Teil

5G

ebäu

deau

tom

atio

n

Lüftungs- und Klimaregelung

Technische Information

5T

BA2Y1

BA1 BE3 BE2BA3

F1AE1*

F2AE3*

T T T

F6

Y2

Teil 1: Grundlagen

Teil 2: Regler ohne Hilfsenergie

Teil 3: Stellventile

Teil 4: Kommunikation

Teil 5: Gebäudeautomation

Teil 6: Prozessautomation

Bitte richten Sie Rückfragen und Anregungen an:

SAMSON AG Telefon (069) 4 00 94 67V74 / Schulung Telefax (069) 4 00 97 16Weismüllerstraße 3 E-Mail: schulung@samson.de60314 Frankfurt Internet: http://www.samson.de

Technische Informationen

Lüftungs- und Klimatechnik

Lüftungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Zulufttemperaturregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Ablufttemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Ablufttemperatur-Kaskadenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Lüftungsanlagen mit eingebundener Energierückgewinnung . . . . . . . 9

Rekuperative Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Regenerative Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Direkte Umluftbeimischung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Luftqualitätseinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Sommeranhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Klimaregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Enthalpie-Feuchte-Diagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Taupunktregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Direkte Feuchteregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Anhang A1: Ergänzende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

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AG

⋅00/

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INH

ALT

4

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Lüftungsregelung

In Lüftungsanlagen wird die Zuluft-, Abluft- oder Raumtemperatur unmittel-bar geregelt. Sie arbeiten damit wesentlich exakter und komfortabler alsHeizungsanlagen, die mit einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturrege-lung arbeiten. Man unterscheidet Lüftungsanlagen in Abhängigkeit von ihrerInstrumentierung und der Art ihrer Regelung.

Zulufttemperaturregelung

Bild 1 zeigt die Instrumentierung einer Lüftungsanlage für eine Zulufttempe-raturregelung (Regelgröße: F1/AE1), die als Stellglied mit einem Lufterhitzerarbeitet. Die Regelung erfolgt über das Stellsignal Y1, das das Mischventilam Lufterhitzer betätigt. Zusätzlich kann der Regler über binäre Schaltaus-gänge (BAx) die Umwälzpumpe, Luftklappen und Ventilatoren ansteuern.

Die hydraulische Anbindung des Lufterhitzers sollte, wie dargestellt, mit ei-nem Dreiwegeventil als Mischregelung realisiert werden. Gegenüber derMengenregelung mit einem Durchgangsventil vermeidet diese Anbindungunterschiedliche Temperaturprofile, da die Lufterwärmung gleichmäßig über

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AG

⋅00/

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TT

BA2Y1

BA1

BE3 BE2

BA3

F1AE1*

Bild 1: Zulufttemperaturregelung

* alternativ

Temperaturregelung

des Zuluftstromes

die gesamte Erhitzeroberfläche erfolgt. Bei frostgefährdeten Lufterhitzernbietet sich die Einspritzschaltung an. Eine zusätzliche Bypassleitung stellt hiersicher, dass das Heizmedium auch bei geschlossenem Regelventil nicht aus-kühlt. Dadurch steht, sobald das Stellventil öffnet, das richtig temperierteHeizmedium verzögerungsfrei zur Verfügung.

Zum Anfahren einer Anlage mit Zulufttemperaturregelung wird zunächst nurdas Mischventil geöffnet (Y1) und die Umwälzpumpe aktiviert (BA1), so dassder Lufterhitzer aufgeheizt wird. Zeitverzögert werden dann die Luftklappengeöffnet (BA2) und die Ventilatoren eingeschaltet (BA3). Mit dieser so ge-nannten Anfahrschaltung wird ausgeschlossen, dass kalte Außenluft denWasserkreislauf des Lufterhitzers zum Einfrieren und in letzter Konsequenzzum Bersten bringen kann.

Während des Betriebes erfolgt die Rückmeldung über die Zustände der Ven-tilatoren sowie des Frostschutzthermostates über binäre Eingangssignale(BEx). Um das Heizregister auch bei defektem Regler sicher vor Frostschädenzu bewahren, muss der Frostschutzthermostat über Schütze so verschaltetwerden, dass er die Ventilatoren und den Lufterhitzer unmittelbar ansteuernkann. Bei Vereisungsgefahr wird dann der Ventilator ausgeschaltet, dasMischventil geöffnet, die Umwälzpumpe eingeschaltet und die Luftklappengeschlossen.

Ablufttemperaturregelung

Bei der zuvor dargestellten Zulufttemperaturregelung wird � wie die Be-zeichnung ausdrückt � die Zuluft auf einen vorgegebenen Temperaturwertgeregelt. Im Raum auftretende Temperaturschwankungen, die durch unter-schiedliche Nutzung verursacht werden (Anzahl der Personen im Raum, Ab-wärme erzeugende Geräte u. Ä.), bleiben jedoch vom Regler un-berücksichtigt.

Ergänzt man die Anlage in Bild 1 entsprechend Bild 2 um einen Abluft- oderauch Raumtemperaturfühler, so kann als Regelgröße die tatsächliche Raum-bzw. Ablufttemperatur gewählt werden (Regelgröße F2/AE3). Der Reglerkann somit die Störgrößen erfassen und ist bestrebt, diese auszuregeln. Be-züglich des Anfahrverhaltens und der Funktion des Frostschutzthermostatengleicht die Anlage der zuvor beschriebenen.

