DE19983520B4

DE19983520B4 - Sensor zur Regelung von Klimaanlagen

Info

Publication number: DE19983520B4
Application number: DE19983520T
Authority: DE
Inventors: Erhard Mayer; Rudolf Schwab
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: WO2001007844A1; DE19983520D2

Abstract

Sensor zur Regelung von Klimaanlagen mit einer einem Raumbereich zugewandten Oberseite und einer dem Raumbereich abgewandten Unterseite, wobei der Sensor an der Oberseite und an der Unterseite eine temperaturabhängige Widerstandsbahn aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den Widerstandsbahnen eine Dämmschicht angeordnet ist und eine Temperatur an der Unterseite konstant gehalten ist und dass eine Temperatur an der Oberseite von der Temperatur der Unterseite und der Temperatur der Dämmschicht abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Regelung von Klimaanlagen oder Lüftungssystemen nach einer empfundenen Lufttemperatur, die durch die Klimakomponenten Luftbewegung, Lufttemperatur und Wärmestrahlung, auch Sonneneinstrahlung, insbesondere in beweglichen Verkehrsmitteln hervorgerufen wird.
Sensoren zur Regelung von Klimaanlagen oder Lüftungssystemen sind an den verschiedensten technischen Lösungen zur Messung und Beeinflussung der empfundenen Lufttemperatur als Erfassungselement verschiedener zu messender Größen notwendig. Insbesondere sind derartige Sensoren zur Messung und Regelung des Raumklimas, des Grades thermischen Unbehagens bzw. bei Messungen zur Erzielung einer menschlichen Behaglichkeit notwendig.

Aus der DE 196 02 085 A1 ist ein Verfahren zur Erzielung einer Behaglichkeitstemperatur in einem Raum und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Hierbei wird die Temperatur in der Umgebung eines Strahlers unter Vermeidung direkter thermischer Beeinflussung durch den Strahler gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Werte wird mittels einer Elektronik die erforderliche Bestrahlungsstärke ermittelt, wobei dies in Abhängigkeit des Abstandes der Person vom Strahler, die zusätzlich erfaßt werden muß, geschieht. Von den zur Bestimmung der menschlichen Behaglichkeit notwendigen Größen, Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit, Mittlere Strahlungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Intensität der körperlichen Betätigung und Art der Bekleidung wird bei dieser Lösung nur eine erfaßt.

Es wird hierbei zur Bestimmung der Temperatur ein bekannter, in der Schrift nicht näher bezeichneter Temperaturfühler verwendet. Dies erfüllt keinesfalls die Anforderung, die heute an die zur Steuerung notwendigen Elemente von Lüftungs- und Klimaanlagen gestellt werden. Insbesondere ist kein geeigneter Sensor zur Erfassung der Faktoren für die menschliche Behaglichkeit offenbart.

Aus der DE 21 57 550 C2 ist ein Gerät zur Messung des Grades thermischen Unbehagens bekannt, daß die zuvor genannten Faktoren berücksichtigt. Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Gerät zu schaffen, mit dem es möglich ist, auf einfache Weise ohne Anwendung einer Datenverarbeitungsanlage den Grad des thermischen Unbehagens bei verschiedenen einstellbaren Werten für den gesamten Wärmeanfall im Inneren des Körpers zu bestimmen. Es handelt sich dabei um ein Gerät, worin ein heizbarer Meßkörper zum Nachbilden des Wärmeaustausches des menschlichen Körpers mit der Umgebung sowie eine Regelschaltung zum Festhalten der Temperatur des Meßkörpers auf einem vorbestimmten, in Nähe der Hauttemperatur des menschlichen Körpers liegenden Wert vorgesehen sind. Bestandteil dieses Gerätes ist ein Meßkörper, dessen Größe ca. 20 cm sein kann. Der Meßkörper hat innen einen Körper aus Kunststoffschaum, um den ein elektrischer Widerstandsdraht gewickelt ist. Außen ist der Meßkörper mit einer etwa 1 cm dicken Schicht aus wärmeisolierendem Material versehen. Diese Schicht sichert zusammen mit der Regelung des durch den Widerstandsdraht gebildeten Heizkörpers, daß beim Meßkörper das gleiche Verhältnis zwischen Φ_dry (trockener Wärmeaustausch) und t_s (Oberflächentemperatur) wie bei einer thermisches Wohlbehagen empfindenden Person besteht. Der Meßkörper ist auf einer Stange angebracht, die in einem Stativ unterstützt ist, und zwar vorzugsweise so, daß dieser Meßkörper verschiedene Stellungen einnehmen kann.

