DE102018210787B3 - Heizsystem und Verfahren für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Heizsystem 1 für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs 2 angegeben, das einen Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 mit einem Wärmespeichermedium 4 aufweist und zur Wärmeübertragung zwischen aus dem Innenraum 5 abgeführter Abluft 6 und aus der Fahrzeugumgebung 7 dem Innenraum 5 zugeführter Zuluft 8, zwischen der Abluft 6 und dem Wärmespeichermedium 4 und zwischen der Zuluft 8 und dem Wärmespeichermedium 4 ausgebildet ist.Des Weiteren werden ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Heizsystem 1 sowie ein Verfahren zum Beheizen eines Innenraums 5 eines Fahrzeugs 2 angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Heizsystem sowie ein Verfahren zum Beheizen eines Innenraums eines Fahrzeugs.
  • Aktuelle und zukünftige Fahrzeugantriebssysteme erzeugen aufgrund der verbesserten Effizienz nur wenig Abwärme. Speziell elektrische Antriebssysteme stellen nach einem Kaltstart aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der geringen Wärmeentwicklung nur wenig oder teilweise sogar keine nutzbare Abwärme zur Verfügung.
  • Für den Innenraumkomfort sowie für sicherheitsrelevante Aspekte wie die Beschlagfreihaltung der Scheiben oder die Scheibenenteisung (Defrost-Funktion) werden daher entsprechende, zumeist elektrische, Zusatzheizsysteme im Fahrzeug verbaut. Diese Zusatzheizsysteme bedingen häufig einen höheren Kraftstoffverbrauch, sofern die elektrische Energie durch Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie generiert wird, z. B. in konventionellen Verbrennungsmotoren. Bei elektrischen Antrieben wird der Energiebedarf der Zusatzheizsysteme meist durch in der Traktionsbatterie gespeicherter elektrischer Energie gedeckt, was allerdings zu einer deutlichen Reduzierung der Reichweite führt.
  • Aus der DE 10 2014 012 706 A1 ist eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums bekannt, die eine Klimaanlage, eine Zuluftöffnung zur Zuführung von Zuluft in den Fahrzeuginnenraum, eine Abluftöffnung zur Ableitung von Abluft aus dem Fahrzeuginnenraum und einen Wärmetauscher zur Entnahme thermischer Energie aus der Abluft, welcher im Bereich der Abluftöffnung angeordnet ist und mit der Klimaanlage in Wirkverbindung steht, aufweist. Der Wärmetauscher kann als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet sein. Eine Speicherung von Wärme ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich.
  • Die DE 32 45 027 A1 offenbart einen Latentwärmespeicher, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen. Der Latentwärmespeicher kann in Anordnungen genutzt werden, in welchen der Latentwärmespeicher durch ein erstes Medium, insbesondere Motorabgas, geladen und durch ein zweites Medium, insbesondere das Kühlwasser des Motors, entladen wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, Möglichkeiten aufzuzeigen, mit denen die vorstehend benannten Nachteile behoben werden können. Insbesondere soll die Effizienz von Heizsystemen in einem Fahrzeug verbessert werden. Beispielsweise soll der Kraftstoffmehrverbrauch gesenkt und/oder eine Verringerung der Reichweite aufgrund einer Energieentnahme aus der Traktionsbatterie für das Heizsystem minimiert werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, ein Heizsystem für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs anzugeben, dass sowohl die Abluftwärme eines aus dem Innenraum austretenden Luftstroms als auch die Abwärme anderer Komponenten nutzt. Das Heizsystem weist eine Wärmespeicherfunktion auf, die überschüssige Wärmeenergie für eine nachfolgende Verwendung speichern kann. Hierfür kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermedium genutzt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Heizsystem für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs weist einen Luft-Luft-Wärmeüberträger mit einem Wärmespeichermedium auf. Der Luft-Luft-Wärmeüberträger ist zur Wärmeübertragung zwischen aus dem Innenraum des Fahrzeugs abgeführter Abluft und aus der Fahrzeugumgebung, d. h. von außen, dem Innenraum zugeführter Zuluft, zwischen der Abluft und dem Wärmespeichermedium und zwischen der Zuluft und dem Wärmespeichermedium ausgebildet.