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S/H

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gleichmäßige

Lufterwärmung

Anfahren der

Zulufttemperatur-

regelung

Sicherheit vor Vereisung

Störgrößen aufgrund

der Raumnutzung

Eine Ablufttemperatur- bzw. Raumtemperaturregelung ist aus Komfort-gründen nur in Verbindung mit einer Zulufttemperatur-Minimalbegrenzungsinnvoll. Ohne diese Begrenzung und einer Überwachung der Zulufttempe-ratur treten bei der Regelung extreme Unterschiede zwischen Raumtempera-tur und zugeführter Lufttemperatur auf:

4Bei Wärmebedarf würde der Regler das Mischventil öffnen und der Lufter-hitzer so lange mit maximal möglicher Zulufttemperatur heizen, bis derAbluftfühler eine Temperaturerhöhung registriert.

4Bei Kältebedarf würde die Zulufttemperatur vom Regler bis auf Außen-temperaturniveau abgesenkt.

Am Regler sind deshalb sowohl der Sollwert der Abluft-/Raumtemperaturals auch die minimal zulässige Zulufttemperatur einzustellen.

Die Regelung der Ablufttemperatur kann � besonders bei großen Räumen �zu weiteren Problemen führen. Der als Temperaturspeicher dienende Raumführt innerhalb der Regelstrecke zu Totzeiten. Stellgrößenänderungen wir-ken sich deshalb nur zeitverzögert auf die Regelgröße aus. Dadurch bestehtdie Gefahr, dass der Regler das Stellglied (Mischventil) abwechselnd ganzauf und zu fährt und die Zulufttemperatur zwischen Minimalbegrenzungs-und Maximaltemperatur schwingt.

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T TT

BA2Y1

BA1

BE3 BE2

BA3

F1AE1*

F2AE3*

Bild 2: Ablufttemperaturregelung / Kaskadenregelung

* alternativ

große Räume

bewirken Totzeiten

Vorgabe der minimalen

Zulufttemperatur

Ablufttemperatur-Kaskadenregelung

Eine verbesserte Regelbarkeit erreicht man mit Hilfe der Abluft- bzw. Raum-temperatur-Kaskadenregelung (Bild 3). Diese verbindet die Vorteile der zu-vor erwähnten Regelverfahren. Durch die Regelung der Zulufttemperaturerreicht man stabile Regelverhältnisse, während die überlagerte Abluft-bzw. Raumtemperaturregelung darüber hinaus in der Lage ist, Störgrößenzuverlässig auszuregeln.

Am Regler werden für die Kaskadenregelung zwei Sollwerte eingestellt.Dementsprechend müssen zwei Regelgrößen � Zulufttemperatur (F1/AE1)und Ablufttemperatur (F2/AE3) � im Regelkreis zurückgeführt werden. Derüberlagerte Abluftregelkreis passt die Führungsgröße des unterlagerten Zu-luftregelkreises an. Dabei wird der eingestellte Sollwert der Zulufttemperaturin Abhängigkeit von der Regeldifferenz e des Abluftregelkreises korrigiert.Die einstellbaren Minimal- und Maximaltemperaturen der Zuluft begrenzenauch bei diesem Regelverfahren den verfügbaren Stellbereich. Während derAbluftregler proportionales Regelverhalten hat, arbeitet der Temperatur-regelkreis der Zuluft mit einem PI-Regler.

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S/H

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_ _+

F1AE1

F2AE3

Bild 3: Regelprinzip der Ablufttemperatur-Kaskadenregelung

wAbluft

wZuluft

Abluft-regler

Zuluft-regler

Raum

Folgeregelung

Funktion

Lüftungsanlagen mit eingebundener Energierückgewinnung

Eine Lüftungsanlage lässt sich wesentlich wirtschaftlicher betreiben, wenn dieAnlage mit einer Energierückgewinnung arbeitet. Grundsätzlich unterschei-det man drei verschiedene Verfahren der Energierückgewinnung:

4Rekuperative Wärmerückgewinnung,

4regenerative Wärmerückgewinnung und

4direkte Umluftbeimischung.

� Rekuperative Wärmerückgewinnung

Bei rekuperativen Systemen wird die Wärme des Abluftstroms über Wärme-tauscher auf den Zuluftstrom übertragen. Dies kann entweder direkt, z. B. miteinem Plattenwärmetauscher, erfolgen (Lüftungsanlage nach Bild 4) oder eskommen kreislaufverbundene Wärmetauscher zum Einsatz, bei denen einZwischenmedium als konvektiver Wärmeträger dient (Lüftungsanlage nachBild 5).

Der wesentliche Unterschied gegenüber den zuvor beschriebenen Anlagenbesteht darin, dass der Regler zwei Stellsignale generiert. Eines wirkt auf dasMischventil des Lufterhitzers, während das Zweite den Wärmestrom zwi-schen der Ab- und Zuluft regelt. Der Wärmestrom wird entweder, entspre-

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T

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BA1 BE3 BE2BA3

F1AE1*

F2AE3*

T T T

F6

Y2

Bild 4: Rekuperative Wärmerückgewinnung, Kreuzstromwärmetauscher

* alternativ

drei Verfahren zur

Energierückgewinnung

Energieübertragung mit

Wärmetauschern

Stellsignale für

Lufterhitzer und

Wärmetauscher

chend Bild 4, über Klappen beeinflußt oder beim kreislaufverbundenenWärmetauscher über das Mischventil eingestellt.

Zum Anfahren der Anlage wird zunächst das Lufterhitzer-Mischventil aufge-fahren, zeitverzögert werden die Luftklappen geöffnet und schließlich dieVentilatoren eingeschaltet.

