DE102010063539A1

DE102010063539A1 - Klimatisierungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010063539A1
Application number: DE102010063539A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Johannes Reinschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20130295835A1; EP2633292A1; CN103370612A; WO2012084797A1

Abstract

Die Klimatisierungseinrichtung weist eine Steuer-/Regeleinheit sowie eine Sensoreinrichtung auf, mit der die Anwesenheit eines Analyten in der Raumluft detektierbar ist, woraus auf die Qualität der Raung ist mit einer Lichtquelle, die Licht auf einen Lichtweg in den Raum emittiert, sowie mit einem für das Licht sensitiven Detektor ausgestattet. Die Steuer-/Regeleinheit steuert/regelt die Klimatisierungseinrichtung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Detektors. Befindet sich der Analyt auf dem Lichtweg, so wird das Licht gestreut und/oder absorbiert, so dass der Detektor eine geringere Lichtmenge detektiert, woraus auf die Anwesenheit des Analyten geschlossen werden kann. Die Lichtquelle ist schwenkbar, so dass verschiedene Lichtwege durch den Raum einstellbar sind. Dabei wird für jeden der Lichtwege das Ausgangssignal des Detektors ermittelt, so dass feststellbar ist, wo im Raum sich der Analyt befindet, und die Klimatisierungseinrichtung das Klima gezielt lokal beeinflussen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung, bspw. eine Klimaanlage zur Beeinflussung des Klimas in einem Raum.
Zur Klimatisierung von Räumen bspw. in Gebäuden oder in Fahrzeugen wie Autos, Zügen oder Flugzeugen werden in der Regel Klimaanlagen eingesetzt, die ein Gebläse, eine Steuerung/Regelung und einen oder mehrere Sensoren aufweisen. Der Sensor stellt der Steuerung/Regelung ein Signal zur Verfügung, das ein Maß für eine das Klima im Raum beschreibende Messgröße darstellt, bspw. die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und/oder die Luftqualität. In Abhängigkeit von diesem Signal beeinflusst die Steuerung/Regelung das Gebläse, welches seinerseits zum einen einen bestimmten Luftstrom zur Verfügung stellen und zum anderen die klimatischen Eigenschaften dieses Luftstroms einstellen kann. Dabei werden insbesondere Temperatur sowie Luftfeuchtigkeit und ggf. in geringerem Maße die Luftzusammensetzung beeinflusst.
Dabei muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen

a) der Einstellung der Frischluftzufuhr, d. h. der Menge der zugeführten Frischluft pro Zeiteinheit, und dem damit verbundenen Energieverbrauch und
b) der Luftqualität im klimatisierten Raum.

Der Begriff der Luftqualität umfasst bspw. die CO2-Konzentration sowie Gerüche und Schadstoffe, Stäube, Gase und Dämpfe etc. Auch bestimmte Luftschadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffoxide, Feinstaub, Blei, Benzol, Kohlenmonoxid, Ozon etc. können in die Beurteilung der Luftqualität eingehen.
Eine Voraussetzung für eine bedarfsgerechte Klimatisierung ist die Messung der Raumluftqualität mit Hilfe entsprechender Sensoren (bspw. Gassensoren), wobei es bekannt ist, mehrere im Raum verteilte Sensoren vorzusehen, um die Luftqualität in mehreren verschiedenen Zonen des Raumes zu ermitteln. Diese Anordnung erlaubt jedoch je Sensor nur eine weitestgehend punktförmige Ermittlung der Luftqualität. Um ein zumindest weitestgehend kontinuierliches, zwei- oder dreidimensionales Bild der Luftqualität im Raum zu erhalten, welches eine bedarfsgerechte Klimatisierung erlauben würde, ist eine Vielzahl von Sensoren nötig, verbunden mit einem entsprechend hohen Installations- und Kostenaufwand.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Klimatisierungsvorrichtungen bedarfsgerecht dahingehend zu verbessern, dass die Raumluftqualität nicht nur an einzelnen Orten im Raum sondern örtlich verteilt in vorgegebenen Teilen des Raumes oder im Extremfall im gesamten Raum beeinflusst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung zur Beeinflussung des Klimas in einem Raum weist eine Steuer- und Regeleinheit sowie zumindest eine Sensoreinrichtung auf.
Die Sensoreinrichtung weist ihrerseits eine Strahlungsquelle, bspw. eine Lichtquelle für sichtbares oder nicht sichtbares Licht, auf, die im Betrieb Strahlung bspw. in Form von Licht auf einen Strahlweg durch den Raum bzw. in den Raum emittiert. Weiterhin ist ein zumindest für die emittierte Strahlung sensitiver Detektor Teil der Sensoreinrichtung.
Der Detektor ist derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der von der Strahlungsquelle im Betrieb emittierten Strahlung direkt oder indirekt auf den Detektor fallen kann. Bspw. wird das emittierte Licht zum einen an den Raumwänden oder anderen Objekten im Strahlweg reflektiert und/oder zurück gestreut, so dass zumindest ein Teil der emittierten Strahlung wieder zu dem Detektor gelangen kann.
Der Detektor produziert ein Ausgangssignal, das von der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines bestimmten, zu detektierenden Analyten im Strahlweg abhängig ist. Als Analyten kommen bspw. H2O, CO2 sowie flüchtige, giftige und/oder explosive Gase wie Erdgas, Methan, Kohlenmonoxid sowie andere für die Luftqualität ggf. relevante Stoffe in Frage. Die emittierte Strahlung wird bei Anwesenheit des Analyten im Strahlweg zumindest teilweise absorbiert, gestreut und auch reflektiert, wodurch die Intensität der auf den Detektor zurück fallenden Strahlung reduziert wird. Dabei ist der Betrag der Veränderung des Ausgangssignals abhängig von der Menge bzw. Konzentration des Analyten im Strahlweg.
