DE2633243B2

DE2633243B2 - Klimaanlage für Schienenfahrzeuge, insbesondere Reisezugwagen

Info

Publication number: DE2633243B2
Application number: DE2633243A
Authority: DE
Inventors: Ignaz Wien Engel
Original assignee: Alex Friedmann KG
Current assignee: Alex Friedmann KG
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1978-08-17
Also published as: ES450260A1; AT340464B; DE2633243C3; RO66465A; DE2633243A1; ATA590775A; BE844385A; IT1067459B; YU187876A; HU172355B

Description

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie bei Beibehalten von Komfort und Behaglichkeitsgrad für die Reisenden eine wesentliche Energieeinsparung, insbesondere im Kühlbetrieb mit sich bringt

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vom Prinzip, als Bemessungsgrundlage für den Grundanteil einen willkürlich angenommenen, theoretischen Besetzungsgrad des Reisezugwagens zu benützen, insbesondere die Vollbesetzung eines Fahrgastraumes als angenommene Bezugsgröße anzunehmen, wird hier abgegangen. Es wird statt dessen bezüglich der Heizleistung des Grundanteils auf die tatsächlich gegebenen Besetzungsverhältnisse abgestellt Dem liegt die Absicht zugrunde, eine möglichst großen Anteil der zur Klimatisierung benötigten Heiz- bzw. Kühlleistung allein mittels des den Fahrgasträumen ständig zuströmenden Grundanteils zu decken.

Dabei kann aber nicht auf die Gesamtbesetzung des Reisezugwagens abgestellt werden. Es muß vielmehr, sollen sich alle auf die verschiedenen Fahrgasträume verteilten Reisenden behaglich fühlen, von demjenigen Fahrgastraum ausgegangen werden, der einen Besetzungsgrad aufweist, der dem vorbestimmten Besetzungsgrad möglichst nahe kommt Es wird deshalb jeder Fahrgastraum mit einer Steuereinrichtung versehen, die Steuerung aber von dem Fahrgastraum abgeleitet, der in seinem tatsächlichen Besetzungsgrad dem theore tisch angenommenen vorbestimmten Besetzungsgrad möglichst nahe kommt. Die Steuereinrichtung des jeweiligen Steuerabteils bildet ein Korrektursignal, das nun zur Regelung der Heiz- Kühlleistung des Grundanteils über den hierfür bestimmten Leistungsregler herangezogen wird.

Wird davon ausgegangen, daß der vorbestimmte theoretische Besetzungsgrad die Vollbesetzung ist, so wird hierfür die maximale Heiz- bzw. Kühlleistung des Grundanteils dimensioniert. Liegt demnach in einem Fahrgastraum die vorbestimmte Bedingung, also Vollbesetzung vor, so wird von der Steuereinrichtung kein zusätzliches Korrektursignal erzeugt, da der gesamte Grundanteil notwendig ist. Liegt jedoch im am stärksten besetzten Fahrgastraum eine Besetzung vor, die kleiner ist, als die Vollbesetzung, so wird von der Steuereinrichtung dieses als Steuerabteil dienenden Fahrgastraumes ein Korrektursignal erzeugt, und die Leistung des Grundanteils entsprechend heruntergeregelt. In diesem als Steuerabteil dienenden und allen gleichbesetzten Fahrgasträumen ist dann kein Zusatzanteil und keine Zusatzleistung notwendig. In den noch schwächer besetzten Fahrgasträumen ist zwar ein Zusatzanteil zuzuführen, dieser ist aber erheblich kleiner als der Zusatzanteil, der notwendig wäre, wenn bei unverminderter, weil auf den . theoretischen Besetzungsgrad abgestellter Leistung des Grundanteils im Kuhlbetrieb rückgewärmt werden müßte. Gleichzeitig kann auch die mögliche Maximalleistung des Zusatzanteils ebenso vermindert werden, wie die Dimensionierung des Verteilkanals hierfür.

