DE4320394C2 - Heizungs- und Belüftungseinrichtung sowie Verfahren zu deren Steuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere für Schienenfahrzeuge des Personennahverkehrs, sowie ein Verfahren zu deren Steuerung.

Derartige Heizungs- und Belüftungseinrichtungen sind bei Fahrzeugen mit hoher Personenbesetzung ohne Klimaanlage vorzusehen. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen des Personennahverkehrs weisen die Wagen sehr ähnliche konstruktive Merkmale auf, so daß versucht werden könnte, mit einer relativ kleinen Palette von Heizungs- und Belüftungsgeräten die verschiedenen Wagentypen zu bestücken.

Aus DE 30 48 226 C2 ist eine Einrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen zur Personenbeförderung bekannt, bei der ein Hauptlüfter angeordnet ist, der Außenluft und Umluft ansaugt und bei dem druckseitig ein Zusatzlüfter vorgesehen ist, der aus dem druckseitig geförderten Luftstrom des Hauptlüfters einen für den Heizbetrieb erforderlichen Luftstrom abzweigt und über eine Zusatzheizung dem Wagenboden zuführt. Hierbei gibt es keine Möglichkeit, ohne zusätzliche Stelleinrichtungen, den Anteil von Außen- und Umluft zu regeln.

Aus DE-OS 20 06 802 ist eine Warmluftheizeinrichtung für Fahrzeuge bekannt, bei der ein Hauptlüfter vorgesehen ist. Die unterschiedlichen Klimatisierungsarten wie Lüften, Normalheizen (mit Außenluft) und Zusatzheizen (mit Umluft) wird durch mehrere Einstellklappen ausgeführt.

Aus DE-Z IKZ-Haustechnik, Heft 16, 1992, Seite 62 bis 65 ist bekannt, daß die Drehzahlregelung in Lüftungsanlagen gegenüber eine Drosselregelung eine erhebliche Energieeinsparung aufweist. Hieraus ergibt sich kein Hinweis, ohne Stellklappen in einer Klimatisierungsanlage für Fahrzeuge Umluft- und Außenluftanteile ohne Stellklappen zu regeln.

Aus DE-PS 11 09 204 ist eine Klimatisierungseinrichtung für Schienenfahrzeuge bekannt, bei der mittels eines Lüfters und mittels Stellklappen zwischen Heiz- und Lüftungsbetrieb umgeschaltet werden kann.

Aus DE-Z ETR 37 (1988), Heft 11-November, Seite 726 bis 728 ist eine Heizungs- und Lüftungseinrichtung bekannt, bei der mit einem Doppellüfter außen beziehungsweise Umluft über einen Kühlwasserwärmetauscher und eine Widerstandsheizung (Bremse) die Fahrgasträume klimatisiert werden. Die Regulierung von Zuluft und Außenluftanteil erfolgt über Umlenkklappen.

Aus EP 370 247 A1 ist eine Vorrichtung zum Beheizen von Fahrgasträumen in Nahverkehrsfahrzeugen bekannt, bei der Außenluft in eine Isolierkammer strömt, in der Heizstäbe angeordnet sind, die erwärmte Luft teilweise, geregelt durch einen Schieber in eine Mischkammer gelangt, der Mischkammer außerdem Umluft, geregelt über einen Schieberzustrom und das Luftgemisch mittels eines Lüfters in den Fahrgastraum abgegeben wird.

Nach diesem Stand der Technik war es nicht möglich, den Umluft- und Außenluftanteil ohne Verwendung von Einstellklappen zu variieren.

Aufgabe der Erfindung war es, ein verbessertes Heizungs- und Lüftungsgerät anzugeben, bei dem auf die Verwendung von speziellen Stellklappen, beispielsweise zur Regulierung der Außenluft-Umluftanteile oder zur Umschaltung von Heizungs- und Lüftungsbetrieb verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 6 bzw. 8 und 9 geben erfindungsgemäße Ausgestaltungen an.

