DE19545449A1 - Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnen­ raumes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 und kann bei Schienenfahrzeugen und Busfahrzeugen eingesetzt werden, welche mit Stromrichterantrieben und elektrischen Bremswiderständen ausgestattet sind.

Aus der DE 42 09 477 A1 ist ein Stromrichtermodul mit zwangsweisem Kühlflüssig­ keits-Strömungsbad bekannt, das die von elektrischen und elektronischen Bauele­ menten, wie Widerständen, Kondensatoren, Drosseln, Thyristoren und Dioden pro­ duzierte Wärmeleistung aufnimmt. Wahlweise ist ein Kühlflüssigkeitsstrom vom Stromrichtermodul zu einer Heizungsanlage und/oder ein Kühlflüssigkeitsstrom über einen Bypaß parallel zum Stromrichtermodul einstellbar. Der den Kühlflüssigkeits­ behälter umschließende Gehäuseteil ist derart mit Kühlrippen versehen, daß hier­ über bedarfsweise die gesamte produzierte Wärme abgegeben werden kann. Zur Führung der Kühlluft zu den Kühlrippen ist ein Luftkanal vorgesehen. Für die zwangsweise Kühlluftzuführung dient ein Lüfter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges der eingangs genannten Art anzugeben, die einerseits sämtliche wesentlichen Verlustwärmen von elektrischen bzw. elektronischen Baukomponenten des Fahrzeuges zur Beheizung heranzieht und die andererseits eine sehr komfortable Beheizung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfin­ dungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf­ grund der vorgeschlagenen Warmwasser/Warmluft-Kombination eine komfortable Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes innerhalb vorgegebener Temperaturwerte und ohne störende Wärmespitzen mit nachfolgenden Abkühlperioden ermöglicht wird: Die von den konstant anfallenden Verlustwärmen der Stromrichter und Motoren gespeiste Warmluft-Beheizung deckt den Wärme-Grundbedarf ab und dient insbe­ sondere auch zur Erwärmung des dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Frisch­ luftanteils.

Über die Warmwasser-Heizung wird die in relativ kurzen Zeitspannen beim Abbrem­ sen des Fahrzeuges anfallende Verlustwärme der Bremswiderstände aufgenommen, mittels relativ großer Wärmekapazität (Wasser, Metall) gespeichert und "geglättet" an den Fahrzeuginnenraum abgegeben, um den Wärme-Zusatzbedarf abzudecken. Dabei wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur und dem momentanen Wär­ mebedarf des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Regelung entschieden, ob die beim Abbremsen des Fahrzeuges entstehende Energie in das Netz zurückgespeist oder in den Bremswiderständen in Wärme umgesetzt werden soll.

Auf diese Art und Weise ist eine feinfühlige Temperaturregelung des Fahrzeugin­ nenraumes möglich, die gleichzeitig eine sehr wirtschaftliche, weil zusätzliche Hei­ zenergien einsparende Beheizung sicherstellt.

Zusätzliche Heizgeräte sind entbehrlich, was das Fahrzeuggewicht, den Raumbe­ darf an technischen Geräten und die Kosten reduziert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 1 nach einer ersten Variante,

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 1 nach einer zweiten Variante.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes dargestellt. Es ist ein Fahrzeuginnenraum 1 eines Trolley­ busses oder Waggons eines Nahverkehrsfahrzeuges, wie S-Bahn, U-Bahn, Stra­ ßenbahn usw. zu erkennen. Zur Beheizung dieses Fahrzeuginnenraumes dient eine Warmwasser/Warmluft-Kombination mit Warmwasser-Heizkörpern 2, z. B. unter den Sitzen, und Warmluft-Austrittsdüsen 3.

Die Warmwasser-Heizkörper 2 sind über Warmwasserleitungen 4 und eine Was­ serumlaufpumpe 5 mit einer Bremswiderstand-Kühleinrichtung 6 verbunden, welche die von Bremswiderständen 7 während relativ kurzer Zeitspannen produzierte Wär­ meenergie aufnimmt, speichert und in geglätteter Form weiterleitet.

Zur Warmluft-Beheizung wird aus dem Fahrzeuginnenraum 1 Luft über einen Raum­ luftkanal 8 abgesaugt. Diese Raumluft wird über einen Frischluft-Beimischkanal 9 mit Frischluft angereichert. Eine Luftklappe 10 dient zur Einstellung des Verhältnis­ ses Raumluft zu Frischluft. Ein Lüfter 11 saugt die mit Frischluft angereicherte Raumluft an und führt diese über einen Wärmetauscher 12 einem Warmluftkanal 13 zu, der über die bereits erwähnten Warmluft-Austrittsdüsen 3 den Fahrzeuginnen­ raum 1 mit Warmluft versorgt.

