DE102016221407A1

DE102016221407A1 - Vorrichtung zur Klimatisierung von unabhängig voneinander klimatisierten Räumen

Info

Publication number: DE102016221407A1
Application number: DE102016221407.1A
Authority: DE
Inventors: Irfan Kasap; Markus Schmitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-03
Also published as: WO2018077591A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung von wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räumen (R1, R2), wobei die Vorrichtung ein Klimagerät (K) aufweist, das eine Steuereinrichtung (S) aufweist und zur gemeinsamen Konfektionierung von Zuluft (ZL) für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) ausgebildet ist, wobei ein Zuluftauslass des Klimagerätes (K) über einen Hauptkanal (EK) an eine Luftverteilanordnung (LV1, LV2) angeschlossen ist, die für jeden der wenigstens zwei Räume (R1, R2) einen Kanalzweig (Z1, Z2) und auf ihrer Einlassseite eine mittels der Steuereinrichtung (S) des Klimagerätes (K) steuerbare Luftverteileinrichtung zur bedarfsweisen Aufteilung der Zuluft (ZL) auf die Kanalzweige (Z1, Z2) aufweist.
Vorgestellt sind außerdem ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes Fahrzeug zur Personenbeförderung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Klimatisierung von wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räumen.
Die Klimatisierung von verschiedenen, voneinander unabhängig klimatisierten Räumen wird bisher mit jeweils eigenständigen und getrennten Klimageräten, insbesondere Klimakompaktgeräten, für jeden einzelnen Raum realisiert. Im Schienenfahrzeugbereich kann als Beispiel für eine solche Vorrichtung zur Klimatisierung unabhängig voneinander klimatisierter Räume die Baureihe „RABe 514“ der Schweizer Bundesbahnen (SBB) genannt werden, die doppelstöckige Triebzüge umfasst.
Aufgrund unterschiedlicher Heiz- oder Kälteanforderungen der einzelnen Räume zur Einstellung von deren Soll-Temperaturen, kann die Klimatisierung bisher nicht durch ein einzelnes, gemeinsames Klimagerät durchgeführt werden. Zum Erreichen der jeweiligen Soll-Temperatur muss von jedem Klimagerät ein genau definierter Zuluftmassenstrom mit einer jeweils von der derzeitigen Raumtemperatur abhängigen Zulufttemperatur eingestellt werden. Die entsprechend angepasste Zuluft muss bisher für jeden einzelnen Raum, z.B. den Oberstock und den Unterstock eines doppelstöckigen Schienenfahrzeugs, getrennt durch ein eigenständiges Klimasystem erfolgen.
Das Vorsehen jeweils eigenständiger und getrennter Klimageräte für verschiedene Räume zieht nach sich, dass auch jeweils ein eigener Luftbehandler erforderlich ist. Beispielsweise in einer zweikreisigen Kälteanlage wurde in konventionellen Fällen jeweils ein Kältekreis für einen Raum verwendet. Für einen „Worst Case“-Fall wurde jeder einzelne Kältekreis entsprechend überdimensioniert, damit jeder Kältekreis eine maximale Lastanforderung des jeweiligen Raumes abdecken kann. Die Bereitstellung eigenständiger getrennter Klimageräte für die einzelnen Räume führt zu einem erhöhten Bedarf an Energie, Gewicht, Kosten und Bauraum.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Klimatisierung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass insbesondere der für sie erforderliche Bauraum vermindert ist, und ein damit ausgestattetes Fahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung zur Klimatisierung von wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räumen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist die Vorrichtung ein Klimagerät auf, das eine Steuereinrichtung aufweist, und zur gemeinsamen Konfektionierung von Zuluft für die wenigstens zwei Räume ausgebildet ist, wobei ein Zuluftauslass des Klimagerätes über einen Hauptkanal an eine Luftverteilanordnung angeschlossen ist, die für jeden der wenigstens zwei Räume einen Kanalzweig und auf ihrer Einlassseite eine mittels der Steuereinrichtung des Klimagerätes steuerbare Luftverteileinrichtung zur bedarfsweisen Aufteilung der Zuluft auf die Kanalzweige aufweist.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist es möglich, beispielsweise den Oberstock und den Unterstock eines doppelstöckigen Schienenfahrzeugs mit Hilfe eines einzigen, gemeinsam zur Klimatisierung der Räume genutzten Klimagerätes zu bewerkstelligen. Dabei stellt das Klimagerät Zuluft bereit, die hinsichtlich ihres Massenstroms und ihrer Temperatur geeignet ist, bei entsprechender Aufteilung mittels der Luftverteileinrichtung auf die Kanalzweige die jeweilige Soll-Temperatur in den wenigstens zwei Räumen zu erreichen. Insbesondere bei Klimageräten mit zwei Kältekreisen kann mit Hilfe Luftverteileinrichtung eine gesamte verfügbare Leistung aus beiden Kältekreisen auch nur einem der wenigstens zwei Räume zugeführt werden. Auch wird es ermöglicht, dass weitere Teillastbetriebspunkte realisierbar sind.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Klimasteuerung des Klimagerätes aus klimatechnischen Messwerten für die wenigstens zwei Räume sowohl eine insgesamt erforderliche Heiz- oder Kühlleistung zum Erreichen von Soll-Temperaturen für die wenigstens zwei Räume als auch einzelne Heiz- oder Kühlleistungen zum Erreichen der Solltemperaturen für die wenigstens zwei Räume ermittelt, das Klimagerät die der insgesamt erforderlichen Heiz- oder Kühlleistung hinsichtlich Massenstrom und Temperatur entsprechende Zuluft für die wenigstens zwei Räume an seinem Zuluftauslass bereitstellt und die Luftverteileinrichtung von der Steuereinrichtung des Klimagerätes derart gesteuert ist, dass sie den Massenstrom der Zuluft, abhängig von den einzelnen erforderlichen Heiz- oder Kühlleistungen der wenigstens zwei Räume, auf die Kanalzweige verteilt.