Das erfindungsgemäße Heizungs- und Lüftungsgerät weist wenigstens einen Hauptlüfter (A) auf, der saugseitig mit einer Außenluftöffnung verbunden ist, welche Schwerkraftklappen aufweist und der druckseitig mit wenigstens einer Kanalstrecke verbunden ist, die zu Lüftungsöffnungen für den Innenraum führt. Die erfindungsgemäße Heizungs- und Lüftungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Kanalstrecke wenigstens ein Zusatzlüfter (B) angeordnet ist, der saugseitig mit der Kanalstrecke, druckseitig mit Heizregistern und Heizleitungen verbunden ist. Im Heizungsbetrieb wird je nach gefordertem Heizprogramm der Zusatzlüfter alleine oder zusätzlich der Hauptlüfter eingeschaltet. Da der Zusatzlüfter in der Kanalstrecke des Hauptlüfters angeordnet ist und diese mit den Lüftungsöffnungen für den Innenraum in Verbindung stehen, wird durch die Saugwirkung des Zusatzlüfters im Heizbetrieb durch die Lüftungsöffnungen Luft aus dem Innenraum (Umluft) in die Kanalstrecke gesaugt und von hier aus dem Lüfter über Heizregister in die Heizleitungen geführt. Im Warmhaltebetrieb, der für die Fahrzeuge im Stillstandszeitraum vorgesehen ist, läuft der Zusatzlüfter mit einer kleinen Drehzahl. Die Schwerkraftklappen an den Außenluftöffnungen sind auf die Ansaugleistung abgestimmt, so daß diese bei geringer Drehzahl des Zusatzlüfters noch geschlossen sind. Im Vorheizbetrieb ist für den Zusatzlüfter eine erhöhte Drehzahl vorgesehen, bei der die Schwerkraftklappen aber noch weitgehend geschlossen bleiben, so daß nur eine geringe Außenluftmenge vom Zusatzlüfter durch den Hauptlüfter angesaugt wird. Im Normalbetrieb, wenn das Fahrzeug mit Personen besetzt ist, ist für den notwendigen Zusatz von Frischluft zu sorgen. Hierzu wird bei niedrigen Temperaturen der Hauptlüfter auf eine erste Drehzahl eingestellt. Gleichzeitig saugt der Zusatzlüfter Umluft an und fördert Außenluft sowie Umluft über die Heizregister in die Kanäle. Bei höheren Außentemperaturen wird die Drehzahl des Hauptlüfters gesteigert. Die Außenluft wird aber weiterhin über die Kanalstrecke vermittels des Zusatzlüfters über die Heizregister und die Heizleitungen gefördert.

Im Lüftungsbetrieb wird der Zusatzlüfter ausgeschaltet. Die Luft wird allein vom Hauptlüfter durch die Schwerkraftklappen angesaugt und, da der Zusatzlüfter in der Kanalstrecke nicht mehr ansaugt, durch die druckseitig an den Hauptlüfter angeschlossenen Lüftungsöffnungen gefördert. Durch zunehmende Spannung am Hauptlüfter kann die Drehzahl entsprechend der gewünschten Luftmenge eingestellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von Haupt- und Zusatzlüfter sowie die Anordnung des Zusatzlüfters in der Kanalstrecke, wobei die Ansaugseite des Zusatzlüfters mit der Druckseite des Hauptlüfters verbunden ist, kann ohne weitere Klappensteuerung allein durch Steuerung der Drehzahl der beiden Lüfter zwischen Heizungs- und Lüftungsbetrieb umgeschaltet werden. Außerdem können durch geeignete Drehzahlverhältnisse verschiedene Heizprogramme mit unterschiedlichen prozentualen Anteilen von Umluft und Außenluft gefahren werden. Schließlich kann durch Steuerung der Drehzahl des Hauptlüfters der Lüftungsbetrieb in gewünschter Weise eingestellt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, die Kanalstrecke des Hauptlüfters mehrteilig, insbesondere mit zwei Halbspiralen, auszubilden, wobei in jeder der beiden Teilkanalstrecken bzw. der Halbspiralen ein Zusatzlüfter angeordnet ist. Hierdurch fördert der Hauptlüfter in zwei zueinander entgegengesetzte Richtungen. Dies hat Vorteile für eine gleichmäßige Verteilung der Außenluft im Lüftungsbetrieb. Entsprechend wird im Heizungsbetrieb durch die Zusatzlüfter aus entgegengesetzten Richtungen angesaugt, wodurch ein gleichmäßigeres Strömungsprofil im Wagen erreicht wird.

