DE4113374C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Klimaanlage - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Klimaanlage

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DE4113374C2
DE4113374C2 DE4113374A DE4113374A DE4113374C2 DE 4113374 C2 DE4113374 C2 DE 4113374C2 DE 4113374 A DE4113374 A DE 4113374A DE 4113374 A DE4113374 A DE 4113374A DE 4113374 C2 DE4113374 C2 DE 4113374C2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Folgeregelung einer Klimaanlage.
Aus DE 30 29 097 C2 ist ein Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage bekannt, wobei eine in einen Raum einfallende Sonnenstrahlungsstärke, eine Außentemperatur und eine Raum­ temperatur erfasst wird, um eine Wärmemenge zu ermitteln, die benötigt wird, um in dem Raum die gewünschte Temperatur zu erreichen. Diese Soll-Temperatur wird mit Hilfe eines Temperaturwählers vorbestimmt. Personen, die sich in einem auf diese Weise klimatisierten Raum aufhalten, können unter Umständen die eingeregelte Temperatur als unangenehm emp­ finden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das bzw. die eine dem Temperaturempfinden der in einem kli­ matisierten Raum befindlichen Person möglichst genau entsprechende Klimatisierung ermög­ licht.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch die Vorrichtung ge­ mäß Anspruch 10 gelöst, wobei die erste, "ursprüngliche" Hauttemperatur der Person erfasst wird, wenn die Klimaanlage in Betrieb gesetzt wird. Da diese "ursprüngliche" Hauttemperatur in Zu­ sammenhang mit der Luftstromtemperatur steht, welche die Person als angenehm empfindet, kann deshalb durch experimentell vorbestimmte Beziehungen aus der "ursprünglichen" Haut­ temperatur ein Soll-Temperaturempfindungswert berechnet werden, der einer Soll- Hauttemperatur entspricht, welche von der Person erfahrungsgemäß zu Beginn des Klimaan­ lagenbetriebs als angenehm empfunden wird. Dem darauffolgenden Klimaanlagenbetrieb liegt dann zunächst diese als angenehm empfundene Hauttemperatur zu Grunde. Deshalb ist durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine dem Temperaturempfinden entsprechende Klimatisierung möglich.
Eine herkömmliche Regelungseinrichtung für eine Klimaanlage regelt üblicherweise einen Lüftermotor und eine Schaltklappe zum Umschalten zwischen Frischluft und Umluft usw., um die erforderliche Lufttemperatur des in den Raum eingeblasenen Luftstroms in Abhängigkeit von der aktuellen Raumtemperatur und der Temperatureinstellung zu bestimmen, um die aktuelle Raumtemperatur auf den eingestellten Wert aufrecht zu erhalten.
Bei einem derartigen System wird versucht, eine gleichbleibend angenehme Klimatisierung eines Raums oder des Innenraums eines Fahrzeugs durch Angleichung der Temperatur des eingeblasenen Luftstroms zu erreichen, wobei die Außentemperatur und die Stärke der Sonneneinstrahlung berücksichtigt wird. Bei herkömmlichen Klimaanlagen basiert die Bestimmung der erforderlichen Temperatur des eingeblasenen Luftstroms oder der Soll-Raumtemperatur und anderer Regelgrößen nur auf Umweltbedingungen wie Außentemperatur und Stärke der Sonneneinstrahlung, so daß die Erfordernisse für das Wohlbefinden des Passagiers nicht immer gewährleistet sind. Das liegt daran, daß die Erfordernisse für das Wohlbefinden des Passagiers bei herkömmlichen Regelungseinrichtungen nicht genau ermittelt werden.
Abgesehen von dem Ziel, nur die Temperatur des eingeblasenen Luftstroms zu regeln, ist es üblich ein System zu verwenden, welches die Stärke des eingeblasenen Luftstroms nach der Abweichung zwischen der aktuellen Raumtemperatur und der vorgegebenen Raumtemperatur oder einem auf dieser Abweichung basierenden Wert bemißt, um bei einer großen Abweichung eine große Luftmenge und bei einer kleinen Abweichung eine kleine Luftmenge zu liefern.
Sogar bei einem derartigen System ist eine für das Wohlbefinden zufriedenstellende Regelung der Stärke des Luftstroms jedoch nicht immer gewährleistet, da das für das Wohlbefinden einen wesentlichen Faktor bildende Temperaturempfinden nicht nur von der Temperatur, sondern auch von dem Luftstrom, der Feuchtigkeit, der Wärme aufgrund Sonneneinstrahlung sowie von menschlichen Faktoren wie Menge der Bewegungen oder Kleidung beeinflußt wird.
Um die Nachteile gemäß des Standes der Technik zu beseitigen, müssen für eine Klimatisierung folgende Tatsachen beachtet werden:
  • 1. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Hauttemperatur von in dem Raum befindlichen Personen und deren Temperaturempfinden (Empfinden von warm und kalt).
  • 2. Unter Normalbedingungen ist das Temperaturempfinden in dem Raum neutral (die Personen haben weder ein Wärme-, noch ein Kälteempfinden), wobei das Wohlbefinden unter diesen Umständen am größten ist.
  • 3. Unter von den Normalbedingungen abweichenden Bedingungen fühlen sich die in dem Raum befindlichen Personen am wohlsten bei einem Kälteempfinden wenn deren Hauttemperatur hoch ist und bei einem Wärmeempfinden, wenn deren Hauttemperatur niedrig ist.
