu
können, wird die Analyse bei der Änderung einer von beiden Größen durchgeführt, während die andere konstant
bleibt. Weiterhin wird die Anlage nur
mit reinem Umluftbetrieb untersucht.
Damit ergibt sich die Möglichkeit, das Systemverhalten verständlich darzustellen.
Bei Regelung der Außenluftbeimischungseinrichtung kann der bereits entwickelte Ansatz [4] angewendet werden.
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Bild 1: Anlagenschema eines Mono-Splitgerätes mit einer
Außeneinheit (Kondensator) und einer Inneneinheit
(Verdampfer) sowie Außenluftbeimischungseinrichtung
[1]
Zuerst zeigt Bild 2 den stationären Arbeitspunkt (Feuchtkugeltemperatur am
Verdampfereintritt) Wf;LE ¼ 16,6 8C im
Volllastbetrieb (PLR = 1) bei den Randbedingungen (WAU ¼ 32 8C; WSoll ¼ 24 8C
und SHF = 0,85). Von nun an verringert
man die Kühllasten im Raum plötzlich
auf 70 % (PLR = 0,7), der Faktor
SHF = 0,85 bleibt dabei aber konstant.
Da die Anlagenleistung größer als die
vorhandene Kühllast ist, versucht der
stetige Regler den in den Verdampfer
geschickten Massestrom des Kältemittels zu drosseln. Als Folge davon steigt
die Oberflächentemperatur des Verdampfers (ADP-Apparate Taupunkt) an
und überschreitet dabei den Taupunkt
der Raumluft, so dass vorläufig eine
trockene Kühlung stattfindet. Die Anlage bzw. der Verdampfer bringt nur eine
sensible Leistung und diese ist gleich der
sensiblen Kühllast, um die Solltemperatur einzuhalten. Die latente Kühllast wird
nicht abgeführt, sondern bleibt vorerst
im Raum. Dies führt zur Erhöhung des
Wassergehaltes der Raumluft und die
Feuchtkugeltemperatur erreicht nach
dem Einstellvorgang einen Wert von
18,4 C (Bild 2). Andererseits fördert
der innere Ventilator einen konstanten
Luftmassestrom. Dies bedeutet einen
gleich bleibenden Kühlgrad gK [5, 6].
Der stationäre Arbeitspunkt stellt sich
dann ein, wenn
– die Anlagenleistung an die Kühllast
angepasst (Q_ N;sen ¼ Q_ L ast;sen ;
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Bild 2: Stationäre Arbeitspunkte beim Voll- (PLR = 1,0)
und beim Teillastbetrieb (PLR = 0,7) mit einem stetigen
Regler (WWAU ¼ 32; W Soll ¼ 24 und SHF = 0,85)
Q_ N;lat ¼ Q_ L ast;lat ) und
– der Kühlgrad gK konstant ist.
Anhand des Bildes 2 kann man die sensible und latente Anlagenleistung für
den
dargestellten
Betriebsfall
(PLR = 0,7) berechnen. Diese Werte werden in Bild 3 mit dem gekennzeichneten
Prozess 1 aufgetragen. Eine Änderung
von SHF auf 0,7 bei Festhalten aller anderen Parameter ergibt den Prozess 2.
Durch die Variation der SHF erhält
man die charakteristischen Kennlinien
für den festgelegten Belastungsgrad
PLR (Bild 3).
Wird der ganze Prozess bei anderen Belastungsgraden wiederholt, entsteht ein
Kennfeld für den gesamten Teillastbereich. Bild 4 zeigt die charakteristischen
Kennlinien bei den Belastungsgraden
PLR = 1, PLR = 0,7 und PLR = 0,5. Dabei
wird festgestellt, dass
– sich die Kennlinien der Anlagenleistung bei den vorgegebenen Randbedingungen (WAU und WLE ) linear
zur Feuchtkugeltemperatur Wf;LE
verhalten,
– die Kennlinien der Anlagenleistung
im Teillastbereich parallel zu den jeweiligen charakteristischen Kurven
des Volllastbetriebs verlaufen,
– das Verhältnis von der Anlagenleistung am Übergangspunkt im Teillastbetrieb zu der im Volllastbetrieb
gleich dem Belastungsgrad ist und
– die Übergangspunkte von feuchter
zu trockener Kühlung eine gekrümmte Linie Q_ N;Ü bilden.