Die Steuer- und Regeleinheit ist eingerichtet, um die Klimatisierungseinrichtung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Detektors zu steuern und/oder zu regeln. D. h. je nach Ausgangssignal nimmt die Steuer- und Regeleinheit Einfluss auf die Klimatisierungseinrichtung, wobei bspw. die Stärke des Luftstroms reguliert wird.
Die Ausbreitungsrichtung der Strahlung ist zumindest über einen Teil des Raumes derart schwenkbar, dass verschiedene Strahlungswege durch den Raum einstellbar sind. Dabei wird für mehrere der einstellbaren Strahlungswege, insbesondere für jeden einstellbaren Strahlungsweg, zumindest ein Ausgangssignal des Detektors ermittelt.
Somit ist es möglich, die Anwesenheit bzw. Konzentration des Analyten nicht nur punktweise zu ermitteln, sondern bspw. zumindest in einer Ebene. Mit der so erlangten Kenntnis der Position des Analyten ist es möglich, die Klimatisierungseinrichtung derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Klima gezielt am Ort des Analyten beeinflussbar ist. Die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung ist also geeignet, die Raumluftqualität lokal zu überwachen.
Die Strahlungsquelle ist eingerichtet, um Strahlungen zumindest auf einen Teil der verschiedenen Strahlungswege gleichzeitig zu emittieren, wobei die Frequenzen dieser auf die verschiedenen Strahlungswege emittierten Strahlungen je nach Strahlungsweg verschieden sind. Um dies zu realisieren kann die Strahlungsquelle entweder mehrere Einzel-Strahlungsquellen aufweisen, die unterschiedlich ausgerichtet sind, so dass das jeweils emittierte Licht auf die unterschiedlichen Strahlwege emittiert wird. Alternativ kann die Strahlungsquelle mit einer geeigneten Strahloptik, bspw. mit einem Spiegel o. ä., versehen sein, die einen von der Strahlungsquelle emittierten Lichtstrahl auffächert.
In einer alternativen Ausführung werden die verschiedenen Strahlungswege sequentiell, d. h. zeitlich nacheinander, eingestellt und abgetastet.
Wesentlich ist hierbei, dass die verschiedenen Strahlungswege bzw. die für die verschiedenen Strahlungswege mit dem Detektor bestimmte Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten voneinander unterscheidbar sind. Mit anderen Worten muss die jeweils bestimmte Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten einem bestimmten Strahlungsweg eindeutig zuzuordnen sein.
Bevorzugt weist die Klimatisierungseinrichtung zumindest zwei derartige Sensoreinrichtungen auf, die an verschiedenen Orten im Raum positioniert sind. Dabei ist jede der Sensoreinrichtungen für sich wie oben beschrieben eingerichtet. D. h. insbesondere, dass jede der Sensoreinrichtungen Strahlung auf einen Strahlweg durch den Raum emittieren kann, wobei die Ausbreitungsrichtung der jeweiligen Strahlung zumindest über einen Teil des Raumes derart schwenkbar ist, dass verschiedene Strahlungswege durch den Raum einstellbar sind, und für mehrere der einstellbaren Strahlungswege, insbesondere für jeden einstellbaren Strahlungsweg, zumindest ein Ausgangssignal des Detektors ermittelt wird. Dies hat zur Folge, dass bspw. beim Vorhandensein von zwei derartigen Sensoreinrichtungen die Position des Analyten im Raum zweidimensional bestimmt werden kann, so dass eine noch genauere Beeinflussung des Klimas möglich wird.
Die Steuer- und Regeleinheit ist dabei eingerichtet, um aus den mit den zumindest zwei Sensoreinrichtungen ermittelten Daten bzw. Ausgangssignalen der Detektoren für die verschiedenen Strahlwege eine zweidimensionale Kartographie der Verteilung des Analyten im Raum zu berechnen.
Die verschiedenen Sensoreinrichtungen arbeiten bei verschiedenen Frequenzen, d. h. die mit den verschiedenen Strahlungsquellen im Betrieb emittierten Strahlungen weisen verschiedene Frequenzen auf, so dass eine gegenseitige Störung auszuschließen ist.
Der Raum, auf den die Klimatisierungseinrichtung wirkt, weist mehrere Wände auf, insbesondere seitliche Wände, einen Boden und eine Decke. Zumindest zwei der verschiedenen Strahlungsquellen sind an unterschiedlichen Wänden des Raumes oder aber an derselben Wand des Raumes positioniert, im letzteren Fall jedoch an unterschiedlichen Positionen an dieser Wand. Erst hierdurch wird die zumindest zweidimensionale Positionsbestimmung des Analyten gewährleistet.
Die mit den verschiedenen Strahlungsquellen einstellbaren Strahlungswege liegen im Wesentlichen in derselben, insbesondere im Wesentlichen horizontalen Ebene. Aufgrund der in der Regel dreidimensionalen Ausdehnung des Analyten ist es nicht notwendig, dass die Ebenen exakt übereinstimmen. Die Verlässlichkeit der Positionsbestimmung steigt jedoch mit dem Grad der Identität der Ebenen.
Die Klimatisierungseinrichtung weist weiterhin auf

– eine Einrichtung zur Erzeugung zumindest eines klimatisch einstellbaren Luftstroms in den Raum sowie
– zumindest eine Ausgangsöffnung, über die der zumindest eine einstellbare Luftstrom in den Raum leitbar ist.

