OpReeBeK²

Inhalt des Forschungsvorhabens

Das Forschungsvorhaben OpReeBeK² unterteilt sich in die Themen "Entwicklung eines modellbasierten Reglerprototypen zur kombinierten Luftkühlung/-entfeuchtung und Luftmischung" und "Entwicklung eines modellbasierten Reglerprototypen zur Anpassung der Kühlmittelvorlauftemperatur im Primärkühlkreislauf". Dabei entstand der erste Teil von OpReeBeK² als Folgeprojekt aus dem Forschungsvorhaben OpDeCoLo entstanden.

Im ersten Teil des Forschungsvorhabens soll der vorgegebene Luftzustand der Zuluft ohne Nacherwärmung/Befeuchtung der Luft, aus einem Ausgangszustand (in der Regel Außenluft) mit einer höheren Lufttemperatur und einem höheren Feuchtegehalt der Luft, erreicht werden. Dazu wird ein mengengeregelter Luftkühler ( siehe Abschnitt hx-Diagramm ) und Bypass um den Luftkühler verwendet.

Schema Anlagenaufbau
eines Luftbypasses mit einer Klappe

Klappe mit Stellantrieb im Bypass, bei vollständig geöffneter Klappe ist weiterhin mit einem Leckagestrom über den Luftkühler zu rechnen

Schema Anlagenaufbau
eines Luftbypasses mit zwei Klappen

Klappen mit Stellantrieb, Luftstrom über Luftkühler kann vermieden werden.

Ein modellbasierter Regler wird die Stellgrößenvorgabe für den Stellantrieb der Bypassklappe(n) und des Motorventils vorgeben.

DeCoSuLo

Im Projektteil DeCoSuLo - Demand Controlled Supply Loop - wird eine Effizienzsteigerung im Erzeugerbereich der Kältebereitstellung untersucht. Im Regelfall wird durch die Kälteerzeugung ein Temperaturniveau von 6/12 °C (Vorlauf-/Rücklauftemperatur) zum Kühlregister zur Verfügung gestellt. Dabei ist die Vorlauftemperatur von 6 °C nur im Fall der Entfeuchtung notwendig.

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Mit dem modellbasierten Reglerprototypen (mRp) soll eine bedarfsgerechte Anhebung der Kältemitteltemperatur im Erzeugerkreislauf realisiert werden um den Energiebedarf der Kältebereitstellung zu verringern.

OpDeCoLo

OpDeCoLo - Optimized Dehumidification Control Loop - ist das Vorgängerprojekt von OpReeBeK². OpDeCoLo befasst sich mit einer Kombination der hydraulischen Schaltungen an Kühlregistern von Klimaanlagen. Es wird dabei zwischen der Temperatur-Regelung und Mengen-Regelung unterschieden.

Temperatur-Regelung

Vorlauftemperatur am Kühlereintritt variabel durch Beimischung, Volumenstrom bleibt konstant

Mengen-Regelung

Vorlauftemperatur am Kühlereintritt bleibt konstant, Volumenstrom variabel einstellbar

Zur Luftkühlung ist eine Temperatur-Regelung ausreichend. Dabei wird die Kaltwasser-Vorlauftemperatur durch ein Motorventil eingestellt. Ist die Entfeuchtung der Luft notwendig, kommt eine Mengen-Regelung zum Einsatz. Um eine Entfeuchtung zu erreichen muss die Taupunkttemperatur des Luft-Eingangszustandes unterschritten werden. Das ist auch bei geringem Wasser-Massenstrom der Mengen-Regelung gegeben. Im Forschungsvorhaben OpDeCoLo wird die Temperatur- mit der Mengen-Regelung kombiniert.