Mit Hilfe der Linie für die Übergangspunkte Q_ N;Ü (Bild 4) kann der Einstellvorgang (der Prozess 1 in Bild 3) ausführlicher erläutert werden. Wie oben
erwähnt, stellt sich bei Drosselung des
Kältemittelmassestroms zunächst der
Arbeitspunkt 1 (Bild 5) ein. Die Feuchtkugeltemperatur am Übergang (Arbeitspunkt 1) hat einen Wert von 17,95 C.
Da die tatsächliche Feuchtkugeltemperatur der Raumluft noch kleiner als die
am Übergangspunkt ist, führt die Anlage aus dem Raum nur sensible Leistung
ab und diese ist gleich der sensiblen
Kühllast. Dabei ist der Belastungsgrad
PLR = 0,63.
Während der trockenen Kühlung dient
die vorhandene latente Last zur Erhöhung der Raumluftfeuchte und der
Feuchtkugeltemperatur der Raumluft,
da die Lufttemperatur konstant bleibt.
Überschreitet die Feuchtkugeltemperatur der Raumluft die am vorläufigen Arbeitspunkt 1 (17,95 C), fängt der Verdampfer an, latente Last (feuchte Kühlung) abzuführen und die Kennlinien
für PLR = 0,63 finden Anwendung.
D.h. die sensible Anlagenleistung geht
zurück und der Sollwert wird nicht
mehr eingehalten. Folglich erhöht sich
der Massestrom des Kältemittels und
schließlich der Belastungsgrad. In Abhängigkeit der aktuellen Feuchtkugel13
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Bild 3: Charakteristische Kennlinien des Splitgerätes bei
Belastungsgrad PLR = 1 und PLR = 0,7 (WWAU ¼ 32; W Soll ¼ 24)
Bild 4: Charakteristische Kennlinien für Kühlleistung des
Splitgerätes bei PLR = 1, PLR = 0,7 und PLR = 0,5
Bild 5: Einstellvorgang im
Splitgerät von
PLR = 1 auf
PLR = 0,7 bei Anwendung eines
idealen stetigen
Reglers
temperatur (17,95 8C < Wf;LE 18,4 8C)
bewegt sich der Übergangspunkt auf
der Strecke von 1 bis 2 (Bild 5).
Damit hängt die Dauer für diesen Einstellvorgang von der Größe des betrachteten Raumes und vom Belastungsgrad
PLR ab. Je größer das Raumvolumen
und je kleiner der Belastungsgrad ist,
desto mehr Zeit wird benötigt, um den
stationären Arbeitspunkt zu erreichen.
Für den Betriebsfall, bei dem nur sensible
Kühllast vorhanden ist, bewegt sich der
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Übergangspunkt mit entsprechendem
Belastungsgrad auf der Q_ N;Ü-Linie, um
sich der Last anzupassen. Die Raumluftfeuchte bleibt unverändert, da die latente Last gleich Null ist.
Bis jetzt wurde die Analyse des Geräteverhaltens im Teillastbereich bei der konstanten Randbedingung (WAU ) durchgeführt. Bei den Versuchen mit anderen
Randbedingungen ergibt sich ein ähnliches Verhalten wie nach den charakteristischen Kennlinien im gesamten Teil-
lastbereich. Somit gelten die o.g.
Schlussfolgerungen für alle Betriebsfälle.
Wie in [2, 3] beschrieben, sind die charakteristischen Kennlinien beim Volllastbetrieb von der Außenluft WAU , Lufttemperatur am Verdampfereintritt WLE und
Feuchtkugeltemperatur Wf;LE abhängig.
Somit ist das Kennfeld für den gesamten
Teillastbereich eine Funktion der benannten Größen. Um die Kennlinien
für den Teillastbetrieb zu bestimmen,
wird zunächst der Übergangspunkt ermittelt. Danach konstruiert man die Teillast-Kennlinien, die durch den Übergangspunkt laufen und parallel zu den
jeweiligen Volllast-Kennlinien sind. Für
die Berechnung des Übergangspunktes
findet der empirische Ansatz (Gl. (1)) Anwendung.