In dieser Weise wird eine erforderliche Kühl- oder Heizleistung den einzelnen Räumen bereitgestellt, wobei C_pL die spezifische Wärmekapazität von Luft ist:

Q KKG = m_zu_gesc_pL T_zu	Leistung für alle Räume
Q_R1 = m_zu1c_pLT_zu	Leistung für Raum 1
Q_R2 = m_zu2c_pLT_zu	Leistung für Raum 2
Q_KKG = Q_R1 + Q_R2	Gesamtleistung KKG = Raum 1 + Raum 2

Da die Leistung Q proportional zum Zuluftmassenstrom m ist, kann über die Variation der Aufteilung der Luftmassenströme m_zu1 bzw. m_zu2 die Leistung entsprechend der Heiz-und Kühlanforderung für Raum 1 und 2 eingestellt werden.

m_zu_ges = m_zu1 + m_zu2 Aufteilung der Massenströme durch Luftverteileinrichtung.
Zur Aufteilung der Zuluftmassenströme kann die Luftverteilanordnung zwei Kanalzweige aufweisen und die Luftverteileinrichtung als Luftverteilklappe ausgebildet sein. Eine solche Luftverteilklappe kann insbesondere auf einer Einlassseite der zwei Kanalzweige zwischen den Kanalzweigen schwenkbar angeordnet sein. Ihre Winkelposition kann dann von der Steuereinrichtung des Klimagerätes bestimmt sein, wobei Steuersignale mit Hilfe beispielsweise eines Stellmotors in eine gewünschte Winkelposition der Luftverteilklappe umgesetzt werden können.
Alternativ kann die Luftverteilanordnung wenigstens drei Kanalzweige und die Luftverteileinrichtung eine Mehrzahl Drosselklappen mit jeweils einstellbarem Durchlass aufweisen, deren jede an einer jeweiligen Einlasseite eines der Kanalzweige vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform ist jeder vorhandene Kanalzweig mit einer eigenen Drosselklappe ausgestattet, welche hinsichtlich ihres Zuluftdurchlasses von der Steuereinrichtung für das Klimagerät gesteuert ist.
Die wenigstens zwei Kanalzweige können jeweils mit einer Nachheizeinrichtung ausgestattet sein. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn eine besonders asymmetrische Lastanforderung für die verschiedenen, vorgesehenen Räume vorliegt.
Die o.g. Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeugs gelöst durch ein Fahrzeug nach Anspruch 6.
Dabei können die wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räume in Längsrichtung des Fahrzeugs hintereinander angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass das Fahrzeug doppelstöckig ausgebildet ist, wobei die wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räume von einem Oberstock und einem Unterstock des Fahrzeugs gebildet sind. Das Fahrzeug kann insbesondere als Schienenfahrzeug vorliegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Raumanordnung in Kombination mit einer Vorrichtung zu deren Klimatisierung,
2 eine schematische Darstellung einer Luftverteilanordnung der Vorrichtung zur Klimatisierung von 1 in einer ersten Ausführungsform und
3 eine schematische Darstellung einer Luftverteilanordnung der Vorrichtung zur Klimatisierung von 1 in einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt zwei unabhängig voneinander klimatisierte, übereinander liegende Räume R1, R2, bei denen es sich beispielsweise um den Oberstock und den Unterstock eines Schienenfahrzeugs oder auch eines Busses handeln kann. Aus den Räumen R1, R2 gelangt jeweilige Umluft U1, U2 zu einer Mischkammer M einer Vorrichtung zur Klimatisierung der Räume R1, R2. In der Mischkammer M wird die Umluft U1, U2 mit Frischluft FL gemischt. Auf einer Auslassseite der Mischkammer M liegt somit eine Gemisch aus der Frischluft FL und der Umluft U1, U2 vor, das einem Klimakompaktgerät K zugeleitet wird, welches die Aufgabe hat, geeignet konditionierte Zuluft ZL zur gemeinsamen Klimatisierung der Räume R1, R2 bereit zu stellen.