Während dieses Startbetriebes zirkuliert das Wärmeträgermedium im Kreis-laufsystem �Abluftwärmetauscher und Mischventil�. Dadurch findet zwischenAbluft- und Außenluftwärmetauscher kein Energieaustausch statt. Erst imAnschluss an die Inbetriebnahme der Ventilatoren wird mit der Regelung derWärmerückgewinnung (WRG) begonnen. Dabei wird abhängig vom Wär-mebedarf der Durchfluss des Wärmeträgermediums zwischen den Aus-tauschern geregelt.

Mit der Freigabe der WRG nimmt der Regler den Sequenzregelbetrieb auf(Bild 6). Hierbei wird der Raum nicht mehr nur über den Lufterhitzer beheizt.Im Gegenteil, den bestehenden Wärmebedarf deckt soweit wie möglich derWärmetauscher der WRG (Stellsignal Y2). Erst wenn zusätzliche Wärmelei-stung gefordert ist (Y2 = 100 %), wird diese über den Lufterhitzer (StellsignalY1) bereitgestellt.

Bei sinkendem Wärmebedarf verringert der Regler zunächst das Stellsignaldes Lufterhitzers. Erst wenn dieser ganz heruntergefahren ist, wird der Wär-

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T

T TT

F6

BA2Y2 Y1

BA5BA1 BE3 BE2

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F1AE1*

F2AE3*

Bild 5: Rekuperative Wärmerückgewinnung, kreislaufverbundeneWärmetauscher

* alternativ

Anfahren der Anlage

Betrieb der Anlage

Wärmebedarf wird

aus WRG gedeckt

mestrom reduziert, den die WRG liefert. Wie das Sequenzschema aus Bild 6zeigt, werden die beiden Stellsignale des Reglers stets aufeinander folgendbetätigt.

Bei der Auslegung der Hydraulik des kreislaufverbundenen Wärmetau-schers (Bild 4, 5) muss dem Frostschutz besondere Beachtung geschenkt wer-den. Bei Kältebedarf wird die Wärmerückgewinnung immer auf 0 %

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100%

0%

100%

0%

100%

0%

Bild 6: Rekuperative Wärmerückgewinnung, Sequenzschema

y

y

y

Wärmebedarf

Wärmebedarf

Wärmebedarf

b)

a)

HeizenWRG

y1: Heizeny2: Wärme-

rück-gewinnung

Frostschutz beim

kreislaufverbundenen

Wärmetauscher

a) mit Wirkrichtungs-

umkehr für y1

b) mit Wirkrichtungs-

umkehr für y1

und y2

gedrosselt. Weil in diesem Fall keine Zirkulation des Wärmeträgermediumsstattfindet, muss der Flüssigkeitskreislauf gegen Einfrieren geschützt werden.Als Wärmeträgermedium wird deshalb zumeist kein Wasser, sondern Gly-kol eingesetzt.

Unter ungünstigen Bedingungen kann der Abluftwärmetauscher aber auchluftseitig vereisen. Dies geschieht dann, wenn bei niedrigen Außentempera-turen das Wärmeträgermedium und damit der Abluftwärmetauscher zu kühlwird. Wasserpartikel, die aus der Abluft an den Lamellen des Tauschers kon-densieren, können dann gefrieren. Als Folge verkleinert sich die nutzbareOberfläche des Abluftwärmetauschers, wodurch die Temperatur des Wär-meträgermediums noch weiter absinkt. Diese fortschreitende luftseitige Ver-eisung kann schließlich zur Zerstörung des Abluftwärmetauschers führen.

Vor dieser Betriebssituation schützt der Fühler F6 und/oder ein Frostschutz-thermostat im Vorlauf des Wärmetauschers. Der Frostschutzthermostat wirktunmittelbar auf das Mischventil der Wärmerückgewinnung. Beim Unter-schreiten einer kritischen Temperatur unterbricht das Mischventil die Zirkula-tion der kreislaufverbundenen Wärmetauscher. Über eine geeigneteAnsteuerung des Mischventils ist es dem Regler möglich, die Vereisung derWRG zu vermeiden. Dabei wird die WRG jedoch nicht abgeschaltet, son-dern nur so weit gedrosselt, wie es aus Gründen des Frostschutzes erforder-lich ist.

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kondensiertes Wasser

friert auf dem

Wärmetauscher

Überwachung der

Temperatur

� Regenerative Wärmerückgewinnung

Ein regeneratives System zur Wärmerückgewinnung arbeitet mit einer rotie-renden Speichermasse, die auf der einen Seite vom Abluftstrom und auf deranderen vom Zuluftstrom umströmt wird. Die Masse wirkt als Wärme-tauscher, bei dem nicht nur die Wärme der Abluft, sondern zusätzlich der inihr enthaltene Wasseranteil (Abluftfeuchte) übertragen wird. Bild 7 zeigt dasSchema einer Lüftungsanlage, die mit regenerativer Wärmerückgewinnungarbeitet.

Bezüglich der Funktionsweise gibt es keine nennenswerten Unterschiede zuden zuvor dargestellten Anlagen. Der Stellausgang Y2 des Reglers steuerthier jedoch nicht ein Mischventil, sondern die Drehzahl der rotierendenSpeichermasse. Dabei erhöht sich der Wärmetransport mit steigender Dreh-zahl.

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T

T TT

F6

BA2Y2 Y1

BA1

BE3 BE2

BA3

F1AE1*

F2AE3*

Bild 7: Regenerative Wärmerückgewinnung

* alternativ

Wärme- und

Feuchteübertragung

� Direkte Umluftbeimischung

Das einfachste und sehr häufig verwendete Verfahren zur Energierückge-winnung stellt die direkte Umluftbeimischung dar. Bei diesem wird dem Zu-luftstrom in der Mischluftkammer über motorbetriebene Luftklappenabhängig vom Wärmebedarf Abluft beigemischt.