Q_ N;Ü ¼ ðA1 WAU þ A2 WLE þ A3 ÞW2f;LE þ
ðA4 WAU þ A5 WLE þ A6 Þ ¼ Wf;LE þ
ðA7 WAU þ A8 WLE þ A9 Þ
ð1Þ
Für einen vorgegebenen Belastungsgrad
PLR wird die Anlagenleistung am Übergangspunkt Q_ N;Ü;PLR mit der Gl. (2) bestimmt.
Q_ N;Ü;PLR ¼ PLR Q_ N;Ü;PLR¼1
ð2Þ
Q_ N;Ü;PLR¼1 ergibt sich aus den charakteristischen Kennlinien beim Volllastbetrieb und ist in [3] ausführlich dargestellt.
Nach dem Einsetzen Q_ N;Ü;PLR in die Gl. (1)
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Modell berechnen. Aufgrund des Zeitaufwandes und der örtlichen Abhängigkeit von der Zuluft wird die CFD Methode nicht angewendet.
Bild 6: Kopplungsschema
vom Splitgerät
mit dem Gebäudemodul Type 56
in TRNSYS-TUD
[8]
und Lösen nach Wf;LE ist der Übergangspunkt PÜ ðWf;LE;Ü ; Q_ N;Ü;PLR Þ bekannt. Damit sind die Kennlinien für die sensible
und die gesamte Anlagenleistung für
den erforderlichen Belastungsgrad PLR
bestimmbar (Gln. (3) und (4)).
Q_ N;ges ðPLRÞ ¼ ðB1 WAU þ B2 Þ
ðWf;LE ÿ Wf;LE;Ü Þ þ Q_ N;Ü;PLR
ð3Þ
Q_ N;sen ðPLRÞ ¼ ðC1 WAU þ C2 WLE þ
C3 ÞðWf;LE ÿ Wf;LB;Ü Þ þ Q_ N;Ü;PLR
ð4Þ
Die Koeffizienten Ai ; Bi und Ci sind in [7]
angegeben. Die elektrische Leistungsaufnahme vom Kompressor ist eine
Funktion des Belastungsgrads [9]. Da
es sich um einen idealen Regler handelt,
wird daraus abgeleitet, dass sich die normierte Kompressorleistung linear zum
Belastungsgrad verhält (Gl. (5)).
PPLR ¼ PLR PPLR¼1
ð5Þ
Unter der normierten Kompressorleistung versteht man das Verhältnis der
elektrischen Leistungsaufnahme im Teillastbetrieb zu der im Volllastbetrieb bei
den jeweiligen Randbedingungen.
Simulationsmodell des Splitgerätes mit einem realen
stetigen Regler
Im vorhergehenden Abschnitt wurde
das Splitgerät bei den stationären Randbedingungen modelliert. Beim praktischen Anlagenbetrieb treten instationäre Vorgänge auf, sodass die Modellbildung unter diesen Bedingungen unbedingt erforderlich ist. Zunächst zeigt
Bild 6 das Kopplungsschema vom Splitgerät mit dem Gebäudemodul Type 56
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des Programms TRNSYS-TUD [8]. In diesem Programm liegen im Vergleich zum
kommerziell vertriebenem Programm
TRNSYS u.a. veränderte Algorithmen
zur Bestimmung des langwelligen Strahlungsaustausches im Raum sowie des instationären Verhaltens der Wände usw.
zugrunde.
Diesmal kommt die Klappenregelung
zum Einsatz, um die hygienischen Anforderungen zu erfüllen und die Energieeinsparung bei niedriger Außentemperatur zu erzielen. Die Mischluft am Verdampfereintritt wird aus dem Raumluftund Außenluftzustand sowie aus den
Masseströmen berechnet. In Abhängigkeit von WAU , WLE und Wf;LE liefert das
Splitgerät entsprechende Kälteleistungen (sensible und latent) an das Gebäudemodul Type 56. In Type 56 werden
Wärme- und Feuchtebilanzen unter
dem Einfluss der Sonnenstrahlung sowie
Infiltration aufgestellt. Der Wärme- und
Feuchtetransport durch die Wände und
Fenster sind dabei berücksichtigt. Der
sich im Raum einstellende Luftzustand
ist für die Berechnung der Mischluft
bei Außenluftbeimischungseinrichtung
erforderlich. Somit ist der Raumluftzustand nur iterativ bestimmbar (Bild 6).