Durch Experimente wurde bestätigt, daß zum Verwirklichen des neutralen Temperaturempfindens personenbezogene Faktoren wie die Anzahl der Bewegungen (Stärke des Stoffwechsels) und die Menge der getragenen Kleidung zusätzlich zu den Umweltbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Luftströmung und durch Sonneneinstrahlung hervorgerufene Wärme berücksichtigt werden sollten. Als Versuchsergebnis wurde herausgefunden, daß die Hauttemperatur der in einem Raum befindlichen Personen bei dem oben erwähnten neutralen Temperaturempfinden eng mit dem unter Berücksichtigung aller Einflußfaktoren bestimmten Temperaturempfinden einhergeht, wozu wie weiter oben beschrieben sowohl die umweltbedingten Einflußfaktoren, als auch die personenbedingten Einflußfaktoren zählen. Da bedeutet, daß wenn die Regelung aufgrund der Hauttemperatur erfolgt, es nicht erforderlich ist, die Wirkung der Raumtemperatur und die Wärmeeinwirkung zu berücksichtigen, was bei herkömmlichen Klimatisierungstechniken ein Problem darstellt.
Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es unter Normalbedingungen möglich, das Temperaturempfinden der in dem Raum befindlichen Personen aus ihrer Hauttemperatur zu bestimmen. Es ist jedoch notwendig, nicht nur die Hauttemperatur, sondern auch die Änderungsgeschwindigkeit der Hauttemperatur unter nicht stabilen Bedingungen der Raumtemperatur unmittelbar nachdem die Personen in den Raum hineingelangt sind zu berücksichtigen, bis sich der Zustand stabilisiert hat. Dies kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
S = K1 × Ts + K2 × Ts. + C (1)
K1, K2, C: Konstanten
Ts: Hauttemperatur
Ts.: Änderungsgeschwindigkeit der Hauttemperatur
Wie oben gezeigt ändert sich das Temperaturempfinden mit der Hauttemperatur.
Um durch die Klimatisierung Wohlbefinden zu erreichen, ist es daher notwendig, die Raumtemperatur unter Berücksichtigung der Hauttemperatur (wahrgenommene Temperatur) der in dem Raum befindlichen Personen zu berücksichtigen.
Andererseits ist es dem Fachmann bekannt, daß eine enge Beziehung zwischen der Hauttemperatur der Personen und deren Temperaturempfinden besteht.
Demgemäß ist auch ein Verfahren bekannt, bei welchem die Raumtemperatur derart geregelt wird, daß die Hauttemperatur der Personen eine angenehme Temperatur annimmt.
Eine Klimaanlage, welche die Raumtemperatur unter Berücksichtigung der Hauttemperatur regelt, ist beispielsweise in den Veröffentlichungen der ungeprüften Japanischen Patentanmeldungen Nr. 55-95054, 57-37642, 60-92919 und 62-125243 bekannt.
JP 57-37642 A offenbart ein Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage, wobei die Hauttem­ peratur einer in dem Raum befindlichen Person erfasst wird, um die Klimaanlage in Abhän­ gigkeit von der gemessenen Hauttemperatur ein- oder auszuschalten, jedoch nicht zu regeln.
Bei einer Regelungseinrichtung einer Klimaanlage, welche die Stärke des Luftstroms auf oben geschilderte Weise regelt, können sich die in dem Raum befindlichen Personen jedoch während des Vorgangs des Erreichens einer angenehmen Hauttemperatur unwohl fühlen oder auch nachdem die Hauttemperatur einen angenehmen Wert erreicht hat, da die Beziehung zwischen dem Temperaturempfinden und der Hauttemperatur und die Beziehung zu der eingeblasenen Luftmenge überhaupt nicht berücksichtigt wurde.
Die JP 1-229713 offenbart ebenfalls ein Verfahren, bei welchem die Hauttemperatur erfaßt wird, wobei zusätzlich ein aktuelles Temperaturempfinden einer in dem Fahrzeug befindli­ chen Person berücksichtigt wird.
Jedoch fühlten sich die Personen aufgrund der Luftgeräusche und des eingeblasenen Luftstroms unwohl, auch wenn das Temperaturempfinden zufriedenstellend war, besonders wenn der Luftstrom übermäßig stark war.
Ein weiteres Problem, weshalb eine Person sich unwohl fühlen kann wenn die Regelung der Klimaanlage nur durch Angleichen der Hauttemperatur an eine Soll-Hauttemperatur erfolgt, entsteht dann, wenn die Person vor dem Hineingelangen in den Raum einer übermäßig heißen oder kalten Umwelt ausgesetzt war oder einer stärkeren Sonneneinstrahlung.
Anders als bei herkömmlichen Regelungseinrichtungen von Klimaanlagen bei welchen einfach ein Sollwert im Vorhinein festgesetzt wird wie die Raumtemperatur oder die Menge der eingeblasenen Luft und die Klimaanlage derart geregelt wird, daß die aktuelle Raumtemperatur oder die Menge der eingeblasenen Luft dem Sollwert entspricht, ist die Aufgabe der Erfindung eine Regelungseinrichtung für eine Klimaanlage bereitzustellen, welche in der Lage ist, die Temperatur und die eingeblasene Luftmenge kontinuierlich unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen dem Temperaturempfinden und der Hauttemperatur zu regeln und diese Einflußfaktoren in das Regelungssystem einzubeziehen.