  • Unter einem Wärmespeichermedium ist ein Medium, z. B. eine Flüssigkeit, zu verstehen, die Wärme aufnehmen und wieder abgeben kann. Das Wärmespeichermedium ermöglicht die Speicherung von Wärme, z. B. aus der Abluft, für eine spätere Verwendung, z. B. falls zu einem späteren Zeitpunkt Zuluft erwärmt werden soll. Hierdurch kann die Zuluft schneller und effektiver erwärmt werden, so dass beispielsweise ein schnelleres Aufheizen des Innenraums ermöglicht wird. Durch die Nutzung der Abwärme der Abluft wird weniger zusätzliche Energie benötigt. Wird die zusätzliche Energie aus Kraftstoff bereitgestellt, kann daher der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Wird die zusätzliche Energie der Traktionsbatterie entnommen, kann die Reichweite erhöht werden.
  • Weiterhin weist das Heizsystem einen Bypass mit einem Bypasskanal und einer Durchflusssteuereinrichtung zur Umgehung des Luft-Luft-Wärmeüberträgers durch die Zuluft auf.
  • Mit anderen Worten kann die Zuluft durch den Bypass geleitet werden, um den Luft-Luft-Wärmeüberträger zu umgehen. Der Bypass kann vorzugsweise so gestaltet sein, dass ausschließlich der Luft-Luft-Wärmeüberträger, nicht jedoch der Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger (siehe nachfolgende Beschreibung) umgangen wird. Auch bei einer Umgehung des Luft-Luft-Wärmeüberträgers kann dann weiterhin eine Erwärmung der Zuluft mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers erfolgen.
  • Die Durchflusssteuereinrichtung kann beispielsweise als Klappe oder als Ventil ausgebildet sein. Sie dient der Aufteilung der Zuluft auf den Bypasskanal und den Luft-Luft-Wärmeüberträger. Die Durchflusssteuereinrichtung kann bevorzugt am Anfang oder am Ende des Bypasskanals angeordnet sein. Die Durchflusssteuereinrichtung kann mittels einer Steuereinheit gesteuert werden, die ein Steuersignal zur Einstellung der Position der Durchflusssteuereinrichtung ausgibt. Das Steuersignal kann z. B. in Abhängigkeit der Temperatur der Zuluft und/oder in Abhängigkeit der Temperatur der Abluft und/oder in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels sowie in Abhängigkeit der gewünschten Temperatur des Innenraums ausgegeben werden.
  • Eine Umgehung des Luft-Luft-Wärmeüberträgers durch die Zuluft kann vorteilhaft sein, falls keine Wärmeübertragung zwischen Zuluft und Abluft sowie zwischen der Zuluft und dem Wärmespeichermedium, jedoch eine Wärmeübertragung zwischen Abluft und Wärmespeichermedium gewünscht ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls einerseits keine oder nur eine geringe Erwärmung der Zuluft erforderlich ist, die z. B. mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers erfolgen kann, und andererseits Wärme von der Abluft auf das Wärmespeichermedium übertragen werden soll, d. h. das Wärmespeichermedium wieder aufgeladen werden soll. Die Umgehung des Luft-Luft-Wärmeüberträgers ermöglicht in diesem Fall ein effektives Aufladen des Wärmespeichermediums, da keine Wärme an die Zuluft abgegeben wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Heizsystem einen Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger aufweisen, der zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel und der Zuluft ausgebildet ist. Der Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger kann, bezogen auf die Strömungsrichtung der Zuluft, stromaufwärts oder stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers angeordnet sein. Mit anderen Worten sind der Luft-Luft-Wärmeüberträger und der Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger in Reihe angeordnet. Eine Anordnung des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers kann einen höheren Wirkungsgrad des Luft-Luft-Wärmeüberträgers ermöglichen, da die Kühlmitteltemperatur üblicherweise höher als die Temperatur der Abluft ist.
