CN108883781A - 具有空调和/或加热设备的电气运行的轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆（1），其包括：空调和/或加热设备（6），用于对车辆内部空间（2）、尤其是乘客空间和/或职员空间进行空气调节或加热，其中，所述空调和/或加热设备（6）具有用于接收热能的热交换器（7），以及至少一个电气转换器（3）、尤其是牵引转换器和/或辅助运行转换器，其具有用于借助于热载体引出废热的热引出接口（4）。为了减少尤其是在冷季节中的能量消耗，转换器（3）的热引出接口（4）通过热载体通道（5）与空调和/或加热设备（6）的热交换器（7）连接。

Description

具有空调和/或加热设备的电气运行的轨道车辆

技术领域

本发明涉及一种电气运行的轨道车辆，其包括：空调和/或加热设备，用于对车辆内部空间、尤其是乘客空间和/或职员空间进行空气调节或加热，其中，空调和/或加热设备具有用于接收热能的热交换器；以及至少一个电气转换器、尤其是牵引转换器和/或辅助运行转换器，其具有用于借助于热载体引出废热的热引出接口。

空调或加热设备的功能是在冬季提供热量、乘客空间中的空气交换和在夏季提供乘客空间的冷却。为此，从滑触线取得电能并且从周围环境取得空气，由此产生了附加的环境负载。

背景技术

已知轨道车辆的缺点在于，通过滑触线得到的用于乘客空间空气调节、尤其是用于冷季节供热的能量需求比较高。电加热器在普通客车整个能量消耗上的份额在中欧气候带大致为总接收能量的11%。这种方式运行的轨道车辆的能量平衡与在能量节省和CO2排放方面的越来越高的目标不再相符。

发明内容

因此本发明的任务是提供一种轨道车辆，该轨道车辆不具有该缺点，并且针对空气调节、尤其是车辆内部空间的加热具有减少的能量需求。由此应当提高经济性并减少环境负载。

该任务利用开头提到的轨道车辆通过如下方式来实现，即，转换器的热引出接口通过热载体通道与空调和/或加热设备的热交换器连接。

电气运行的轨道车辆具有至少一个牵引转换器（也称作交流电流转换器或者说频率转换器），以便将通过滑触线接收的电功率在其频率和电压方面适配一个/多个行驶马达的瞬时要求（调节牵引马达的转速和转矩以及制动过程中的对于供给网络的能量反馈）。附加于牵引转换器，轨道车辆可以具有所谓的辅助运行转换器，它们从输入端交流电压中生成频率和/或振幅上不同的电压并将其提供用于辅助机组。辅助机组例如可以是：列车的内部和外侧上的通风装置、泵、压缩机、光系统以及通信系统、用于插座的供给装置等。在辅助运行转换器和牵引转换器中存在多个组件，在这些组件中，将电能转换成热量。

通过根据本发明将转换器与空调或加热设备进行耦接，转换器的废热可以有目的地被用于加热乘客空间或驾驶室。由此阻止了：废热未经使用地被给出到周围环境。通过根据本发明的措施能够将转换器中的电损失以高的效率被转化为可用能量。

与辅助运行转换器结合特别值得一提的是，这种辅助运行转换器在轨道车辆被加入到交通中之前就已被接通，并保持接通直至运行结束并在整个时间期间产生了废热。与之相反，牵引转换器仅在行驶或制动期间产生了废热。因此，辅助运行转换器的废热即便在轨道车辆不动时也可被用于加热目的。

总而言之，本发明减少了针对加热所需的电能，由此最终也可以抑制温室效应。

热载体通道（优选空气通道）被理解为如下这样的连接部，通过该连接部可以导引热载体、尤其是空气。热载体通道在此可以是分开的通道（例如管、箱等）或完全或部分地被集成在转换器中和/或空调或者加热设备中。

轨道车辆在本申请中被理解为与轨道相连的任何形式的前进运动器具，尤其是动力车辆、列车、动力汽车、车厢、完整的成套车、轨道客车等。

本发明的另一优点在于，（基于系统集成）可以实现减少隧道通道中由车辆产生的热量。尤其在必须将过量的热量引出隧道（这需要用于空调系统的附加能量）的地铁基础结构中，本发明提供了巨大的改善潜能，因为转换器的废热没有被给出到周围环境中，而是在车辆内部被用于加热。