Bei einem herkömmlichen System, welches die Änderungsgeschwindigkeit der Hauttemperatur nicht berücksichtigt, wird die Regelung nur aufgrund der Hauttemperatur vorgenommen. Es war daher nur möglich, die Lufttemperatur der eingeblasenen Luft zu verringern, wenn die Hauttemperatur hoch war und zu erhöhen wenn sie niedrig war.
Auch bei der gleichen Hauttemperatur haben die sich in dem Raum befindlichen Personen ein relativ warmes Temperaturempfinden wenn ihre Hauttemperatur steigt und ein relativ kaltes Temperaturempfinden wenn sie fällt. Herkömmliche Systeme konnten diese Erscheinung nicht berücksichtigen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der Grundkonzeption eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Regelungseinrichtung der Klimaanlage;
Fig. 2 einen Schnitt der Klimaanlage;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Haut-Temperaturdifferenz δT und der Soll- Luftgeschwindigkeit V bei obiger Ausführungsform;
Fig. 4 ein Diagramm des vorgegebenen Zusammenhangs nach Fig. 3;
Fig. 5 ein Flußdiagramm der Klimaanlage;
Fig. 6 bis 9 Diagrame über betriebsgemäße Zusammenhänge verschiedener Größen;
Fig. 10 ein Blockdiagramm der Grundkonzeption eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Regelungseinrichtung der Klimaanlage;
Fig. 11 ein Diagramm über Bereiche von Soll-Temperaturempfindungen S';
Fig. 12 Bereiche, in denen sich eine Person wohl fühlt.
In den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen wird eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge beschrieben. Jedoch sind die Regelungseinrichtungen derartiger Klimaanlagen nicht auf den Einsatz in Kraftfahrzeugen beschränkt, sondern können in jedem geschlossenen Raum eingesetzt werden, der von Personen nutzbar ist.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm der technischen Grundkonzeption eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Klimaanlage. Diese Ausführungsform hat eine Luftstrom-Regelungseinrichtung (Regelungsmittel) 112 zum Regeln eines Lüfters 113 und damit der Stärke des von dem Lüfter 113 geförderten Luftstroms. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von der von einem Temperaturfühler 111 erfaßten Hauttemperatur und einer Soll-Hauttemperatur, um eine angenehme Temperaturempfindung zu erreichen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts der vorgenannten Ausführungsform einer Klimaanlage für Fahrzeuge. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug mit einer Klimaanlage-Einheit 2 versehen. Die Konstruktion der Klimaanlage- Einheit 2 ist an sich bekannt und setzt sich zusammen aus einer Frischluft-Umluft-Schalteinheit 21 zum wahlweisen Zuführen von Frischluft oder Umwälzen von Raumluft, einem Lüfter 22, einem Verdampfer 23, einer Heizeinheit 24, einer Luftmischklappe 25, Belüftungsauslässen 26 und 27, und einer Schaltklappe 28 zum Schalten der Belüftungsauslässe.
Eine Regelungsvorrichtung 31 zum Regeln der Klimaanlage-Einheit 2 ist mit einem Mikrocomputer ausgestattet. Dieser Mikrocomputer empfängt Signale von einem Außentemperaturfühler (Umgebungs­ luft-Temperaturfühler) 32, einem Sonnenstrahlungsfühler (Son­ nenstrahlungsfühler) 33, einer Schalttafel 34, einem Raumtemperaturfühler 35, einem Infrarot-Hauttemperaturfühler 36, und einem Luftmischklappen-Stellungsfühler 29, der signalisiert, wie weit die Luftmischklappe 25 geöffnet ist. Die Regelungseinrichtung regelt die Schaltklappe 28, durch welche die zwischen die Auslässe 26 und 27 geblasene Luft jeweils zu dem entsprechenden Auslaß 26 bzw. 27 geschaltet wird. Normalerweise wird die Schaltklappe 28 derart geregelt, daß während des Kühlens (Belüftungszustand) die Luft aus dem Auslaß 26 und während des Heizens (Heizzustand) die Luft aus dem Auslaß 27 ausströmt.
Der Infrarot-Hauttemperaturfühler erfaßt die Hauttemperatur des Gesichtes ohne dieses zu berühren. Der Hauttemperaturfühler mißt die Hauttemperatur indirekt und sendet einen Näherungswert aus.
In der oben beschriebenen Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels werden die Signale der Fühler von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt und dem Mikrocomputer der Regelungseinrichtung zugeführt, wo die Signale für weiter unten angeführte Berechnungen gespeichert werden. Schließlich berechnet die Regelungseinrichtung 31 die Stärke der Regelung der Raumtemperatur und die Stärke des zugeführten Luftstroms sowie die Soll-Raumtemperatur aufgrund der Hauttemperatur.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Stärke des Luftstroms unter Berücksichtigung der aus der Hauttemperatur abgeleiteten Temperaturdifferenz δTs berechnet, die sich aus folgender Gleichung (2) berechnet:
δTs = Ts - Ts' (2)
Ts: Aktuelle Hauttemperatur des Passagiers
Ts': Hauttemperatur unter Normalbedingungen, wobei die Soll- Temperaturempfindung erreicht ist.
Ts' berechnet sich hier aus der nachfolgenden Gleichung (3), wobei in Gleichung (1) für S die Soll-Temperaturempfindung S' eingesetzt und Ts˙ = 0 gesetzt wurde (unter Normalbedingungen).