  • Der Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger ermöglicht die Erwärmung der Zuluft durch Wärmeübertragung von einem erwärmten Kühlmittel auf die Zuluft. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein im Fahrzeug genutztes Kühlmittel, z. B. ein im Motorkühlkreislauf oder zur Kühlung einer Traktionsbatterie verwendetes Kühlmittel, handeln oder es ist ein zusätzliches Kühlmittel vorgesehen. Das Kühlmittel selbst kann mittels Abwärme verschiedener Bauteile des Fahrzeugs erwärmt werden, z. B. mittels Abwärme des Fahrzeugmotors und/oder Abwärme einer Traktionsbatterie. Es besteht zusätzlich oder alternativ auch die Möglichkeit einer elektrischen Beheizung des Kühlmittels.
  • Mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers kann die Zuluft alternativ oder zusätzlich zur Erwärmung mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers erwärmt werden. Es kann vorteilhaft weitere Abwärme genutzt werden, so dass der Kraftstoffverbrauch weiter verringert bzw. die Reichweite weiter erhöht werden kann.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Wärmespeichermedium ein Phasenwechselmaterial (engl. phase change materials, PCM) sein. In diesem Fall kann das Wärmespeichermedium auch als Latentwärmespeichermedium bezeichnet werden.
  • Als Latentwärmespeichermedium werden Phasenwechselmaterialien eingesetzt, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Neben der spezifischen Wärmekapazität steht somit auch die latente Wärme des Phasenübergangs, z. B. von flüssig zu fest, für die Speicherung von Wärmeenergie zur Verfügung.
  • Bevorzugt kann ein Phasenwechselmaterial verwendet werden, dessen Phasenübergang von flüssig zu fest und umgekehrt, d. h. Erstarren bzw. Schmelzen, ausgenutzt wird. Die Phasenübergangstemperatur des Fest-Flüssig-Phasenübergangs sollte bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 40 °C, weiter bevorzugt zwischen 5 °C und 30 °C, besonders bevorzugt zwischen 10 °C und 25 °C liegen.
  • Als Phasenwechselmaterialien können beispielsweise Salzhydrate, Mischungen mit Salzhydraten oder Paraffine eingesetzt werden.
  • Die Verwendung eines Phasenwechselmaterials als Wärmespeichermedium ermöglicht vorteilhaft die Speicherung einer großen Wärmemenge bei geringem Platzbedarf für das Medium.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Heizsystem elektrische Heizelemente aufweisen, wobei dem Wärmespeichermedium Wärme mittels der elektrischen Heizelemente zuführbar ist.
  • Die elektrischen Heizelemente können mit überschüssiger elektrischer Energie betrieben werden, z. B. mit während Bremsphasen eines Elektrofahrzeugs oder Hybridelektrofahrzeugs generierter elektrischer Energie. Diese generierte Energie kann somit vorteilhaft für die Erwärmung des Wärmespeichermediums weiterverwendet werden und muss nicht anderweitig abgeführt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann dem Wärmespeichermedium Wärme mittels eines Temperiermittels zuführbar sein. Bei dem Temperiermittel kann es sich beispielsweise um das zuvor beschriebene Kühlmittel handeln.
