Parametrierung einer Klimaanlage

[wkrug]

Hallo,

ich möchte zusammen mit einem Kollegen aus Thailand eine verdunstungs Klimaanlage für ein normales Wohnhaus bauen.

Er übernimmt den Hardwarepart, ich soll die Software für die Steuerung schreiben.

Die Anlage wird 2 Lüfter bekommen, die jewils in 3 Stufen schaltbar sind.
Dazu kommt eine Spray Bank, die in den erzeugten Luftstrom Wasser einnebelt. Diese Spraybank besteht aus 3 Sprayleisten mit unterschiedlicher Sprühleistung.
Dieser Sprühnebel soll dann auf einen Wärmetauscher treffen, der die im Haus befindlichen Klima Wärmetauscher mit der dann gekühlten Flüssigkeit versorgt.
Verdichter und Verdampfer sind in dem System nicht vorgesehen.


Geplant ist ein Temperatursensor für die Aussentemperatur, Einer für den Kühlkreis Vorlauf und Einer für den Kühlkreis Rücklauf.

In einer ersten Version möchten wir die Anlage in einem rein manuellen Betrieb laufen lassen und dabei alle gesammelten Messwerte mitloggen.
Ich hoffe, das man dan nach 3 bis 4 Wochen schon brauchbare Einstellwerte ableiten kann.

Soviel mal zur Hardware.
Nun meine Fragen:
Welche Sensor Messwerte wären für die Ermittlung der Leistungsstufen der Motoren sinnvoll?
Wie würdet ihr an die Parametrierung herangehen?
Welche Messwerte wären für eine zum Luftdurchsatz passenden Sprayer Stufe notwendig? - Der Wärmetauscher soll ja nicht absaufen und auch Wasser kostet Geld. Zudem sollen die Lüfter nicht auf einer unnötig hohen Stufe laufen.

Ich hab mir da schon ein Konzept überlegt, ich möchte aber euere Gedankengänge nicht in eine Falsche Richtung leiten.
Eventuell kommt hier auch was, an das ich nicht gedacht habe.
Wenn Ihr das wünscht werd ich meine Überlegungen natürlich auch posten.

[Besserwessi]

Als Sensoren wird man sicher die Temperaturen, die Feuchtigkeit und wohl auch den Wasserstand und ggf. auch was für den Ablauf an Wasser brauchen. Für die Einstellung wäre ggf. auch ein Sensor für den Luftstrom, bzw. die Luftgeschwindigkeit sinnvoll, damit man weiss wieviel Luft tatsächlich strömt - später im Betrieb braucht man dass eher weniger. Ähnlich ist es mit einem Durchflusssensor für den Kühlkreislauf ins Haus.

In Thailand kann ich mit eine Klimaanlage über Verdunstung schwer vorstellen. Ich befürchte da ist es einfach zu feucht. Ich war mal eine Zeit in einer trockenen Gegend (New Mexiko, USA) da waren Klimaanlagen über Verdunstung verbreitet, aber da ist auch sehr trocken, d.h. oft unter 10% rel. Luftfeuchte. Der Taupunkt lag entsprechend auch im Sommer oft unter 0° C. Wenn man nicht unter etwa 50% rel. Luftfeuchte ist, wird es mit der Verdunstung schwierig.

Niedriger als den Taupunkt kommt man mit Verdunstung prinzipiell nicht, und es gibt schon vorher einiges an Verlusten. Man wird dann ggf. nicht um einen extra Luft/Luft Wärmetaucher um die Angesaugte Luft schon mal etwas vorzukühlen mit der feuchten, kühlen Luft aus dem Sprühnebel.

Zum Parametirsieren würde ich erstmal eine rechnerisches Modell machen. Das braucht man für einen guten Entwurf ohnehin. Dann halt erstmal einen Handbetrieb und dabei Werte der Sensoren mitschreiben. Eventuell auch schon eine einfache Regelung, vor allem falls es die anlage auch nachts Nurchlaufen soll. Damit kann man dann die noch fehlenden Parameter (z.B. Leistung der Wärmetauscher) des Modells anpassen.

[wkrug]

Wenn man nicht unter etwa 50% rel. Luftfeuchte ist, wird es mit der Verdunstung schwierig.

So was in der Richtung hab ich schon fast befürchtet.
Eventuell könnte man noch einen Feuchtesensor wie den SHT15 in den Zuluftstrom mit reinbasteln, der dann in die Regelung noch mit eingeht.

