DE19728578C2 - Verfahren zur außentaupunktabhängigen Verdampfertemperatursteuerung - Google Patents
Verfahren zur außentaupunktabhängigen VerdampfertemperatursteuerungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren zur außentaupunkt
abhängigen Steuerung der Verdampfertemperatur einer Klimaanlage,
bei dem die Lufttemperatur und die Taupunkttemperatur der von
der Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraums von einem
Außenraum angesaugten Zuluft bestimmt werden und aus Innenraum
temperatur-Sollwertvorgaben eine gegenheizfreie Verdampfer-An
forderungstemperatur ermittelt wird.
Der Ausdruck Steuerung ist vorliegend in seinem breiteren Sinne
zu verstehen und umfaßt somit neben eigentlichen Steuerungen
ohne Rückkopplung auch Regelungen, bei denen die Auswirkung der
Steuerungsmaßnahme auf die Verdampfertemperatur selbst oder da
von beeinflußten Meßgrößen, wie die Temperatur der über den Ver
dampfer geführten und in den Innenraum ausgeblasenen Zuluft
etc., sensorisch erfaßt und zu einer Regeleinheit rückgekoppelt
wird. Die gegenheizfreie, aus Innenraumtemperatur-Sollwertvorga
ben ermittelte Verdampfer-Anforderungstemperatur ist derjenige
Temperaturwert, auf den die Verdampfertemperatur eingestellt
werden müßte, wenn die in den Innenraum eingeblasene Zuluft al
lein durch die Verdampferwirkung so temperiert werden soll, daß
auch noch die tiefste von gegebenenfalls mehreren, benutzersei
tig an einer ein- oder mehrkanaligen Klimaanlage vorgenommenen
Sollwertvorgaben für die Innenraumtemperatur in unterschied
lichen Innenraumbereichen gerade noch erfüllt wird, ohne ande
rerseits ein Gegenheizen mittels eines dem Verdampfer nachge
schalteten Heizelementes zu benötigen, wie dies bei gegenüber
der so definierten Anforderungstemperatur niedrigeren Ver
dampfertemperaturen der Fall ist.
Verfahren dieser Art werden insbesondere in Kraftfahrzeug-Klima
anlagen verwendet. Herkömmlicherweise werden dort im Kühlbetrieb
im wesentlichen zwei Betriebsarten eingesetzt. In einer ersten
Betriebsart wird die Verdampfertemperatur auf die aus den Innen
raumtemperatur-Sollwertvorgaben ermittelte, gegenheizfreie Ver
dampfer-Anforderungstemperatur gesteuert, so daß kein Gegenhei
zen erforderlich ist und dadurch der Energieverbrauch minimal
ist. In manchen Betriebssituationen tritt dabei jedoch eine un
erwünschte Scheibenbeschlagneigung auf. Um dem vorzubeugen, ist
als zweite Betriebsart ein sogenannter Reheat- oder Gegenheizbe
trieb vorgesehen, bei dem die Verdampfertemperatur auf einen so
tiefen Temperaturwert gesteuert wird, daß Feuchtigkeit aus der
angesaugten Zuluft am Verdampfer kondensiert und dadurch trocke
nere Zuluft in den Innenraum ausgeblasen werden kann. Da in die
sem Fall die Verdampfertemperatur unterhalb der den Innenraum
temperatur-Sollwertvorgaben entsprechenden, gegenheizfreien Ver
dampfer-Anforderungstemperatur liegt, wird die Gegenheizeinrich
tung zur Kompensation dieser Temperaturdifferenz aktiviert.
Diese Betriebsart ist folglich mit einem höheren Energieaufwand
verbunden.
Bei einem aus der Offenlegungsschrift DE 36 24 171 A1 bekannten
Verfahren zum Betrieb einer Heiz- und/oder Klimaanlage eines
Kraftfahrzeuges werden mittels entsprechender Temperatur- und
Feuchtesensoren die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit der
Innenraumluft und/oder der vom Außenraum angesaugten Zuluft er
faßt und zur Klimatisierungsregelung des Innenraums verwendet.