  • Beispielsweise kann Abwärme von zu kühlenden Bauteilen, wie z. B. dem Verbrennungsmotor, Abwärme anderer Komponenten, z. B. Komponenten eines elektrischen Antriebssystems, oder während des Batterieladevorgangs entstehende Abwärme an das Temperiermittel und von diesem an das Wärmespeichermedium übertragen werden. Die Abwärme kann dadurch einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden und die Gesamtenergiebilanz kann verbessert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eines der zuvor beschriebenen Heizsysteme auf. Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Das Kraftfahrzeug kann als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug oder Vollhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen des erfindungsgemäßen Heizsystems und dessen entsprechenden Ausführungsvarianten. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie einen Beitrag zur Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen leisten kann, indem der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
  • Bevorzugt kann der Innenraum des Kraftfahrzeugs, der beheizt werden soll, abgedichtet und/oder isoliert sein. Hierdurch kann eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen Innenraum und Fahrzeugumgebung vermieden und die Energiebilanz weiter verbessert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beheizen eines Innenraums eines Fahrzeugs weist ein Zuführen von Zuluft aus der Fahrzeugumgebung zu einem Luft-Luft-Wärmeüberträger mit einem Wärmespeichermedium, ein Zuführen von Abluft aus dem Innenraum zu dem Luft-Luft-Wärmeüberträger und Übertragen von Wärme von der Abluft auf die Zuluft, von der Abluft auf das Wärmespeichermedium und/oder von dem Wärmespeichermedium auf die Zuluft mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels des oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Heizsystems ausgeführt. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Heizsystems auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen des erfindungsgemäßen Heizsystems und dessen entsprechenden Ausführungsvarianten.
  • Als Wärmespeichermedium kann bevorzugt ein Phasenwechselmaterial genutzt werden.
  • Die genannten Wärmeübertragungsvorgänge werden bevorzugt nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt, z. B. nacheinander, durchgeführt. Beispielsweise können das Übertragen von Wärme von der Abluft auf die Zuluft und das Übertragen von Wärme von dem Wärmespeichermedium auf die Zuluft gleichzeitig, das Übertragen von Wärme von der Abluft auf das Wärmespeichermedium jedoch zu einem anderen Zeitpunkt durchgeführt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Zuführen der Zuluft zu einem stromaufwärts oder stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers angeordneten Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger und ein Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel auf die Zuluft mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers aufweisen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann Wärme von der Abluft auf die Zuluft und/oder Wärme von dem Wärmespeichermedium auf die Zuluft übertragen wird, sofern eine Erwärmung der Zuluft erforderlich ist.
  • Dies kann beispielsweise nach einem Kaltstart oder bei kalten Außentemperaturen erforderlich sein, um die Temperatur im Innenraum schnell erhöhen zu können. Die Übertragung von Wärme von dem Wärmespeichermedium auf die Zuluft kann insbesondere erfolgen, wenn Abwärme anderer Komponenten über das Kühlmittel dem Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger nur begrenzt zur Verfügung gestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine zusätzliche (elektrische) Heizung der Zuluft vermieden oder zumindest verringert werden und/oder es kann die Ausblastemperatur der Zuluft in den Innenraum erhöht werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann Wärme von der Abluft auf das Wärmespeichermedium übertragen werden, sofern keine Erwärmung der Zuluft mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers erforderlich ist.
  • Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls ein Erwärmen der Zuluft nicht erforderlich ist oder die Zuluft mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers ausreichend erwärmt werden kann, z. B. bei einem bereits erwärmten Innenraum, dessen Temperatur nicht mehr erhöht, sondern lediglich beibehalten werden soll.
  • Mit anderen Worten kann überschüssige Wärme in der Abluft an das Wärmespeichermedium übertragen werden. Überschüssige Wärmeenergie ist vorhanden, sofern ein Temperaturgefälle zwischen der Temperatur der Abluft und der Temperatur des Wärmespeichermediums vorherrscht.
  • Wird Wärme von der Abluft auf das Wärmespeichermedium übertragen, so kann vorteilhaft der Luft-Luft-Wärmeüberträger durch die Zuluft umgangen werden. Hierfür kann beispielsweise ein Bypass, wie vorstehend beschrieben, genutzt werden. Die überschüssige Wärme in der Abluft kann so zum Aufladen des Wärmespeichermediums genutzt werden und wird nicht an die Zuluft übertragen.