Die Steuer- und Regeleinheit ist ausgebildet, um den aus der Ausgangsöffnung in den Raum gelangenden Luftstrom in Abhängigkeit von den für die verschiedenen Strahlungswege bestimmten Ausgangssignalen des Detektors einzustellen. Somit wird es möglich, das Klima im Raum zu beeinflussen.
Die Einrichtung zur Erzeugung des zumindest einen einstellbaren Luftstroms erzeugt eine der Anzahl der Ausgangsöffnungen entsprechende Anzahl separater Luftströme. Dadurch kann das Klima lokal, d. h. in einer bestimmten Zone im Raum, in der sich bspw. der Analyt befindet, mit höchster Effizienz beeinflusst werden.
Die Klimatisierungseinrichtung kann weiterhin aufweisen.

– eine Einrichtung zur Erzeugung zumindest eines Luftstroms aus dem Raum heraus, d. h. bspw. ein Gebläse, welches eine Saugwirkung hat, sowie
– zumindest eine Absaugöffnung, über die der zumindest eine einstellbare Luftstrom aus dem Raum absaugbar ist.

Die Steuer- und Regeleinheit ist in diesem Fall ausgebildet, um den aus der jeweiligen Absaugöffnung aus dem Raum gelangenden Luftstrom in Abhängigkeit von den für die verschiedenen Strahlungswege bestimmten Ausgangssignalen des Detektors einzustellen.
Die Einrichtung zur Erzeugung des zumindest einen einstellbaren Luftstroms aus dem Raum heraus erzeugt eine der Anzahl der Absaugöffnungen entsprechende Anzahl separater Luftströme.
Das Ausgangssignal des Detektors ist von der Lichtmenge, insbesondere von der Intensität, der auf ihn fallenden, ursprünglich von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung anhängig.
Die Frequenz der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung derart ist gewählt, dass die Strahlung beim Durchgang durch den Analyten zumindest teilweise absorbiert und/oder gestreut wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die auf den Detektor zurück fallende Lichtmenge bei Anwesenheit des Analyten im Strahlweg tatsächlich reduziert ist, so dass der Analyt detektierbar ist.
Aus dem Ausgangssignal des Detektors kann also direkt auf die Anwesenheit oder sogar auf die Konzentration des Analyten im Strahlweg geschlossen werden.
Die Strahlungsquelle kann bspw. eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
1 eine Draufsicht auf einen Raum mit einer Klimatisierungseinrichtung,
2 eine zweidimensionale Karte der Verteilung eines Analyten in dem Raum.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Raum 10 eines Gebäudes, bspw. ein Wohn- oder Besprechungsraum, sowie eine Klimatisierungseinrichtung 100, bspw. eine Klimaanlage, mit der das Klima im Raum lokal beeinflussbar ist. Dabei kann der Begriff ”Klima” die Temperatur und/oder Feuchtigkeit der im Raum befindlichen Luft sowie auch die Luftqualität umfassen. Zur Beurteilung der Luftqualität können bspw. die CO2-Konzentration sowie Gerüche und Schadstoffe, Stäube, Gase und Dämpfe etc. berücksichtigt werden. Auch bestimmte Luftschadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffoxide, Feinstaub, Blei, Benzol, Kohlenmonoxid, Ozon etc. können in die Beurteilung der Luftqualität eingehen. Im Folgenden wird allgemein vom ”Klima” und ”Sensor” gesprochen, ohne jeweils im Detail darauf einzugehen, welcher Parameter zu messen ist, da dies für die eigentliche, hier vorliegende Erfindung keine Rolle spielt.
Die Klimatisierungseinrichtung 100 weist eine Steuer- und Regeleinheit 110, zwei Sensoreinrichtungen 120, 130, eine Einrichtung 140 zur Erzeugung zumindest eines klimatisch einstellbaren Luftstroms, bspw. ein Gebläse 140, zwei Ausgangsöffnungen 151, 152 sowie zwei Absaugöffnungen 153, 154, über die der Luftstrom des Gebläses 140 in den bzw. aus dem Raum leitbar ist. Die Öffnungen 151, 152, 153, 154 sind über Kanäle 141, 142, 143, 144 mit dem Gebläse 140 verbunden.
Das Gebläse 140, das hier nicht näher dargestellt ist, kann nicht nur einen Luftstrom bestimmter Stärke bzw. einen bestimmten Volumenstrom über die entsprechenden Öffnungen in den Raum und/oder aus dem Raum erzeugen, sondern darüber hinaus gesteuert durch die Steuer- und Regeleinheit 110 die Temperatur, die Feuchtigkeit und ggf. die Qualität der Luft des Luftstroms gezielt beeinflussen.
Über die Ausgangsöffnungen 151, 152 kann demnach ein Luftstrom in den Raum geleitet werden, dessen klimatische Eigenschaften gezielt einstellbar sind, so dass das Klima im Raum beeinflussbar ist. Dadurch, dass mehrere Ausgangsöffnungen vorgesehen sind und die durch die verschiedenen Ausgangsöffnungen in den Raum gelangenden Luftströme einzeln und ggf. unabhängig voneinander einstellbar sind, kann das Klima im Raum lokal beeinflusst werden. D. h. an verschiedenen Orten im Raum können unterschiedliche klimatische Verhältnisse erzeugt werden.
Mit Hilfe der Absaugöffnungen 153, 154 kann gezielt und lokal Luft aus dem Raum abgesaugt werden kann. Dies ist speziell dann von Vorteil, wenn sich ein bspw. gesundheitsgefährdendes Gas o. ä. in dem Raum befindet. In einem solchen Fall könnte mit Hilfe des Gebläses 140, das dann als Absaugeinrichtung wirkt, und derjenigen Absaugöffnung, die sich am nächsten zu dem Gas befindet, das Gas aus dem Raum entfernt werden. Vorzugsweise würde gleichzeitig über die Ausgangsöffnungen 151, 152 frische Luft in den Raum geleitet.