Folglich ist der Zeitaufwand groß. Um
diese Iterationsschleife zu umgehen,
werden die Ergebnisse des vorhergehenden Zeitschrittes für die Berechnung des
aktuellen Zeitpunktes genutzt. Dies entspricht auch der digitalen Regelung in
der Praxis. Dabei wird der Simulationszeitschritt klein gewählt, um die von
der Methode verursachte Abweichung
zu verringern.
Bei diesem Modell wird angenommen,
dass die Raumtemperatur homogen
ist. Die Temperaturverteilung innerhalb
des Raumes lässt sich mit einem CFD
Die charakteristischen Kennlinien beim
Volllastbetrieb wurden in [3] detailliert
dargestellt. In diesem Modell kommt
ein PI Regler zum Einsatz. Es wird angenommen, dass der Ausgang dieses Reglers dem Belastungsgrad PLR entspricht.
Damit lässt sich die Anlagenleistung
nach Gln. (1) bis (4) bestimmen. Wie
oben erwähnt, besteht die Anlagenleistung aus einem sensiblen und einem latenten Anteil. Der sensible Anteil ist für
die Einhaltung des Sollwertes verantwortlich, wohingegen aufgrund der latenten Kühlleistung Wasser aus der
Raumluft ausgeschieden wird. Nach kurzer Laufzeit stellt sich ein stationärer Arbeitspunkt ein, bei dem die sensible und
latente Kühlleistung gleich den jeweiligen Anteilen der Kühllast sind.
Ein direkter Eingang für die latente Kühlleistung ist im Type 56 des Programms
TRNSYS-TUD nicht vorhanden. Dafür
ist der Eingang als Wasserdampfmassestrom verfügbar. Deshalb erfolgt zuerst
die Umrechung der latenten Kühlleistung in Wasserdampfmassestrom nach
Gl. (6).
Q_ lat
_ Dampf ¼
m
ð6Þ
2501 þ 1,86 WLE
In [9] sind Messungen des Energiebedarfes vom Kompressor beim Teillastbetrieb
enthalten. Bild 7A zeigt die normierte
Leistung des Kompressors. Eine lineare
Regression der Messdaten wird durchgeführt und bis zu 30 % extrapoliert
(Bild 7B). Der Energiebedarf des Kompressors lässt sich für den Teillastbetrieb
mit Gl. (7) berechnen.
P
¼ K1 PLR þ K2
Pvoll
ð7Þ
Die normierte Leistung vom Kompressor
mit einem Zweipunktregler wird aus Angaben in [1] für den Teillastbetrieb abgeleitet und ebenfalls in Bild 7B dargestellt.
Das Bild 7B verdeutlicht eine mögliche
Energieeinsparung bei der Anwendung
des stetigen Reglers.
Resultate
In diesem Abschnitt werden die Simulationsergebnisse von dem stetigen mit
dem Zweipunktregler bei den gleichen
Randbedingungen verglichen, um die
Einflüsse des Reglers auf das Anlagen15
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Bild 7: Normierte Kompressorleistung als Funktion des
Belastungsgrades
verhalten zu illustrieren. Für diesen
Zweck wurden die Resultate vom Splitgerät mit dem Zweipunktregler aus
[2, 4, 10 – 13] übernommen. Dabei beträgt die Schaltdifferenz des Zweipunktreglers 1 K. Zum Einsatz kommt ein
Raum der Abmessungen 10 7 3 m
mit einem nach Süden orientierten Fenster von 2 10 m. Der Wandaufbau entspricht der mittleren Bauschwere in VDI
2078 [14]. Es werden die Wetterdaten
für den 14. Juli (wärmster Tag im Jahr)
aus dem Testreferenzjahr TRY 05 Würzburg verwendet. Für die Lastprofile gelten in der Betriebszeit ein sensibler Anteil von 3500 W (100 % konvektiv) und
ein latenter Anteil von 500 W. Der
natürliche Luftwechsel beträgt 0,1 h–1.