  • Gemäß weiterer Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Zuführen von Wärme zu dem Wärmespeichermedium mittels eines Temperiermittels und/oder mittels elektrischer Heizelemente aufweisen.
  • Hierbei kann das Temperiermittel mittels Abwärme eines Verbrennungsmotors, Abwärme anderer Komponenten, z. B. Komponenten eines elektrischen Antriebssystems, oder mittels bei einem Batterieladevorgang entstehender Abwärme erwärmt werden und/oder es kann den elektrischen Heizelementen während eines Bremsvorgangs generierte elektrische Energie zugeführt werden. Dies kann die Energiebilanz weiter verbessern.
  • Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Es zeigen:
    • 1 ein Heizsystem in einer beispielhaften Ausgestaltung;
    • 2 das Heizsystem in einem Standardbetrieb;
    • 3 das Heizsystem in einem Zusatzheizbetrieb; und
    • 4 das Heizsystem in einem Wärmespeicherbetrieb.
  • In 1 ist ein Heizsystem 1 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt. Das Heizsystem 1 dient der Beheizung des Innenraums 5 eines Fahrzeugs 2. Das Heizsystem 1 ist bevorzugt innerhalb des Fahrzeugs 2 angeordnet. In 1 ist das Heizsystem 1 lediglich zur Vereinfachung der Darstellung außerhalb des Fahrzeugs 2 dargestellt.
  • Das Heizsystem 1 weist einen Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 auf, in dem sich ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermedium 4 befindet. Mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 kann Wärme zwischen der Abluft 6, die aus dem Innenraum 5 des Fahrzeugs 2 abgeführt wird, und der Zuluft 8, die dem Innenraum 5 des Fahrzeugs 2 aus der Fahrzeugumgebung 7 zugeführt wird, übertragen werden. Mit anderen Worten kann überschüssige Wärme der Abluft 6 auf die Zuluft 8 übertragen werden.
  • Außerdem weist das Heizsystem 1 einen Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger 9 auf, der stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 angeordnet ist. Mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers 9 kann Wärme zwischen einem erwärmten Kühlmittel 10 und der Zuluft 8 übertragen werden. Mit anderen Worten kann überschüssige Wärme des Kühlmittels 10 auf die Zuluft 8 übertragen werden. Das Kühlmittel 10 kann beispielsweise durch Abwärme eines Verbrennungsmotors, Abwärme anderer Komponenten, z. B. Komponenten eines elektrischen Antriebssystems, oder während eines Batterieladevorgangs entstehender Abwärme erwärmt sein oder erwärmt werden. Optional kann das Kühlmittel auch elektrisch beheizt werden, z. B. mittels elektrischer Energie, die durch Rekuperation generiert wird.
  • Weiterhin weist das Heizsystem 1 einen Bypass 11 auf, mit dem der Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 für die Zuluft 8 umgangen werden kann. Dazu verfügt der Bypass 11 über einen Bypasskanal 12 und eine Durchflusssteuereinrichtung 13, die im Ausführungsbeispiel als Luftregelklappe ausgebildet ist. Je nach Stellung der Luftregelklappe kann festgelegt werden, ob die Zuluft den Bypasskanal 12 oder den Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 durchströmt. Hierfür kann die Luftregelklappe mittels eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert werden, z. B. in Abhängigkeit der Temperatur der Zuluft 8 und/oder der Temperatur der Abluft 6 und/oder der Temperatur des Kühlmittels 10 sowie einer gewünschten Temperatur des Innenraums 5.
  • Optional kann das Heizsystem 1 elektrische Heizelemente (nicht dargestellt) aufweisen, mit denen das Wärmespeichermedium 4 erwärmt werden kann. Weiter optional kann eine Erwärmung des Wärmespeichermediums 4 mittels eines Temperiermittels vorgesehen sein.