Bei Heizbetrieb ergibt sich also eine Verlagerung der insgesamt benötigten Heizenergie zum Grundanteil hin, was den Vorteil einer wirtschaftlichen Heizung und der Verminderung des Zusatzanteils mit kürzerer Einschaltdauer und seltenerer Einschaltnotwendigkeit mit sich bringt

Im KUhlbetrieb ergeben sich noch erheblich größere Energieeinsparungen, weil einerseits die über den Grundanteil zugeführte Kühlleistung nicht auf die volle Besetzung der Fahrgasträume und damit des gesamten Reisezugwagens abgestellt werden muß, sondern auf den geringeren Besetzungsgrad des maximal besetzten Steuerabteils, und zusätzlich den Fahrgasträumen, in denen sich weniger Reisende als im Steuerabteil befinden, über den Zusatzanteil nur stark verminderte Wärmemengen zugeführt werden müssen. Die Leistungseinsparung im Grundanteil und im Zusatzanteil summiert sich zu einer erheblich verminderten Gesamtleistung. Trotzdem bleibt in allen Fällen die Solltemperatur in den Fahrgasträumen aufrecht

Besonders deutlich zeigt sich die Einsparung an Klimatisierungsleistung für den Fall, daß nur ein einziger Fahrgastraum des Reiszugwagens mit nur einer Person besetzt ist

Bei der Bemessung des Grundanteils an Kühlleistung auf die theoretisch angenommene Vollbesetzung würden dabei bei bekannten Klimaanlagen sämtliche Fahrgasträume maximal gekühlt, zugleich aber auch zusätzlich beheizt werden, um die fehlende Besetzung durch entsprechende Wärmezufuhr zu kompensieren und die vorgeschriebene Raumtemperatur in keinem der Abteile zu unterschreiten. Bei der oben erläuterten Klimaanlage würde hingegen der mit nur einer Person besetzte Fahrgastraum als Steuerabteil fungieren, so daß die Kühlleistung des Grundanteils auf den stark verringerten Kühlbedarf im Steuerabteil reduziert wäre. Den unbesetzten Abteilen würden dabei nur jene geringen Wärmemengen über den Zusatzanteil zugeführt werden, die zur Kompensation der Wärmeabgabe jeweils eines einzelnen Reisenden dienen.

Die Wahl des jeweiligen Steuerabteils erfolgt, wie gesagt, nach dem Kriterium des dem vorbestimmten Besetzungsgrad möglichst nahekommenden tatsächlichen Begrenzungsgrades selbsttätig. Das geschieht zweckmäßig über eine elektrische Steuerung unter Einbeziehen der Raumthermostate. Zweckmäßig wird beispielsweise so vorgegangen, daß der Leistungsregler des Grundanteils einen Differenzverstärker enthält, an dessen einem Eingang ein Steuersignal vom Außenklimafühler anliegt, während an seinem anderen Eingang ein Korrektursignal über ein allen Steuereinrichtungen gemeinsame Steuerleitung angelegt wird. An diese gemeinsame Steuerleitung sind die Steuereinrichtungen über Dioden angeschlossen. Die Steuereinrichtungen erzeugen jeweils Korrektursignale entsprechend der über den Zusatzanteil im jeweiligen Fahrgastraum zugeführten Wärmemenge. Hierfür werden die Steuereinrichtungen selbst zweckmäßig von den Raumthermostaten gesteuert, die ihrerseits über Klappen in den Verteilkanälen für den Zusatzanteil die Einspeisung des Zusatzanteils steuern und damit die zugeführte Wärmemenge indirekt selbst registrieren. Es wird also von den Steuereinrichtungen jeweils ein Signal erzeugt, dessen Amplitude die Abweichung der Raumtemperatur von der Solltemperatur angibt. Wird die gemeinsame Steuerleitung über einen Widerstand und damit auch die Dioden bezüglich der Schaltspannung vorgeschaltet, so wird nur die kleinste Steuerspannung als Korrektursignal ü^er die gemeinsame Steuerleitung dem zugehörigen Eingang des Differenzverstärkers zugeführt. Die kleinste Steuerspannung entspricht aber demjenigen Abteil, dessen tatsächlicher Besetzungsgrad dem vorbestimmten theoretischen Besetzungsgrad am nächsten

kommt. Auf diese Weise wird selbsttätig aus sämtlichen Fahrgasträumen das richtige Steuerabteil ausgewählt.