Der Wärmetauscher 12 ist über Warmwasserleitungen 14 und eine Wasserumlauf­ pumpe 15 mit einer Stromrichterventil-Kühleinrichtung 16 und einer Antriebsmo­ tor-Kühleinrichtung 18 verbunden, welche die von Stromrichterventilen 17 und An­ triebsmotoren 19 produzierten Wärmeenergien aufnehmen, speichern und weiterlei­ ten.

Bereits aus der prinzipiellen Darstellung gemäß Fig. 1 wird ersichtlich, daß die Auf­ teilung in zwei Wasserkreisläufe 12/14/15/16/18 sowie 2/4/5/6 vorteilhaft die Mög­ lichkeit bietet, die Wasserkreisläufe mit unterschiedlichem Temperaturniveau zu be­ treiben. Der erste Wasserkreislauf 12/14/15/16/18 weist eine relativ niedrige Tempe­ ratur auf (beispielsweise im Sommer 45°C und im Winter 35°C), was für die Kühlung der temperaturempfindlichen Leistungshalbleiter von Vorteil ist. Der zweite Wasser­ kreislauf 2/4/5/6 weist eine relativ hohe Temperatur auf (beispielsweise 85°C im Winter, im Sommer abgeschaltet), um die Warmwasser-Heizkörper 2 optimal betrei­ ben zu können (Konvektion). Vorteilhaft dient der Wärmetauscher 12 gleichzeitig zur Kühlung der Verlustwärmeerzeuger und zur Erwärmung der Frischluft.

In Fig. 1 ist bereits gestrichelt eine Maßnahme skizziert, die eine Verbesserung der Heizungseinrichtung bewirkt. Wie zu erkennen ist, speisen zwei zusätzliche Warm­ wasserleitungen 34, 35 des zweiten Wasserkreislaufs F2/4/5/6 einen zusätzlichen Wärmetauscher 30, welcher zur Aufheizung der Raumluft des Fahrzeuginnenraumes dient, wenn die Leistung des ersten Wasserkreislaufs 12/14/15/16/18 hierzu nicht ausreicht. Der zusätzliche Wärmetauscher 30 liegt den Warmwasser-Heizkörpern 2 hydraulisch parallel. Die beiden Wärmetauscher 12, 30 können im einfachen Fall vom gleichen Lüfter 11 beaufschlagt werden.

In Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 1 nach einer ersten Variante gezeigt. Es ist wiederum ein Fahrzeuginnenraum 1 mit Warmwas­ ser-Heizkörpern 2 zu erkennen. Neben dem Wärmetauscher 12 mit Lüfter 11 befin­ det sich der zusätzliche Wärmetauscher 30 mit eigenem Lüfter 31. Beide Lüfter 11, 31 sind vorzugsweise in der Drehzahl veränderlich, wodurch unterschiedliche Luft­ strömungen durch beide Wärmetauscher 12, 30 einstellbar sind. Der zweite Warm­ wasserkreislauf 2/4/5/6 ist über eine Warmwasserleitung 32 und eine Wasseraus­ tauschblende 20 mit dem ersten Warmwasserkreislauf 12/14/15/16/18 verbunden. Eine Mengenregelung 21 dient zusammen mit einer weiteren Mengenregelung 29 zur Einstellung der über die Warmwasserleitungen 4 und 35 fließenden Brauchwas­ servolumenströme. Ein Ausgleichsbehälter 22 ist mit beiden Warmwasserkreisläufen verbunden, wobei eine Warmwasserleitung 33 die Verbindung zwischen Aus­ gleichsbehälter 22 und zweitem Warmwasserkreislauf 2/4/5/6 bewirkt. Zuleitungs- und Regelventile 23 dienen zur Einstellung des zum Wärmetauscher 12 fließenden Brauchwasservolumenstromes.