  • 2 zeigt das Heizsystem 1 der 1 in einem Standardbetrieb. Im Standardbetrieb erfüllt das Wärmespeichermedium 4 keine Funktion. Dies kann beispielsweise der Fall sein, falls das Wärmespeichermedium 4 zuvor nicht aufgeladen wurde, d. h. dem Wärmespeichermedium 4 keine Wärme zur Speicherung zugeführt wurde, oder das Wärmespeichermedium 4 bereits ausgespeichert wurde, d. h. keine Wärme mehr abgegeben werden kann. Der Standardbetrieb kann ferner zum Einsatz kommen, falls die Luft im Innenraum 5 des Fahrzeugs 2 nicht zirkuliert, d. h. die Innenraumheizung nicht in einem Umluftmodus betrieben wird, sondern dem Innenraum 5 Zuluft 8 aus der Fahrzeugumgebung 7 zugeführt werden soll.
  • Mit anderen Worten soll warme Luft aus dem Innenraum 5 als Abluft 6, z. B. mit einer Temperatur von + 15 °C, abgeführt und durch zunächst kalte Zuluft (Umgebungstemperatur z. B. - 10 °C) ausgetauscht werden. Um ein Absinken der Temperatur im Innenraum 5 zu vermeiden oder die Temperatur im Innenraum 5 zu erhöhen, kann die kalte Zuluft 8 mit der warmen Abluft 6 mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 vorgewärmt werden.
  • Dazu werden die Zuluft 8 und die Abluft 6 dem Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 zugeführt und es wird Wärme von der Abluft 6 auf die Zuluft 8 übertragen. Der Bypass 11 wird im Standardbetriebsmodus nicht benötigt und ist daher in 2 gestrichelt dargestellt. Die Durchflusssteuereinrichtung 13 ist entsprechend so eingestellt, dass die Zuluft 8 den Luft-Luft-Wärmeüberträger 3, nicht jedoch den Bypasskanal 12 durchströmt.
  • Nach dem Durchströmen des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 kann die Zuluft 8 beispielsweise eine Temperatur von - 5 °C aufweisen, d. h. die Temperatur wurde um 5 K erhöht. Die Wärme der nach außen geführten Abluft 6 kann so zu einem großen Anteil wieder genutzt werden.
  • Nach dem Durchströmen des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 gelangt die vorgewärmte Zuluft 8, z. B. mit einer Temperatur von - 5 °C, in den Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger 9. Im Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger 9 wird die Zuluft 8 weiter erwärmt, in dem Wärme von einem Kühlmittel 10, das z. B. eine Temperatur von + 35 °C aufweisen kann, auf die Zuluft 8 übertragen wird. Nach dem Durchströmen des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers 9 kann die Zuluft 8 beispielsweise eine Temperatur von + 25 °C aufweisen, d. h. die Temperatur wurde um weitere 30 K, insgesamt also um 35 K, erhöht. Die erwärmte Zuluft 8 wird nun dem Innenraum 5 des Fahrzeugs 2 zugeführt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend und nachfolgend genannten Temperaturen und Temperaturunterschiede lediglich als Beispiele anzusehen sind, die das Grundprinzip der Erfindung verdeutlichen sollen. Die Temperaturen und Temperaturunterschiede können variieren, z. B. je nach konkreter Ausführung der Wärmeüberträger und den vorliegenden Temperaturbedingungen.
  • 3 zeigt das Heizsystem 1 der 1 in einem Zusatzheizbetrieb, bei dem die Zuluft 8 im Vergleich zum Standardbetrieb (siehe 2) zusätzlich mittels Wärmeübertragung von dem Wärmespeichermedium 4 auf die Zuluft 8 erwärmt wird. In 3 ist dies im Vergleich zu 2 durch eine dichtere Struktur des Wärmespeichermediums 4 dargestellt.
  • Der Zusatzheizbetrieb kann beispielsweise nach einem Kaltstart des Fahrzeugs 2 zum Einsatz kommen. Nach dem Kaltstart steht Abwärme anderer Bauteile, z. B. eines Verbrennungsmotors, nur begrenzt zur Verfügung, so dass das Kühlmittel 10 nicht oder nur gering erwärmt und entsprechend eine Erwärmung der Zuluft 8 mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers 9 nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß möglich ist.