Zur Klimatisierung der beiden Räume R1, R2 erfasst eine Steuereinrichtung S des Klimakompaktgerätes K klimatechnische Messwerte aus diesen Räumen R1, R2, insbesondere deren Temperatur. Gemessene Temperaturen werden mit Soll-Temperaturwerten für die Räume R1, R2 verglichen. Aus den Vergleichsergebnissen wird eine Gesamtwärmeleistung berechnet, die von dem Klimakompaktgerät K in der Zuluft ZL bereitzustellen ist, um sowohl den Raum R1 als auch den Raum R2 auf die gewünschte Soll-Temperatur zu bringen.
Insofern generiert das Klimakompaktgerät K Zuluft ZL, die geeignet ist, beide Räume R1, R2 mit einer angeforderten Wärme- oder Kälteleistung zu versorgen. Die erzeugte Zugluft ZL verlässt das Klimakompaktgerät K auf dessen Auslassseite, wird durch einen Hauptkanal in Richtung auf eine Luftverteilanordnung LV1 geführt.
Die Luftverteilanordnung LV1 umfasst ein Ende EK des Hauptkanals. Dabei geht der Hauptkanal an seinem Ende EK in zwei Kanalzweige Z1, Z2 über, wobei der Kanalzweig Z1 dem Raum R1 und der Kanalzweig Z2 dem Raum R2 zugeordnet und mit diesem jeweils strömungstechnisch verbunden ist.
Wesentliches Element der Luftverteileinrichtung im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine Luftverteilklappe LK. Am Ende EK des Hauptkanals liegt die Wärmeleistung Q_KKG vor, die den Kälte- oder Wärmeanforderungen der beiden Räume R1, R2 entspricht. Die Luftverteilklappe LK ist von der Steuereinrichtung S des Klimakompaktgerätes K gesteuert und dafür verantwortlich, dass etwaige asymmetrische Wärme- oder Kälteanforderungen der Räume R1, R2 umgesetzt werden. In der Darstellung von 1 ist die Luftverteilklappe LK mittels Steuersignalen der Steuereinrichtung S, die von einem Stellmotor in eine Winkelstellung der Luftverteilklappe LK umgesetzt sind, derart angeordnet, dass eine größere Wärmeleistung in den Zweig Z2 Eintritt als in den Zweig Z1. Im Zweig Z1 liegt somit durch geeignete Einstellung der Luftleitklappe LK die Wärmeleistung Q_R1 vor, während der Zweig Z2 eine Wärmeleistung Q_R2 zeigt.
Für besonders asymmetrische Beaufschlagung der Kanalzweige Z1, Z2 sind Strömungsleitungen zu den Räumen R1, R2 jeweils mit einer Nachheizeinrichtung N1, N2 ausgestattet, die ebenfalls vor der Steuereinrichtung S des Klimagerätes K gesteuert sind.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass ein einziges Klimakompaktgerät K die Klimatisierung beider Räume R1, R2 übernehmen kann. Dies ist bei Bedarf auf weitere Räume erweiterbar, die insbesondere auch längs eines entsprechend ausgestatteten Fahrzeugs hintereinander liegen können.
2 zeigt die Luftverteilanordnung LV1, welche geeignete Anteile der in der Zuluft ZL zur Verfügung gestellten Kälte- oder Wärmeleistung auf die Zweige Z1, Z2 verteilt, mehr im Detail. Es ist ersichtlich, dass der Luftmassenstrom im Zweig Z1 größer ist als im Zweig Z2. Dabei liegt in beiden Zweigen Z1, Z2 Luft derselben Temperatur vor.
Die Luftverteilklappe LK besitzt ein festes, den Kanalzweigen Z1, Z2 zugeordnetes Ende, das in einem Übergangsbereich zwischen den Einlassseiten des Zweiges Z1 und des Zweiges Z2 verschwenkbar an einem Rand einer Zwischenwand zwischen den Zweigen Z1, Z2 angelenkt ist. Die Luftverteilklappe LK ist um eine Achse verschwenkbar angeordnet.
3 zeigt eine Luftverteilanordnung LV2, bei der eine Mehrzahl Kanalzweige Z1, Z2 ... Zn vorgesehen ist. Funktionstechnisch ist die Luftverteilklappe LK der Luftverteilanordnung LV1 der 1 und 2 ersetzt durch eine Mehrzahl Drosselklappen D1, D2 ... Dn, deren jede auf der Einlassseite der Zweige Z1, Z2 ... Zn angeordnet ist. Jeweilige Winkelpositionen der Drosselklappen D1, D2 ... Dn sind von der Steuereinrichtung S des Klimakompaktgerätes K bestimmt und durch geeignete Antriebselemente umgesetzt. Die in den Figuren dargestellten Pfeile geben näherungsweise eine Flussrichtung der Strömung für die anströmende Zuluft wieder.