Dabei sind zwei unterschiedliche Herangehensweisen denkbar:

1) Das Gebläse ist eingerichtet, um wie in der 1 dargestellt mehrere separate Luftströme L1, L2, L3, L4 zu erzeugen. Das Gebläse 140 ist über separate Kanäle 141, 142, 143, 144 mit den Öffnungen 151, 152, 153, 154 verbunden. Die Anzahl der erzeugbaren Luftströme sowie die Anzahl der Kanäle entspricht im Idealfall der Anzahl der Öffnungen 151, 152, 153, 154. Dabei ist es zum einen möglich, das jeweilige Klima der einzelnen zu den Ausgangsöffnungen 151, 152 geleiteten Luftströme unabhängig voneinander einzustellen. Eine Beeinflussung des Klimas der über die Absaugöffnungen 153, 154 aus dem Raum abgesaugten Luft ist nicht vorgesehen. Zum anderen können die zu den Ausgangsöffnungen 151, 152 und die von den Absaugöffnungen 153, 154 zu befördernden Volumenströme eingestellt werden.
2) Das Gebläse erzeugt einen Luftstrom eines bestimmten Klimas und die Ausgangsöffnungen 151, 152 in den Raum werden derart separat angesteuert, dass es möglich ist, den aus den einzelnen Öffnungen 151, 152 in den Raum gelangenden Luftstrom separat zu steuern. Je nach Bedarf kann bspw. die erste Öffnung 151 über geeignete einstellbare Klappen o. ä. weiter geöffnet werden, als die zweite Öffnung 152, so dass über die Öffnung 151 ein größeres Luftvolumen pro Zeiteinheit in den Raum gelangen kann. Damit würde erreicht, dass das Klima in der Umgebung der ersten Öffnung 151 stärker beeinflusst würde als das Klima in der Umgebung der zweiten Öffnung 152.

Eine Kombination der Möglichkeiten 1) und 2) ist natürlich denkbar.
Die Methode 1) bietet die Möglichkeit einer präziseren lokalen Einflussnahme auf das Klima im Raum. Es muss jedoch für jede Ausgangsöffnung ein separater Kanal vom Gebläse zur Öffnung installiert werden. Das Gebläse selbst sowie der Installation- und Wartungsaufwand für die vom Gebläse zu den einzelnen Öffnungen führenden Kanäle ist vergleichsweise aufwändig. Bei der Methode 2) kann zunächst ausgehend vom Gebläse ein gemeinsamer Kanal verwendet werden, von dem aus an einer geeigneten Stelle Abzweigungen zu den einzelnen Ausgangsöffnungen abgehen. Das Gebläse erzeugt einen einzelnen Luftstrom, der über die Abzweigungen zu den Öffnungen gelangt.
Mit der Steuer- und Regeleinheit 110 lässt sich also allgemein ausgedrückt der durch jede Öffnung 151, 152 in den Raum gelangende Luftstrom einstellen, sei es durch Einstellung der einzelnen Luftströme gemäß Methode 1) oder durch Einstellung der Öffnungen 151, 152 gemäß Methode 2). Diese Einstellung betrifft zunächst einmal nur das durch die jeweilige Ausgangsöffnung 151, 152 in den Raum gelangende Luftvolumen pro Zeiteinheit. Zusätzlich beeinflusst die Steuer- und Regeleinheit 110 das Gebläse 140 dahingehend, dass das Klima des vom Gebläse 140 erzeugten Luftstroms L bzw. das Klima der einzelnen Luftströme L1, L2 gezielt eingestellt wird.
Die Steuer- und Regeleinheit ist demnach ausgebildet, das Gebläse dahingehend zu steuern und/oder zu regeln, dass das Klima und die Stärke des Luftstroms bestimmten Vorgaben entsprechen.
Um diese Vorgaben zu ermitteln werden die Sensoreinrichtungen 120, 130 der Klimatisierungseinrichtung 100 verwendet. Die Sensoreinrichtungen 120, 130 sind eingerichtet, um die Anwesenheit und ggf. die Konzentration eines Analyten in dem Raum 10, d. h. letztlich die Luftqualität, sowie ggf. eine räumliche Verteilung der Lufttemperatur und -feuchtigkeit zu detektieren. Der Analyt kann bspw. einer der oben im Zusammenhang mit der Beurteilung der Luftqualität genannten Stoffe sein, bspw. ein Gas wie CO2, oder aber allgemein ein weitestgehend gasförmiges Medium wie Gas, Dampf, Dunst, ein Aerosol, Nebel, Rauch etc.
Der Aufbau der Sensoreinrichtungen 120, 130 wird exemplarisch am Beispiel der ersten Sensoreinrichtung 120 erläutert. Die Sensoreinrichtung 120 ist in die Wand 11 des Raums 10 eingelassen und besteht aus einem Hohlraum 121, der bspw. mit Methan (z. B. < 5 Vol.-%) gefüllt sein kann. In dem Hohlraum 121 befindet sich eine Sende-/Empfangseinheit 122 mit einer Strahlungsquelle 123, die elektromagnetische Strahlung L, insbesondere Licht, im sichtbaren oder nicht sichtbaren Frequenzbereich aussendet und mit einem für die Frequenz der emittierten Strahlung sensitiven Detektor 124, bspw. ein Photodetektor bzw. eine Photodiode. Die Strahlungsquelle 123 kann bspw. eine Laserdiode oder eine LED sein. Das Ausgangssignal des Detektors 124, das von der auf den Detektor 124 fallenden Lichtmenge bzw. Intensität abhängig ist, wird der Steuer- und Regeleinheit 110 zugeführt und dort zur Steuerung und/oder Regelung des Gebläses 140 ausgewertet.