Es ist klar, daß hierbei nur ein Korrektursignal zur Verminderung des Energiebedarfs wirksam wird. Die vom Außenklimafühler abhängige Steuerung der Heizbzw, der Kühlleistung entsprechend den jeweiligen Außenverhältnissen bleibt durch diese energiesparende Korrektur unberührt. Wird auf die beschriebene Art und Weise der in jedem Fall vorhandene Raumthermostat funktionell in die Steuereinrichtung einbezogen, so kann die gesamte, erhebliche Energieeinsparung ermöglichende Ausgestaltung mit nur wenigen zusätzlichen elektronischen Elementen erzielt werden.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert worden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Zweikanalklimaanlage und

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild des elektronischen Steuerungsteils für den Grundanteil an Heiz- bzw. Kühlleistung.

Als Anwendungsbeispiel ist eine Zweikanal-Klimaanlage vorgesehen, bei der durch eine steuerbare Umluftklappe 1 wahlweise Frischluft oder Umluft zu einem Gebläse 2 gelangt, das die Luft durch einen Filter 3 in das eigentliche Klimaaggregat 4 fördert. Hinter dem Filter 3 ist der Luftstrom in einen Grundanteil und einen Zusatzanteil aufgeteilt. Der Grundanteil strömt durch den Verdampfer 5 und anschließend durch den Lufterhitzer 6. Der Zusatzanteil wird durch einen oberhalb des Verdampfers 5 verlaufenden schmalen Kanal in einen getrennt ein- und abschaltbaren Lufterhitzer 7 eingeführt. Zu den Fahrgasträumen wird der Grundanteii durch den Grundluftkanal 8 und der Zusatzanteil durch den Zusatzluftkanal 9 geführt, die als entsprechende Verteilkanäle dienen.

Die Klimaanlage ist für einen Reisezugwagen mit beispielsweise zehn Fahrgasträumen bestimmt, von denen in der Zeichnung die Fahrgasträume 10,10', 10" dargestellt sind. Jeder Fahrgastraum ist mit dem Grundluftkanal 8 über einen ständig offenen vertikalen Luftschacht 11 verbunden, der unterhalb des Abteilfensters 12 an der Wagenseitenwand angeordnet ist. Die Auslässe 13 für den Zusatzanteil befinden sich im dargestellten Fall unter den querverlaufend angeordneten Sitzen 14 der Fahrgasträume. Sie sind über drehmagnetbetätigte Klappen 15 an den Zusatzluftkanal 9 angeschlossen, über die der Zusatzanteil geregelt werden kann. Über die öffnungen 16 des Luftschachtes 11 kann in nicht näher dargestellter Weise dem Fahrgastraum entnommene Raumluft zusammen mit dem aufsteigenden Luftstrom des Grundanteils erneut umgewälzt werden.