Das Bild 8 stellt eine Lüftungsanlage mit direkter Umluftbeimischung dar,welche zusätzlich mit einem Kühlregister ausgestattet ist. Bei hohen Außen-temperaturen kann über das Kühlregister die Temperatur des Zuluftstromesgesenkt werden.

Die hydraulische Anbindung des Kühlregisters kann wie dargestellt als Men-genregelung mit einem Durchgangsventil realisiert werden oder, wie beimLufterhitzer skizziert, als Mischregelung mit einem Dreiwegeventil. Um dasAnsprechverhalten des Kühlregisters zu optimieren, kann eine Einspritz-schaltung installiert werden. Diese stellt mit Hilfe einer zusätzlichen Bypass-leitung sicher, dass das Kühlmedium auch bei geschlossenem Regelventilseine Temperatur beibehält.

Wird eine Kältemaschine eingesetzt, die mit konstantem Umlaufvolumen(100 %) arbeiten muss, so ist eine Mischregelung erforderlich. Ein alternati-ves Regelverfahren stellt der getaktete Betrieb der Kältemaschine dar. Durch

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T T TLT

F3AE2*

Y2 Y1BA1

AE4BE3

Y3

BE2

BA3

F1AE1*

F2AE3*

T

F7

Bild 8: Wärmerückgewinnung durch direkte Umluftbeimischung

* alternativ

wenig Aufwand,

großer Nutzen: die

Umluftbeimischung

Regelung

des Kühlregisters

eine Impuls-Pausen-Ansteuerung eines Binärausganges variiert der Reglerdie im zeitlichen Mittel bereitgestellte Kühlleistung der Kühlmaschine.

Die Regelung einer Lüftungsanlage erfolgt über Heiz- und Kühlregister sowiedie Klappenstellung in der Mischluftkammer. Das Regelverhalten lässt sichdabei besser an die äußeren Gegebenheiten anpassen, wenn zusätzlich einFühler für die Außenlufttemperatur installiert ist.

Die Ansteuerung des Heiz- und Kühlregisters ist abhängig davon, wie dieMischluftkammer arbeitet. Bei deren Betrieb unterscheidet man drei ver-schiedene Verfahren:

4Mischluftkammer im Sequenzbetrieb,

4unabhängige Mischlufttemperaturregelung und

4außentemperaturgesteuerte Mischluftkammer.

Heutzutage wird zumeist der Sequenzbetrieb gewählt, der entsprechend desSequenzschemas aus Bild 9 arbeitet. Durch die zeitlich versetzte Ansteue-rung der Stellsignale kann der erforderliche Wärmebedarf energetisch gün-stig bereitgestellt werden.

Während des Anfahrens wird, ähnlich wie bei den zuvor erläuterten Anla-gen, zunächst das Lufterhitzer-Mischventil aufgefahren. Anschließend wer-den die Luftklappen zeitverzögert geöffnet und die Ventilatoreneingeschaltet. Erst dann beginnt die Regelung der Mischluftkammer und desKühlregisters.

Während des Betriebes ist der Regler bestrebt, den Wärmebedarf über denUmluftanteil zu regeln:

4Für einen gesteigerten Wärmebedarf wird der Außenluftanteil abgesenkt,indem der Regler die Stellgröße Y2 des Luftklappensystems verringert (sie-he Sequenzschema Bild 9). Eine einstellbare Mindestaußenluftrate verhin-dert, dass die Lüftungsanlage in dieser Betriebssituation zu 100 % imUmluftbetrieb arbeitet. Nur wenn die gewünschte Temperatur auch beiminimalem Außenluftanteil nicht erreicht werden kann, wird der fehlendeWärmestrom mit Hilfe des Lufterhitzers erzeugt.

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Lüftungsregelung

mit Heiz-, Kühlregister

und Mischluftkammer

Lüftungsregelung im

Sequenzbetrieb

Anfahren der Anlage

Betrieb der Anlage

Mindestaußenluftrate

stellt Luftqualität sicher

4Bei Kältebedarf versucht der Regler die Temperatur zu senken, indem erden Außenluftanteil erhöht. Dies führt nur dann zum Erfolg, wenn dieTemperatur der Außenluft niedrig genug ist. Erst wenn diese Maßnahmekeine ausreichende Wirkung zeigt, wird � sofern vorhanden � der Luft-kühler über Y3 aktiviert. Steigt die Außenlufttemperatur über die ge-wünschte Raumtemperatur (Sommerbetrieb), arbeitet die Anlage �analog wie beim Wärmebedarf � mit Mindestaußenluftrate.

Die in Bild 9a und 9b dargestellte Ansteuerung der Mischluftkammer (Y2)unterscheidet nicht, ob die Außentemperatur größer oder kleiner als dieRaum-/Ablufttemperatur ist. Bei Verwendung von Temperaturfühlern fürAußenluft (F3/AE2) und Abluft (F2/AE3) ist es möglich, diese Bedingungen

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100%

0%

100%

0%

100%

0%

Bild 9: Mischluftkammer in Sequenz

a)

b)

c)

y

y

y

Wärmebedarf

Wärmebedarf

Wärmebedarf

y1: Heizeny2: Klappey3: Kühlen

Außen-temperatur

tAbluft < tAußen

tAbluft > tAußen

a) ohne Außen- und

Ablufttemperatur-

aufschaltung

b) mit Außentempera-

turaufschaltung

c) mit Außen- und Ab-

lufttemperaturauf-

schaltung

im Kühlbetrieb

wird Außenluft genutzt

mit inversem Stellsignal � per Wirkrichtungsumkehr � zu berücksichtigen.Besteht Wärmebedarf und ist die Außentemperatur größer als die Abluft-temperatur, wird der Regler folglich nicht den Umluftanteil, sondern denAußenluftanteil erhöhen.