Wenn der Lichtstrahl L auf eine Begrenzung des zu überwachenden Raums 10 trifft, bspw. auf die der Sensoreinrichtung 120 gegenüberliegende Wand des Raums, wird er diffus reflektiert. Mit dem Detektor 124 wird das zurückfallende Licht gemessen, wobei bspw. mit Hilfe einer geeigneten Sammeloptik 125 erreicht werden kann, dass das Licht aus einem hinreichend großen Raumwinkel bzw. Raumbereich detektierbar ist.
Allgemein ausgedrückt ist der Detektor 124 derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der von der Strahlungsquelle 123 im Betrieb emittierten Strahlung direkt oder indirekt, d. h. ggf. als rückgestreutes und/oder reflektiertes Licht, auf den Detektor 124 fallen kann.
Die Laserdiode 123 sendet einen Lichtstrahl mit einer Frequenz aus, bei der das in dem Raum zu detektierende Gas eine signifikante Absorption zeigt. Dies ist bspw. bei CO2 bei einer Wellenlänge von 4,2 μm der Fall. Wenn also der Lichtstrahl L einen Bereich des Raums 10 durchquert, in dem sich ein Analyt 20 befindet, wird das Licht zumindest teilweise absorbiert und ggf. gestreut, so dass der Detektor 124 eine geringere Lichtmenge detektiert. Die Schwächung des Lichtes ist ein direktes Maß für die Anzahl der sich im Lichtweg befindenden Moleküle. Demzufolge unterscheidet sich das entsprechende Ausgangssignal A_l20 des Detektors 124 von einem Ausgangssignal bzw. Referenzsignal Ref₁₂₀, das gemessen wird, wenn sich kein Analyt im Strahlweg befindet.
Um feststellen zu können, wo im Raum sich der Analyt befindet, wird nun die Strahlungsquelle 123 derart eingerichtet, dass die emittierte Strahlung auf mehrere verschiedene, einstellbare Strahlwege S_120,i (mit i = 1, 2, 3, ...) durch den Raum bzw. in bestimmte, einstellbare Ausbreitungsrichtungen emittierbar ist.
Für jeden Strahlweg S_120,i wird mit dem Detektor 124 die Schwächung des Lichts gemessen, d. h. es wird jeweils ein Ausgangssignal A_120,i ermittelt, das dem entsprechenden Strahlweg S_120,i zugeordnet wird. Aus der Analyse der Ausgangssignale A_120,i für die verschiedenen Strahlwege S_120,i lässt sich ermitteln, in welcher Richtung von der Sensoreinrichtung 120 aus gesehen sich der Analyt befindet. Bei der Analyse wird bspw. das jeweilige gemessene Ausgangssignal A_120,i mit dem entsprechenden Referenzsignal Ref_120,i für den jeweiligen Strahlweg S_120,i verglichen, das bspw. im Rahmen einer Eichung der Sensoreinrichtung 120 bei der Installation der Klmatisierungseinrichtung 100 gemessen wurde, als sich kein Analyt im Strahlweg S_120,i befand.
Je nach Sensitivität der Sensoreinheit kann anhand des Ausgangssignals unterschieden werden, ob sich der Analyt im Strahlweg befindet, oder sogar auf die Konzentration des Analyten geschlossen werden. Im letzteren Fall würde es nicht ausreichen, lediglich festzustellen, ob sich das Ausgangssignal signifikant vom entsprechenden Referenzwert unterscheidet. Es müsste vielmehr quantitativ ermittelt werden, wie weit das Ausgangssignal und der Referenzwert auseinander liegen, um daraus bspw. anhand der Eichung die Konzentration zu berechnen.
Im konkreten in der 1 dargestellten Fall würde nur das Ausgangssignal A_120,4 gegenüber dem entsprechenden Referenzsignal Ref_120,4 des Strahlweges S_120,4 reduziert sein, d. h. A_120,4 < Ref_120,4, während die übrigen Ausgangssignale A_120,1 A_120,2 A_120,3 und A_120,5 bis auf Rauscheinflüsse etc. den Referenzsignalen Ref_120,1 Ref_120,2 Ref_120,3 und Ref_120,5 entsprechen. Demzufolge wäre davon auszugehen, dass sich im Strahlweg S_120,4 ein Analyt befindet.
Der Öffnungswinkel bzw. die Divergenz der auf die Strahlwege emittierten Strahlungen ist idealerweise zur Erreichung einer hohen räumlichen Auflösung klein zu halten, so dass entsprechend viele einzelne Lichtstrahlen auf unterschiedliche Strahlwege emittierbar sind, ohne dass sich benachbarte Lichtstrahlen überdecken. Im Extremfall sendet die Strahlungsquelle 123 einen Nadelstrahl aus, d. h. einen Lichtstrahl L mit einer Divergenz von bspw. 1–3°.
Rein rechnerisch könnten dann bei einer Divergenz von 2° zur Überwachung eines Raumwinkels von bspw. 100° vor der Sensoreinrichtung 120 fünfzig einzelne Lichtstrahlen auf fünfzig Strahlwegen S_i (i = 1, 2, ..., 50) emittiert werden, ohne dass sich zwei benachbarte Strahlwege S_i, S_i+1 überlappen.
Bevorzugt liegen die verschiedenen Strahlwege S_i sämtlich in einer Ebene, bspw. in der Horizontalen.