Mit diesen Wetterdaten wird das Gebäude mit dem Programm TRNSYSTUD und 30 Tagen Vorlaufszeit bei vorgegebenen Lastprofilen und einer Taktzeit von 36 s simuliert. Die Regelung erfolgt nur am Tag von 7 bis 18 Uhr. Die
Ergebnisse des 31. Tages kommen zur
Bewertung.
16
Bild 8: Regelverhalten von Anlage und Raum;
A – Raumtemperatur (Regelgröße); B – Raumfeuchte (sich
einstellende) für den Betriebsfall nur mit Umluft
Betrieb mit 100 % Umluft
Zunächst wird der Anlagenbetrieb nur
mit reiner Umluft betrachtet. Das bedeutet, dass sich die Außenluftklappe im
AUS Zustand (geschlossen) befindet.
Bild 8 zeigt sowohl die Raumtemperatur
als auch die Raumfeuchte von beiden
Reglertypen. Bei dem stetigen Regler
wird der Sollwert exakt eingehalten, wohingegen der Zweipunktregler eine
Schwankung der Raumtemperatur um
den Sollwert und der Raumfeuchte verursacht. Die Raumluftfeuchte vom PI
Regler ist größer als die vom Zweipunktregler.
In den frühen Betriebsstunden ist die latente Kühlleistung vom Zweipunktregler
wesentlich größer als die vom PI Regler
(Bild 9A). Folglich resultiert eine größere
Absenkung der Raumfeuchte beim
Zweipunktregler (Bild 8B). Danach sind
die sensible und latente Kühlleistung
von beiden Reglern fast gleich. Der
Unterschied der Leistungszahl (COP)
von den Reglertypen ist unwesentlich
(Bild 9B). Es ist anzumerken, dass der Belastungsgrad PLR und die Leistungszahl
in Bild 9 die mittleren Werte für die ganze Stunde sind. Dagegen präsentieren
die Temperatur, Feuchte und der Energiebedarf den Wert von jedem Zeitschritt. Der gesamte Energiebedarf verringert sich um 2,0 % bei der Anwendung des stetigen Reglers.
Betrieb mit Außenluft
Aus hygienischen Gründen ist der Betrieb mit einem Außenluftanteil erforderlich. Es wird angenommen, dass
sich im vorgegebenen Raum acht Personen befinden. Folglich ist ein Außenluftvolumenstrom von 480 m3/h (60 m3/
(h*Pers.)*8 Pers.) nötig. Dies entspricht
einem Außenluftanteil von 31,4 %. Die
Klappen werden nicht geregelt, sondern
in die Position gestellt, dass sich daraus
der gewünschte Außenluftanteil ergibt.
Analog zu den Bildern 8 und 9 zeigen
Bilder 10 und 11 das Raumverhalten
von den angewendeten Reglertypen.
Aufgrund der wärmeren Außentemperatur arbeitet das Splitgerät nun mit höherem Belastungsgrad als für den Fall
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Bild 9: Verlauf der Betriebskenngröße; A – Kühlleistung;
B – Leistungszahl COP; C – Energiebedarf für den Betriebsfall nur mit Umluft
mit reinem Umluftbetrieb. Folglich wird
bei dem Betriebsfall mit Außenluft um
14 Uhr der Zweipunktregler nicht
mehr ein-/ausgeschaltet, sondern die
Anlage läuft kontinuierlich (Bild 10A).
Bild 11A verdeutlicht einen signifikanten
Unterschied der latenten Kühlleistung
von beiden Reglern. Im Allgemeinen
ist die Leistungszahl größer als 3,5 und
liegt fast gleich für beiden Regler außer
in den ersten beiden Betriebsstunden.
Der PI Regler liefert eine Energieeinsparung von 5,6 %.