Die Messung des Luft Volumenstromes stell ich mir dagegen ziemlich schwierig vor.
Das dürfte mit einem Windrad oder einem Staudrucksensor gehen.
Ich denk aber, das das auch durch die händische Ermittlung der Werte überflüssig sein könnte. Denn beide Lösungen gefallen mir nicht besonders.

Mein Hardwaremann in Thailand kennt sich mit Klimaanlagen ziemlich gut aus, ich denk mal, das der schon weiß, was er da tut.
Er hat aber halt eben nur fertige Anlagen in Betrieb genommen und Eingestellt, aber halt noch Keine selber Parametriert.

[Besserwessi]

Für die Messung der Luftgeschwindigkeit gibt es fertige Messgeräte. Die Messverfahren sind Flügelrad, Ultraschall, Staudruck oder über die Wärmeableitung (heißer Draht). Das ist im einfachen Fall einfach ein NTC/PTC der sich selber erhitzt und über den dann die Temperatur gemessen wird. Eigenbau hilft aber auch nur bedingt, denn es fehlt da Kalibrierung.

[s.o.]

Also, meine Überlegungen, mögen jetzt nen bissel Arg Uni und in Richtung Regelungstechnik gehen. Wenn ich einen Fehler mache, das sehr warscheinlich ist, dann korrigiert mich bitte. Aber erstmal ich finde das Projekt echt spannend, es wäre toll, wenn ihr das dann dokumentieren könntet und auch veröffentlichen.
Also, als erstes sollte man die Physik bemühen, bzw. bei Wikipedia recherchieren. http://de.wikipedia.org/wiki/Verdunstung
Leider findet man hier keine richtige Gleichung...
http://de.wikipedia.org/wiki/Verdunstungsk%C3%BChlung
Die scheinen das ja anders zu lösen...

Erstmal möchte ich das ganze Hardwaretechnisch durchdenken. D.h. was ist der ideale Kühlluft:
1. Möglichst gerine Luftfeuchtigkeit
2. Möglichst geringe Eingangstemperatur.
Schaut man sich das Diagramm zur Verdunstung an, sieht man, dass die mögliche Aufnahme des Wassers eine E-Funktion ist. D.h. man sollte die Eingangsluft vorwärmen. dass diese möglichst viel Wasser aufnehmen kann. Dort lege ich jetzt die Annahme zugrunde, dass der die Verdunstungswärme die vom Wasser aufgenommen wird konstant ist.
Irgendwie widerspricht das jetzt schon meinem Verstand, hat jemand ein Gegenbeispiel... Anmerkung beim 2. Durchlesen: Da muss doch ein Denkfehler liegen. Weis jemand in wie weit die Luftfeuchtigkeit Ausschlag über die erzeugbare dT hat?

Zum regelungstechnischen:
Wasser: Von was ist die Wasseraufnahme abhängig? Ich nehme mal an, dass der Wasserverbrauch von folgenden Faktoren abhängig ist: Oberfläche (linear), dT (Delta Temperatur - annahme: Proportinal zu dT), und Lüftergeschwindigkeit. Es ist aber nicht der Sinn, das ganze anhand des Wasserverbrauchs zu regeln, sondern will man ja möglichst die Temperatur im Inneren Kontant halten.
Dazu würde ich erstmal ein Modell meines Raumes aufstellen: Ich habe eine relativ große Wärekapazität, d.h. ich brauche einen hohen D-Anteil (der den Wasserverbauch steuert) Warscheinlich erlaubt der Linearanteil (P) des Regelers dann eine Aussage über die Güte der Isolierung des Hauses... Auch sollte die Relegung aufgrund der Trägheit meine Abtastzeit nicht zu schnell wählen. In Abhängigkeit deiner Reglerausgabe würde ich nun den Wasserverbrauch steuern, d.h. warscheinlich über die Lüftergeschwindigkeit und das Wasser als Funktion der Lüftergeschwindigkeit.
Übrigens, bei Lüftern gibts Feedbackhallsensoren, d.h. du kannst diese Warscheinlich auch regeln.
Dann würde ich den Lüfter in maximaler Kühlung betreiben und die Impulsantwort des Raumes bestimmen, daraus lässt sich dann hoffentlich was über die Reglerfunktion sagen (und nicht wie ich gesagt habe mutmasen)

Fragen an dich: Nenn uns Wintermenschen doch mal bitte die Temperaturen in Thailand und die dazugehörigen Luftfeuchtigkeiten. Wie siehts dort mit Sonnenstunden aus (Vorwärmer für die Klimaanalge um die Luftfeuchtigkeit )
Ich denke ohne entsprechende Vesuche, wird das ganze ziemlich viel Mutmassen. Ich denke, hier ist erstmal aufwendiges Diagrammerstellen angesagt.
Exemplarisch würde ich mal folgende DIagramme aufstellen:
dT über Luftfeuchte(relativ)
dT über Luftgeschwindigkeit
dT über Eingangstemperatur
dT über Wasserzugabe(absolut in Litern 0-"tropf runter")
Anmerkung: Unter dT verstehe ich die Differenz der Eingangstemperatur des Kühlmediums und der Ausgangstemperatur des zu kühlenden Mediums.