Schematische Darstellung der OpDeCoLo-Regelung

OpDeCoLo-Regelung (Var1)

Kombination der hydraulischen Schaltung am Luftkühler aus Mengen- und Temperatur-Regelung (Var1), die Änderung des Masenstromes erfolgt durch ein Motorventil

OpDeCoLo-Regelung (Var2)

Kombination der hydraulischen Schaltung am Luftkühler aus Mengen- und Temperatur-Regelung (Var2), die Änderung des Massenstromes erfolgt durch eine Umwäzpumpe mit variablen Volumenstrom

Modellbasierter Regler

Der Wärmeübertrager Hombach (Hersteller Fa. Hombach) ersetzte bereits im Vorgängerprojekt OpDeCoLo den Wärmeübertrager Wolf (Hersteller Fa. Wolf). Der Wärmeübertrager Hombach besitzt eine geringere Kühlleistung und weist einen komplexeren Aufbau auf. Der Kaltwasserstrom wird in versetzten Ebenen auf verschiedenen Pfaden, welche mehrere Ebenen umspannen können, quer zum Luftstrom durch den Wärmeübertrager geführt. Dies macht eine Anpassung des Modells aus dem Projekt OpDeCoLo erforderlich.
Im Weiteren soll mittels der Zellmethoden ein Modell entwickelt werden, welches durch Experimente an der existierenden Anlage validiert werden kann. Für die Regelung und den Reglerentwurf wird jedoch davon ausgehend ein vereinfachendes Modell entwickelt werden.

Verschaltung eines Luftkühlers

Verschaltung der Kühlwasserrohre - die kleineren Pfeile geben die Verschaltung der Kühlwasserleitungen wieder. Nicht angeschlossene Elemente sind Dummy-Knoten. Der große Pfeil gibt die Strömungsrichtung der Luft an. Die rote Markierung zeigt die tatsächlichen Maße der Lamelle.

Temperaturfeld eines Luftkühlers

Simulationsergebnis für eine Ebene quer zum Kühlwasserstrom. Der im Kreuz-Gegenstrom betriebende Wärmetauscher zeigt eine inhomogene Temperaturverteilung über den Querschnitt.

hx-Diagramm

Die Luft im Lebensbereich des Menschen ist ein Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf. Im üblichen Arbeitsbereich der Raumlufttechnik wird die Luft als ein ideales Gasgemisch von trockener Luft und Wasserdampf behandelt [Baumgarth et al. 2011]. Sobald Wasserdampf in der Luft enthalten ist handelt es sich um feuchte Luft, mit den Zustandsgrößen (Volumen, Masse der trockenen Luft, Masse des Wassers, Masse des Wasserdampfs, absoulte Temperatur der feuchten Luft, Gesamtdruck der feuchten Luft) [Baumgarth et al. 2011].
Das Verhalten der Luft durch Konditionierung wird u.a. im hx-Diagramm nach [Mollier] dargestellt. Die wesentlichen Zustandsänderungen im Forschungsvorhaben OpReeBeK² sind das Erwärmen, Kühlen und Entfeuchten der Luft. Diese werden nachfolgende erläutert.

Vereinfachte Darstellung hx-Diagramm /
Erwärmen der Luft

Zustandsänderung der im hx-Diagramm, Eingangszustand A vor dem Lufterhitzer, Ausgangszustand B nach dem Lufterhitzer

Zustandsänderung der Luft durch Kühlen im hx-Diagramm

Vereinfachte Darstellung hx-Diagramm /
Kühlen der Luft

Zustandsänderung der im hx-Diagramm, Eingangszustand A vor dem Luftkühler, Ausgangszustand B nach dem Luftkühler

Beim Erwärmen der Luft durch den Lufterhitzer erfolgt die Zustandsänderung entlang der Linie konstanter absoluter Feuchte. Es findet ein Zunahme der Enthalpie statt. Beim Kühlen der Luft ohne Taupunktunterschreitung erfolgt die Zustandsänderung der Luft ebenfalls entlang der Linie konstnter absoluter Feuchte. Es findet eine Verringerung der Enthalpie statt
Wird die Taupunkttemperatur (ϑ_TP) der Luft am Lufteingang des Kühlers unterschritten, so kommt es zu einer Entfeuchtung der Luft. Auf Grund der unterschiedlichen Temperaturniveaus bei Temperatur- und Mengen-Regelung gibt es in der Literatur die folgenden Darstellungen. Bei einer Temperatur-Regelung wird zunächst die ϑ_TP zunächst nicht unterschritten, erst ab einer ausreichenden Ventilstellung beginnt die Entfeuchtung, wodurch sich Zustandsänderung entlang der Taupunktlinie darstellt. Bei der Mengen-Regelung wird die ϑ_TP auch bei geringer Ventilöffnung unterschritten, weshalb die Zustandsänderung sich Abnahme der Temperatur und absoluten Feuchte darstellt.