Für die heutigen Anforderungen an Sensoren, die zur Steuerung von Klima- und Lüftungsanlagen gestellt werden, ist die zuvor beschriebene Lösung schon aufgrund ihrer Größe ungeeignet. Kostengründe, die zu einer ständigen Reduzierung des Aufwandes für Klima- und Lüftungsanlagen führen, lassen den Einsatz dieser Lösung aus der heutigen Sicht insbesondere in beweglichen Verkehrsmitteln als sehr fraglich erscheinen.

Aus der DE 36 11 084 A1 ist eine Meßvorrichtung für die das Raumklima beeinflussenden Größen bekannt, die eine Heizvorrichtung , welche von einer thermischen Isolierung umgeben ist und der ein Temperatursensor zugeordnet ist. Dieser Temperatursensor dient zur Erfassung des Wärmeflusses von der Heizeinrichtung in den Außenraum.

Faßt man die bisher bekannten Lösungen der Meßgeräte zusammen, ergeben sich folgende Einwände, die entweder insgesamt oder partiell dafür zutreffend sind:

– Keine Messung einer Klimasummengröße
– keine Messung der Oberflächentemperatur begrenzter Umschliessungsflächen
– keine richtungsorientierte Messung des Wärmeentzugs durch Konvektion möglich
– keine Berücksichtigung der entscheidenden Temperaturschwellenwerte nach „Benzinger"

Ausgehend davon wurden die aus der PS DE 32 05 704 C2 bekannte Einrichtung zur Beurteilung des Raumklimas sowie eine aus DE 43 15 113 A1 bekannte Vorrichtung zur Klimatisierung von Räumen entwickelt, die die zuvor genannten Nachteile bereits beseitigen.

Nach der DE 43 15 113 A1 geschieht dies dadurch, daß die Fühlereinheit (Sensor) einer Heiz-/Kühldecke eins beheizbare Fläche aufweist, die mit konstanter Leistung beheizt wird, und deren Temperatur ein Temperaturfühler erfaßt, aus dem Ausgangssignal des Temperaturfühlers und einem als Maß für die Behaglichkeit ermittelten Sollwert wird hier die Führungsgröße gebildet.

Nach der PS DE 32 05 704 ist eine Einrichtung zur Beurteilung des Raumklimas mit einem Temperaturfühlelement bekannt, das die Form einer definierten ebenen, von einem Metallband mäanderartig ausgefüllten Fläche mit einer im Infraroten maximal absorbierenden Seite hat, durch deren Normale als Meßeinrichtung ein räumlicher Meßbereich des Temperaturfühllementes bestimmt wird, mit einem Heizelement des Temperaturfühlelements, durch das diesem von einer Heizeinrichtung eine konstante Heizleistung zugeführt wird, und das weiterhin eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des veränderlichen Widerstandswerts des Temperaturfühllements aufweist.

Beide zuletzt genannten Lösungen benötigen eine konstante Heizleistung, um zu den gewünschten Effekten zu kommen. Dies bedeutet einen hohen regeltechnischen Aufwand zur Bereitstellung dieser konstanten Heizleistung. Außerdem ist der Herstellungsaufwand für die dazu notwendigen Sensoren so hoch, daß sie von den Herstellern heutiger Klima- und Lüftungsanlagen kostenmäßig nicht akzeptiert werden.

Im Taschenbuch für HEIZUNG + KLIMA TECHNIK 2000 (Herausgeber Recknagel, Sprenger, Schramek) ist auf Seite 50 ausgeführt, dass neben der Kleidung und der Aktivität im wesentlichen vier Elemente des Luftzustands und des Umfelds für die thermische Behaglichkeit von Bedeutung sind. Dieses sind die Lufttemperatur, die Luftfeuchte, die Luftbewegung sowie die Temperaturen der Umschließungsflächen. Letztere bestimmen die Wärmestrahlung in erheblicher Weise. Weiter wird die Bedeutung der einzelnen Faktoren für die Behaglichkeit aufgeführt. Es werden verschiedene messtechnische Einrichtungen zur Erfassung der vorgenannten Größen vorgeschlagen.

Zur effizienten Erfassung der thermischen Behaglichkeit wird in der DE 692 16 937 ein Sensor vorgeschlagen, der ein wärmeempfindliches Element enthält, sowie Wärmeaustauschmittel. Die Wärmeaustauschmittel sind geeignet Wärme in steuerbaren Ausmaß mit dem wärmeempfindlichen Element auszutauschen, um das wärmeempfindliche Element auf der vorbestimmten Temperatur zu halten. Ferner sind Detektiermittel vorhanden, um die Leistung zu erfassen, die notwendig ist, um das wärmeempfindliche Element auf der vorbestimmten Temperatur zu halten. Nachteilig daran ist, dass Detektiermittel zur Erfassung der Leistung aufwendig sind. Damit gelten auch hier die oben geschilderten Nachteile.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor zu schaffen, der eine einfache Möglichkeit zur Messung vorliegender Klimakomponenten schafft. Dabei ist darauf zu verzichten eine konstante Heizleistung notwendig zu machen oder eine messtechnisch schwierige unmittelbare Erfassung von Wärmeströmen, wie in der DE 692 16 937 .