Im Gegensatz zu den nachfolgend skizzierten Betriebsweisen erfordert derSequenzbetrieb keinen Mischlufttemperaturfühler. Arbeitet die Anlage miteiner unabhängiger Mischlufttemperaturregelung, so ist zur Erfassung derMischlufttemperatur dennoch ein Fühler erforderlich (Bild 8: F7). Am Reglerist für die Mischlufttemperatur ein separater Sollwert einzustellen, der überdas Stellsignal Y2 ausgeregelt wird. Wie bei den Anlagen zuvor wird dieLuftqualität durch die Vergabe und Einstellung einer Mindestaußenluftrate si-chergestellt.

Die Stellsignale in Bild 10 zeigen, dass die Mischlufttemperaturregelung ei-genständig in einem separaten Regelkreis erfolgt. Sie ist daher unabhängigvom Wärme- oder Kältebedarf. Dieser Bedarf wird ausschließlich über diein Sequenz arbeitenden Stellsignale Y1 (Lufterhitzer) und Y3 (Luftkühler) ge-regelt.

Wird über Fühler die Außen- und Ablufttemperatur erfasst, kann der Regler� wie oben beschrieben � die Wirkrichtung abhängig von den jeweiligenTemperaturen selbsttätig anpassen.

Anstatt der zuvor erläuterten Regelung der Mischluftkammer kann die Klap-penstellung auch per Steuerung vorgegeben werden. Bei diesem außentem-

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100%

0%

100%

0%

Bild 10: Unabhängige Mischlufttemperaturregelung

y ytAB < tA

tAB > tA

∆x ∆x

y1: Heizen y2: Klappe y3: Kühlen

Wärmebedarf

unabhängige Regelung

der Mischlufttemperatur

außentemperatur-

geführte Steuerung der

Mischluftkammer

peraturgesteuerten Betrieb wird das Stellsignal Y2 in Abhängigkeit von derAußentemperatur eingestellt. Äußere Störgrößen werden bei dieser Be-triebsweise nicht berücksichtigt. Wie zuvor bei der Mischlufttemperaturrege-lung wird der Wärmebedarf ausschließlich über das Heiz- und Kühlregistergeregelt.

Der Verlauf der Stellkennlinie y2 wird mit Hilfe der Parameter �a� bis �d� defi-niert und muss direkt am Gerät eingestellt werden (siehe SequenzschemaBild 11).

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100%

0%

100%

0%

Bild 11: Außentemperaturgesteuerte Mischluftkammer

y2

y1: Heizen y2: Klappe y3: Kühlen

y1,y3

Wärmebedarf

a

b c d tA

Parameter der Kennlinie y2:

Mindest-Außenluftrate: a [%]Mindest-Außenluftrate bei Außentemperatur kleiner als b [°C]100 % Frischluft bei Außentemperatur größer als c [°C]Sommerbetrieb bei Außentemperatur größer als d [°C]

Luftqualitätseinfluss

Die Erfassung der Luftqualität ist nicht einfach, da die Geruchswirkung der ineinem Raum vorkommenden Gase zum Teil sehr subjektiv ist. Bei der Rege-lung der Luftqualität muss man sich deshalb auf die physikalisch erfassbarenGrößen beschränken.

Die Schadstoffe, die in der Raumluft auftreten können, sind vielfältig: DerMensch erzeugt Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O) und andere Ge-rüche. Raucher erzeugen zudem giftige Stickstoffdioxid (NO2), Kohlenmon-oxid (CO) sowie komplizierte Mischungen chemischer Dämpfe. Aus dertechnischen Umwelt strömen Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide (NOx), CO2

oder H2O in den Raum.

Wenn ein Luftqualitätsfühler installiert ist (Bild 7: L an AE4), lässt sich die Luft-qualität über den Außenluftanteil mit Hilfe der Klappen regeln. Bei schlechterLuftqualität wird die Mindestaußenluftrate solange erhöht, bis die Raumluftwieder die gewünschte Qualität aufweist. Eine solche bedarfsabhängige Re-gelung minimiert die Kosten der Luftaufbereitung und verringert die Trans-portverluste.

Als Sensor kann entweder ein Mischgas-Sensor aus Halbleitermaterial oderein wesentlich teurerer Kohlendioxid-Sensor eingesetzt werden. Währendder Mischgas-Sensor mit unterschiedlicher Empfindlichkeit auf verschiedeneGase reagiert (Wasserstoff, CO, Kohlenwasserstoff (CH), Alkohole, Benzo-le, Wasserdampf etc.), misst der Kohlendioxid-Sensor selektiv den CO2-Gehalt der Luft.

In Räumen, in denen mit großem Raucheranteil zu rechnen ist (hoherCO-Gehalt) oder die Luftverunreinigung durch Rauch und Qualm im Vorder-grund steht, eignet sich die Mischgaserfassung. Da der CO2-Gehalt der Luftmit der Anzahl der Personen im Raum steigt, liefert ein Kohlendioxid-Sensorwichtige Daten, wenn es gilt, eine hohe Luftqualität zu gewährleisten. Zu-meist empfiehlt sich die CO2-Messung in Verbindung mit der Erfassung desMischgasgehaltes.