Dabei wird mittels einem in Scheibennähe angeordneten Tempera
tur- und Feuchtesensorpaar auch eine drohende Taupunktunter
schreitung an der Innenseite der Fahrzeugscheiben erkannt und
durch Gegenmaßnahmen verhindert, die eine verstärkte Belüftung
der Scheibeninnenseite mit vom Außenraum angesaugter Zuluft oder
im Umluftbetrieb dem Innenraum entnommener Luft beinhaltet, wo
bei die Blasluft durch Heizen und/oder Entfeuchten geeignet kon
ditioniert wird.
In der Offenlegungsschrift DE 37 24 430 A1 ist eine Kraftfahr
zeug-Klimaanalge beschrieben, die in den zwei Betriebsarten
gleitende Kälteregelung einerseits und Reheatbetrieb anderer
seits betreibbar ist. Solange die Zulufttemperatur größer als
die Innenraum-Solltemperatur ist, erfolgt die Innenraumklimati
sierung durch die gleitende Kälteregelung, bei welcher die in
den Innenraum ausgeblasene Luft durch geeignete Steuerung der
Verdampfertemperatur mittels Ein- und Ausschalten eines im Käl
tekreislauf des Verdampfers liegenden Kompressors auf denjenigen
Temperaturwert eingeregelt wird, mit dem sich die in den Innen
raum ausgeblasene Luft gerade auf ihrer den Innenraumtemperatur-
Sollwertvorgaben entsprechenden Temperatur halten läßt, ohne daß
ein Gegenheizen erforderlich ist. Liegt die Zulufttemperatur
zwischen 0°C und der Innenraum-Solltemperatur, erfolgt die Kli
matisierung in einem moderaten Reheat-Betrieb, bei dem die Ver
dampfertemperatur auf einen variablen Sollwert gesteuert wird,
der in Abhängigkeit von der Zulufttemperatur und der Innenraum
temperatur-Sollwertvorgabe festgelegt wird. Dabei erfolgt das
Gegenheizen in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Innen
raumtemperatur, und die Verdampfertemperatur wird so einge
stellt, daß sie stets um einen konstanten Vorgabewert von z. B.
6°C unter der Zulufttemperatur liegt. Die Taupunkttemperaturen
der Zuluft und der Innenraumluft bleiben dabei unberücksichtigt.
Es ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 195 17 336
A1 bekannt, den Sollwert der Verdampfertemperatur bei einer
Kraftfahrzeug-Klimaanlage zur Geruchsvermeidung auf einen vor
gebbaren Maximalwert zu begrenzen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Bereitstellung
eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem
eine vergleichsweise energiesparende Innenraumklimatisierung er
zielt wird und dabei gleichzeitig dem Auftreten störender Kon
densationseffekte, insbesondere von Scheibenaußenbeschlag im
Fall einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, vorgebeugt wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines
Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah
ren wird die Verdampfertemperatur auf einen Sollwert gesteuert,
der innerhalb vorgebbarer Temperaturgrenzen als der kleinere
Wert von der aus den Innenraumtemperatur-Sollwertvorgaben ermit
telten, gegenheizfreien Verdampfer-Anforderungstemperatur einer
seits und der Differenz von Lufttemperatur abzüglich Taupunkt
temperatur der vom Außenraum angesaugten, in den Innenraum ein
geblasenen Zuluft andererseits gewählt wird. Bei hoher Luft
feuchtigkeit im Außenraum sind Lufttemperatur und Taupunkttempe
ratur der Zuluft ungefähr gleich groß, so daß die Differenz un