转换器的效率在采暖季期间可以根据下列公式来计算：

η=(P2+P_热量)/P1

P1...接收的功率；

P2...给出的功率；

P_热量...耦合输出的可用热量的热功率。

由此，来自转换器的热量可以被引导至一现代的、配备有热泵的空调设备。在该空调设备中可以从（迄今为止未使用的）废热中制造用于加热的可用能量或者可用热量。由此，仅须通过滑触线取得用于加热乘客空间的少得多的能量。电能尤其还被需要用于热回路的（回转）泵的运行并用于热泵的压缩机，并由此被高效率地使用。

一优选实施方式的特征在于，空调和/或加热设备包括热泵和联接到该热泵上的热回路，并且转换器的热引出接口通过热载体通道所连接的热交换器是热泵的热交换器。该热交换器例如可以紧邻热泵的蒸发器，该蒸发器接收来自转换器的废热。在热泵的循环过程中，在冷凝器上给出热功率。热量到达回路中并通过该热回路到达乘客空间中的加热体或者加热机组。

在该实施方式中，已有的空调或加热设备可以在没有或利用极小调适的情况下被使用，其方式是，仅建立从转换器的热引出接口至热泵的热交换器（或蒸发器）的连接。

在该处要提到的是，-与之前的实施方式不同-转换器的热引出接口也可以直接与热回路或者布置在其中的热交换器连接（因此是在绕开热泵的情况下或在没有热泵的情况下）。

一优选实施方式的特征在于：轨道车辆具有第一活门，该活门在第一姿势中释放并在第二姿势中断开热引出接口与热交换器之间的连接。优选地，该活门可以通过驱动器来操纵（例如从驾驶室出来）。因此可以实现两个运行模式：在第一运行模式（第一姿势）中，转换器的废热被导引至空调和/或加热设备的热交换器并被用于加热车辆内部空间（冬季运行）。在第二运行模式中，第一活门处在关闭姿势中（也就是说转换器和热交换器之间的连接是断开的），在该第二运行模式中，空调或加热设备被用于冷却乘客空间。该第一活门在第二姿势中阻止（现在作为制冷机运行的）热泵被转换器方面的额外的热输入所加载（夏季运行）。

尤其可以设置：第一活门在第二姿势中向周围环境释放处于热载体通道中在热引出接口与热交换器之间构造的出口开口，由此使得热引出接口与周围环境连接。以这种方式可以借助于同一（第一）活门在夏季运行中将转换器的废热给出到周围环境。当第一活门在第一姿势中关闭出口开口时，夏季和冬季运行之间的切换可以特别简单地进行。

此外可以设置，轨道车辆具有第二活门，该第二活门在第一姿势中关闭并在第二姿势中释放可以使热交换器与周围环境连接的第二出口开口。因此可以实现针对制冷机运行所需的流动关系（使流动方向反转）。

一优选的实施方式的特征在于：第一活门和/或第二活门可以在第一姿势和第二姿势之间通过驱动器来操纵；和/或第一活门和第二活门彼此同步。活门的例如以机械方式或以适当驱动方式的同步可以实现夏季和冬季运行之间的可靠切换。由此可以避免操作错误。

可以设置：将热交换器安置在箱形壳体中，其中，第二活门被构造在箱形壳体中或上；和/或热载体通道至少区段地通过箱形壳体来形成并且第一出口开口被构造在该壳体中、优选被构造得紧邻热交换器。由此获得紧凑的结构形式并且可以将（由第一和第二活门组成的）活门系统在空间上集中地构造。

开头提出的任务也利用一种用于使轨道车辆运行的方法来解决，其中，在第一运行模式中，转换器的废热被导引至空调和/或加热设备的热交换器，并用于加热车辆内部空间，尤其是乘客空间和/或职员空间。