Ts' = (S' - C)/K1 (3)
Die Stärke des zugeführten Luftstroms, die sich aus δTs berechnet, entspricht einem durch nachfolgend beschriebenes Experiment ermittelten Vorgabewert.
Das Experiment wurde durchgeführt, um ein Schema von Vorgabewerten für die Stärke des Luftstroms zu erhalten. δTs wurde variiert und die Stärke des Luftstroms bei der sich der Passagier wohl fühlt wurde für jeden Wert von δTs erfaßt. Die Ergebnissse dieses Experiments sind in Fig. 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt, daß die Passagiere einen schwächeren Luftstrom bevorzugen, wenn der Wert für δTs geringer ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das in Fig. 4 dargestellte Schema von Vorgabewerten in der Regelungseinrichtung gespeichert. Die Vorrichtung berechnet die Stärke des Luftstroms aus diesen Schema von Vorgabewerten und dem jeweiligen Wert δTs.
Nachfolgend wird der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei beispielhaft der Kühlbetrieb geschildert wird.
Die Regelungseinrichtung 31 wird von der Batterie des Fahrzeuges (nicht dargestellt) mit elektrischer Leistung versorgt, und der Betriebsablauf wird von einem nicht dargestellten Betriebsschalter in Gang gesetzt, wobei der Betrieb gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramm abläuft und von der Regelungseinrichtung 31 die Raumtemperatur und die Stärke der Luftströmung geregelt wird.
In Schritt 110 werden die von den Fühlern gesendeten Signale eingegeben. Im Einzelnen wird die Hauttemperatur Ts des Passagiers von dem Hauttemperaturfühler 36 eingegeben. Als nächstes wird in Schritt 120 die Soll-Hauttemperatur Ts' errechnet. Das Soll-Temperaturempfinden S' entspricht dem Temperaturempfinden "warm" und "kalt", welches in Zahlen umgesetzt ist. Aus der nachfolgenden Gleichung (4) errechnen sich die in Fig. 6 dargestellten Charakteristiken.
S' = K3 × Trint + K4 × Tam + K5 × ST + C (4)
K3, K4, K5, C: Konstanten
Trint: Raumtemperatur vor Beginn der Klimatisierung (Ursprungstemperatur)
Tam: Außentemperatur
ST: Stärke der Sonneneinstrahlung
In diesem Ausführungsbeispiel ist Trint die zu dem Zeitpunkt gespeicherte Innenraumtemperatur der Fahrzeugs, in welchem der Betriebsschalter eingeschaltet wird.
Mit dieser Gleichung (4) wird das Soll-Temperaturempfinden S' aufgrund des Einflußfaktors der Wärmeverhältnisse festgesetzt, denen der Passagier vor der Klimatisierung ausgesetzt war, sowie aufgrund des Einflußfaktors der Wärmeverhältnisse in dem Raum.
Das Soll-Temperaturempfinden wird durch eine Eingabe des Passagiers über die Schalttafel 34 korrigiert und kann so "wärmer" oder "kälter" gewählt werden.
Daraufhin wird die Temperaturdifferenz δTs zwischen der aktuellen Hauttemperatur Ts und der in Schritt 110 eingegebenen Soll- Hauttemperatur Ts' ermittelt.
In Schritt 130 wird die Stärke des Luftstroms V aufgrund des in Schritt 120 ermittelten δTs und dem in Fig. 4 dargestellten Schema von Vorgabewerten für den Luftstrom bestimmt.
In Schritt 140 wird die Änderungsgeschwindigkeit der Soll- Hauttemperatur Ts´. aus nachfolgender Gleichung (5) ermittelt, die aus Gleichung (1) abgeleitet ist.
Diese Gleichung (5) zeigt, daß das Soll-Temperaturempfinden S' aus der Änderung Ts´. der Hauttemperatur ausgehend von der aktuellen Hauttemperatur Ts ermittelt werden kann.
In Schritt 150 wird eine Soll-Innenraumtemperatur Ta des Fahrzeugs aus der Änderungsgeschwindigkeit Ts´. der Soll- Hauttemperatur und der in Schritt 130 ermittelten Stärke des Luftstroms berechnet.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Modell eines menschlichen Körpers im Innenraum des Fahrzeugs installiert, um den Zusammenhang zwischen der Innenraumtemperatur Ta des Fahrzeugs und der Änderungsgeschwindigkeit der Hauttemperatur Ts˙ unter Umgebungsbedingungen im Fahrzeuginnenraum zu simulieren, wobei sich die Umgebungsbedingungen durch die Stärke der Sonneneinstrahlung und die Stärke des Luftstroms usw. ändern. In Schritt 150 wurde die Soll-Innenraumtemperatur des Fahrzeugs, die eine Soll-Hauttemperatur-Änderungsgeschwindigkeit Ts˙ vorgibt, auf der Basis der Ergebnisse dieser Simulation berechnet.
In Schritt 160 wird eine Soll-Luftstromtemperatur Tao ermittelt, aus welcher sich die Soll-Fahrzeug-Innenraumtemperatur Ta ermittelt. In Schritt 170 werden Regelsignale an den Lüfter 22 übermittelt, um die in Schritt 130 ermittelte Stärke des Luftstroms vorzugeben. In Schritt 180 werden Regelsignale zum Regeln der Öffnungsstellung der Luftmischklappe 25 ausgegeben, um die Soll-Luftstromtemperatur Tao zum Erreichen der in Schritt 150 festgelegten Soll-Innenraumtemperatur Ta des Fahrzeugs zu verwirklichen.