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eine komplizierte Mi-

schung: die Raumluft

Raumluftregelung

senkt Kosten

Sommeranhebung

Wird eine Lüftungsanlage mit Kälteerzeugung im Sommer wie im Winter mitdemselben Sollwert betrieben, entstehen hohe, vermeidbare Energiekosten.Wesentlich wirtschaftlicher ist es, wenn bei Lüftungsanlagen mit Kälteerzeu-gung im Sommer der Temperatursollwert angehoben und dadurch der Kühl-bedarf verringert wird. Diese Sommeranhebung empfiehlt sich auchdeshalb, weil sich ein zu hohes Temperaturgefälle, beispielsweise Raumtem-peratur von 22 °C bei Außentemperaturen von über 30 °C, negativ auf dasmenschliche Wohlbefinden auswirkt. Bild 12 zeigt die Funktion �Sommer-anhebung�, welche mit zunehmender Außentemperatur den Temperatursoll-wert der Zuluft, Abluft bzw. des Raumes entsprechend anhebt.

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RB°C

°C

302622

25 32

Bild 12: Sommeranhebung

Sollwert

tA

verschieden Sollwerte

für den Normal-

und den Sommerbetrieb

Klimaregelung

Absolut trockene Luft kommt in der freien Atmosphäre nahezu nicht vor. Eingewisser Anteil an Wasserdampf, der jedoch zeitlich und örtlich schwankt,befindet sich stets in der Atmosphäre. Feuchte Luft ist also ein Gemisch austrockener Luft und Wasserdampf. Wird in einem Raum die Temperatur unddie Luftfeuchte geregelt, so spricht man von einer Klimaanlage.

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise von Klimaanlagen werdenauf den folgenden Seiten das hx-(Enthalpie-Feuchte-)Diagramm sowie mög-liche Regelverfahren erläutert.

Enthalpie-Feuchte-Diagramm

Das hx-Diagramm (Bild 13) von R. Mollier (1904) stellt in einem schiefwinke-ligen Koordinatensystem graphisch den Zusammenhang der verschiedenenLuftzustandsgrößen von absoluter Feuchte x, Temperatur t, relativer Feuchteϕ und Enthalpie h dar.

Unter absoluter Feuchte x, die auf der waagerechten Achse (Abzisse) aufge-tragen ist, versteht man diejenige Wassermenge in g, die pro kg trockenerLuft vorhanden ist. Die Linien gleichen Wassergehaltes verlaufen parallel vonoben nach unten.

Auf der senkrechten Achse (Ordinate) ist die Lufttemperatur in °C eingetra-gen. Während die Isotherme (Linie gleicher Temperatur) für 0 °C parallel zurAbzisse verläuft, weisen die über 0 °C liegenden Isothermen eine geringeSteigung auf.

Unter der relativen Feuchte ϕ versteht man das Verhältnis der tatsächlich ent-haltenen zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft. Alle

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xMasse des in der Luft enthaltenenWassers

Masse der feuch=

ten Luft

Zustandsgrößen im

hx-Diagramm

Punkte gleicher relativer Feuchte (r. F.) sind miteinander verbunden und er-geben die Kurvenschar r. F. = 0 % bis r. F. = 100 %.

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0 5 10 15 20 25

30

25

20

15

10

5

0

�5

�10 010

2030

4050

6070

8090

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

h[kJ/kg]

t[°C]

x

[g/kg]

P

Bild 13: hx-Diagramm

Nebelgebiet

unge

sätti

gtes

Gem

isch

ϕ =absolute Feuchte

maximale Feuchte

Der spezifische Wärmeinhalt der Luft wird in kJ/kg gemessen. Linien glei-chen Wärmeinhaltes (gleicher spezifischer Enthalpie h) werden Adiabatengenannt. Sie verlaufen von links oben nach rechts unten. Für einen beliebi-gen Luftzustand P lassen sich im hx-Diagramm alle vier Zustandsgrößen(Wassergehalt x, Lufttemperatur t, relative Feuchte ϕ und Enthalpie h) able-sen. Die exakte Lage des Punktes P ist schon eindeutig definiert, wenn nurzwei dieser Größen bekannt sind.

Führt man der Luft mehr Feuchte zu, als sie aufnehmen kann, so schlägt sichdas überschüssige Wasser in Form von Nebel nieder, der an einem kühleren

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0 5 10 15 20 25

30

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10

5

0

�5

�10 010

2030

4050

6070

8090

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

t[°C]

x

[g/kg]

P

h[kJ/kg]

t Tp

Bild 14: Bestimmung des Taupunktes im hx-Diagramm

graphische Ermittlung

der Zustandsgrößen

Sättigung der Luft

Körper kondensieren kann. Die Grenztemperatur, bei der die vorhandeneWassermenge gerade noch in Dampfform vorliegt, nennt man Sättigungs-temperatur oder Taupunkttemperatur. Die Linie, die alle Sättigungstempera-turen verbindet, heißt Sättigungslinie und entspricht der Linie r. F. = 100 %.

Erreicht die Lufttemperatur bei der Abkühlung den Schnittpunkt mit der Sätti-gungslinie, so kann auf der Temperaturskala die Taupunkttemperatur abge-lesen werden (Bild 14). Eine weitere Absenkung unterhalb derTaupunkttemperatur führt zur Wasserausscheidung (Kondensation, Nebel-bildung).