Die Wasseraustauschblende 20 öffnet, wenn die Temperatur des Warmwassers in der Verbindungsleitung zwischen- Bremswiderstand-Kühleinrichtung 6 und Was­ serumlaufpumpe 5 einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet. Dann er­ gibt sich eine zusätzliche Wasserströmung über die Warmwasserleitung 32 aus dem ersten Wasserkreislauf in den zweiten Wasserkreislauf. Diese zusätzliche Wasser­ strömung führt zur Reduzierung der Temperatur der über die Pumpe 5 fließenden Wasserströmung. Die Wasseraustauschblende 20 schließt sobald die Wasserströ­ mung einen unteren Grenzwert erreicht. Das während einer Öffnungsperiode der Wasseraustauschblende 20 über die Warmwasserleitung 32 fließende Wasservo­ lumen niedrigen Temperaturniveaus entspricht exakt dem während der gleichen Zeitspanne über die Warmwasserleitung 33 in den ersten Wasserkreislauf zurück­ fließenden Wasservolumen höheren Temperaturniveaus. Mit Hilfe der Wasseraus­ tauschblende 20 wird somit die relativ große Wärmespeicherkapazität des ersten Wasserkreislaufs zeitweise auch für den zweiten Wasserkreislauf nutzbar. Durch die Zumischung von relativ kaltem Wasser des ersten Wasserkreislaufs werden die auf­ grund der sehr hohen, in relativ kurzen Zeiträumen auftretenden Wärmeenergien der Bremswiderstände verursachten Wärmespitzen geebnet, ohne daß dabei die zur Kühlung der Stromrichterventile 17 notwendige niedrige Wassertemperatur herauf­ zusetzen ist. Die Wasseraustauschblende 20 ermöglicht zusammen mit der Mengen­ regelung 21 die exakte Einstellung des für die Konvektionsheizung (Heizkörper 2) erforderlichen Temperaturniveaus.

Um die Abführung der von den Stromrichterventilen, Antriebsmotoren und Bremswi­ derständen produzierten Wärmeenergie auch außerhalb der Heizperioden sowie während der Übergangszeit (= Zeitperioden mit reduziertem Wärmebedarf, z. B. im Frühjahr und Herbst) zu gewährleisten, sind Umschaltschließklappen 24 im Warm­ luftkanal 13 vorgesehen. Diese Umschaltschließklappen 24 öffnen den Warmluftka­ nal 13 im Winterbetrieb (Heizperiode) und verschließen den Warmluftkanal im Sommerbetrieb. Die Umschaltschließklappen 24 ermöglichen darüber hinaus auch Zwischenstellungen, bei denen ein Teil der Warmluft an die Außenatmosphäre ab­ geleitet und ein Teil in den Fahrzeuginnenraum geführt wird. Diese Zwischenstel­ lungen sind in den bereits erwähnten Übergangszeiten zwischen Sommer- und Winterbetrieb von Wichtigkeit, wenn die von den Stromrichtern, Motoren und Bremswiderständen produzierten Wärmeenergien den Wärmebedarf des Fahr­ zeuginnenraumes 1 übersteigen.

Während des Sommerbetriebes werden die brauchwassergekühlten Bremswider­ stände 7 abgeschaltet und eigene, hinter dem Wärmetauscher 12 angeordnete, luft­ gekühlte Bremswiderstände 25 zugeschaltet. Ferner werden eine Ansaugklappe 26 sowie die Klappe 24 betätigt. Die Ansaugklappe 26 befindet sich im Raumluftkanal 8 unmittelbar hinter dem Lüfter 11 und öffnet im Winterbetrieb den Raumluftkanal. Im Sommerbetrieb öffnet die Ansaugklappe 26 einen Zugang des Raumluftkanales zur Außenatmosphäre, so daß der Lüfter 11 Außenluft ansaugen kann. Auf diese Art und Weise wird im Sommerbetrieb eine Luftkühlungsstrecke Außenluft-Ansaug­ klappe 26 - Lüfter 11 - Wärmetauscher 12 - Bremswiderstand 25 - Lüfter 31 - Wär­ metauscher 30 - Umschaltschließklappe 24 - Außenluft geschaffen, welche zur in­ tensiven Kühlung des Wärmetauschers 12 und des Bremswiderstandes 25 dient. Eine weitere Klappe 27 hinter dem Bremswiderstand 25 dient ebenfalls zum Ausbla­ sen der vom Bremswiderstand 25 erhitzten Luft. Im Winterbetrieb tritt über die Klap­ pe 27 Frischluft ein, wenn der Lüfter 31 mehr Luft ansaugt als der Lüfter 11 liefert. Gegebenenfalls können hierdurch Frischluft-Beimischkanal 9 und Luftklappe 10 entfallen.

