Bedarfsgerechtes Regeln
der Luftqualität
Teil 1: Kohlenstoffdioxid als Regelgröße
L. Michalak & P. Weber | Rinke GmbH
L. Michalak & P. Weber | Rinke GmbH
Messbar bessere Luft. Mehr Energieeffizienz. Sicherheit.
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Einleitung
Durch die steigenden Anforderungen an Gebäude in Bezug auf den Energieverbrauch werden diese immer stärker gedämmt und abgedichtet. Auch die freie Belüftung durch Fenster ist aus energetischer Sicht nicht mehr sinnvoll.
Aus diesem Grund gewinnen raumlufttechnische Anlagen und deren Effizienz immer mehr an Bedeutung. Eine bedarfsgerechte Regelung ist dabei eine Möglichkeit, den Energiebedarf einer solchen Anlage ohne Komfortverlust zu senken. Hierbei wird die Frischluftzufuhr an die Luftqualität im Gebäude angepasst. Unregelmäßig genutzte Bereiche, wie beispielsweise ein Konferenzraum, werden auf diese Weise nur dann klimatisiert, wenn diese tatsächlich genutzt werden.
In vielen Fällen ist Kohlenstoffdioxid eine geeignete Regelgröße, da es sich schnell und gleichmäßig im Raum verteilt, wodurch eine einfache Erfassung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird in der DIN EN 16798-1 die Luftqualität in Abhängigkeit der CO2-Konzentration definiert, was für eine Sollwertvorgabe der Regelung genutzt werden kann. Da CO2 in den meisten Fällen durch Personen emittiert wird, ist es ein guter Indikator, um die Aktivität in einem Raum zu beurteilen.
Ziel ist es, einen bedarfsgerechten CO2-Regler zu parametrisieren und hinsichtlich seiner Regelgenauigkeit zu bewerten.
Aus diesem Grund gewinnen raumlufttechnische Anlagen und deren Effizienz immer mehr an Bedeutung. Eine bedarfsgerechte Regelung ist dabei eine Möglichkeit, den Energiebedarf einer solchen Anlage ohne Komfortverlust zu senken. Hierbei wird die Frischluftzufuhr an die Luftqualität im Gebäude angepasst. Unregelmäßig genutzte Bereiche, wie beispielsweise ein Konferenzraum, werden auf diese Weise nur dann klimatisiert, wenn diese tatsächlich genutzt werden.
In vielen Fällen ist Kohlenstoffdioxid eine geeignete Regelgröße, da es sich schnell und gleichmäßig im Raum verteilt, wodurch eine einfache Erfassung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird in der DIN EN 16798-1 die Luftqualität in Abhängigkeit der CO2-Konzentration definiert, was für eine Sollwertvorgabe der Regelung genutzt werden kann. Da CO2 in den meisten Fällen durch Personen emittiert wird, ist es ein guter Indikator, um die Aktivität in einem Raum zu beurteilen.
Ziel ist es, einen bedarfsgerechten CO2-Regler zu parametrisieren und hinsichtlich seiner Regelgenauigkeit zu bewerten.
Einsparpotenzial durch bedarfsgerechte Belüftung
(gestrichelte Linie) konstanter Betrieb
(durchgezogene Linie) bedarfsgerechter Betrieb
(blau) Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Belüftung
(grau) Energieausgaben durch bedarfsgerechte Belüftung
Methode
Genutzt wird ein Versuchsraum mit einem Quellluftauslass, dessen Zuluftvolumenstrom über eine Drosselklappe gesteuert werden kann. Im Raum befindet sich ein CO2-Sensor mit einer Regeleinheit, der die Drosselklappe ansteuert.
Zuerst wird das Verhalten des Sensors untersucht, indem ein Propangasheizstrahler bei konstantem Volumenstrom betrieben und der Verlauf der CO2-Konzentration aufgezeichnet wird.
Anschließend wird eine Sprungantwort aufgezeichnet, um einen PI-Regler auszulegen. Hierbei wird bei laufendem Heizstrahler und dem niedrigsten Zuluftvolumenstrom (Klappenstellung 20%) nach Einstellen einer stationären CO2-Konzentration der Zuluftvolumenstrom sprungartig auf den Maximalwert (Klappenstellung 80%) gestellt.
Versuchsaufbau:
Raumgröße: 30,3 m³
Luftwechsel (bei 100 % Leistung): 11
Raumgröße: 30,3 m³
Luftwechsel (bei 100 % Leistung): 11
Mit den Ergebnissen der Sprungantwort lassen sich folgende Systemeigenschaften ableiten, womit der Regler voreingestellt werden kann:
Systemverstärkung: Ks = 40,6
Verzögerungszeit: Tu = 122 s
Ausgleichszeit: Tg = 585 s
Mit diesen Parametern werden die Verstärkungen des P- und I-Glieds nach Ziegler/Nichols und Chien/Hrones/Reswick berechnet und damit der Regler für weitere Versuche eingestellt.