Wenn du uns die entsprechenden Diagramme aufstellst, lassen sich sicher ein paar aussagen machen.
Ich denke am Anfang wird es der Einfachheit zum Probieren erstmal mehr sinn machen, dT zu regeln. Später kann mann ja dT in Abhängigkeit der Raumtemperatur noch weiter regeln.

[wkrug]

@s.o.
Mit ein paar Diagrammen kann ich dienen.
Eine Info über das Klima hab ich hier gefunden.
http://www.erlebe-thailand.de/Klima_Thailand.htm

Im Anhang hat mir mein Projektpartner mal eine geloggte Temperatur über 21 Stunden aufgezeichnet.
Ich versteh auch, warum er eine Klimaanlage haben will !

Er lebt übrigend in der Provinz Phetchabun.

Ich bin im Prinzip auf die gleichen Überlegungen gekommen.
1. Die Aufnahmefähigkeit der Luft ist abhängig von der Temperatur.
Ich meine aber, die Luft vorzuwärmen wäre kontraproduktiv, weil ja auch diese überschüssige Wärme wieder durch die Verdunstungskälte rausgekühlt werden müsste.
2. Die aufgenommene Wassermenge ist zusätzlich abhängig vom Luftstrom.
3. Eine Regelung über Isolierwerte des Hauses wird, meiner Meinung nach, nicht funktionieren, da im Haus mehrere Wärmetauscher sind, die je nach bedarf zu oder abgeschaltet werden können.

Eine bessere Wirkung hätte natürlich eine Verdichter / Verdampfer Kombination, allerdings frisst die sehr viel Energie.

Mein Kollege erhofft, aufgrund seiner Erfahrung, das eine maximale Temperaturabsenkung von 6...8°C möglich ist.

Mein Ansatz ist, die benötigte Leistungsstufe über die Aussentemperatur und die Rücklauftemperatur nachzuführen.
Da es nur 3 Leistungsstufen gibt dürfte das schon möglich sein.

Bei der Wasserzugabe wird das schon schwieriger. Mein Gedankengang war, diese von der Aussentemperatur und der eingeschalteten Lüfter Leistungsstufe abhängig zu machen.
Nach den oben genannten Ausführungen von Euch, seh ich aber kommen, das als dritte Komponente noch die Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luft eine wesentliche Rolle spielt.

Eine große Frage ist, wann kühlt diese Luft am Besten?
Bei sehr guter Sättigung 80...90% Luftfeuchtigkeit.
Wenn die Luft gesättigt ist also 100% Luftfeuchtigkeit.
Oder wenn die Luft schon übersättigt ist ( Tröpfchenbildung ) .

Übersättigung wär nicht unbedingt ein Problem, weil das überschüssige Wasser aufgefangen und wieder in einen Tank hochgepumpt wird.

[s.o.]

Hust... Also 15 Grad halte ich bei den Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten für sehr optimistisch... Wie siehts eigentlich mit Grundwasser aus, was für eine Temperatur hat das? Sicher keine kühlen 8 Grad wie bei uns... oder?
Also, gut mal Bankok bei Wetter-online angeschaut. Da habt ihr echt ein Problem, je später der Tag wird, desto höher wird die Luftfeuchtigkeit. Also gerade Falsch herum, denn um die Mittagszeit brauchst du die meiste Kühlleistung.
Ich denke, momentan stellt sich in dieser Sache nicht die Frage der Regelung, sondern die Frage der Machbarkeit (sorry, ist aber so).
Gebe doch mal bitte die entsprechenden Diagramme in Auftrag. Bitte beachten, es darf nur ein parameter verändert werden, die anderen müssen mögichst konstant bleiben.
Auch mal bitte das mit dem Vorwärmen testen...

[wkrug]

Also 15 Grad halte ich bei den Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten für sehr optimistisch

Das sehen wir auch so, das ist Wunschdenken.
Mein Kollege meint aber 6° sollten mindestens möglich sein.