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/H

S/H

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Taupunkttemperatur

Taupunktregelung

Klimaanlagen können verschiedene Regelverfahren nutzen. Die in Bild 15dargestellte Anlage arbeitet nach dem Prinzip der Taupunktregelung. Sieenthält zwei Temperaturregelkreise:

4Taupunktregelkreis (RK 1) und

4Nacherhitzer-Regelkreis (RK 2).

Die Instrumentierung des Taupunktregelkreises entspricht der des zuvor er-läuterten Lüftungsregelkreises, der zusätzlich um einen Sprühbefeuchter er-weitert ist. Der Nacherhitzer-Regelkreis beinhaltet neben dem Nacherhitzereinen Hygrostaten. Dieser misst die relative Feuchte der Luft und löst die Ab-schaltung des Sprühbefeuchters bei Ausfall des Nacherhitzers aus.

Die Aufbereitung der Luft in der Klimaanlage kann durch folgende Zustands-änderungen durchgeführt werden:

4Erwärmung ⇔ Kühlung

4Befeuchtung ⇔ Entfeuchtung

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T TT

BA2 Y3Y1

BA1BE3 BE2

BA3F1

AE1*F2

AE3*Y1

BA1

T

F1AE1*

Bild 15: Klimaanlage mit Taupunktregelung

Taupunktregelkreis Nacherhitzer-Regelkreis

Die Erläuterung der Klimaregelung mit Taupunktregelung (entsprechend An-lage Bild 15), erfolgt unter Anwendung des hx-Diagrammes:

Ziel der Klimaregelung ist es, sowohl eine bestimmte Raumtemperatur (bzw.Ablufttemperatur) als auch eine bestimmte relative Feuchte im Raum (bzw. inder Abluft) auszuregeln.

Die einfachste Zustandsänderung in der Klimaanlage ist die Temperaturän-derung durch Erwärmung oder Kühlung. Da der Luft währenddessen wederWasser noch Dampf entzogen oder zugeführt wird, verläuft der Vorgangentlang der senkrechten x-Linie (konstante absolute Feuchte). Die Geschwin-digkeit der Temperaturänderung ist abhängig von der jeweiligen Leistungs-zufuhr im Kühl- oder Heizregister. Bei Erwärmung wandert derZustandspunkt im hx-Diagramm auf der Senkrechten nach oben, bei Abküh-lung nach unten. Wird die Taupunkttemperatur unterschritten, verläuft die

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Erwärmung

und Kühlung

0 5 10 15

20

15

10

20

30

40

50

60

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

10

[g/kg]

x

t[°C]

P' P

h[kJ/kg]

Bild 16: Befeuchtung und Temperaturerhöhung im hx-Diagramm

Sättigungslinie

absolute Feuchte

weitere Abkühlung � bei einhergehender Wasserausscheidung � entlangder Sättigungslinie.

Wesentlich komplexer sind die Regelvorgänge bei der Be- und Entfeuchtung.

Zur Befeuchtung nimmt die Luft im Sprühbefeuchter Wasser in Form vonDampf auf, bis der Sättigungszustand erreicht ist (Bild 16). Da der Luft wäh-renddessen keine Wärme zu- oder abgeführt wird (Umlaufwasser: gleicheLuft- und Wassertemperatur), bleibt die Enthalpie h konstant. Ausgehendvom Anfangswert verläuft die Zustandsänderung des Befeuchtungsvorgan-ges im hx-Diagramm entlang der h-Linie (Linie konstanter Enthalpie h). Diemit der Befeuchtung einhergehende Temperaturabsenkung wird im Nach-erhitzer entsprechend der Sollwertvorgabe ausgeglichen.

Zur Lufttrocknung nutzt man die Wasserausscheidung, die einsetzt, wennfeuchte Luft bis unter die Taupunkttemperatur abgekühlt wird (Sätti-gungskennlinie). Dazu strömt die Luft über Kühlrippen, deren Temperatur

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0 5 10 15

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10

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100%

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[g/kg]

x

t[°C]

P'

tTp'

tTp

P

h[kJ/kg]

Bild 17: Lufttrocknung im hx-Diagramm

Sättigungslinie

Lufttrocknung

Luftbefeuchtung

unterhalb des Taupunktes liegt. Die Abkühlung der Luft entspricht imhx-Diagramm einer Zustandsänderung entlang der senkrechten x-Linie. Beieiner Absenkung bis unter die Taupunkttemperatur kondensiert ein Teil desWasserdampfes an den Rippen, so dass die Zustandsänderung entlang derSättigungslinie bei 100 % relativer Feuchte verläuft (Bild 17). Um den zumLuftzustand P� passenden Feuchtegehalt (x in Gramm Wasser pro kg Luft) zuerreichen, muss der Taupunktregelkreis auf den zugehörigen Temperatur-sollwert eingestellt werden (hx-Diagramm: tTp�).

Diese Form der Lufttrocknung hat zur Folge, dass im Anschluss an die Ent-feuchtung eine Erwärmung im Nacherhitzer erforderlich wird, um somit dengeforderten Feuchte- und Temperatursollwert zu erreichen (Bild 17).

Ein wesentlicher Nachteil der Lufttrocknung liegt im hohen Energieaufwand.Anders als im Winterbetrieb, wenn eine Befeuchtung der trockenen Raumluftdas Wohlbefinden erheblich steigert, verzichtet man im Sommer � soweitvertretbar � auf den Entfeuchtungsbetrieb. Die Energiekosten für die Feuchte-absenkung im Sommer stehen häufig in einem unrealistischen Verhältnis zurSteigerung des Behaglichkeitsgefühl.