Claims

Vorrichtung zur Klimatisierung von wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räumen (R1, R2) , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Klimagerät (K) aufweist, das eine Steuereinrichtung (S) aufweist und zur gemeinsamen Konfektionierung von Zuluft (ZL) für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) ausgebildet ist, wobei ein Zuluftauslass des Klimagerätes (K) über einen Hauptkanal (EK) an eine Luftverteilanordnung (LV1, LV2) angeschlossen ist, die für jeden der wenigstens zwei Räume (R1, R2) einen Kanalzweig (Z1, Z2) und auf ihrer Einlassseite eine mittels der Steuereinrichtung (S) des Klimagerätes (K) steuerbare Luftverteileinrichtung (LK1, D2 ... Dn) zur bedarfsweisen Aufteilung der Zuluft (ZL) auf die Kanalzweige (Z1, Z2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimasteuerung des Klimagerätes (K) aus klimatechnischen Messwerten für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) sowohl eine insgesamt erforderliche Heiz- oder Kühlleistung zum Erreichen von Soll-Temperaturen für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) als auch einzelne Heiz- oder Kühlleistungen zum Erreichen der Soll-Temperaturen für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) ermittelt, das Klimagerät (K) die der insgesamt erforderlichen Heiz- oder Kühlleistung hinsichtlich Massenstrom und Temperatur entsprechende Zuluft (ZL) für die wenigstens zwei Räume (R1, R2) an seinem Zuluftauslass bereitstellt und die Luftverteileinrichtung (LK, D1 ... Dn) von der Steuereinrichtung (S) des Klimagerätes (K) derart gesteuert ist, dass sie den Massenstrom der Zuluft (ZL), abhängig von den einzelnen erforderlichen Heiz- oder Kühlleistungen der wenigstens zwei Räume (R1, R2), auf die Kanalzweige (Z1, Z2) verteilt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverteilanordnung (LV1) zwei Kanalzweige (Z1, Z2) aufweist und die Luftverteileinrichtung (LK) als Luftverteilklappe (LK) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverteilanordnung (LV2) wenigstens drei Kanalzweige (Z1, Z2, ... Zn) und die Luftverteileinrichtung eine Mehrzahl Drosselklappen (D1, D2, ... Dn) mit einstellbarem Durchlass aufweist, deren jede an einer jeweiligen Einlassseite eines der Kanalzweige (Z1, Z2, ... Zn) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kanalzweige (Z1, Z2, ... Zn) jeweils mit einer Nachheizeinrichtung ausgestattet sind.
Fahrzeug zur Förderung, ausgestattet mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Fahrzeug nach Anspruch 6, bei dem die wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räume (R1, R2) in Längsrichtung des Fahrzeugs hintereinander angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 6, das doppelstöckig ausgebildet ist, wobei die wenigstens zwei verschiedenen, unabhängig voneinander klimatisierten Räume (R1, R2) von einem Oberstock und einem Unterstock des Fahrzeugs gebildet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ausgebildet als Schienenfahrzeug.