Die Signale der Fühler werden in periodischen Abständen auf den neuesten Stand gebracht und die Abfolge von Regelungs- bzw. Steuervorgängen wird wiederholt.
Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Innenraumtemperatur des Fahrzeugs für ein Soll- Temperaturempfinden bei einer bestimmten Stärke des Luftstroms unter Berücksichtigung der Hauttemperatur des Passagiers zu erreichen. Infolgedessen ist es möglich, dem Passagier ein Soll- Temperaturempfinden bei einer auf dem Temperaturempfinden des Passagiers basierenden Stärke des Luftstroms zu geben.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Infrarot- Hauttemperaturfühler 36 verwendet, aber es ist auch möglich, einen Temperaturfühler zu verwenden, der die Hauttemperatur direkt mißt.
Es kann auch ein Überschlags-Temperaturfühler verwendet werden. Eine Vielzahl von Ausgestaltungen derartiger Überschlags- Hauttemperaturfühler ist bekannt. Derartige Fühler liefern einen Überschlagswert der Hauttemperatur unter Umgebungsbedingungen, wozu die Innenraumtemperatur des Fahrzeugs, die Luftströmung, die Feuchtigkeit, und die durch Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme gehören, wobei der Fühler mit einer Einrichtung versehen ist, welche einen Schätzwert der von der Sonne und von dem menschlichen Körper gelieferte Wärme liefert.
Die Vorgabewerte für die Stärke der Luftströmung können sich gemäß den Ergebnissen des in Fig. 3 gezeigten Experiments alternativ zu dem in Fig. 4 gezeigten Stufenschema auch kontinuierlich ändern.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Stärke des Luftstroms aufgrund des aus Gleichung (2) ermittelten Wertes für δTs festgelegt. Es kann jedoch jeder Wert verwendet werden, der sich mit dem Temperaturempfinden des menschlichen Körpers ändert.
Beispielsweise kann die Stärke des Luftstroms V aus nachfolgender Gleichung (6) unter Verwendung der Hauttemperatur- Änderungsgeschwindigkeit Ts. ermittelt werden, wobei das Regeln der Stärke des Luftstroms bei einer anderen Betriebsart als Index erfolgt.
V = K6 × Ts. (6)
K6: Konstante
Für Ts' erhält man Ts' = Ts´. durch Ausführung der Rechnung nach Schritt 140. Bei der Vorgabewert-Funktion für die Stärke des Luftstroms gemäß Fig. 7 ist der Bezugspunkt 0. Die Stärke des Luftstroms wird mit abnehmendem Ts. geringer und nähert sich dem Wert 0 an.
Die Stärke V des Luftstroms kann auch aus Gleichung (7) unter Verwendung einer Hauttemperatur Ts* ermittelt werden, welche vor dem nachfolgenden Regelungszyklus ermittelt werden sollte, und der aktuellen Hauttemperaturmessung.
V = K7 × (Ts - Ts*) = K7 × (-Ts˙ × δT) (7)
K7: Konstante
δT: Zeitdauer der Regelungsperiode
Gleichung (7) zeigt, daß (Ts - Ts*) den selben Wert wie (-Ts × δT) hat.
Bei der auf dieser Rechengröße basierenden Regelung wird die Berechnung von Ts˙ anstatt in Schritt 140 in Schritt 120 vorgenommen. Als nächstes wird (-Ts. × δT) berechnet um (Ts - Ts*) zu ermitteln, welches als Rechengröße benutzt wird. Charakteristisch für diese Rechengröße ist es, daß sie sich dem Wert 0 annähert, wenn die Stärke des Luftstroms verringert wird, wie in Fig. 8 dargestellt ist.
Die gemessene Hauttemperatur Ts kann auch direkt für die Bestimmung der Stärke V des Luftsroms gemäß nachfolgender Gleichung (8) verwendet werden.
V = K9 × Ts (8)
Mit dieser Rechengröße wird Ts' in Schritt 120 aus Fig. 5 ermittelt und die Stärke des Luftstroms mit Hilfe der Hauttemperatur Ts als Bezugswert bestimmt, bis Ts zu Ts' wird. Die entsprechende Charakteristik ist in Fig. 9 dargestellt.
In obigem Ausführungsbeispiel ist die Funktion nur anhand der Betriebsart des Kühlens beschrieben. Unter Heizbedingungen ist es ebenfalls möglich, die Stärke des Luftstroms gemäß dem Hauttemperatur-Index zu berechnen. Im Fall des Heizens ist es ebenfalls möglich die Berechnungen mit jeder Rechengröße als Betrag mittels der Gleichungen (2), (6), und (7) durchzuführen, wobei der in Fig. 9 dargestellte Graph symmetrisch zur y-Achse des Koordinatensystems gespiegelt ist und über Ts mittels Gleichung (8) die Vorgabewert-Funktion für die Stärke des Luftstroms ermittelbar ist.
Auch kann das Soll-Temperaturempfinden S' aufgrund nachfolgender Gleichung (9) festgelegt werden, wodurch sich der in Fig. 11 dargestellte funktionale Zusammenhang ergibt.