Die Steuerung der Klappen 15 erfolgt in bekannter Weise über Raumthermostaten 17|, 17₂ bzw. 17₃ in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur in den Fahrgasträumen 10,10' bzw. 10" und unter Berücksichtigung einer am Raumthermostat fest oder wählbar voreingestellten .^c.!!temperatur. Die Steuerung des Grundanteils, d. h. das Ein- und Abschalten des Verdampfers 5 und des Lufterhitzers 6 erfolgt unter Zugrundelegen eines vorbestimmten Besetzungsgrades. Hierfür wird meist die Vollbesetzung des Wagens benützt. Die Steuerung erfolgt dabei in Abhängigkeit von den Außeneinflüssen auf die Temperatur in den Fahrgasträumen. Zu diesem Zweck ist am Dach des Reisezugwagens der nur in Fig.2 dargestellte Außenklimafühler 18 vorgesehen, der die Außeneinflüsse auf die Temperatur im Wageninneren, insbesondere die Außentemperatur, die Sonneneinstrahlung und den Fahrtwind erfaßt. Ein weiterer Temperaturfühler 19 ist im Grundluftkanal 8 angeordnet.

Der Außenklimafühler 18 und der Temperaturfühler 19 sind an die Eingänge eines Regelverstärkers 20 angeschlossen. Der Ausgang des Regelverstärkers 20 ist mit einem ersten Eingang eines ihm nachgeschalteten Differenzverstärkers 21 verbunden. An den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 21 ist eine Steuerleitung 5 angeschlossen. Wird über die Steuerleitung 5 ein Korrektursignal Us an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 21 gelegt, so erfolgt ein entsprechendes Verschieben der vom Regelverstärker 20 vorgegebenen Regelcharakteristik. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 21 wird im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einem Trigger 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum an ein Stellglied 23 für das Ein- und Abschalten des Verdampfers 5 bzw. des Lufterhitzers 6 gelegt ist. Anstelle des Triggers 22 könnte auch ein anderes Steuerglied zur stetigen Regelung der Heiz- bzw. Kühlleistung für den Grundanteil im Klimagerät 4 treten.

Die Bildung des Korrektursignals Us und die selbsttätige Auswahl des richtigen Steuerabteils bzw. des Korrektursignals im richtigen Steuerabteil erfolgt wie folgt:

Die Raumthermostaten 17i, 172 und 173 sind mit einem Innentemperaturfühler versehen, der die Temperatur des einzelnen Fahrgastraumes 10,10' bzw. 10" abfühlt. Weiter sind sie auf für Raumthermostaten übliche Weise mit der Möglichkeit einer Solltemperatureinstellung versehen. Jeder Raumthermostat gibt somit ein Signal ab, das der Abweichung der vom Innentemperaturfühler gemessenen Isttemperatur im Fahrgastraum von der eingestellten Solltemperatur entspricht. Das Signal ist somit um so kleiner, je näher die Isttemperatur der Solltemperatur kommt. Das wird dann der Fall sein, wenn der tatsächlich vorhandene Besetzungsgrad des

-to jeweiligen Fahrgastraumes 10, 10' bzw. 10" dem vorbestimmten angenommenen Besetzungsgrad möglichst nahe kommt.

Von den Raumthermostaten 17i, 172 bzw. 173 wird jeweils ein digitales Spannungssignal Um₁ Um bzw. Um abgegeben. Dieses hat einen positiven Spannungswert, wenn Heizleistung des Zusatzanteils gewünscht wird, und den Spannungswert Null, wenn keine Heizleistung des Zusatzanteils benötigt wird. Die digitalen Spannungssignale Um, Um und Um werden jeweils aktiven

so Glättungsgliedem G zugeführt, die beispielsweise wie in der Zeichnung angedeutet aufgebaut sein können und aus Widerstand, Kapazität und einem Verstärker bestehen. In Anbetracht der am Eingang anstehenden digitalen Signale, könnte das Glättungsglied auch als Speicherglied bezeichnet werden. Es registriert die in vorbestimmten Zeitintervallen über den Zusatzanteil dem Fahrgastraum zugeführten Wärmemengen. Am Ausgang jedes Glättungsgliedes wird jeweils eine dieser Wärmemenge proportionale Steuerspannung in Form eines Analogsignals Ua\, Um bzw. Um abgegeben. Die Glättungsglieder G sind nun mit der gemeinsamen Steuerleitung 5 über entsprechend der Figur gepolte und verschaltete Dioden D und Kondensatoren C verbunden. Die Steuerleitung S ist über einen

b'i Widerstand an eine Spannungsquelle von +10 V gelegt. Das Diodengatter bewirkt damit, daß die kleinste Analogspannung Uau U₀₂ bzw. Um als Korektursignal US über die gemeinsame Steuerleitung S an den