gefähr bei 0°C liegt und damit kleiner als die Verdampfer-Anfor
derungstemperatur ist. Folglich wird in dieser Situation die
Verdampfertemperatur ebenfalls auf einen Sollwert nahe 0°C ge
steuert, wobei der Sollwert zweckmäßigerweise nach unten durch
eine vorgebbare Vereisungsschutz-Mindesttemperatur begrenzt
wird, um unerwünschte Vereisungserscheinungen am Verdampfer zu
verhindern. Der Verdampfer wird dadurch bei hoher Außenluft
feuchtigkeit auf maximale Entfeuchtung gestellt, wodurch bei
spielsweise bei Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage
Scheibenbeschlag zuverlässig vermieden wird. Soweit dies mit ei
ner für die gewünschte Innenraumtemperatur zu starken Abkühlung
der angesaugten Zuluft einhergeht, wird dies durch Gegenheizen
kompensiert. Bei niedriger Außenluftfeuchtigkeit steigt die Dif
ferenz von Lufttemperatur und Taupunkttemperatur der Zuluft an,
und der Verdampfertemperatur-Sollwert wird entsprechend erhöht,
so daß weniger Gegenheizleistung erforderlich ist und Energie
eingespart wird. Sobald diese Temperaturdifferenz den Wert der
Verdampfer-Anforderungstemperatur entsprechend der niedrigsten
von gegebenenfalls mehreren vorgegebenen Innenraumtemperatur-
Sollwerten erreicht, wird der Verdampfertemperatur-Sollwert auf
diesen Anforderungstemperaturwert gesetzt, und es ist kein
Gegenheizen mehr erforderlich.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird der
Verdampfertemperatur-Sollwert nach oben durch eine vorgebbare
Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur begrenzt, die im allgemei
nen unterhalb der für die Klimaanlage an sich möglichen Maximal
temperatur liegt und so vorgegeben wird, daß Verdampfergerüche,
die durch Wechsel zwischen trockenem und nassem Zustand der Ver
dampferoberfläche hervorgerufen werden, nicht übermäßig in Er
scheinung treten.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich
nung illustriert und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur
außentaupunktabhängigen Steuerung der Verdampfertemperatur einer
Klimaanlage.
Das in der Figur in seinen wesentlichen Schritten illustrierte
Verfahren eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeug-Klimaanla
gen mit einem herkömmlichen Aufbau, der einen Kältekreislauf mit
einem ein- und ausschaltbaren oder entweder in Stufen oder stu
fenlos leistungsregelbaren Kompressor und einem Verdampfer um
faßt. In einer gängigen Bauart befindet sich der Verdampfer zu
sammen mit einem Staub-/Pollenfilter, einem Aktivkohlefilter,
einem u. a. zum Gegenheizen verwendeten Heizelement, z. B. in Form
eines Wärmeübertragers oder eines elektrischen Heizelementes,
udn Klappenstellelementen zur Steuerung der Luftmenge und der
Luftströmungsrichtung in einem Klimakasten, der im Stirnwandbe
reich eines Automobils angeordnet ist. Ein Klimabediengerät
dient als Steuer- bzw. Regeleinheit, wobei es insbesondere den
Kompressor und das Heizelement in Abhängigkeit von benutzersei
tig an einer Bedieneinheit vorgenommenen Einstellungen so an
steuert, daß der gewünschte Klimatisierungseffekt für den Fahr
zeuginnenraum erzielt wird. Als weitere, hierfür relevante Ein
gangsgrößen sind dem Klimabediengerät die verschiedenen Aus
gangssignale einer zugehörigen Klimaanlagensensorik zugeführt.