S' - K3' × Tsint + K4' × Tam + K5' × ST + C' (9)
K3', K4', KS', C': Konstanten
Tsint: Hauttemperatur vor Beginn der Klimatisierung (Ursprungs- Hauttemperatur)
Tam: Außentemperatur
ST: Stärke der Sonneneinstrahlung
In Gleichung (9) wurde die Ursprungs-Hauttemperatur Tsint anstatt der Ursprungs-Raumtemperatur Trint verwendet. Ein Soll- Temperaturempfinden S' kann unter Berücksichtigung der Wärmeeinwirkung, der die Person in dem Raum ausgesetzt ist, der Bewegung, und der Wärmeeinwirkung in dem Raum vor Beginn der Klimatisierung festgelegt werden. Wie weiter oben beschrieben kann sich das Temperaturempfinden S aufgrund der äußeren Temperatur, der Raumtemperatur, der Stärke der Sonneneinstrahlung und der Wärmeeinwirkung, der die Person ausgesetzt ist, ändern. Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wonach sich das Temperaturempfinden aufgrund der Außentemperatur und der Stärke der Sonneneinstrahlung ändert.
In Fig. 12 zeigt R jeweils einen bevorzugter Bereich des Temperaturempfindens S, bei welchem sich Personen bei den jeweiligen Außentemperaturen ohne die Einstrahlung von Sonnenlicht wohl fühlen, beispielsweise bei 0°C, 20°C, und 28°C. Mit einem dreieckigen Symbol sind jeweils die Punkte bezeichnet, bei welchen das Temperaturempfinden S am angenehmsten ist. Bei einer Außentemperatur von 0°C und fehlender Sonneneinstrahlung liegt demnach das angenehmste Temperaturempfinden bei +1, während dieses bei 0 bzw. -1 bei einer Außentemperatur von 20°C bzw. 28°C liegt.
Andererseits ist bei Sonneneinstrahlung ein relativ geringes Temperaturempfinden gefordert und gemäß einem Experiment, in welchem das Temperaturempfinden bei einer Außentemperatur von 28°C bei einer gewissen Sonneneinstrahlung ermittelt wurde, lag das angenehmste Temperaturempfinden S bei -2, was in Fig. 12 durch ein quadratisches Symbol dargestellt ist.
Zusätzlich zu den Gleichungen (4) oder (9) können alle Größen Trint, Tsint, Tam, und ST für das Festlegen eines Soll- Temperaturempfindens S' verwendet werden.
Beispielsweise kann das Soll-Temperaturempfinden S' auf der Basis der Hauttemperatur zu Beginn der Klimatisierung, welche eine Folge der Wärmeeinwirkung auf die Passagiere vor Eintritt in das Fahrzeug ist, der Bewegungen der Passagiere, der Umweltbedingungen in dem Fahrzeug unmittelbar nach Eintreten der Passagiere, und der Wärmeeinwirkung in dem Innenraum des Fahrzeugs festgelegt werden, wobei Korrekturen an der ursprünglichen Raumtemperatur Trint, der Außentemperatur Tam und der Stärke der Sonneneinstrahlung ST vorgenommen werden.
Das Soll-Temperaturempfinden S' muß kein konstanter Wert sein, nachdem die Raumtemperatur und die Hauttemperatur sich stabilisiert haben. S' kann sich für das Wohlbefinden zyklisch oder stochastisch ändern.
Obgleich das oben geschilderte Ausführungsbeispiel eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug oder ähnliches betrifft, sind vom Prinzip her gleiche Klimaanlagen auch für Häuser oder Büros verwendbar.
Nach der ersten Ausführungsform der Klimaanlagen wird die Stärke des Luftstroms aufgrund der Hauttemperatur der in dem klimatisierten Raum befindlichen Person ermittelt, wodurch ein angenehmer Luftstrom durch Ermitteln der Änderung des Temperaturempfindens der Personen bereitgestellt werden kann.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Klimaanlage ist eine Konstruktion der Regelungseinrichtung vorhanden, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, wobei die Regelungseinrichtung versehen ist mit
einer ersten Fühlereinrichtung 201, die die Wärmeeinwirkung ermittelt, welcher die von der Klimatisierung betroffene Person ausgesetzt wurde, bevor sie in den klimatisierten Raum gelangt ist;
einer zweiten Fühlereinrichtung 202 zum Ermitteln von wenigstens einer der Werte Ursprungs-Raumtemperatur, Stärke der Sonneneinstrahlung, und Außentemperatur, während der Klimatisierungsvorgang ausgeführt wird;
einer Einrichtung 203 zum Bestimmen eines Soll- Temperaturempfindens aufgrund eines der ermittelten Werte des thermischen Zustands, d. h. aufgrund der Ursprungs-Raumtemperatur, der Stärke der Sonneneinstrahlung, und der Außentemperatur, und einer Angleicheinrichtung zum Angleichen des Wertes des Soll- Temperaturempfindens derart, daß wenn sich einer der ermittelten Werte des thermischen Zustands erhöht, d. h. die Ursprungs- Raumtemperatur, die Stärke der Sonneneinstrahlung, oder die Außentemperatur sich erhöhen, das Soll-Temperaturempfinden so eingestellt wird, daß Kühlung erfolgt, während bei Verringerung obiger Werte das Soll-Temperaturempfinden so eingestellt wird, daß der Heizbetrieb einsetzt;
Regelungsmitteln zum Regeln der Einrichtungen der Klimaanlage sowie diese Einrichtungen.
Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung hat die erste Fühlereinrichtung 201 die Funktion, die Hauttemperatur einer Person zu ermitteln und die Wärmeeinwirkung abzuschätzen, welcher die Person vor Hineingelangen in den Raum ausgesetzt war.