Die zweite in der 1 vorgesehene Sensoreinrichtungen 130 kann identisch ausgebildet sein und in prinzipiell identischer Weise arbeiten wie die bereits beschriebene erste Sensoreinrichtung 120. Eine Strahlungsquelle 133 der zweiten Sensoreinrichtung 130 emittiert also ebenfalls Lichtstrahlen auf mehreren verschiedenen Strahlwegen S_130,i. Ein Detektor 134 der zweiten Sensoreinrichtung 130 detektiert rückgestreutes und/oder reflektiertes Licht und erzeugt für jeden Strahlweg S_130,i ein Ausgangssignal A_130,i welches mit einem Referenzsignal Ref_130,i verglichen wird.
Um zu gewährleisten, dass die erste und die zweite Sensoreinrichtung 120, 130 gleichzeitig betrieben werden können, ohne sich gegenseitig zu stören, sollte sich die Frequenz der von der Strahlungsquelle 123 der ersten Sensoreinrichtung 120 emittierten Strahlung von der Frequenz der von der Strahlungsquelle 133 der zweiten Sensoreinrichtung 130 emittierten Strahlung unterscheiden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der zu detektierende Analyt Strahlung nur in einem bestimmten Frequenzbereich absorbiert, d. h. beide Frequenzen müssen in diesem Frequenzbereich liegen.
Die zweite Sensoreinrichtung 130 ist an einer anderen Stelle angeordnet, als die erste Sensoreinrichtung 120, insbesondere an einer anderen Wand. Damit lässt sich zum einen erreichen, dass Bereiche des Raumes, die aus Sicht der ersten Sensoreinrichtung 120 bspw. aufgrund von Ecken oder auch Möbeln o. ä. im Strahlweg nicht erreichbar sind, von der zweiten Sensoreinrichtung 130 überwacht werden können. Zum anderen erlaubt die Verwendung der zweiten Sensoreinrichtung 130 bspw. unter Ausnutzung tomographischer Methoden die Erstellung einer zweidimensionalen Kartographie des Raumes hinsichtlich der Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten. Mit anderen Worten lässt sich mit Hilfe von zwei an unterschiedlichen Orten installierten Sensoreinrichtungen 120, 130 zweidimensional feststellen, an welchem Ort im Raum sich der Analyt ggf. befindet. Dies ist in der 2 in Form einer zweidimensionalen Karte der Verteilung des Analyten im Raum exemplarisch dargestellt (die tatsächliche Lage des Analyten ist mit Hilfe der gestrichelten Linie dargestellt). Bei Verwendung nur einer einzelnen Sensoreinrichtung 120 ist die Bestimmung des Ortes natürlich nur eindimensional möglich. Eine Voraussetzung für die zweidimensionale Detektion ist jedoch, dass die mit beiden Sensoreinrichtungen 120, 130 realisierbaren Strahlwege S_120,i, S_130,i idealerweise in ein und derselben Ebene, zumindest aber in im wesentlichen gleichen Ebenen liegen. Dabei müssen die Lagen der Ebenen nicht exakt übereinstimmen, da anzunehmen ist, dass der Analyt eine dreidimensionale Ausdehnung hat. D. h. es sind sowohl eine leichte Verkippung der Ebenen gegeneinander als auch ein geringer Versatz der Ebenen in Richtung eines Normalenvektors einer der Ebenen tolerierbar.
Im konkreten in der 1 dargestellten Fall würde das Ausgangssignal A_130,2 gegenüber dem entsprechenden Referenzsignal Ref_130,2 des Strahlweges S_130,2 reduziert sein, während die übrigen Ausgangssignale A_130,1 A_130,3 A_130,4 und A_130,5 bis auf Rauscheinflüsse etc. den Referenzsignalen Ref_130,1 Ref_130,3 Ref_130,4 und Ref_130,5 entsprechen bis auf Rauscheinflüsse etc. den zugehörigen Referenzsignalen entsprechen. Demzufolge wäre davon auszugehen, dass sich der Analyt im Strahlweg S_130,2 befindet.
Zusammen mit der mit der ersten Sensoreinrichtung 120 ermittelten Information, dass sich der Analyt im Strahlweg S_120,4 befindet, kann in der Steuer- und Regeleinheit 110 eine zweidimensionale Karte des Raumes berechnet werden, die die Verteilung des Analyten 20 wiedergibt.
Eine entsprechende Karte ist in der 2 dargestellt. Den unterschiedlichen Strahlwegen S_120,i und S_130,i sind in der Karte Korridore K_120,i und K_130,i zugeordnet, die symmetrisch um den jeweiligen Strahlweg angeordnet sind. Für die Erstellung der Karte wurde angenommen, dass die Strahlungsquellen 123, 133 jeweils Lichtstrahlen emittieren, die eine vergleichsweise große Divergenz aufweisen, welche gerade dem Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Strahlwegen der jeweiligen Sensoreinheit entspricht (unter der Divergenz wird also hier der Öffnungswinkel des von der Strahlungsquelle emittierten Lichtkegels verstanden). Wäre die Divergenz kleiner als der Winkelabstand der benachbarten Strahlwege, würde zwischen zwei Strahlwegen und den zugeordneten Korridoren ein toter Bereich entstehen, der von der jeweiligen Sensoreinheit nicht abgetastet werden kann.
In der Karte der 2 ist der Bereich, in dem sich der Analyt befinden muss, d. h. der Schnittbereich der Korridore K_120,4 und K_130,2, doppelt schraffiert und fett umrandet markiert.
Bei einer realen Klimatisierungseinrichtung, bei der voraussichtlich nicht nur wie in der 1 fünf, sondern wesentlich mehr unterschiedliche Strahlwege pro Sensoreinheit abgetastet werden, sind die Korridore K wesentlich weniger breit, so dass eine höhere räumliche Auflösung erreichbar ist.