Bild 12 zeigt den Vergleich der Raumluftfeuchte für die beiden Betriebfälle. Wie
aus [2, 3] bekannt, ist beim Zweipunktregler die Raumluftfeuchte nur vom
SHF abhängig. Die hohe Außenluftfeuchte führt zu kleinerem SHF und
zur Erhöhung der Raumluftfeuchte. Daraus resultiert, dass die Raumluftfeuchte
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Bild 10: Regelverhalten von Anlage und Raum;
A – Raumtemperatur (Regelgröße); B – Raumfeuchte (sich
einstellende) für den Betriebsfall mit 31,4 % Außenluft
für den Betriebsfall mit Außenluft höher
als für den Fall nur mit reiner Umluft
(Bild 12) ist.
Bei der stetigen Regelung ist die Raumluftfeuchte eine Funktion sowohl des
Belastungsgrads PLR als des sensiblen
Lastverhältnisses SHR. Für das Beispiel
eliminieren sich die Einflüsse der beiden
Faktoren gegenseitig, so dass der Unterschied geringfügig bleibt. Für den Vergleich der Betriebsfälle mit und ohne
Außenluft ist der Energiebedarf beim
Zweipunktregler 12,2 % und beim PI
Regler 8,4 % höher.
Zusammenfassung
Im Rahmen der IEA-SHC/ HVAC BESTEST
TASK 22 wurde das Betriebsverhalten
vom Splitgerät mit dem Zweipunktregler
sowohl beim Voll- als auch beim Teillast-
betrieb analysiert. Auf dieser Grundlage
erfolgt eine Modellbildung des Splitgerätes mit einem stetigen Regler. Das Verfahren ist deterministisch und mathematisch prüfbar. Beim Volllastbetrieb haben
die Reglertypen keine Einflüsse auf das
Anlagenverhalten. Im Gegenteil dazu
ist beim Teillastbetrieb das Anlagenverhalten vom Reglertyp abhängig.
Bei der Anwendung des stetigen Reglers
wird die Solltemperatur exakt eingehalten, wohingegen der Zweipunktregler
eine Schwingung der Raumtemperatur
um den Sollwert verursacht. Die Raumluftfeuchte ist bei der Zweipunktregelung nur eine Funktion des SHF. Beim
stetigen Regler beeinflussen der SHF
und der PLR die Raumluftfeuchte. Der
stetige Regler ermöglicht eine Energieeinsparung, welche vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig ist.
17
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Bild 11: Verlauf der Betriebskenngröße; A – Kühlleistung;
B – Leistungszahl COP; C – Energiebedarf für den Betriebsfall mit 31,4 % Außenluft
Auf der Basis dieses Modells kann ein
Berechnungsalgorithmus für Multi-Splitgeräte abgeleitet werden.
Formelzeichen:
ADP
Q_
_
m
PI
PLR
SHF
ZPR
W
u
Apparate Taupunkt
Leistung
Luftmassestrom
PI Regler
Belastungsgrad
Sensibler Heizfaktor
Zweipunktregler
Temperatur
relative Feuchte
Index:
AB
AU
f
ges
18
Abluft
Außen
Feuchtkugel
gesamt
[W]
[kg/s]
LA
Last
lat
LE
N
R
sen
UM
ZU
Bild 12: Vergleich der Raumfeuchte für die beiden Betriebsfälle (A – rel. Feuchte; B – abs. Feuchte)
Luftaustritt
Kühllast
latent
Lufteintritt
Anlage
Raum
sensibel
Umluft
Zuluft
[3]
[4]
[5]
Literatur:
[ C]
[%]
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Simulation Test and Diagnostic Method
for Mechanical Equipment (HVAC BESTEST), Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 1998
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(approved for publication), Golden, CO:
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November 2000
Knabe, G., Le, H.-T.: HVAC BESTEST Modeller Report. Analytical Solutions, Dresden University of Technology, August
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Knabe, G., Le, H.-T.: HVAC BESTEST Modeller Report. TRNSYS 14.2 (A Transient
System Simulation Program), Dresden
University of Technology, August 2000
Brandemuehl, M.J.: A Toolkit for Secondary HVAC System Energy Calculations:
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(ACDX), TC 4.7 Energy Calculation of
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Le, H.-T.: Analyse des Betriebsverhaltens
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Le, H.-T.: Entwicklung und Validierung
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f KI Luft- und Kältetechnik 1/2004
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[13] Neymark, J., Judkoff, R., Knabe, G., Le,
H.-T., Dürig, M., Glass, A., Zweifel, G.:
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test (BESTEST) diagnostic method to verification of space conditioning equipment models used in whole-building
energy simulation programs, Energy
and Buildings 34 (2002) 917 – 931
[14] VDI 2078 (Verein deutscher Ingenieur):
Berechnung der Kühllast klimatisierter
Räume, VDI-Verlag, Düsseldorf, Juli
1996
Schlüsselwörter
Splitgerät
Raumklimagerät
Betriebsverhalten
stetige Regelung
nichtstetige Regelung
Anlagensimulation
Gebäudesimulation
ARTic Hall, das größte
Iglu der Welt
Wintervergnügen im Eishotel
Kanadas
Winterpalast
Im nordschwedischen Jukkajärvi, 17 km südöstlich von
Kiruna, entsteht alljährlich das
größte Eishotel der Welt. In
dieser Saison öffnete es am
12. Dezember bereits zum
13. Mal. Am 18. April 2004
ist alles wieder vorbei. Dann
hat das Hotel den Kampf gegen die stärker werdende Frühlingssonne verloren.