Eine übergeordnete Regelung 28 empfängt eingangsseitig den Raumtemperatur-Ist­ wert RTI des Fahrzeuginnenraumes 1, den gewünschten Raumtemperatur-Sollwert RTS, die Außentemperatur AT (Lufttemperatur), die Ist-Temperatur BT der Bremswi­ derstand-Kühlreinrichtung 6 sowie die Ist-Temperaturen WT1, WT2 der Wärmetau­ scher 12, 30 und steuert in Abhängigkeit der Meßgrößen und der Sollwertgröße die Luftklappe 10, die Umschaltschließklappe 24, die Ansaugklappe 26, die Klappe 27 sowie die Wasseraustauschblende 20, die Mengenregelungen 21, 29 und die Zulei­ tungs- und Regelventile 23. Über Signale WA (= Wärmeanforderung) beeinflußt die Regelung 28 darüber hinaus die Ansteuerung der Bremswiderstände 7. Bei Vorlie­ gen eines Signales WA wird gewährleistet, daß während einer Fahrzeugbremsung der Bremswiderstand 7 beaufschlagt wird, obwohl gleichzeitig eine Netzrückspei­ sung möglich wäre. Das Signal WA kann darüber hinaus auch bei Fahrzeugstill­ stand eine Beaufschlagung der Bremswiderstände 7 bewirken, um beispielsweise eine Vorwärmung des Fahrzeuginnenraumes vor Betriebsaufnahme zu bewerkstelli­ gen. Hierdurch sind kostenaufwendige Vorheizgeräte für Passagierräume entbehr­ lich. Darüber hinaus kann das Signal WA bei sehr tiefen Außentemperaturen auch eine Beaufschlagung der Bremswiderstände 7 während des normalen Fahrbetriebes bewirken, um zusätzliche Wärmeenergieen zur Beheizung des Fahrzeuginnenrau­ mes 1 zu erhalten. Auch diese Maßnahme macht Zusatz-Heizsysteme entbehrlich.

Die vorstehend skizzierten Regelungsmaßnahmen müssen nicht alle zentral von der Regelung 28 aus erfolgen. Die Wasseraustauschblende 20 kann beispielsweise thermostatisch geregelt werden. Die Klappe 27 kann beispielsweise in Abhängigkeit von Luftdruckunterschieden öffnen und schließen.

In Fig. 3 ist eine zweite Variante dargestellt, bei der Vereinfachungen hinsichtlich der hydraulischen Baukomponenten, der Luftführung und der erforderlichen Rege­ lung vorgesehen sind. Ein großer Vorteil der zweiten Variante besteht darin, daß sowohl für Sommer- als auch für Winterbetrieb lediglich ein einziger Bremswider­ stand 37 vorgesehen ist, der mittels einer integrierten Bremswiderstand-Kühleinrich­ tung 36 gekühlt wird. Die integrierte Bremswiderstand-Kühleinrichtung 36 weist so­ wohl eine wassergekühlte Kühleinrichtung 38 als auch eine luftgekühlte Kühleinrich­ tung 39 auf, wobei beide Kühleinrichtungen 38, 39 thermisch mit dem Bremswider­ stand 37 kontaktiert sind. Es sind eine reine Wasserkühlung, eine reine Luftkühlung und eine gemischte Wasser/Luftkühlung möglich.

Der erste Wasserkreislauf 12/14/15/16/18 ist wie unter Fig. 1 und 2 beschrieben aufgebaut. Beim zweiten Wasserkreislauf 2/4/5/36 ist die Bremswiderstand-Kühlein­ richtung 6 durch die integrierte Bremswiderstand-Kühleinrichtung 36 ersetzt. Die Verbindung beider Wasserkreisläufe über die Wasseraustauschblende 20 ist wie unter Fig. 2 erläutert. Über die Mengenregelung 21 wird die dem Heizkörper 2 zuge­ führte Wärmeenergie geregelt.

Für die Luftführung dienen zwei Lüfter 40, 43, welche beide in der Drehzahl verän­ derbar sind. Lüfter 40 saugt Luft über den Wärmetauscher 12 an und preßt diese durch die integrierte Bremswiderstand-Kühleinrichtung 36 mit Bremswiderstand 37. Die über den Wärmetauscher 12 angesaugte Luft setzt sich aus einem Frischluftan­ teil und einem Raumluftanteil zusammen. Der Raumluftanteil ist durch eine Klappe 44 im Raumluftkanal 8 einstellbar. Die durch die integrierte Bremswider­ stand-Kühleinrichtung 36 gepreßte Luft kann mittels einer Klappe 42 wahlweise vollständig (im Winterbetrieb) oder teilweise (während der Übergangszeit) in den Warmluftkanal 13 eingeblasen oder vollständig (im Sommerbetrieb) oder teilweise (während der Übergangszeit) an die Außenatmosphäre abgegeben werden.

Der Lüfter 43 ist nur im Sommerbetrieb einzuschalten und preßt Frischluft in den Warmluftkanal 13, wenn die Klappe 42 im Sommerbetrieb die Luftverbindung zwi­ schen integrierter Bremswiderstand-Kühleinrichtung 36 und Warmluftkanal 13 sperrt.