Dazu wird ein Sensor geschaffen mit einer einem Raumbereich zugewandten Oberseite und einer dem Raumbereich abgewandten Unterseite, wobei der Sensor an der Oberseite und an der Unterseite eine temperaturabhängige Widerstandsbahn aufweist. Zwischen den Widerstandsbahnen ist eine Dämmschicht angeordnet. Die Temperatur an der Unterseite wird konstant gehalten. Die Temperatur an der Oberseite hängt von der Temperatur der Unterseite und der Temperatur der Dämmschicht ab. Diese letztgenannten Größen sind bekannt; die Temperatur der Dämmschicht hängt von der bekannten Temperatur der Unterseite und der gemessenen Temperatur der Oberseite ab.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass beim oben beschriebenen Sensor die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und Unterseite konstant gehalten ist und eine Temperatur an der Oberseite von einem durch die Widerstandsbahn an der Oberseite fließenden Konstantstrom abhängt.

Die sich an der Sensoroberseite einstellende Temperatur ist ersichtlich ein Maß für den Wärmestrom, der von der Sensoroberseite in den angrenzenden Raumbereich abfließt. Im Gegensatz zu Sensoren, die keine definiert beheizte Sensorunterseite aufweisen, gibt es keine unbekannten Wärmeströme von der Sensoroberseite Richtung Sensorunterseite. Dieser Sensor setzt auch keine konstante Heizleistung, sondern konstant zu haltende Temperaturen voraus.

Der in den an die Sensoroberseite angrenzenden Raumbereich abfließende Wärmestrom ist ein gutes Maß für das in diesem Raumbereich bestehende Raumklima.

Anstelle temperaturabhängiger Widerstandsbahnen können auch temperaturunabhängige Widerstandsbahnen mit separatem Temperaturfühler eingesetzt werden.

Die Erfindung gestattet auch daß der Sensor aus einer temperaturabhängigen Widerstandsbahn besteht, die beidseitig auf einem Körper, der gleichzeitig die Dämmschicht bildet, aufgebracht ist. Beide Flächen werden beheizt. Dabei floaten sowohl der nach außen abgegebene Wärmestrom als auch die Temperatur der beheizten Oberfläche, hervorgerufen durch einen der Oberfläche zugeführten Konstantstrom und die jeweils vorliegenden Klimakomponenten. Als Meßsignal wird die Spannung am Widerstand erfaßt; wobei diesem Meßsignal eine Äquivalenttemperatur eines homogenen Raumes als Behaglichkeitsreferenz zugeordnet ist. Dabei ist entweder die Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite oder nur die Temperatur der Unterseite konstant.

In einer weiteren Ausführungsform besteht der Sensor aus einer temperaturunabhängigen Widerstandsbahn mit separatem Temperaturfühler. Die Widerstandsbahn ist genau wie im ersten Fall beidseitig auf dem die Dämmschicht bildenden Körper angeordnet. Beide Flächen werden wiederum beheizt. Zur Beheizung wird ebenso, wie zuvor genannt, ein Konstantstrom vorgegeben. Als Meßsignal wird die Spannung am Temperaturfühler erfaßt, wobei diesem Meßsignal eine Äquivalenttemperatur eines homogenen Raumes als Behaglichkeitsreferenz zugeordnet ist.

Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die obere Fläche des Sensors nicht beheizt wird, die Erwärmung der oberen Fläche nur durch die untere Fläche erfolgt, die Temperatur der unteren Fläche jedoch dabei konstant gehalten wird und das Meßsignal, welches aus der oberen Fläche abgenommen wird, einer Äquivalenttemperatur eines homogenen Raumes zugeordnet wird.

Bei allen bisher genannten Ausführungsformen ist es nicht notwendig, daß das Meßsignal linear ist. Die Oberflächentemperatur muß, abweichend von den bekannten Lösungen des Standes der Technik, nicht der Oberflächentemperatur der menschlichen Haut entsprechen.

Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Widerstandsbahnen direkt auf einem flexiblen Material, das als Träger dient, aufgebracht sind. Durch die Flexibilität des Materials können die Sensoren an genau den kritischen Punkten angeordnet werden, die zur Beurteilung der menschlichen Behaglichkeit wichtig sind. Der Vorteil daran ist, daß diese Sensoren nicht stören. Sie können beispielsweise auch mit dem Gurt eingerollt werden.