Differenzverstärker 21 gegeben ist. Die Kondensatoren C relativ großer Kapazität haben lediglich die Aufgabe, eine Rückbeeinflussung des Diodengatters durch rückinduzierte Spannungsspitzen zu verhindern. Durch das Korrektursignal Us wird auf die oben beschriebene

Weise der Grundanteil an temperierter Luft entsprechend dem tatsächlichen Besetzungsgrad im auf diese Weise selbsttätig ausgewählten Steuerabteil heruntergeregelt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 633/423

Claims

Patentansprüche:

1. Klimaanlage für Schienenfahrzeuge, insbesondere Reisezugwagen, mit einem Heiz- und Kühlaggregat zum Erzeugen eines den Pahrgasträumen ständig zuströmenden, auf einen vorbestimmten Besetzungsgrad der Fahrgasträume bemessenen Grundanteiles an temperierter Luft, einem die Außeneinflüsse auf die Temperatur im Wageninneren erfassenden, den Leistungsregler des Heiz- und Kühlaggregates in Abhängigkeit von den Außeneinflüssen steuernden Außenklimafühler und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines den Fahrgasträumen mittels in jedem Abteil vorhandener Raumthermostaten mit Innentemperaturfühler getrennt zuteilbaren Wärme-Zusatzanteiles zum Ausgleich von Wärmebedarfsdifferenzen in den einzelnen Fahrgasträumen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fahrgastraum (10,10', 10") eine Steuereinrichtung (17, G) enthält, daß der Fahrgastraum mit dem dem vorbestimmten Besetzungsgrad jeweils am nächsten kommenden tatsächlichen Besetzungsgrad als Steuerabteil dient und daß ein von der Steuereinrichtung (17, G) des jeweiligen Steuerabteils abgegebenes Korrektursignal (Us) zur Korrektur des Grundanteils an temperierter Luft auf einen dem tatsächlichen Besetzungsgrad des Steuerabteils entsprechenden Wert an den Leistungsregler des Grundanteils an temperierter Luft gelegt ist

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils am stärksten besetzte Fahrgastraum (10,10', 10") das Steuerabteil ist

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17, G), welche die dem jeweiligen Fahrgastraum (10, 10', 10") über den Zusatzanteil während vorbestimmter Zeitintervalle zugeführte Wärmemenge registriert, eine dieser Wärmemenge proportionale Steuerspannung (Us) abgibt.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste, der von der Steuereinrichtungen (17, G) abgegebenen Steuerspannungen als Korrektursignal dient.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsregler des Grundanteiles einen Differenzverstärker (21) enthält, an dessen einem Eingang ein Steuersignal vom AußenklimafUhler (18) anliegt, während an seinem anderen Eingang das Korrektursignal (Us) angelegt ist.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in jedem Fahrgastraum vorhandene Raumthermostat (17t, 172,173)Teil der Steuereinrichtung jedes Fahrgastraumes ist.

7. Klimaanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuereinrichtung als ein vom Raumthermostat (17) gesteuertes Speicherglied (G) ausgebildet ist.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17, G) aller Fahrgasträume (10, 10', 10") eines Reisezugwagens über eine gemeinsame Steuerleitung (S) an den Leistungsregler angeschlossen ist.

9. Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuereinrichtungen (17, G) und die vorgespannte Steuerleitung (S) jeweils Dioden (Z}) geschaltet sind.