Die Klappe 42 ist besonders vorteilhaft, da sie sowohl die Verlustwärmenutzung als auch die Verlustwärmeableitung (in die Außenatmosphäre) als auch die Frischluftzu­ fuhr regelt und trotz dieser unterschiedlichen Funktionen in Form eines einzigen Bauelements ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich Raumbedarf, Gewicht und Preis.

Der Wärmetauscher 12 dient bei Teilumluftbetrieb gleichzeitig zur Wärmerückge­ winnung und Frischlufterwärmung.

Die übergeordnete Regelung 28 beeinflußt in Abhängigkeit des Raumtempera­ tur-Sollwertes RTS, des Raumtemperatur-Istwertes RTI, der Außentemperatur AT, der Wärmetauscher-Isttemperatur WT1 des Wärmetauschers 12 und der Isttempera­ tur der integrierten Bremswiderstand-Kühleinrichtung 36 die Mengenregelung 21, die Stellung der Klappe 42 (mittels Stellmotor) sowie gegebenenfalls die Drehzahl des Lüfters 40 und die Wasseraustauschblende 20 (wenn keine thermostatisch geregel­ te Wasseraustauschblende eingesetzt wird). Im Winterbetrieb wird die vom Brems­ widerstand 37 produzierte Wärmeenergie sowohl durch die wassergekühlte Kühl­ einrichtung 38 als auch durch die luftgekühlte Kühleinrichtung 39 aufgenommen und an die Heizkörper und die dem Warmluftkanal 13 zugeführte Luft abgegeben.

Im Sommerbetrieb werden die Wasserumlaufpumpe 5 abgeschaltet und ein Ab­ sperrventil 41 in der Warmwasserleitung 4 geschlossen. Die Einrichtung ist kon­ struktiv derart ausgebildet, daß sich das Wasser bei abgeschalteter Pumpe 5 von der wassergekühlten Kühleinrichtung 38 in den Ausgleichsbehälter 22 selbsttätig entleert. Die vom Bremswiderstand 37 produzierte Wärmeenergie wird im Sommer­ betrieb vollständig von der luftgekühlten Kühleinrichtung 39 aufgenommen und an die Außenatmosphäre abgegeben, wobei der Lüfter 43 vorteilhaft mit oder auch oh­ ne zusätzliche Klimaeinrichtung zur Frischlufteinbringung genutzt werden kann.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges, bei dem die über eine Stromrichterventil-Kühleinrichtung (16), die über eine Antriebsmotor-Kühleinrichtung (18) und die über eine Bremswi­ derstand-Kühleinrichtung (6. 36) erfaßten Wärmeenergieen der Stromrichterventile (17), der Antriebsmotoren (19) und der Bremswiderstände (7, 37) zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes (1) herangezogen werden, wobei es sich bei den Kühleinrich­ tungen (16, 18, 6, 36) um Flüssigkeits-Kühleinrichtungen handelt, bei denen Brauchwasser als Kühlflüssigkeit Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Warmwasserkreislauf die Stromrichterventil-Kühleinrichtung (16) und die Antriebsmotor-Kühleinrichtung (18) mit einem Wärmetauscher (12) verbun­ den sind, der die über einen Lüfter (11, 31, 40) angesaugte, mit Frischluft vermischte Raumluft aus dem Fahrzeuginnenraum (1) erwärmt und als Warmluft in den Fahr­ zeuginnenraum zurückführt und daß in einem zweiten Warmwasserkreislauf die Bremswiderstand-Kühleinrichtung (6, 38) im Fahrzeuginnenraum befindliche Warm­ wasser-Heizkörper (2) speist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bremswiderstand-Kühleinrichtung (6,38) enthaltende zweite Wasserkreislauf über eine Wasseraustauschblende (20) mit dem die Antriebsmotor-Kühleinrichtung (18) enthaltenden ersten Wasserkreislauf verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher, von der Bremswiderstand-Kühleinrichtung (6) gespeister Wärme­ tauscher (30) vorgesehen ist, der die mit Frischluft vermischte Raumluft zusätzlich erwärmt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine integrierte Bremswiderstand-Kühleinrichtung (36) vorgesehen ist, bei der die Bremswiderstände (37) universell über eine wassergekühlte und/oder eine luftge­ kühlte Kühleinrichtung (39) kühlbar sind.

5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mengenregler (21, 29) zur Einstellung der in den Wasserkreisläufen zirkulierenden Volumenströme vorgesehen sind.