Für das vorliegende Verfahren werden hiervon insbesondere ein
Sensor zur Messung der Lufttemperatur TA der angesaugten Zuluft,
d. h. der Außentemperatur, ein Sensor zur Messung der Verdampfer
temperatur TV, ein Sensor zur Messung der Temperatur des dem Ver
dampfer nachgeschalteten Heizelementes und eine Außentaupunkt
temperatur-Sensorik benötigt. Letztere kann in herkömmlicher
Weise aus einem einheitlichen Taupunktsensor oder einer Kombina
tion aus Lufttemperatur- und Feuchtesensor bestehen und dient
der Ermittlung der Taupunkttemperatur TP der Außenluft, d. h. der
angesaugten Zuluft, wobei diese Ermittlung von der Sensorik
selbst oder durch das Klimabediengerät unter geeigneter Auswer
tung der Lufttemperatur- und Luftfeuchtigkeitsinformationen er
folgen kann. Übliche Positionierungen liegen für einen Außentem
peratursensor z. B. an der Fahrzeugvorderfront und für einen Aus
sentaupunkttemperatur-Sensor am Zuluftansaugkanal, der typi
scherweise vom Klimakasten in den Außenbereich vor der Wind
schutzscheibe führt.
Der Kältekompressor ist üblicherweise mechanisch an den Fahr
zeugantriebsmotor angekoppelt und kann in seiner Verdichtungs
leistung vom Klimabediengerät gesteuert werden, z. B. durch ein
faches, getaktetes Ein- und Ausschalten oder durch stufenlose
oder stufige Leistungsänderungen. Da die Kompressorleistung
ihrerseits die Kühlwirkung des Verdampfers bestimmt, gibt das
Klimabediengerät an den Kompressor ein Leistungsstellsignal ab,
das einen jeweils zugehörigen Verdampfer-Vorgabetemperaturwert
TKV repräsentiert. Gleichzeitig ermittelt das Klimabediengerät
gemäß dem nachfolgend anhand der Figur näher erläuterten, erfin
dungsgemäßen Verfahren einen an die jeweils momentane Situation
angepaßten Verdampfertemperatur-Sollwert TVS, auf den es den Ver
dampfertemperatur-Istwert TV, der ihr durch das Ausgangssignal
des Verdampfertemperatursensors zugeführt wird, durch entspre
chende Kompressoransteuerung einzuregeln versucht. Im eingere
gelten Zustand ist folglich der Verdampfer-Vorgabetemperaturwert
TKV für den Kompressor gleich der Verdampfertemperatur TV und
diese wiederum gleich ihrem Sollwert TVS, d. h. TVS = TV = TKV.
Charakteristischerweise ist im Klimabediengerät zur Wahl des je
weiligen Verdampfertemperatur-Sollwertes TVS das in der Figur
veranschaulichte Verfahren implementiert. Dieses beinhaltet nach
einem Startschritt 1 in einem anschließenden Schritt 2 das Ein
lesen der benötigten Sensor- und Reglerwerte, d. h. der verschie
denen Ausgangssignale der Klimaanlagensensorik sowie der ver
schiedenen benutzerseitig an der Bedieneinheit vorgenommenen
Einstellungen. In einem anschließenden Schritt 3 wird vom Klima
bediengerät ein vorläufiger Verdampfertemperatur-Sollwert TVVS be
stimmt. Hierfür wird zunächst die Zuluft-Taupunkttemperatur TP
direkt durch Ablesen des Ausgangssignals eines Außentaupunktsen
sors oder aus den Ausgangssignalen eines Zulufttemperatursensors
und eines Zuluft-Feuchtesensors ermittelt. Parallel dazu wird
ein von einem Klimareglerteil des Klimabediengerätes ermittelter
Verdampfer-Anforderungstemperaturwert TVA abgelesen. Bei dieser
Verdampfer-Anforderungstemperatur TVA handelt es sich um denjeni
gen Temperaturwert, den der Verdampfer haben müßte, um die vom
Außenraum angesaugte und in den Innenraum ausgeblasene Zuluft
ohne Gegenheizmaßnahme gerade auf den tiefsten von gegebenen
falls mehreren benutzerseitig vorgegebenen Innenraumtemperatur-
Sollwerten abzukühlen. Dann wird die Differenz TA - TP zwischen der
gemessenen Lufttemperatur TA und der Taupunkttemperatur TP der
Zuluft berechnet und mit der ermittelten Verdampfer-Anforde
rungstemperatur TVA verglichen. Als der vorläufige Verdampfertem
peratur-Sollwert TVVS wird dann der kleinere dieser beiden Werte
gewählt, d. h. der vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert TVS
wird durch die Beziehung TVVS = min{TVA, TA - TP} bestimmt. Sollte
der solchermaßen bestimmte vorläufige Verdampfertemperatur-Soll
wert TVVS unter einer vorgegebenen Vereisungsschutz-Mindesttempe
ratur liegen, wird er auf letztere gesetzt. Auf diese Weise wird
der vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert TVVS nach unten auf
eine Mindesttemperatur beschränkt, die so vorgegeben ist, daß
unerwünschte Vereisungserscheinungen am Verdampfer verhindert
werden.
