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Leistungsstärkere Klimasysteme mit der 0D/1D Simulation

Der HKL-Markt befindet sich in einer exponentiellen Wachstumsphase und zieht kontinuierlich neue Spieler an.

Um sich ihren Marktanteil zu sichern müssen Hersteller:

  • sich durch den Einsatz neuer Technologien auszeichnen.
  • die in Bezug auf Emissionen und Effizienz ständig strenger werdenden Rechtsvorschriften berücksichtigen.
  • auf die wachsende Nachfrage nach smarten HKL-Verbundsystemen, die über eine IoT-Plattform gesteuert werden, eingehen.

 

Die Techniker der Hersteller müssen sich neuen Engineering-Problemen stellen und dabei den Zeitdruck bewältigen, den die Aufgabe, eine Lösung noch vor der Konkurrenz zu finden, mit sich bringt.

Der Einsatz von Engineering-Technologien und Methoden, die den Entwicklungsprozess eines neuen Produkts erheblich vereinfachen und beschleunigen können, ist somit unerlässlich, um bereits ab der ersten Entwicklungsphase schnell und effizient gültige Designs herausfiltern zu können.

Nachfolgend wird dargestellt, wie Simcenter Amesim, die 0D/1D modellbasierte und dynamische Simulationssoftware aus dem Hause Siemens, eine Optimierung der HKL-Systeme in Hinsicht auf Leistung und Energieverbrauch unterstützen kann.

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Analyse des thermodynamischen Zyklus in einem Klimasystem

Um den thermodynamischen Zyklus des Klimasystems in Simcenter Amesim wiederzugeben, stehen in Amesim verschiedene Grafiksymbole zu Verfügung, die die Systemelemente darstellen. Diese parametrischen Symbole bzw. Modellelemente stehen dem Nutzer innerhalb der Software zur Verfügung. Dort entnimmt er die für sein System relevanten Elemente, verbindet sie untereinander, um das Schema zu erzeugen, das sein physisches Produkt repräsentiert.

In diesem Schema sehen wir alle Elemente des Loops: Kompressor, Kondensator, Verdampfer und Wärmetauscher sind untereinander mit Rohren verbunden. Das Modell umfasst auch eine Kontrolleinheit.

Achten Sie auf das Symbol des Kühlmittels oben links: Simcenter Amesim enthält eine komplette Datenbank an Flüssigkeiten für HKL-Anwendungen, tabellarisch geordnet und komplett beschrieben.

Mit diesem Modell lassen sich nun:

  • die Auswirkungen des Austausches einer der Komponenten (Kompressor, Expansionsventil, Wärmetauscher …) auf die Systemleistung bewerten
  • virtuell die Leistungen verschiedener Technologien und Layouts (Multi-Verdampfer, Wärmepumpe, Warm- und Kaltwassererzeuger) testen
  • die Kontrollstrategien optimieren


Das Amesim-Modell gestattet die dynamische Funktionssimulation des Klimasystems und der erzeugten Kühlleistung, die je nach Eigenschaften der eingesetzten Komponenten, deren Leistungen und den Eigenschaften des verwendeten Kühlmittels und des Füllstands variieren kann.

Nun zur Auswertung der Simulation.

Die erste Grafik zeigt die Kompressorgeschwindigkeit über einen bestimmten Zeitraum.

Die zweite Grafik bewertet die Temperaturveränderungen am Verdampfer, die das Modell vorausberechnet und mit der zielgesetzten Veränderung vergleicht.

 


Studie eines Gebäude-Klimasystems: Leistungen und Energieeffizienz

Es folgt nun eine Analyse der Fähigkeit des Klimasystems, die Temperatur in einem bestimmten Ambiente  innerhalb eines Gebäudes unter Veränderung der Umgebungs- und Steuerbedingungen zu kontrollieren.

 

Indoor unit und Outdoor unit wurden in das System eingefügt, weiterhin lassen sich nun links im Schema Elemente zur thermischen Variation der Materialien erkennen, die für die thermische Kapazität der Gebäudestruktur stehen.

Auffallend ist, dass der Nutzer in diesem Schema andere Modellierungselemente verwendet hat und nun von funktionellen Symbolen zu einer detaillierten und geometrischen Darstellung der einzelnen Elemente des Systems übergegangen ist (Verdampfer, Kondensator, Wärmetauscher etc.).

Die Wahl der Modellierungsmethode hängt von den dem Nutzer zur Verfügung stehenden Daten und vom Wunsch ab, die Leistungen nicht nur für alle Systemkomponenten, sondern auch innerhalb der Komponente selbst zu analysieren. 

 

Wie aus den Ergebnissen ersichtlich wird, gestattet das so ausgelegte Modell in Simcenter Amesim eine prädiktive Simulation der Temperaturabweichungen des Klimasystems im Vergleich zur Zielsetzung sowie des Energieverbrauchs des Systems bei Veränderung der zielgesetzten Temperatur, alles in einer Trade-off-Analyse zwischen Leistung und Konsum. 

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Simcenter Amesim ist eine wertvolle Plattform für die Engineering-Simulation und -Entwicklung der Siemens Software Industry und wird in Deutschland und der Schweiz ausschließlich von BSim Engineering vertrieben.
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