Sobald die Position des Analyten 20 bekannt ist, d. h. sobald in der Steuer- und. Regeleinheit 110 für jede Sensoreinrichtung 120, 130 der jeweilige Korridor identifiziert wurde, in dem sich der Analyt befindet, kann die Steuer- und Regeleinheit 110 das Gebläse 140 unter Ausnutzung der Kenntnis der Positionen der Ausgangsöffnungen 151, 152 derart ansteuern, dass das Klima im Raum 10 lokal, d. h. insbesondere an dem Ort, an dem sich der Analyt befindet, beeinflusst wird.
Der Betrieb der Absaugöffnungen 153, 154 erfolgt analog zum oben geschilderten Betrieb der Ausgangsöffnungen 151, 152, d. h. es wird mit Hilfe der Sensoreinrichtungen 120, 130 die Position des Analyten 20 ermittelt und die Steuer- und Regeleinheit 110 steuert/regelt das Gebläse 140 derart, dass das Analyt über die nächstgelegene Absaugöffnung abgesaugt wird. Natürlich kann zum Betrieb der Absaugöffnungen auch ein zusätzliches Gebläse 140' vorgesehen sein (1).
Natürlich kann bspw. auf die dedizierten Absaugöffnungen 153, 154 und die entsprechenden Kanäle 143, 144 verzichtet werden, ohne auf die Möglichkeit, den Analyten aus dem Raum absaugen zu können, verzichten zu müssen. In diesem Fall würde mit Hilfe des Gebläses 140 über die Kanäle 141, 142 und die Öffnungen 151, 152 ein Luftstrom in beide Richtungen erzeugbar sein.
Im einfachsten Fall steuert die Steuer- und Regeleinheit 110 das Gebläse 140, 140' derart, dass zumindest über diejenige Ausgangsöffnung bzw. Absaugöffnung ein Luftstrom erzeugt wird, die dem detektierten Analyten am nächsten liegt. Liegt der Analyt zwischen zwei Öffnungen, können beide Öffnungen verwendet werden, um einen Luftstrom herzustellen. Als Kriterium zur Auswahl der zu verwendenden Öffnung bzw. zur Festlegung des durch die jeweilige Öffnung zu erzeugenden Luftstroms kann bspw. der Abstand zwischen der jeweiligen Öffnung und Analyt dienen.
Die obige Betrachtung der Lage der Ebenen der Strahlwege zueinander gilt für den Fall, dass die Sensoreinrichtungen 120, 130 die Strahlwege S_120,i, S_130,i jeweils nur eindimensional in einer Ebene, bspw. in der Horizontalen, verstellen. Für den Fall, dass die Sensoreinrichtungen 120, 130 geeignet sind, die Strahlwege S_i,120, S_i,130 nicht nur jeweils eindimensional in einer Ebene, sondern zweidimensional, d. h. zusätzlich auch in der Vertikalen, zu verstellen, lässt sich eine dreidimensionale Detektion der Position des Analyten erreichen.
Obige Betrachtung gilt nicht nur für die Anwesenheit eines Gases o. ä. im Raum, d. h. für die Überwachung der Luftqualität, sondern auch für die Bestimmung anderer klimatischer Parameter wie Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit. Auch diese Parameter haben Einfluss auf die Absorptions- und Streueigenschaften der Luft, so dass bspw. im Fall der ersten Sensoreinrichtung 120 ebenfalls eine Reduzierung des Ausgangssignals A_120,i gegenüber dem entsprechenden Referenzsignal Ref_120,i des Strahlweges S_120,i zu erwarten ist.
Zur Einstellung der unterschiedlichen Strahlwege S_i sind verschiedene Herangehensweisen denkbar. Bspw. könnte die komplette Strahlungsquelle 123, 133 mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung geschwenkt werden, so dass die von der Quelle ausgesendete, gerichtete Strahlung auf die unterschiedlichen Strahlwege S_i gerichtet wird. Diese Ausführung ist bspw. im Falle einer LED durchaus denkbar. Sollte die Strahlungsquelle jedoch ein Laser o. ä. sein, wäre es vergleichsweise aufwändig, die vollständige Strahlungsquelle zu schwenken. Alternativ könnte die Strahlungsquelle selbst, d. h. der Laser oder die LED, raumfest installiert sein und die von der Quelle somit in eine feststehende Richtung emittierte Strahlung wird mit Hilfe eines beweglichen Spiegels o. ä. auf die verschiedenen Strahlwege S_i umgelenkt.
In beiden geschilderten Fällen ist es möglich, durch eine entsprechende Anzahl von Achsen, um die die Strahlungsquelle bzw. der Spiegel schwenkbar ist, eine ein- oder sogar zweidimensionale Abtastung des Raumes zu realisieren.
Bei schwenkbarer Strahlungsquelle bzw. einer vor einer feststehenden Strahlungsquelle befindlichen schwenkbaren Ablenkeinrichtung werden die einzelnen Strahlungswege sequentiell, d. h. zeitlich nacheinander ausgewählt bzw. abgetastet. In einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Strahlungswege, im Extremfall sämtliche Strahlungswege, einer Sensoreinheit gleichzeitig abgetastet, d. h. es werden mehrere Lichtstrahlen gleichzeitig in verschiedene Richtungen emittiert. Dementsprechend trifft auch das von den unterschiedlichen Strahlwegen rückgestreute Licht weitestgehend gleichzeitig am Detektor ein. Um die von den unterschiedlichen Strahlwegen S_i rückgestreuten Lichtanteile voneinander unterscheiden zu könne, werden die Lichtstrahlen auf den verschiedene Strahlwegen S_i mit verschiedenen Frequenzen f_i emittiert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der zu detektierende Analyt die Strahlung nur in einem bestimmten Frequenzbereich absorbiert, d. h. die Frequenzen f_i müssen sämtlich in diesem Frequenzbereich liegen.