  • Im Unterschied zum Standardbetrieb kann im Zusatzheizbetrieb die Zuluft 8 mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 stärker erwärmt werden, z. B. von - 10 °C auf + 5 °C, d. h. um 15 K (bei sonst gleichen Temperaturen wie zu 2 beschrieben). Mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers 9 ist dann lediglich eine weitere Temperaturerhöhung um 20 K (anstelle 30 K wie bei 2) erforderlich, um die gewünschte Temperatur von 25 °C für die dem Innenraum 5 unmittelbar zuzuführende Zuluft 8 zu erreichen.
  • Im Zusatzheizbetrieb kann die zusätzliche Heizleistung weiter reduziert oder die Ausblastemperatur in den Innenraum 5 weiter erhöht werden. Im Übrigen trifft die Beschreibung zum Standardbetriebsmodus (2) auch auf den Zusatzheizmodus zu.
  • 4 zeigt das Heizsystem 1 der 1 in einem Wärmespeicherbetrieb. Im Wärmespeicherbetrieb kann das Wärmespeichermedium 4 aufgeladen werden, indem Wärme von der Abluft 6 auf das Wärmespeichermedium 4 übertragen wird. In 4 ist dies im Vergleich zu den 2 und 3 durch eine weiter verdichtete Struktur des Wärmespeichermediums 4 dargestellt.
  • Der Wärmespeicherbetrieb kann beispielsweise durchgeführt werden, falls eine Erwärmung der Zuluft 8 mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers 3 nicht erforderlich ist, z. B. bei einer moderaten Temperatur in der Fahrzeugumgebung 7 von z. B. + 10 °C. Für das Erwärmen der Zuluft 8 ist in diesem Fall eine Erwärmung mittels Wärmeübertragung von Kühlmittel 10 auf die Zuluft 8 im Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger ausreichend. Der Wärmespeicherbetreib kann des Weiteren zum Einsatz kommen, falls der Innenraum 5 bereits erwärmt ist und lediglich ein Beibehalten der Temperatur im Innenraum 5 gewünscht ist, für das ebenfalls eine Erwärmung der Zuluft 8 mittels Wärmeübertragung von Kühlmittel 10 auf die Zuluft 8 im Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger ausreichend ist.
  • Im Wärmespeicherbetrieb wird der Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 für die Zuluft 8 mittels des Bypasses 11 umgangen. Hierfür ist bzw. wird die Durchflusssteuereinrichtung 13 so positioniert, dass die Zuluft 8 den Bypasskanal 12, nicht jedoch den Luft-Luft-Wärmeüberträger 3 durchströmt. Nach dem Durchströmen des Bypasskanals 12 trifft die Zuluft 8, z. B. mit einer Temperatur von 10 °C, d. h. einer unveränderten Temperatur, wieder auf den Strömungspfad im Standard- bzw. Zusatzheizbetrieb und durchströmt den Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger 9 wie zu 2 beschrieben. Im Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger 9 kann dann die Temperatur von + 10 °C auf z. B. +25 °C weiter erhöht werden.
