Ohne Mikroelektronik keine VRF-Technologie!

So weit, so gut. Aber wie erfolgt die praktische Umsetzung? Hier kommt der entscheidende Einfluss der Mikroelektronik ins Spiel. Sie ermöglichte auf der Basis der DDC-Regelung überhaupt erst die Entwicklung und den Bau von VRF-Systemen in den 90er-Jahren. Aus der herkömmlichen Luft-Kältemittel-Anlage wurde durch Optimierung des Kälteprozesses, insbesondere der Verdichterantriebe, die VRF-Anlage mit Einzelraumregelung und Gebäudeklima-Managementsystem. Im Folgenden sollen dazu einige grundlegende Bausteine beschrieben werden.

Mikroprozessorgesteuertes Steuerungs-, Regelungs- und (Fern-) Überwachungssystem (DDC¹-System)

Die Steuerung, Regelung und Überwachung von VRF-Multisplitanlagen basiert auf der Digitaltechnik, d. h. digitale Informationsverarbeitung² mittels Mikrocomputer. Der in der Außeneinheit der VRF-Anlage eingebaute Mikrocomputer ist mit einem 32-bit-Mikroprozessor, der sogenannten Zentraleinheit (CPU = Central Processing Unit), ausgerüstet. Einige Ausführungen arbeiten mit Algorithmen der Fuzzy-Logic³. Ein Installations-BUS⁴ verbindet den Mikrocomputer mit den anderen Komponenten des DDC-Systems wie elektronische Regler der Inneneinheiten, Bedienelemente usw. Dieses intelligente Konzept der Steuerung, Regelung und Prozessoptimierung kann auf die unterschiedlichsten Anwendungsfälle zugeschnitten werden. Auch nachträgliche Veränderungen und Anlagenerweiterungen sind kein Problem. Nachfolgend soll eine prinzipielle Ausrüstungsvariante dargestellt werden.

Maximal 240 Außeneinheiten (AE) und 512 Gruppen von Inneneinheiten (IE) können über Gateways verknüpft und mithilfe von seriellem Interface auf einen IBM-kompatiblen, lokalen Personalcomputer (PC) geschaltet werden. Bedienelemente sind: (1) die Fernbedienung (FB) für jeweils eine Inneneinheit (IE) oder als Gruppen-Fernbedienung für den simultanen Betrieb von Gruppen mit bis zu maximal 16 Inneneinheiten je Gruppe;

mit den Eigenschaften

• Kombinationsmöglichkeit mit System-Fernbedienung⁵ (S-FB) und Wochentimer (WT)
• zwei Fernbedienungen je Inneneinheit anschließbar (Haupt- und Unter-FB)
• mögliche Länge der Verbindungsleitung zur Inneneinheit ca. 1000 m

und den Standardfunktionen

• Wahl der Betriebsmodifikationen: Kühlen, Heizen, Entfeuchten und Lüften
• Temperatur-Einstellung und Anzeige
• automatische und manuelle ­Luftvolumenstrom-Einstellung
• automatische und manuelle Einstellung der Luftleitlamellen
• integrierte Ein/Aus-Schaltuhr
• Filterüberwachungssignal
• automatische Wiedereinschaltung nach Spannungsausfall
• Selbstdiagnose-Funktion

(2) die System-Fernbedienung (S-FB) für bis zu 64 Gruppen [bei Simultanbetrieb ma-ximal 1024 Inneneinheiten (IE)] in Verbindung mit maximal 30 Außeneinheiten (AE);

mit den Eigenschaften

• Regelung des Gesamtsystems sowie Gruppen- und Zonenregelung
• Bedienung aller Inneneinheiten (IE) unabhängig davon, ob eine Einzel-Fernbedienung (FB) angeschlossen ist
• Schnittstelle zur Zentralen Leittechnik bzw. Gebäudeleittechnik (ZLT/GLT) für Ein/Aus-Signal, Betriebs- und Störungsanzeige
• Kombinationsmöglichkeit mit Wochentimer (WT)
• zwei System-Fernbedienungen je Installations-BUS anschließbar (Haupt- und Unter-S-FB)
• mögliche Länge der Verbindungsleitung ca. 1000 m

und den Standardfunktionen

(siehe Beschreibung Fernbedienung (FB).

(3) der Wochentimer (WT)

mit den Eigenschaften

• Kombinationsmöglichkeit mit System-Fernbedienung (S-FB) und/oder Fernbedienung (FB)
• Anschluss über Steckverbinder an S-FB bzw. FB

und den Standardfunktionen

• Ein/Aus-Wochenprogramm mit mehreren Ein/Aus-Zeitenfür jeden Wochentag programmierbar (Standard sind drei Ein/Aus-Zeiten)
• bei Kombination mit System-Fernbedienung (S-FB) werden alle im Installations-BUS verknüpften Inneneinheiten simultan angesteuert
• Programmumgehungsfunktion
• Datensicherung bei Spannungsausfall durch Programmspeicher