该方法的一优选实施方式的特征在于：在第二运行模式中将热引出接口与热交换器之间的连接断开并将转换器的废热导引到周围环境中。

附图说明

现在根据优选实施例来详细阐释本发明。附图是示例性的并且虽然应当介绍了发明构思，但是在任何情况下都不缩小或甚至封闭式地表现发明构思。在此：

图1示出了根据本发明的轨道车辆；

图2示出了冬季运行中的空调或加热设备的在热载体通道通入口区域中的截段；

图3示出了夏季运行中的空调或加热设备的在热载体通道通入口区域中的截段；

图4示出了本发明一实施方式在细节上的功能原理。

具体实施方式

图1示出了电气运行的轨道车辆1，该轨道车辆通过集电器从滑触线中取得电能。空调和/或加热设备6用于车辆内部空间2（这里：乘客空间和驾驶室）的空气调节或加热。为了接收热能，空调和/或加热设备6具有热交换器7（图2、3和4）。

轨道车辆1也包括至少一个电的转换器3，用于对针对行驶马达或辅助机组的由滑触线得到的电压进行频率变换或振幅变换。热载体（尤其是空气）用于冷却转换器3和导出热，该热载体被引导经过转换器3的给出热的结构。转换器3由此具有热引出接口4，用以借助于热载体引出废热。

转换器3的热引出接口4通过热载体通道5与空调和/或加热设备6的热交换器7连接。由此可以将转换器3的废热用于加热轨道车辆1，由此可以明显地减少总能量消耗。

图4示出了一优选变型，其中，空调或加热设备6包括热泵8和联接到热泵8上的热回路9。转换器3的热引出接口4通过热载体通道5与热交换器7连接，该热交换器是热泵8的热交换器，即这里是蒸发器V。热泵8的循环过程KP包括压缩机VD、冷凝器K和膨胀阀E。为了使压缩机VD运行需要电驱动功率PVD。

P1是被接收的电功率并且P2是转换器3的给出的电功率。转换器3除了包括（未示出的）电气组件之外还包括通风装置15（例如风扇），该通风装置被供给电驱动功率PV。PW表示借助于热载体被耦合输出的热功率，该热功率作为可用热由热泵8接收。QV表示蒸发器V中接收的热功率并且QW表示由冷凝器K给出到热回路9的热交换器17上的热功率。热回路9除了包括热交换器17之外还包括作为热消耗器的加热体10和（回转）泵16，它们通常布置在轨道车辆1的车厢中。PK表示泵16的电驱动功率。

替代加热体10，热回路可以具有一个或多个热交换器，其直接在空调设备中在抽吸空气时作为热消耗器。借助于热交换器被加热的空气可以通过通风通道被导引到车辆内部空间中。由此可以节省电流，该电流否则会被用于电加热器，用以加热通风通道中的空气。

在本发明的未示出的变型中，转换器3的热引出接口4也可以直接与布置在热回路9中的热交换器17连接；要么在绕开热泵8的条件下，要么针对如下情况，即，完全没有设置热泵。

图2和3示出了优选变型，其中，空调/加热设备6可以在两种运行模式下运行。为此，轨道车辆1具有第一活门11，该第一活门在第一姿势中释放（图2）并在第二姿势中断开（图3）热引出接口4与热交换器7之间的连接。由此，通过操纵第一活门11（根据图3中弧形的双箭头）可以调整，是否空调/加热设备6应当使用转换器3的废热。

优选的是，第一活门11在第二姿势中（图3）向周围环境释放处于热载体通道5中在热引出接口4与热交换器7之间构造的第一出口开口13，由此使得热引出接口4与周围环境连接。

第一活门11在此可以被构造为，使得该第一活门在第一姿势（图2）中关闭第一出口开口13。

在所示出的实施方式中，轨道车辆1也具有第二活门12，该第二活门在第一姿势中关闭（图2）并在第二姿势中释放（图3）可以使热交换器7与周围环境连接的第二出口开口14；见图3中弧形的双箭头。

在活门11、12的第一姿势中，热载体（这里：空气）从转换器3通过热交换器7流向开口18并在那里被排出到周围环境中。

在活门11、12的第二姿势中，转换器3的废热通过出口开口13被直接（也就是说没有经过热交换器7）引导给周围环境。空调设备6中，流动方向现在是相反的：空气通过开口18（例如借助于风扇）被抽吸并通过热交换器7被引导，接下来空气通过出口开口14又被给出到周围环境。