Der in der ersten Fühlereinrichtung benutzte Fühler kann ein Infrarot-Hauttemperaturfühler sein, ein Fühler zum unmittelbaren Messen der Hauttemperatur der Person, oder ein Überschlags- Hauttemperaturfühler.
Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zunächst eine Soll- Temperaturempfindung provisorisch aufgrund des von der ersten Fühlereinrichtung 201 ermittelten thermischen Zustands festgesetzt und diese provisorische Soll-Temperaturempfindung gemäß den Änderungen von zumindest einem der Werte Ursprungs- Raumtemperatur, Stärke der Sonneneinstrahlung, oder Umgebungstemperatur, angeglichen, wobei diese Werte von der zweiten Fühlereinrichtung 202 auf oben beschriebene Weise ermittelt werden.
Unter dem thermischen Zustand wird derjenige Zustand verstanden, welchem die Person für welche die Klimatisierung durchgeführt wird, unter Außenbedingungen ausgesetzt war, oder derjenige Zustand, dem die Person innerhalb des Raumes vor Beginn der Klimatisierung ausgesetzt war.
Demgemäß wird bei unterschiedlichen Umweltbedingungen, denen die Personen ausgesetzt waren, beispielsweise wenn sich die Peronen in einer heißen oder einer kalten Umgebung aufgehalten haben, die Soll-Temperaturempfindung an die unterschiedlichen Werte im Hinblick auf die Umweltbedingungen in oben beschriebener Weise angepaßt.
Tagsüber bei starker Sonneneinstrahlung oder im Sommer bei hohen Außentemperaturen empfinden die von der Klimatisierung betroffenen Personen ein kühleres Temperaturempfinden als angenehmer, weshalb die Soll-Temperaturempfindung auf ein kühleres Niveau festgesetzt werden kann, während nachts bei fehlender Sonneneinstrahlung oder im Winter bei relativ geringen Außentemperaturen der Wert der Soll-Temperaturempfindung auf ein höheres Niveau festgesetzt werden kann.
Mit dem vorliegenden Verfahren wird eine Wohlbefinden erreichende Klimatisierung unter Berücksichtigung unterschiedlicher Umweltbedingungen oder saisonaler Unterschiede der Umweltbedingungen durch Festsetzen einer Soll-Temperaturempfindung verwirklicht wird, die einen Sollwert für die Klimatisierung darstellt, der in geeignetem Maß die Umweltbedingungen berücksichtigt, denen die Personen von dem . Hineingelangen in der Raum ausgesetzt waren, und eine weitere Umweltbedingung berücksichtigt, welcher die Personen nach Beginn der Klimatisierung ausgesetzt sind, wobei durch Angleichen des Niveaus des Soll-Temperaturempfindens auf einen für das Wohlbefinden der Personen geeigneten Wert erfolgt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Folgeregelung einer Klimaanlage, die mit einer die Hauttemperatur (Ts) einer Person in einem Raum beeinflussenden Luftstom-Regelungseinrichtung (112) versehen ist, wobei
ein Anfangs-Hauttemperatur-Wert (Tsint) der Person oder ein Anfangs- Raumtemperatur-Wert (Trint) bei Beginn des Klimaanlagenbetriebes erfasst wird, und
als Führungsgröße für einen Soll- Hauttemperatur-Wert (Ts') dient, und kontinuierlich eine in den Raum einfallende Sonnenstrahlungsstärke (ST) und eine Außentemperatur (Tam) erfasst wird und
ein Soll-Temperaturempfindungswert (S') in Abhängigkeit der erfassten Werte der Sonnenstrahlungsstärke (S1), der Außentemperatur (Tam), und des erfassten Anfangs-Hauttemperatur-Wertes (Tsint) oder des erfassten Anfangs- Raumtemperatur-Wertes (Trint) mittels eines experimentell vorbestimmten Verhältnisses (K3, K4, K5; K3', K4', K5') zwischen diesen Werten berechnet wird,
ein Soll-Hauttemperatur-Wert (Ts') in Abhängigkeit von dem Soll-Temperatur- Empfindungswert (S') mittels eines weiteren experimentell vorbestimmten Verhältnisses (K1) zwischen dem Soll-Hauttemperatur-Wert (Ts') und dem Soll- Temperatur-Empfindungswert (S') berechnet wird, und mit dem Hauttemperatur-Wert (Ts) verglichen wird, und wobei die Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) derart eingestellt wird, dass der Hauttemperatur-Wert (Ts) der person dem berechneten Soll- Hauttemperatur-Wert (Ts') angeglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klimaanlage eine Luftmengen- Ermittlungseinrichtung umfasst, und die Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) die eingeblasene Luftmenge regelt, um die Hauttemperatur (Ts) der berechneten Soll- Hauttemperatur (Ts') anzugleichen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) die Stärke des eingeblasenen Luftstroms auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen der Hauttemperatur (Ts) und der Soll-Hauttemperatur (Ts') bestimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) die eingeblasene Luftmenge unter Verwendung der Änderungsgeschwindigkeit der Hauttemperatur (Ts) bestimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sonnenstrahlungsstärke (ST), die Außentemperatur (Tam) und die Raumtemperatur in vorbestimmten Zeitabständen erfaßt werden, und der Soll-Hauttemperatur-Wert (Ts') jeweils vor der nächsten Erfassungszeit berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftstrom- Regelungseinrichtung (112) die Stärke des eingeblasenen Luftstroms auf der Grundlage des Hauttemperatur-Werts (Ts) als Bezugsgröße bestimmt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll- Temperaturempfindungswert (S') als ein Wert berechnet wird, der in Abhängigkeit von steigender Hauttemperatur (Ts), Sonnenstrahlungsstärke (ST) und/oder Raumtemperatur sinkt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Soll- Raumtemperatur berechnet wird, und die Änderung der Soll-Raumtemperatur erfaßt wird, und die Soll-Lufttemperatur der eingeblasenen Luft auf der Grundlage der Soll- Raumtemperatur berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll- Temperaturempfindungswert (S') auf der Grundlage zumindest der Außentemperatur (Tam), der Sonnenstrahlungsstärke (ST) und der Wärmeeinwirkung, welchen die Person vor Gelangen in den Raum ausgesetzt war, berechnet wird.