  • Optional kann das Wärmespeichermedium 4 auch mittels eines warmen Temperiermittels, z. B. mittels des warmen Kühlmittels 10 oder mittels elektrischen Heizelementen (nicht dargestellt) aufgeladen werden. Vorteilhaft wird dafür überschüssige Energie eingesetzt, z. B. erhöhte Abwärme zu kühlender Bauteile im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 2 oder während eines Batterieladevorgangs oder auch elektrische Energie aus Bremsphasen.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
  • Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizsystem
    2
    Fahrzeug
    3
    Luft-Luft-Wärmeüberträger
    4
    Wärmespeichermedium
    5
    Innenraum
    6
    Abluft
    7
    Fahrzeugumgebung
    8
    Zuluft
    9
    Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger
    10
    Kühlmittel
    11
    Bypass
    12
    Bypasskanal
    13
    Durchflusssteuereinrichtung

Claims (14)

  1. Heizsystem (1) für die Innenraumbeheizung eines Fahrzeugs (2), aufweisend: - einen Luft-Luft-Wärmeüberträger (3) mit einem Wärmespeichermedium (4), ausgebildet zur Wärmeübertragung zwischen aus dem Innenraum (5) abgeführter Abluft (6) und aus der Fahrzeugumgebung (7) dem Innenraum (5) zugeführter Zuluft (8), zwischen der Abluft (6) und dem Wärmespeichermedium (4) und zwischen der Zuluft (8) und dem Wärmespeichermedium (4) und - einen Bypass (11) mit einem Bypasskanal (12) und einer Durchflusssteuereinrichtung (13) zur Umgehung des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3) durch die Zuluft (8).
  2. Heizsystem (1) nach Anspruch 1, aufweisend: - einen Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger (9), ausgebildet zur Wärmeübertragung zwischen einem Kühlmittel (10) und der Zuluft (8), wobei der Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger (9) bezogen auf die Strömungsrichtung der Zuluft (8) stromaufwärts oder stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3) angeordnet ist.
  3. Heizsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wärmespeichermedium (4) ein Phasenwechselmaterial ist.
  4. Heizsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - elektrische Heizelemente, wobei dem Wärmespeichermedium (4) Wärme mittels der elektrischen Heizelemente zuführbar ist.
  5. Heizsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem Wärmespeichermedium (4) Wärme mittels eines Temperiermittels zuführbar ist.
  6. Heizsystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei den elektrischen Heizelementen während eines Bremsvorgangs generierte elektrische Energie zuführbar ist und/oder wobei das Temperiermittel mittels Abwärme eines Verbrennungsmotors, Abwärme anderer Komponenten oder mittels bei einem Batterieladevorgang entstehender Abwärme erwärmbar ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Heizsystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Beheizen eines Innenraums (5) eines Fahrzeugs (2), aufweisend: - Zuführen von Zuluft (8) aus der Fahrzeugumgebung (7) zu einem Luft-Luft-Wärmeüberträger (3) mit einem Wärmespeichermedium (4) eines Heizsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - Zuführen von Abluft (6) aus dem Innenraum (5) zu dem Luft-Luft-Wärmeüberträger (3) und - Übertragen von Wärme von der Abluft (6) auf die Zuluft (8), von der Abluft (6) auf das Wärmespeichermedium (4) und/oder von dem Wärmespeichermedium (4) auf die Zuluft (8) mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, aufweisend: - Zuführen der Zuluft (8) zu einem stromaufwärts oder stromabwärts des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3) angeordneten Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträger (9) und - Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel (10) auf die Zuluft (8) mittels des Luft-Kühlmittel-Wärmeüberträgers (9).
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei Wärme von der Abluft (6) auf die Zuluft (8) und/oder Wärme von dem Wärmespeichermedium (4) auf die Zuluft (8) übertragen wird, sofern eine Erwärmung der Zuluft (8) erforderlich ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei Wärme von der Abluft (6) auf das Wärmespeichermedium (4) übertragen wird, sofern keine Erwärmung der Zuluft (8) mittels des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3) erforderlich ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend: - Umgehen des Luft-Luft-Wärmeüberträgers (3) durch die Zuluft (8).
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, aufweisend: - Zuführen von Wärme zu dem Wärmespeichermedium (4) mittels eines Temperiermittels und/oder mittels elektrischer Heizelemente.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Temperiermittel mittels Abwärme eines Verbrennungsmotors, Abwärme anderer Komponenten oder mittels bei einem Batterieladevorgang entstehender Abwärme erwärmt wird und/oder wobei den elektrischen Heizelementen während eines Bremsvorgangs generierte elektrische Energie zugeführt wird.
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