活门11、12可以在分别第一和第二姿势之间通过驱动器操纵。优选的是，活门11、12彼此同步，例如以机械方式或适当驱动方式。

就像由图2和3可以看到的那样，热交换器7可以被安置在空调/加热设备6的箱形壳体内。第二活门12在此被构造在箱形壳体内或上。相应地，热载体通道5至少区段地通过箱形壳体形成，其中，第一出口开口13被构造在该壳体中，优选被构造得紧邻热交换器7。

根据图2和3的实施方式现在可以实现：在第一运行模式中，转换器3的废热被导引至空调和/或加热设备6的热交换器7，并用于加热车辆内部空间2，尤其是乘客空间和/或职员空间（冬季运行）。在第二运行模式中可以断开热引出接口4与热交换器7之间的连接并可以将转换器3的废热直接导引到周围环境中（夏季运行）。空调/加热设备6于是可以作为制冷机运行。

附图标记列表

1 轨道车辆

2 车辆内部空间

3 转换器

4 热引出接口

5 热载体通道

6 空调/加热设备

7 热交换器

8 热泵

9 热回路

10 加热体

11 第一活门

12 第二活门

13 第一出口开口

14 第二出口开口

15 通风装置

16 泵

17 热交换器

18 开口

E 膨胀阀

K 冷凝器

K_P 循环过程

P₁ 转换器所接收的电功率

P₂ 转换器所给出的电功率

P_K 泵16的电驱动功率

P_V 转换器中的通风装置15的电驱动功率

P_W 转换器的热功率

P_VD 压缩机的电驱动功率

Q_V 蒸发器中接收的热功率

Q_W 给出到热回路的热功率

V 蒸发器

VD 压缩机

Claims (10)

1. 电气运行的轨道车辆（1），其包括：

- 空调和/或加热设备（6），用于对车辆内部空间（2）、尤其是乘客空间和/或职员空间进行空气调节或加热，其中，所述空调和/或加热设备（6）具有用于接收热能的热交换器（7），以及

- 至少一个电气转换器（3）、尤其是牵引转换器和/或辅助运行转换器，其具有用于借助于热载体引出废热的热引出接口（4），其特征在于，所述转换器（3）的热引出接口（4）通过热载体通道（5）与所述空调和/或加热设备（6）的热交换器（7）连接。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆，其特征在于，所述空调和/或加热设备（6）包括热泵（8）和联接到所述热泵（8）上的热回路（9），并且所述热交换器（7）是所述热泵（8）的热交换器，所述转换器（3）的热引出接口（4）通过热载体通道（5）与所述热交换器连接。

3.根据权利要求1或2所述的轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆（1）具有第一活门（11），所述第一活门在第一姿势中释放并在第二姿势中断开所述热引出接口（4）与所述热交换器（7）之间的连接。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆，其特征在于，所述第一活门（11）在第二姿势中朝向周围环境释放所述热载体通道（5）中在所述热引出接口（4）与所述热交换器（7）之间构造的第一出口开口（13），由此使所述热引出接口（4）与周围环境连接。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆，其特征在于，所述第一活门（11）在第一姿势中关闭所述第一出口开口（13）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆（1）具有第二活门（12），所述第二活门在第一姿势中关闭并在第二姿势中释放第二出口开口（14），所述热交换器（7）能够通过所述第二出口开口与周围环境连接。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的轨道车辆，其特征在于，所述第一活门（11）和/或所述第二活门（12）能够在所述第一姿势与所述第二姿势之间通过驱动器来操纵，和/或，所述第一活门（11）和所述第二活门（12）彼此同步。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的轨道车辆，其特征在于，所述热交换器（7）被安置在箱形的壳体中，其中，所述第二活门（12）被构造在所述箱形的壳体中或上，和/或所述热载体通道（5）至少区段地通过箱形壳体来形成并且所述第一出口开口（13）被构造在壳体中、优选被构造得紧邻所述热交换器（7）。

9.用于运行根据前述权利要求中任一项所述的轨道车辆的方法，其特征在于，在第一运行模式中，所述转换器（3）的废热被导引向所述空调和/或加热设备（6）的热交换器（7）并且被用于加热车辆内部空间（2）、尤其是乘客空间和/或职员空间。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在第二运行模式中，断开所述热引出接口（4）与所述热交换器（7）之间的连接并将所述转换器（3）的废热导引到周围环境中。