Systemverstärkung: Ks = 40,6
Verzögerungszeit: Tu = 122 s
Ausgleichszeit: Tg = 585 s
Mit diesen Parametern werden die Verstärkungen des P- und I-Glieds nach Ziegler/Nichols und Chien/Hrones/Reswick berechnet und damit der Regler für weitere Versuche eingestellt.
Resultate
Die Schichtlüftung wurde in einer Industriehalle mit einer Grundfläche von 360 m² und einer durchschnittlichen Deckenhöhe von 5,4 Metern in Betrieb genommen. Die Wärmelasten innerhalb der Halle betrugen ca. 125 W/m².
Um äußere Einflüsse und Messfehler zu reduzieren, werden die Messdaten, welche von den Messsäulen erfasst werden, für die Bestimmung der Schichthöhe über eine Ausgleichsrechnung mit Hilfe einer Fitting Funktion berechnet.
Die Grafiken zeigen das Regelverhalten der Schichtlüftung, worin zu erkennen ist, dass am Anfang der Messreihe ein Sollwert von 2 Metern vorgegeben wird.
Der Schichtlüftungsregler hat daraufhin als Stellgröße die Ventilatorleistung erhöht, woraufhin die Schichthöhe ansteigt. Nachdem sich der Istwert eingependelt hat, wird der Sollwert der Schichthöhe manuell auf 1,9 Meter abgesenkt. Die sprunghafte Änderung des Sollwertes führt zu einem leichten Schwingungsverhalten des Istwertes, welches gegen den Sollwert konvergiert.
Um äußere Einflüsse und Messfehler zu reduzieren, werden die Messdaten, welche von den Messsäulen erfasst werden, für die Bestimmung der Schichthöhe über eine Ausgleichsrechnung mit Hilfe einer Fitting Funktion berechnet.
Die Grafiken zeigen das Regelverhalten der Schichtlüftung, worin zu erkennen ist, dass am Anfang der Messreihe ein Sollwert von 2 Metern vorgegeben wird.
Der Schichtlüftungsregler hat daraufhin als Stellgröße die Ventilatorleistung erhöht, woraufhin die Schichthöhe ansteigt. Nachdem sich der Istwert eingependelt hat, wird der Sollwert der Schichthöhe manuell auf 1,9 Meter abgesenkt. Die sprunghafte Änderung des Sollwertes führt zu einem leichten Schwingungsverhalten des Istwertes, welches gegen den Sollwert konvergiert.
Diskussion und Fazit
Die Versuche zeigen, dass Kohlenstoffdioxid als Regelgröße zur bedarfsgerechten Regelung in Frage kommt.
Anders als ein Temperaturregler aus der Raumlufttechnik muss ein bedarfsgerechter Raumluftregler ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen, um in Räumen mit hoher Fluktuation Sollwertüberschreitungen zu vermeiden.
Als Folge dessen kann es bei schlecht eingestellten Regelparametern zu stark schwingenden Systemantworten kommen. Ein Aufzeichnen der Regelparameter und ein Überprüfen des Regelverhaltens über längere Zeit ist daher zu empfehlen.
Anders als ein Temperaturregler aus der Raumlufttechnik muss ein bedarfsgerechter Raumluftregler ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen, um in Räumen mit hoher Fluktuation Sollwertüberschreitungen zu vermeiden.
Als Folge dessen kann es bei schlecht eingestellten Regelparametern zu stark schwingenden Systemantworten kommen. Ein Aufzeichnen der Regelparameter und ein Überprüfen des Regelverhaltens über längere Zeit ist daher zu empfehlen.
Ob eine bedarfsgerechte Regelung gegenüber einem ungeregelten Dauerbetrieb nicht nur die Luftqualität verbessert, sondern auch zu Energieeinsparungen führt, kann pauschal nicht beantwortet werden. Das mögliche Potential ist stark von dem jeweiligen Nutzungsprofil des Raumes abhängig. Ein Büro, in dem sich immer die gleiche Anzahl an Personen befindet, hat beispielsweise ein geringeres Einsparpotential als ein eher unregelmäßig besuchter Konferenzraum.
Im Rahmen dieser Versuchsreihe wurde zunächst nur von einer reinen Lüftung ausgegangen. Soll die Raumtemperatur ebenfalls über die Lüftung klimatisiert werden, wird ein Mehrgrößenregler benötigt, welcher als Stellgröße nicht nur die Zuluftmenge, sondern auch die Zulufttemperatur regelt.
Im Rahmen dieser Versuchsreihe wurde zunächst nur von einer reinen Lüftung ausgegangen. Soll die Raumtemperatur ebenfalls über die Lüftung klimatisiert werden, wird ein Mehrgrößenregler benötigt, welcher als Stellgröße nicht nur die Zuluftmenge, sondern auch die Zulufttemperatur regelt.
Literatur: H.Recknagel 2015 (ISBN 978-3-8356-7136-2), VDI 2262 Blatt 3, DIN EN 16798-1, G.Scholz 2015 (ISBN 978-3-1104-1445-5)