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für Schienenfiiihrzeuge, insbesondere Reisezugwagen, mit einem Heiz- und Kühlaggregat zum Erzeugen eines den Fahrgastraum»! ständig zuströmenden, auf einen vorbestimmten Besetzungsgrad der Fahrgasträume bemessenen Grundanteiles an temperierter Luft einem die Außeneinflüsse auf die Temperatur im Wageninneren erfassenden, den Leistungsregler des Heiz- und Kühlaggregates in Abhängigkeit von den Außeneinflüssen steuernden Außenklimafühler und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines den Fahrgasträumen mittels in jedem Abteil vorhandener Raumthermostaten mit Innentemperaturfühler getrennt zuteilbaren Wärme-Zusatzanteiles zum Ausgleich von Wärmebedarfs-

is differenzen in den einzelnen Fahrgasträumen.

Bekannte Klimaanlagen dieser Art (AT-PS 3 13 356) legen der Leistungsregelung des Grundanteils der ständig zugeführten Hei?.- bzw. Kühlleitung die Annahme zugrunde, daß die einzelnen Fahrgasträume eines Reisezugwagens voll besetzt sind. Nicht vollbesetzten Fahrgasträumen wird zum Einhalten der vorgesehenen Solltemperatur benötigte zusätzliche Wärme über den Zusatzanteil zugeführt Hierfür werden Grundanteil an temperierter Luft und Zusatzanteil über einen ersten bzw. einen zweiten Verteilkanal zugeführt, wobei zur besetzungsgradabhängigen Leistungsregelung des Zusatzanteils in jedem Fahrgastraum Raumthermostaten vorgesehen sind, die mit Hilfe von Klappen Auslässe des Verteilkanals für den Zusatzanteil entsprechend steuern. Statt dessen können die Raumthermostaten auch im Fahrgastraum vorgesehene Zusatzheizkörper zuschalten.

Derartige Klimaanlagen befriedigen vom regeltechnischen Standpunkt aus durchaus. Bezüglich des Energiebedarfs können sie jedoch noch verbessert werden. Das gilt insbesondere für den Kühlbetrieb. Ist nämlich die Leistung des Kühlbetriebs auf Vollbesetzung des Fahrgastraumes abgestellt, so muß dann bei schwacher Besetzung des Fahrgastraumes ein erheblieher Wärme-Zusatzanteil zugeführt werden, um trotz der schwachen Besetzung ein angenehmes Fahrgastklima zu schaffen. Zur vollen Kühlleistung kommt somit noch eine erhebliche Heizleistung hinzu. Das erhöht den Energieverbrauch und erschwert auch die Installation, zumal für jeden einzelnen Reisezugwagen nur eine beschränkte elektrische Leistung zur Verfügung steht. Bei der Verwendung von Zusatzheizkörpern kommt als ungünstig für den Energieverbrauch noch der Umstand hinzu, daß durch die häufigen Einschaltstromstöße bei

so Inbetriebnahme der Zusatzheizkörper elektrische Energie auf unwirtschaftliche Weise verbraucht wird. Bei Klimaanlagen mit zwei Verteilkanälen für Grundanteil und Wärme-Zusatzanteil besteht der zusätzliche Nachteil, daß Heizleistung und Luftdurchsatz für den Zusatzanteil entsprechend dem Maximalbedarf an zusätzlicher Wärme bemessen werden müssen, der sich bei sehr geringer Besetzung des Wagens ergibt. Damit muß der Zusatzanteil leistungsmäßig fast gleich dem Grundanteil dimensioniert werden. Das gilt insbesondere deshalb, weil diese Heizleistung für den Zusatzanteil stets verfügbar sein muß, um plötzlich auftretende Bedarfsspitzen an zusätzlicher Wärme, z. B. beim Aussteigen zahlreicher Reisender in größeren Bahnhöfen, jederzeit decken zu können. Neben dem erhöhten Energieverbrauch für den Zusatzanteil sind auch verhältnismäßig große Querschnitte für den Verteilkanal für den Zusatzanteil erforderlich, was eine weitere Erschwernis darstellt.