Das mit dem Vorwärmen könnte man noch testen.

Ich hab ja oben schon geschrieben, das eine erste Softwareversion schon mal eine manuelle Steuerung mit Datenlogfunktion haben wird.
Damit sollten sich dann schon mal die Kühlleistung und ein paar Regelparameter ableiten lassen.

Als Speichermedium ist da ne 1GB SD Karte vorgesehen, da sollten sich schon mal ein paar Tage aufzeichnen lassen.

Als Meßintervall hab ich so an 10min gedacht. Ich denk mal mehr wäre nicht sinnvoll.

Als Anzeigesoftware hab ich Logview ( http://www.logview.info ) vorgesehen. Da werd ich das Open Format nutzen um die Daten dort reinzukriegen.

[s.o.]

Ich würde ganz gerne noch die Übergangswiderstände betrachten: Also zum einen Verdunstes-Wasser und dann Kühlmedium Haus. Beides sollte möglichst klein sein, sprich du brauchst eine große Oberfläche um mit möglichst wenig dT möglichst viel Wärme übertragen zu können. Wärmepumpen-Heizungen nutzten dies Prinzip.
Habt ihr schon Testergebnisse?

Lass uns das ganze mal Überschlagen: Wasser hat eine Wärmekapazität von 4,1 KJ pro KG, bzw. pro Liter. Das klingt schon mal gut. Nun wäre interessant wieviel Oberfläche dein Haus hat, und wie gut das Isoliert ist. Wenn das Leichtbauweise ist, wie ich sie aus Bali kenne, und es überall zieht, dann nehmen wir pessimistisch mal an, dass 1kg Luft von drausen pro Minute eindringen. (Entspricht etwa 800 Liter Luft). 1kg Luft hat eine Wärmekapazität von 1KJ pro Kelvin, Bei einem dT Ausenluft-Innenluft von 30 Grad, musst du also pro Minute 30KJ abtransportieren. Nehmen wir mal ein 10 Grad der Einfachheit für deine Wassertemperatur an, hast du ein dT von Wasser-Raum von 5 Grad. (15 Grad innentemperatur) D.h. bei idealer Übertragung (was nie eintritt) brauchst du 30KJ/(5Grad*4.1KJ/K) ca. 1.5 Liter Wasser. Gehen wir mal pessimistisch von 2 Litern aus.
Fazit: Klingt realisitisch.
Betrachtet man aber das dT Außenluft-Kühlmedium hat man 45 Grad Ausentemperatur zu 10 Grad Wassertemperatur stehen, hat man ein dT von 35 Grad. Das ist ordentlich.Nehmen wir wieder an, dass deine Leitungsrohre und zum Wasser keine Übergangswiderstände hast.
2 Liter*35 Grad*4.1kJoule/Kelvin*kg= 287 kJ pro Minute abzutransportieren. Schauen wir bei Wikipedia die Verdampfungsentalphie an, steht dort 2256 kJ/Kg. Hört sich schonmal gut an. d.h. du brauchst 0.1 Liter Wasser pro Minute. Nehmen wir an, dass ihr die Klimaanlage 10 Stunden betreibt, macht das 10(h)*60(minute->Stunde)*0.1=60 Liter Wasser. Vertretbar.
Also, hört sich doch machbar an.
Jetzt mǘsst ihr noch überlegen, wie groß ihr das gestalten müsst, um die entsprechende Menge (0.1 Litter pro Minute ist doch nicht wenig) loszuwerden. Da kann ich euch leider nicht rechnerisch unterstützen, da ich keine Ahnung davon habe, bzw. die entsprechenden Gleichungen fehlen...

[wkrug]

Das hört sich doch schon mal alles sehr gut an.

Das Haus meines Kollegen ist doppelwandig ( 2x12cm Aussenwand ) ausgeführt und hat eine begrünte Dachfläche.
Rein von der Klimatechnischen Seite her dürfte das schon nicht mal schlecht sein.
Wie dicht die Fenster und die Türen da sind kann ich nicht sagen.
Mein Kollege verfolgt aber auch diesen Threat hier.
Wenn ich was Neues weiß werd ich das hier posten.

Testergebnisse haben wir noch keine, die Bauteile für die Steuerung sind noch auf dem Weg nach Thailand.

Ich schreib hier an einer 2ten Version der Steuerung schon mal die Software dafür.

Das Haus selber ist bis jetzt rohbaufertig, ich denk mal in ein paar Monaten wird es bezugsfertig sein und dann soll natürlich auch die Klimaanlage schon funktionieren.