Der neueste Trend extremer Raumklimatisierung sind Eishotels. Wiederum mit Winterbeginn entstanden in den skandinavischen
Ländern sowie in Kanada und erstmals auch
in den USA Hotels aus Schnee und Eis. Selbst
das Inventar, vom Bett bis zum Cocktailglas,
besteht aus Eis.
Bereits in der 4. Saison öffnete das kanadische Ice Hotel
in Quebec-City am 9. Januar
seine eisigen Pforten. Der Winterpalast entstand aus 10.000 t
Schnee und 400 t Eis in nur
5wöchiger Bauzeit. Die Hotelbetten sind aus Eis gemeißelt,
es gibt Kunstgalerien, Filmtheater, Bars, Geschäfte und
eine Hochzeitskapelle. Das kalte Vergnügen endet am 4.
April 2004.
Für den Bau des 2.000 m2
großen Gebäudes sind 5.000 t
Eis aus dem Fluss Tome Älv und
10.000 t Schnee erforderlich.
Der Schnee wird dabei schichtweise auf einen Stahlrahmen
aufgebracht und mit Wasser
besprüht. Wenn die 2 m dicken
Wände fest gefroren sind, wird
der Rahmen entfernt.
Nach Fertigstellung des Gebäudes stehen 110 Betten in
Doppelzimmern und 12 Suiten
zur Verfügung. Außerdem ein
Restaurant mit der Absolute
Icebar, ein Kinosaal und eine
kleine Kirche, in der sogar
Trauungen möglich sind.
Eisbrecher und
Snowcastle
Ein spezielles Eisvergnügen
wird in Finnland geboten. Bef KI Luft- und Kältetechnik 1/2004
Eishotel als
Kunstmuseum
Eingang zum Snowcastle
vor der Gast im Snowcastle in
Kemi, der nördlichsten Stadt
am Bottnischen Meerbusen,
eincheckt, kann er eine Fahrt
auf dem 8.800 PS starken Eisbrecher Sampo über die gefrorene Ostsee mitmachen. Bei
einer Eisdicke von 50 cm beträgt die Geschwindigkeit des
75 m langen Schiffes noch 8
Knoten, rund 13 km/h.
Das Snowcastle öffnete am
30. Dezember 2003. Bis zum 6.
April 2004 stehen in 15 Doppel- und 2 Mehrbettzimmern
insgesamt 46 Betten zur Verfügung.
Im vergangenen Herbst
wurde knapp 100 km nordöstlich von Fairbanks das erste Eishotel in den USA gebaut. Eröffnung im Chena Hot Springs
Resort war Ende November.
Vorbild waren die Eishotels in
Finnland, Schweden und Kanada. Im Detail ist es aber
grundlegend anders. In einem
9 m hohen Gebäude befinden
sich Eisbar, Lobby, Bühne und 6
Gästezimmer im gotischen Stil,
wobei sich die Zimmer thematisch geringfügig unterscheiden.
Ein spektakuläres Erlebnis
ist eine Übernachtung in einer
„Gefrierkammer“ allemal.
J. K.
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