10. Vorrichtung, die das Verfahren zur Folgeregelung einer Klimaanlage gemäß Anspruch 1 ausführt, umfassend
eine Regelungseinrichtung (31), die mit einer Hauttemperatur-Ermittlungseinrichtung (36), die einen Hauttemperatur-Wert der Person bei Beginn des Klimaanlagenbetriebs erfasst, einem Sonnenstrahlungsfühler (33), einem Außentemperaturfühler (32), einem Raumtemperaturfühler (35), und mit der Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) verbunden ist, wobei
in der Regelungseinrichtung (31)
ein Anfangs-Hauttemperatur-Wert (Tsint) oder ein Anfangs-Raumtemperatur-Wert (Trint) als Führungsgröße für einen Soll-Hauttemperatur-Wert (Ts') sowie ein experimentell vorbestimmtes Verhältnis (K3, K4, K5; K3', K4', K5') zwischen den erfassten Werten zur Berechnung eines Soll-Temperaturempfindungswerts (S') und
ein weiteres experimentell vorbestimmtes Verhältnis (K1) zwischen der Soll- Hauttemperatur (Ts') und dem Soll-Temperaturempfindungswert (S') speicherbar ist, und
die Regelungseinrichtung (31) den Soll-Temperaturempfindungswert (S') mit dem Hauttemperatur-Wert (Ts) vergleicht, und
die Luftstrom-Regelungseinrichtung (112) derart einstellt, dass die Hauttemperatur (Ts) der Person dem berechneten Soll-Hauttemperatur-Wert (Ts') angeglichen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei sie eine erste Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen des Soll-Temperaturempfindungswerts (S'), eine zweite Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen des Soll-Hauttemperatur-Werts (Ts') zum Erreichen des optimalen Soll-Temperaturempfindungs-Werts, und eine dritte Datenverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Stärke des eingeblasenen Luftstroms aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Soll-Hauttemperaturwert (S') und dem aktuell ermittelten Hauttemperatur-Wert (Ts) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei sie eine vierte Datenverarbeitungseinrichtung zum Berechnen von Änderungen der Soll-Hauttemperatur (Ts'), eine fünfte Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen einer Soll-Raumtemperatur, wodurch die Änderung der Soll-Hauttemperatur bestimmbar ist, und eine sechste Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen der Soll-Lufttemperatur der eingeblasenen Luft aufgrund der Soll-Raumtemperatur, sowie Regelungsmittel zum Regeln der Temperatur der eingeblasenen Luft aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend eine Blasluftmengen- Ermittlungseinrichtung, die aufweist:
Eine Soll-Hauttemperatur-Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Soll- Hauttemperatur in Übereinstimmung mit der Sollwärmeempfindung, die durch die Sollwärmeempfindungs-Ermittlungseinrichtung ermittelt wird, und der Geschwindigkeit der Soll-Hauttemperaturänderung einer Person, die normalerweise auftritt, und
eine Differenzberechnungseinrichtung zum Berechnen einer Differenz zwischen den Soll-Hauttemperatur-Werten (Ts'), die durch die Soll-Hauttemperatur- Berechnungseinrichtung berechnet wird, und der Hauttemperatur (Ts), die durch die Hauttemperatur-Ermittlungseinrichtung ermittelt wird, wodurch die Blasluftmenge durch die Differenz ermittelt wird, die durch die Differenzermittlungseinrichtung berechnet wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei sie eine erste Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen der Soll-Haut-Temperatur-Werte (Ts') aufweist und eine zweite Datenverarbeitungseinrichtung zum Bestimmmen der Stärke eines eingeblasenen Luftstroms aufgrund der Differenz zwischen der Soll-Haut-Temperatur und der aktuell errmittelten Hauttemperatur(Ts).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei sie eine dritte Datenverarbeitungseinrichtung zum Berechnen von Änderungen der Soll-Hauttemperatur-Werte (Ts') aufweist, eine vierte Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen der Sollraumtemperatur, wodurch die Änderung der Soll-Raumtemperatur bestimmbar ist, wodurch wiederum die Änderung der Soll-Hauttemperatur-Werte (Ts') und eine fünfte Datenverarbeitungseinrichtung zum Errechnen der Solllufttemperatur der eingeblasenen Luft aufgrund der Sollraumtemperatur versehen ist sowie Regelungsmittel zum Regeln der Temperatur der eingeblasenen Luft.
16. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll- Temperaturempfinden aufgrund zumindest der Außentemperatur (Tam) der Raumtemperatur, der Sonnenstrahlungsstärke (ST) und der Wärmeeinwirkung, welcher die Person vor Gelangen in den Raum ausgesetzt war, abgeleitet wird.
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