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Direkte Feuchteregelung

Die Mess- und Stellelemente einer Klimaanlage, die mit direkter Feuchte- undTemperaturregelung arbeitet, verdeutlicht Bild 18. Abhängig von den Mög-lichkeiten des Temperaturregelkreises kann die Feuchteregelung unter-schiedlich realisiert werden. Mögliche Varianten sind

4der Zuluftfeuchteregelkreis,

4der Abluft- oder Raumluftfeuchteregelkreis mit Maximalbegrenzung derZuluftfeuchte und

4die Kaskadenregelung mit überlagertem Abluft- bzw. Raumluftfeuchtere-gelkreis.

Bei der direkten Feuchteregelung erfolgt die Trocknung � wie bei dem Tau-punktregelverfahren � mittels Kühlregister durch Unterschreiten der Tau-punkttemperatur. Zur Befeuchtung wird jedoch kein Sprüh-, sondern einDampfbefeuchter verwendet. Dieser arbeitet mit Wasserdampf, der in denLuftkanal eingegeben wird. Gegenüber dem Sprühbefeuchter lässt sich beider Befeuchtung mittels Dampf die Luftfeuchte sehr gut direkt und stetig re-geln.

Eine direkte Feuchte- und Temperaturregelung erfordert die in Bild 19 dar-gestellten Stellsignale für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten. Bei Verwen-

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T rF rF TT

BA2Y1 Y2

BA1

BE3

Y3

BE2

BA3

F1AE1*

F6AE2*

F7AE4*

F2AE3*

Bild 18: Klimaanlage mit direkter Feuchteregelung

* alternativ

Trocknung

und Befeuchtung

dung von Niederdruck-Sattdampf wird der Luft während der Befeuchtungkeine Verdampfungsenergie entzogen. Die Befeuchtung verläuft deshalb na-hezu isotherm und der Temperaturregelkreis wird kaum vom Feuchteregel-kreis beeinflußt. Es ist deshalb möglich, die Stellsignale des Feuchte- undTemperaturregelkreises intern zusammenzufassen (y3=y3a=y3b) und mit die-sem Signal das Kühlregister anzusteuern.

Da die Sollwertverschiebung des Temperaturregelkreises die Feuchte-regelung nicht beeinflusst, lässt sich mit direkter Feuchteregelung das Prinzipder Sommeranhebung (Bild 12) leichter realisieren als mit dem Taupunkt-regelverfahren. Um diese energetisch sehr günstige Möglichkeit nutzen zukönnen, muss � wie schon erwähnt � ein Außenluftfühler vorgesehen wer-den.

Bei einer Klimaanlage mit direkter Feuchteregelung lässt sich die Mischluft-kammer sehr vorteilhaft nutzen. Diese ermöglicht eine beachtliche Energie-einsparung, da aufgrund des Umluftanteiles ein Großteil der schon einmalaufbereiteten Luft zurückgewonnen wird.

Diesen Vorteilen der direkten Feuchteregelung steht gegenüber, dass dieTaupunktregelung eine höhere Genauigkeit bei der Feuchte- und Tempera-turregelung bietet. Bei erhöhten Anforderungen wird deshalb bevorzugt dasTaupunktregelverfahren zum Einsatz kommen.

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100%

0%

100%

0%

Bild 19: Feuchte- und Wärmebedarf bei direkter Feuchteregelung

y y

Feuchtebedarf Wärmebedarf

y3b y2 y3a y1

y1: Heizen

y2: Befeuchten

y3a: Kühlen

y3b: Entfeuchten

Anhang A1:Ergänzende Literatur

[1] Begriffe und Symbole der RegelungstechnikTechnische Information L101; SAMSON AG

[2] Regler und RegelstreckenTechnische Information L102; SAMSON AG

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AN

HA

NG

Bildverzeichnis

Bild 1: Zulufttemperaturregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Bild 2: Ablufttemperaturregelung / Kaskadenregelung . . . . . . . . 7

Bild 3: Regelprinzip der Ablufttemperatur-Kaskadenregelung . . . . . 8

Bild 4: Rekuperative Wärmerückgewinnung, Kreuzstromwärmetauscher 9

Bild 5: Rekuperative Wärmerückgewinnung, kreislaufverbundeneWärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Bild 6: Rekuperative Wärmerückgewinnung, Sequenzschema . . . . 11

Bild 7: Regenerative Wärmerückgewinnung. . . . . . . . . . . . . 13

Bild 8: Wärmerückgewinnung durch direkte Umluftbeimischung . . . 14

Bild 9: Mischluftkammer in Sequenz . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Bild 10: Unabhängige Mischlufttemperaturregelung . . . . . . . . . 17

Bild 11: Außentemperaturgesteuerte Mischluftkammer . . . . . . . . 18

Bild 12: Sommeranhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Bild 13: hx-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Bild 14: Bestimmung des Taupunktes im hx-Diagramm . . . . . . . . 23

Bild 15: Klimaanlage mit Taupunktregelung . . . . . . . . . . . . . 25

Bild 16: Befeuchtung und Temperaturerhöhung im hx-Diagramm . . . 26

Bild 17: Lufttrocknung im hx-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . 27

Bild 18: Klimaanlage mit direkter Feuchteregelung . . . . . . . . . . 29

Bild 19: Feuchte- und Wärmebedarf bei direkter Feuchteregelung . . . 30

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SAMSON AG ⋅ MESS- UND REGELTECHNIK ⋅ Weismüllerstraße 3 ⋅ D-60314 Frankfurt am MainTelefon (069) 4 00 90 ⋅ Telefax (069) 4 00 95 07 ⋅ Internet: http://www.samson.de

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