Außerdem ergibt sich hierdurch eine symmetrische Gestaltung des Lüftungsgerätes, was fertigungstechnische Vorteile hat, die Anzahl unterschiedlicher Bauteile verringert und die Wartung vereinfacht.

Es ist insbesondere vorgesehen, die Lüfterdrehzahl von Haupt- und Zusatzlüftern spannungsabhängig einstellbar zu gestalten. Hierdurch ergibt sich eine vereinfachte Einstellbarkeit der gewünschten Drehzahl.

In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, Lüfter mit einphasigen Motoren zu verwenden, die über einen Stufentransformator mit Spannung versorgt werden. Hierdurch wird die Umschaltung auf verschiedene Drehzahlen mit Standardbauteilen, die weitestgehend wartungsfrei sind, ermöglicht.

Es ist insbesondere vorgesehen, den Zusatzlüfter und die Schwerkraftklappen so auf einander abzustimmen, daß bei der höchsten einstellbaren Drehzahlstufe der Zusatzlüfter die Klappen im wesentlichen geschlossen sind. Hierdurch wird eine feste Umluftmenge eingestellt. Der Anteil an Außenluft wird durch die Drehzahl des Hauptlüfters in vorbestimmter Weise hinzugefügt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Heizungs- und Belüftungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß im Heizbetrieb durch die Zusatzlüfter Umluft aus dem Innenraum über die Lüftungsöffnungen und die Kanalstrecke, aber auch je nach Heizstufe vom Hauptlüfter in die Kanalstrecke geförderte Luft zu den Heizregistern und den Heizkanälen geführt wird. Hinsichtlich der Vorteile dieses Verfahrens wird auf die Angaben zur Vorrichtung verwiesen.

Für den Lüftungsbetrieb sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, Außenluft durch die Schwerkraftklappen mittels des Hauptlüfters anzusaugen und durch die Kanalstrecke bei ausgeschaltetem Zusatzlüfter sowie, da jetzt dessen Saugleistung fehlt, durch die Lüftungsöffnungen zu führen. Auf diese Weise wird durch einfaches Ausschalten des Zusatzlüfters von Heizungs- auf Lüftungsbetrieb umgeschaltet. Das Wechseln der Betriebsarten (Warmhalten, Vorheizen, Heizen, Lüften) kann ohne motorisch betriebene Stellklappen vorgenommen werden. Dadurch ist der Aufbau einfach, wartungsarm, betriebssicher und kostengünstig.

Bevorzugt wird während der Bremsphase, in der der Motor als Generator wirkt, die anfallende elektrische Energie in die Heizregister geleitet und dort als Wärme gespeichert. Die Masse und das Speichervermögen sind entsprechend eingestellt.

Die Erfindung wird anhand eines schematisch in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Heizungs- und Belüftungsgerätes;

Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Heizungs- und Belüftungsgerätes;

Fig. 3 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Heizungs- und Belüftungsgerätes.