Daraufhin wird in einem Abfrageschritt 4 geprüft, ob der so er
mittelte vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert TVVS größer als
eine vorgegebene Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur TVG ist.
Wenn dies der Fall ist, wird der vorläufige Verdampfertempera
tur-Sollwert TVVS nach oben begrenzend auf diese vorgegebene Ge
ruchsvermeidungs-Maximaltemperatur TVG gesetzt (Schritt 5). Diese
Maximaltemperatur ist dabei so festgelegt, daß Verdampferge
rüche, die hauptsächlich bei Wechsel zwischen nassem und trocke
nem Zustand der Verdampferoberfläche und besonders bei höheren
Verdampfertemperaturen auftreten können, ein gewisses tolerier
bares Maß nicht überschreiten.
Anschließend wird der endgültig zur Verdampfertemperatureinstel
lung dienende Verdampfertemperatur-Sollwert TVS auf den unterhalb
der Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur TVA liegenden oder gege
benenfalls auf diesen nach oben begrenzend festgesetzten, vor
läufigen Verdampfertemperatur-Sollwert TVVS gesetzt (Schritt 6).
Das Klimabediengerät gibt dann an den Kompressor das diesem Ver
dampfertemperatur-Sollwert TVS in ihrem Verdampfer-Vorgabetempe
raturwert TKV, entsprechende Leistungsstellsignal ab. Diese Vorge
hensweise wird durch Rückkehr vor den Schritt 2 des gezeigten
Verfahrensablaufs zyklisch wiederholt.
Durch dieses Verfahren zur außentaupunktabhängigen Verdampfer
temperatursteuerung wird ein Beschlagen von Fahrzeugscheiben,
insbesondere auch auf ihrer Außenseite, durch die Innenraumkli
matisierung vermieden, und gleichzeitig erfolgt die Klimatisie
rung mit relativ geringem Energieaufwand. Bei hoher Außenluft
feuchtigkeit entspricht die Zuluft-Taupunkttemperatur TP in etwa
der Lufttemperatur TA der Zuluft, so daß die Differenz ungefähr
bei 0°C liegt. Da die Verdampfer-Anforderungstemperatur TVA üb
licherweise deutlich höher liegt, wird in dieser Situation ver
fahrensgemäß ein Verdampfertemperatur-Sollwert nahe 0°C, der ge
gebenenfalls nach unten auf die Vereisungsschutz-Mindesttempera
tur beschränkt ist, für den Verdampferbetrieb ausgewählt. Dies
bedeutet, daß der Verdampfer auf maximale Entfeuchtungsleistung
gestellt ist, so daß trotz der hohen Außenluftfeuchtigkeit ein
Beschlagen von Fahrzeugscheiben zuverlässig verhindert wird. Die
Differenz zwischen dem zur Erzielung der gewünschten Innenraum
temperatur geforderten Sollwert für die in den Innenraum auszu
blasende Zuluft und der demgegenüber wegen der maximalen Ver
dampferleistung geringeren Zulufttemperatur an der Austritts
seite des Verdampfers wird durch entsprechendes Aktivieren der
Gegenheizeinrichtung kompensiert. In Betriebsphasen mit niedri
ger Außenluftfeuchtigkeit steigt hingegen die Differenz TA - TP
zwischen Lufttemperatur TA und Taupunkttemperatur TP der Zuluft
an, so daß dementsprechend der vorläufige Verdampfertemperatur-
Sollwert TVVS und damit auch der tatsächliche Verdampfertempera
tur-Sollwert TVS entsprechend ansteigen können, so daß weniger
Energie zum Gegenheizen benötigt wird, wobei weiterhin das Be
schlagen von Scheiben sicher verhindert wird. Dabei bleibt in