(4) der Personalcomputer (PC)

mit den Eigenschaften

• Einzel- und Zentralalarmmeldung für jede Inneneinheit (IE) mit Speicher- und Historiefunktion
• grafische Filterüberwachung für jede Inneneinheit (IE) mit frei wählbarer Zeit für den Verschmutzungsgrad, Erinnerungs- und Alarmfunktion
• freie Zuordnungsmöglichkeit der Kundennamen, Raumbezeichnungen, Zonenzuordnung und tabellarische Bildschirmdarstellung
• Bildschirmdarstellung der Betriebs­zustände für jede Inneneinheit (IE) mit sämtlichen Bedienfunktionen
• Anschlussmöglichkeit von LON-BUS⁶-kWh-Zählern für die automatische Erfassung des Energieverbrauchs der VRF-Anlage zum Zwecke der Ein­zelraumabrechnung
• Hinterlegung von Grundrisszeichnungen für die Bildschirmdarstellung
• Vernetzung mehrerer Gebäudemanagement-Systeme über TCP-IP⁷ Server
• Anschlussmöglichkeit externer Schalt- und Regeleinrichtungen über LON-BUS-Netzwerk
• außentemperaturgeführte Regelung
• Programmbedienung und kundenspezifische Sprachwahl
• modemunterstützte Fernüberwachung über TCP/IP Protokoll oder über Internet mithilfe von externem Personalcomputer (REM-PC Fernbedienungs-PC)

Eine besonders innovative Lösung ist die Bedienung über einen Touch-SCREEN- Bildschirm, der die Bedienelemente FB, S-FB und WT in Originalformat abbildet.

(5) die Zentrale Leittechnik bzw. Gebäudeleittechnik (ZLT/GLT)

mit den Eigenschaften

• Schnittstelle für die wichtigsten GLT-Systeme

Zur Arbeitsweise der DDC-REGELUNG (Prinzip-Schaltbild s. Bild 2)

Die in der Außeneinheit und den Inneneinheiten installierten Messfühler (MF) werden mittels Multiplexer (MP) sowie Abtast- und Haltegliedern (AH) entsprechend einer Steuerlogik abgetastet. Anschließend werden die im Analog-/Digitalwandler (A/D) erzeugten digitalen Signale an 32-bit-Mi­krorechner und E²-PROM übergeben. Hier erfolgt die Verarbeitung in unterschiedlichen Funktionsebenen anhand von be­kannten (z. B. PID), aber auch neuartigen (z. B. Fuzzy-Logic usw.) Regelalgorithmen. Eine zentrale Aufgabe des Mikrorechners ist beispielsweise die Berechnung der ak­tuell er­forderlichen/abrufbaren Verdichterleistung. Ermittelt werden dabei die:

• Basisleistung = f (Nennleistung der eingeschalteten Inneneinheiten; Raumtemperatur-Differenz Soll/Ist)
• Zusatzleistung = f (momentane Betriebsbedingungen)
• obere Leistungsgrenze = Basisleistung + Zusatzleistung
• aktuell mögliche Leistungsabgabe = f (Sicherheitsfunktionen; spezielle Regelungsvorgänge usw.)

Anschließend werden die Informationen über Digital/Analogwandler, Multiplexer, Abtast- und Halteglieder zu den Stellgliedern übertragen.

Nach diesem Prinzip werden die Stellabläufe in Außen- und Inneneinheiten koordiniert und abgearbeitet. Der Mikrorechner entscheidet, welche Regelungsprozesse Vorrang haben, wie der schnellstmögliche Leistungsanstieg in Übereinstimmung mit den momentanen Betriebsbedingungen erreicht werden kann usw. Alle am Markt eingeführten VRF-Systeme namhafter Hersteller nutzen das oben beschriebene Regelungskonzept.

Fazit

Die Systeme der modernen Technischen Gebäudeausrüstung wären ohne den hohen Entwicklungsstand der Mikroelek­tronik nicht denkbar. Das trifft im beson­deren Maße auch für die VRF-Technik zu. So wurde die Entwicklung von VRFSystemen, die Ende der 1980er-/Anfang der 1990er-Jahre begann, von den nachfolgend aufgeführten Faktoren entscheidend geprägt:

(1) Einflussfaktor Mikroelektronik (DDC):

• Optimierung des Kälteprozesses, insbesondere auch durch Inverter-antriebe mit digital kommutierten Elektromotoren,
• hohe Jahresarbeitszahlen insbesondere im Teillastbetrieb, Einzelraum­regelung, Gebäudemanagement.

(2) Einflussfaktor Maschinen- und Anlagenbau (von Mikroelektronik beeinflusst):

• leistungsgeregelte Kältemittelverdichter verfügbar,
• umfangreiche Rohrnetze für Direktverdampfung durch VRF-Multisplittechnik möglich,
• drehzahlgeregelte Ventilatoren mit hoher Luft- und niedriger Schallleistung verfügbar,
• elektronische Einspritzorgane und
• HFCKW-freie Kältemittel verfügbar.

(3) Einflussfaktor Architektur und Bauwesen:

• bauphysikalische Veränderungen der Gebäude,
• Energieeinsparverordnungen.

Die bekanntermaßen beachtliche Energieeffizienz und Flexibilität der VRF-Anlagen kennzeichnet also gewissermaßen auch die Leistungsfähigkeit der Mikroelektronik! -

Literaturverzeichnis

[1] Arbeitskreis der Dozenten für Regelungstechnik: Digitale Regelung und Steuerung in der Versorgungstechnik (DDC-GA). 2. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag 1995

[2] Reinhold, Ch.: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. 1. Auflage. Würzburg: Vogel Buchverlag 1999

[3] Tilli, T.: Fuzzy die Lehre vom Unscharfen. MC (11/93), 7275

1) DDC Direkt Digital Control, s. [1] und [2]

2) digitale Information = Binär-Information (ja/nein oder 0/1) = bit (Binary Digit)

3) Unscharfe Logik, s. [3]

4) BUS = Sammelleitung

5) auch Zentral-Fernbedienung

6) LON-BUS = Local Operating Network = Installations-BUS mit bestimmten Übertragungseigenschaften

7) TCP-IP = Übertragungsprotokoll für die Kommunikation unterschiedlicher Rechnersysteme

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