Das Heizungs- und Belüftungsgerät 1 besteht aus einem Gehäuse 2, in dem Hauptlüfter A und Zusatzlüfter B angeordnet sind. Das Gehäuse 2 weist Außenluftöffnungen 3 (Fig. 3) auf, in die Außenluft 4 eingesaugt wird. Die Außenluft 4 gelangt über Schwerkraftklappen 5 und Filter 6 in die Einlaßdüse 7 des Hauptlüfters A. Der Hauptlüfter A ist mit einer Kanalstrecke 8 versehen, die mit der Einlaßdüse 9 des Zusatzlüfters B sowie mit der Lüftungsöffnung 10 des Gehäuses 2 verbunden ist. Durch die Einlaßdüse 7 angesaugte Außenluft 4 wird vom Hauptlüfter A entlang der angedeuteten Richtung 11 in Richtung des Zusatzlüfters B gefördert. Bei der hier dargestellten Betriebsart mit 60% Außenluft und 40% Innenluft wird gleichzeitig durch die Lüftungsöffnung 10 angesaugte Umluft entlang des Weges 12 durch den Zusatzlüfter B angesaugt. An der Druckseite des Zusatzlüfters B wird die angesaugte Außenluft 4 und Umluft 12 über Heizregister 13 in Heizkanäle 14 (Fig. 3) gefördert. Die Heizkanäle 14 stehen mit Auslaßöffnungen in Fußbodenhöhe des Fahrzeuges in Verbindung.

Hinsichtlich der in Fig. 2 dargestellten Seitenansicht wird auf die Ausführung zu Fig. 1 verwiesen.

In Fig. 3 ist die zweiteilige Kanalstrecke 8 zu erkennen, welche durch die Halbspiralen 15, 15′ gebildet wird.

Für die unterschiedlichen Betriebsarten und die dafür erforderlichen Luftanteile ergibt sich aus der folgenden Tabelle 1 die nach dem Ausführungsbeispiel vorgesehene Einstellung der Drehzahlen für den Hauptlüfter A bzw. Zusatzlüfter B.

Tabelle 1

Claims (9)

1. Heizungs- und Belüftungseinrichtung mit wenigstens einem Hauptlüfter (A), der saugseitig mit wenigstens einer Außenluftöffnung verbunden ist, die Schwerkraftklappen aufweist, der druckseitig mit wenigstens einer Kanalstrecke verbunden ist, die zu Lüftungsöffnungen für den Innenraum führt, wobei in der Kanalstrecke (8) wenigstens ein Zusatzlüfter (B) angeordnet ist, der saugseitig mit der Kanalstrecke (8), druckseitig mit Heizregistern (13) und Heizkanäle (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalstrecke (8) druckseitig und der Zusatzlüfter (B) saugseitig mit einer Lüftungsöffnung (10) für Umluft (12) verbunden ist und die Drehzahlen von Hauptlüfter (A) und Zusatzlüfter (B) einstellbar sind.

2. Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalstrecke (8) mehrteilig, insbesondere mit zwei Halbspiralen (15, 15′) ausgebildet ist, wobei in jeder Kanalstrecke (8) ein Zusatzlüfter (B) angeordnet ist.

3. Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfterdrehzahl von Haupt- (A) und Zusatzlüftern (B) spannungsabhängig einstellbar ist.

4. Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur stufenweisen Drehzahleinstellung Stufentransformatoren angeordnet sind.

5. Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerkraftklappen (5) bei der höchsten einstellbaren Drehzahlstufe der Zusatzlüfter (B) im wesentlichen geschlossen sind.

6. Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizregister (13) während der Bremsphase mit aus der Bremsung gewonnener Energie betreibbar ausgebildet sind.

7. Verfahren zur Steuerung einer Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Heizbetrieb durch die Zusatzlüfter (B) Umluft aus dem Innenraum über die Lüftungsöffnungen (10) und die Kanalstrecke (8), aber auch - je nach Heizstufe - vom Hauptlüfter (A) in die Kanalstrecke (8) geförderte Luft zu den Heizregistern (13) und den Heizkanälen (14) geführt wird.

8. Verfahren zur Steuerung einer Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Lüftungsbetrieb Außenluft durch den Hauptlüfter (A), durch die Schwerkraftklappen (5) angesaugt und durch die Kanalstrecke (8) bei ausgeschaltetem Zusatzlüfter (B) sowie durch die Lüftungsöffnungen (10) geführt wird.

9. Verfahren zur Steuerung einer Heizungs- und Belüftungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Heizregister während der Bremsphase Energie aus dem Bremsvorgang zugeführt und in den Heizregistern gespeichert wird.