jedem Fall der Verdampfertemperatur-Sollwert TVS auf die Geruchs
vermeidungs-Maximaltemperatur nach oben begrenzt, um störende
Verdampfergerüche im Innenraum zu vermeiden. Wenn die Differenz
TA - TP zwischen Lufttemperatur TA und Taupunkttemperatur TP der Zu
luft den Verdampfer-Anforderungstemperaturwert TVA übersteigt,
wird letzterer als Verdampfertemperatur-Sollwert TVS verwendet,
wonach definitionsgemäß keine Gegenheizaktivität mehr erforder
lich ist, um die gewünschte Innenraumtemperatur zu erreichen, so
daß die Innenraumklimatisierung in diesen Situationen mit mini
malem Energieaufwand bewerkstelligt wird.
Die obige Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
zeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ver
dampfertemperatur einer Klimaanlage außentaupunktabhängig so
steuern läßt, daß die Innenraumklimatisierung mit möglichst ge
ringem Energieaufwand und gleichzeitig ohne Auftreten störender
Kondensationseffekte erfolgen kann. Es versteht sich, daß bei
einer jeweiligen Klimaanlage neben dem erfindungsgemäßen Verfah
ren weitere, für anderweitige Situationen besser geeignete Be
triebsverfahren vorgesehen sein können, zwischen denen durch
eine entsprechende Betriebsartumschaltung ausgewählt werden
kann. Des weiteren ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf die Anwendung in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen beschränkt
ist, sondern sich für alle Klimaanlagen mit einem Kompressor-
Verdampfer-Kältemittelkreis eignet, bei denen Zuluft von einem
Außenraum angesaugt und nach geeigneter Konditionierung in einen
zu klimatisierenden Innenraum ausgeblasen wird, wobei die gegen
über dem obigen Beispiel erforderlichen Modifizierungsmaßnahmen
für den jeweiligen Anwendungsfall dem Fachmann ohne weiteres er
sichtlich sind. Die Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur kann
bei Bedarf situationsabhängig variabel gewählt sein und kann
selbstverständlich auch abhängig vom jeweiligen Klimaanlagen
system festgelegt werden. Eine typische Wahl für die Geruchsver
meidungs-Maximaltemperatur TVA liegt z. B. bei etwa 12°C.
Claims (2)
1. Verfahren zur außentaupunktabhängigen Steuerung der Verdamp
fertemperatur einer Klimaanlage, insbesondere einer Kraftfahr
zeug-Klimaanlage, bei dem
- 1. die Lufttemperatur (TA) und die Taupunkttemperatur (TP) der von der Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraums von ei nem Außenraum angesaugten Zuluft bestimmt werden und
- 2. aus Innenraumtemperatur-Sollwertvorgaben eine gegenheizfreie Verdampfer-Anforderungstemperatur (TVA) ermittelt wird,
- 1. die Verdampfertemperatur (TV) auf einen Sollwert (TVS) gesteu ert wird, der innerhalb vorgebbarer Temperaturgrenzen als der kleinere Wert von der Verdampfer-Anforderungstemperatur (TVA) ei nerseits und der Differenz von Lufttemperatur (TA) abzüglich Tau punkttemperatur (TP) der Zuluft andererseits gewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfertemperatur-Sollwert (TVS) nach oben durch eine vor
gebbare Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur begrenzt wird.
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