Gemäß den Figuren sind die Öffnungen 151, 152, 153, 154 in den seitlichen Wänden des Raumes vorgesehen. Natürlich ist es auch denkbar, Öffnungen in der Decke und/oder im Boden vorzusehen. Dementsprechend soll der Begriff ”Wand” sowohl die seitlichen Wände als auch den Boden und die Decke des Raumes umfassen.

Claims

Klimatisierungseinrichtung (100) zur Beeinflussung des Klimas in einem Raum (10), aufweisend eine Steuer- und Regeleinheit (110) sowie zumindest eine Sensoreinrichtung (120, 130), wobei – die Sensoreinrichtung (120, 130) eine Strahlungsquelle (123, 133) aufweist, die im Betrieb Strahlung auf einen Strahlweg (S_120,i, S_130,i) in den Raum emittiert, sowie einen zumindest für die emittierte Strahlung sensitiven Detektor (124, 134), – der Detektor (124, 134) derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der von der Strahlungsquelle (123, 133) im Betrieb emittierten Strahlung direkt oder indirekt auf den Detektor (124, 134) fallen kann, – ein Ausgangssignal (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) von der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines bestimmten, zu detektierenden Analyten (20) im Strahlweg (S_120,i, S_130,i) abhängig ist, – die Steuer- und Regeleinheit (110) eingerichtet ist, um die Klimatisierungseinrichtung (100) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) zu steuern und/oder zu regeln, wobei – die Ausbreitungsrichtung der Strahlung zumindest über einen Teil des Raumes (10) derart schwenkbar ist, dass verschiedene Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) durch den Raum (10) einstellbar sind, und – für mehrere der einstellbaren Strahlungswege (S_120,i, S_130,i), insbesondere für jeden einstellbaren Strahlungsweg, zumindest ein Ausgangssignal (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) ermittelt wird.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (123, 133) eingerichtet ist, um Strahlungen zumindest auf einen Teil der verschiedenen Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) gleichzeitig zu emittieren, wobei die Frequenzen dieser auf die verschiedenen Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) emittierten Strahlungen je nach Strahlungsweg (S_120,i, S_130,i)) verschieden sind.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) sequentiell einstellbar sind.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei derartige Sensoreinrichtungen (120, 130) vorgesehen sind, die an verschiedenen Orten im Raum (10) positioniert sind.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (110) eingerichtet ist, um aus den mit den zumindest zwei Sensoreinrichtungen (120, 130) ermittelten Ausgangssignalen (A_120,i, A_130,i) eine zweidimensionale Kartographie der Verteilung des Analyten (20) im Raum (10) zu berechnen.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Sensoreinrichtungen (120, 130) bei verschiedenen Frequenzen arbeiten.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (10) mehrere Wände (11), insbesondere seitliche Wände, einen Boden und eine Decke, aufweist und zumindest zwei der verschiedenen Strahlungsquellen (123, 133) – an unterschiedlichen Wänden des Raumes oder – an derselben Wand des Raumes positioniert sind.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den verschiedenen Strahlungsquellen (123, 133) einstellbaren Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) im Wesentlichen in derselben, insbesondere im Wesentlichen horizontalen Ebene liegen.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungseinrichtung (100) weiterhin aufweist – eine Einrichtung (140) zur Erzeugung zumindest eines klimatisch einstellbaren Luftstroms in den Raum (10) sowie – zumindest eine Ausgangsöffnung (151, 152), über die der zumindest eine einstellbare Luftstrom in den Raum leitbar ist, wobei die Steuer- und Regeleinheit (110) ausgebildet ist, um den aus der Ausgangsöffnung (151, 152) in den Raum (10) gelangenden Luftstrom in Abhängigkeit von den für die verschiedenen Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) bestimmten Ausgangssignalen (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) einzustellen.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (140) zur Erzeugung des zumindest einen einstellbaren Luftstroms eine der Anzahl der Ausgangsöffnungen (151, 152) entsprechende Anzahl separater Luftströme in separaten Kanälen (141, 142) erzeugt.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimatisierungseinrichtung (100) weiterhin aufweist – eine Einrichtung (140, 140') zur Erzeugung zumindest eines Luftstroms aus dem Raum (10) heraus sowie – zumindest zwei Absaugöffnungen (153, 154), über die der zumindest eine einstellbare Luftstrom aus dem Raum (10) absaugbar ist, wobei die Steuer- und Regeleinheit (110) ausgebildet ist, um den aus der jeweiligen Absaugöffnung (153, 154) aus dem Raum gelangenden Luftstrom in Abhängigkeit von den für die verschiedenen Strahlungswege (S_120,i, S_130,i) bestimmten Ausgangssignalen (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) einzustellen.
Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (140, 140') zur Erzeugung des zumindest einen einstellbaren Luftstroms aus dem Raum eine der Anzahl der Absaugöffnungen (153, 154) entsprechende Anzahl separater Luftströme in separaten Kanälen (143, 144) erzeugt.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (A_120,i, A_130,i) des Detektors (124, 134) von der Lichtmenge, insbesondere von der Intensität, der auf ihn fallenden, ursprünglich von der Strahlungsquelle (123, 133) emittierten Strahlung abhängt.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (123, 133) eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode ist.
Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der von der Strahlungsquelle (123, 133) emittierten Strahlung derart gewählt ist, dass die Strahlung beim Durchgang durch den Analyten zumindest teilweise absorbiert und/oder gestreut wird.