Eine weitere Gestaltungsform sieht vor, die Widerstandsbahnen direkt ohne eigenen Träger in die Befestigungsfläche einzuweben (z.B. Gurt, Kopfstütze).

Die bis hierher genannten Ausführungsformen können sowohl unidirektional als auch omnidirektional ausgebildet sein.

Bei omnidirektionaler Ausführungsform ist eine Belüftung von innen heraus vorteilhaft.

Es ist weiterhin möglich, bei der omnidirektionalen Ausführungsform anstelle einer über die Oberfläche verteilten Widerstandsbahn einen kompakten temperaturabhängigen Widerstand zu verwenden.

In einer weiteren Ausgestaltungsform wird dem Sensor von hinten (omnidirektional von innen) ein konstanter Wärmestrom zu- oder abgeführt. Dadurch entsteht eine konstante Temperaturdifferenz.

Ein Wärmestrom von hinten ist jedoch auch vernachlässigbar, indem der Sensor auf einen Träger, vorzugsweise flexibler Träger, mit geringer Wärmeleitfähigkeit und Eindringtiefe aufgebracht und nur oben beheizt wird.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Oberfläche des Sensors unterschiedliche Farbausprägungen und/oder ist mit einer Substanz beschichtet, die wärmereflektierende Eigenschaften aufweist. Damit kann der Sensor als Zugluftsensor eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
Es zeigen:
1, einen Sensor, dessen temperaturabhängige Widerstandsbahnen in Folie eingelegt sind und die auf einem Körper, der die Dämmschicht bildet, beidseitig aufgebracht ist. Die Temperatur der oberen Widerstandsbahn T₁ ist variabel, abhängig vom zugeführten elektrischen Strom und den jeweils vorhandenen Klimakomponenten. Für die untere Widerstandsbahn gilt T₂–T₁ = Konstant. Für die obere Widerstandsbahn gilt außerdem zugeführter Strom J = konstant.
2, einen Sensor, dessen temperaturabhängige Widerstandsbahnen in Folie eingelegt sind und die auf einem Körper, der die Dämmschicht bildet, beidseitig aufgebracht ist. Die Temperatur der oberen Widerstandsbahn T₁ ist wieder variabel, die Temperatur der unteren Widerstansbahn T₂ wird konstant gehalten. Die Temperatur von T₁ resultiert aus T₂, der Dämmung und den Klimakomponenten.
3, einen Sensor, dessen temperaturabhängige Widerstandsbahnen in Folie eingelegt sind und die auf einem Körper, der die Dämm schicht bildet, beidseitig aufgebracht ist. Die Temperatur der oberen Widerstandsbahn T₁ ist variabel. Es gilt jedoch Strom J = konstant und die Temperatur der unteren Widerstansbahn T₂ = konstant.

Claims

Sensor zur Regelung von Klimaanlagen mit einer einem Raumbereich zugewandten Oberseite und einer dem Raumbereich abgewandten Unterseite, wobei der Sensor an der Oberseite und an der Unterseite eine temperaturabhängige Widerstandsbahn aufweist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Widerstandsbahnen eine Dämmschicht angeordnet ist und eine Temperatur an der Unterseite konstant gehalten ist und dass eine Temperatur an der Oberseite von der Temperatur der Unterseite und der Temperatur der Dämmschicht abhängt.
Sensor zur Regelung von Klimaanlagen mit einer einem Raumbereich zugewandten Oberseite und einer dem Raumbereich abgewandten Unterseite, wobei der Sensor an der Oberseite und an der Unterseite eine temperaturabhängige Widerstandsbahn aufweist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Widerstandsbahnen eine Dämmschicht angeordnet ist und eine Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und Unterseite konstant gehalten ist und eine Temperatur an der Oberseite von einem durch die Widerstandsbahn an der Oberseite fließenden Konstantstrom abhängt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite eine elektrische Beheizung mit einem Konstantstrom aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mechanisch flexibel ausgebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mechanisch starr ausgebildet ist
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbahnen direkt in ein flexibles Gewebe, vorzugsweise in einen Sicherheitsgurt, eingewebt sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit einer Substanz, die Wärmestrahlung reflektierende Eigenschaften aufweist, beschichtet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle temperaturabhängiger Widerstandsbahnen auch temperaturunabhängige Widerstandsbahnen mit separatem Temperaturfühler eingesetzt sind.
Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängigen Widerstandsbahnen auf einem Körper, der gleichzeitig die Dämmschicht bildet, aufgebracht sind.