Verfahren zur Überwachung eines klimatisierten Fahrgastinnenraums eines Fahrzeugs und Klimaanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrgastinnenraums eines Fahrzeugs zur Personenbeförderung auf eine auftretende Hitzebelastung für Fahrgäste sowie auf eine Klimaanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens .

In Fahrzeugen zur Personenbeförderung, wie beispielsweise Bussen oder Schienenfahrzeugen, können für Fahrgäste erhebliche Hitzebelastungen auftreten . Dies kann insbesondere dann relevant werden, wenn eine Außentemperatur und/oder eine Sonneneinstrahlung sehr hoch sind, die Fahrzeuge sehr stark mit Fahrgästen besetzt sind oder aber eine vorgesehene Klimaanordnung nicht mehr über ihre volle Kühlleistung verfügt , ausgefallen oder für einen momentanen Extremfall nicht ausgelegt ist . In vielen Fällen kann eine Kombination der vorgenannten Ursachen zu einer nicht hinnehmbaren Hitzebelastung für die Fahrgäste führen .

Unter dem Begri f f „Hitzebelastung" wird in der vorliegenden Beschreibung eine mangelnde Entwärmung des menschlichen Körpers bezeichnet . Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn hohe Lufttemperaturen im Fahrgastinnenraum eine konvektive Wärmeabgabe behindern, hohe Luftfeuchte die Verdunstungskühlung erschweren und eine vorliegende Sonneneinstrahlung, direkt oder indirekt , den Körper zusätzlich erwärmt .

Für eine Beurteilung einer Hitzebelastung für Personen ist es bekannt , sich auf die „Wet Bulb Globe Temperature" (WBGT ) zu beziehen, was auch WBGT- Index genannt wird . In diesem Index werden folgende Messgrößen zusammengefasst : natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw ( gleichbedeutend mit „Kühlgrenztem- peratur" ) , Schwarzkugeltemperatur T _g und Lufttemperatur T _a ( im Englischen : „Dry Bulb Temperature" ) .

Aus diesen Messgrößen wird der WBGT- Index gemäß ISO 7243 wie folgt berechnet :

Mit Sonneneinstrahlung : WBGT=0 , 7 T _nw + 0 , 2 T _g + 0 , 1 T _a ( 1 ) oder ohne Sonneneinstrahlung : WBGT=0 , 7 T _nw + 0 , 3 T _g ( 2 ) .

Eine bekannte Instrumentierung zur Bestimmung der für die Beurteilung der Hitzebelastung maßgeblichen Feuchtkugeltempera- tur umfasst ein Thermometer, das in einem f euchten/nassen Docht steckt (natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw ) , ein Thermometer im Mittelpunkt einer dünnen, schwarzen Kugel mit Durchmesser von 150mm ( Schwarzkugeltemperatur T _g ) sowie ein vor Strahlung weitgehend geschütztes Thermometer ( Lufttemperatur T _a ) . Eine solche Instrumentierung ist in Fahrgastinnen- räumen von Fahrzeugen praktisch nicht unterzubringen . Bei freier Zugänglichkeit der diversen Thermometer wäre die Instrumentierung zudem Vandalismus ausgesetzt . Eine Anordnung der Instrumentierung hinter Verkleidungen oder oberhalb einer Innendecke würde nicht alle Einflussgrößen, wie Luftfeuchte , Sonneneinstrahlung und Raumtemperatur, umfassen .

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass zuverlässige Werte für die Feuchtkugeltempera- tur ermittelbar sind, sowie eine Klimaanordnung anzugeben, mit deren Hil fe das vorgenannte Verfahren aus führbar ist .

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Danach umfasst ein Verfahren zur Überwachung eines Fahrgastinnenraums eines Fahrzeugs zur Personenbeförderung auf eine auf tretende Hitzebelastung für Fahrgäste folgende Schritte : a ) Berechnen eines Schätzwertes für den WBGT- Index im Fahrgastinnenraum aufgrund von Messwerten, die einer Auswerteeinheit von einer Sensoranordnung signalisiert werden, und b ) Signalisieren einer gefährdenden Hitzebelastung der Fahrgäste aufgrund einer Berechnung und Überwachung des WBGT- Index .

Somit wird zum Berechnen eines Wertes für den WBGT- Index auf Messwerte zurückgegri f fen, welche mit Hil fe der Sensoranordnung erfasst werden . Typischerweise sind Fahrgastinnenräume von Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeuge mit mehreren Temperatursensoren für den Fahrgastinnenraum und zusätzlichen Feuchtesensoren ausgestattet . Die von diesen Sensoren gelieferten Messwerte sind in geeigneter Weise zu verarbeiten, so dass ein Schätzwert für den WBGT- Index berechnet werden kann . Sobald beispielsweise ein Schwellwert für den WBGT- Index, der eine gefährdenden Hitzebelastung der Fahrgäste wiedergibt , überschritten ist , wird diese Feststellung den Fahrgästen und/einem Betreiber des Fahrzeugs signalisiert , so dass erforderliche Schritte eingeleitet werden können . Dies kann beispielsweise das Veranlassen eines sofortigen Verlassens des Fahrzeugs sein .

Der Wert für den WBGT- Index wird im vorgestellten Verfahren bevorzugt nach der Formel WBGT=0 , 7 T _nw + 0 , 2 T _g + 0 , 1 T _a berechnet .

Dabei ist T _nw eine natürlich Feuchtkugeltemperatur , T _g eine Schwarzkugeltemperatur und T _a eine Lufttemperatur im Fahrgas tinnenraum .

Ohne Sonneneinstrahlung wird die Schwarzkugeltemperatur T _g ungefähr gleich der Lufttemperatur T _a sein . Dann wird auch die Gleichung WBGT=0 , 7 T _nw + 0 , 3 T _g erfüllt .

Ein Schätzwert für die natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw kann in vielerlei Weise berechnet werden . Bevorzugte Alterna- tiven finden sich in den Ansprüchen 3 bis 6 . Bei sämtlichen Alternativen ist vorzusehen, dass die Sensoranordnung über die für die j eweilige Messung erforderlichen Einzelsensoren, insbesondere Temperatur- und Feuchtesensoren, verfügt . Die Sensoren sind bei Fahrzeugen entweder aufgrund der ursprünglichen Auslegung der Klimaanordnung des Fahrzeugs bereits vorhanden oder müssen nachgerüstet werden .

Ein Schätzwert für die Schwarzkugeltemperatur T _g wird bevorzugt durch einen Maximalwert von Lufttemperaturen bestimmt , die von einer Mehrzahl von im Fahrgastinnenraum angeordneten Temperatursensoren gemessen wird . Zur Erhöhung einer Genauigkeit für den Schätzwert für die Schwarzkugeltemperatur T _g ist es vorteilhaft , wenn auf beiden Längsseiten des Fahrgastinnenraums j eweils eine Mehrzahl von Temperatursensoren angeordnet ist . Der sich aus sämtlichen Messwerten ergebende Maximalwert kann dann als Schätzwert für die Schwarzkugeltemperatur T _g verwendet werden, um die Feuchtkugeltemperatur WBGT zu berechnen . Alternativ ist es bei einer Anzahl von mindestens zwei Temperatursensoren auf j eder Längsseite des Fahrzeugs auch möglich, einen Mittelwert der beispielsweise zwei höchsten, von den für den Fahrgastinnenraum vorgesehenen Temperatursensoren gemessenen Werte zu benutzen, um die Schwarzkugeltemperatur T _g zu berechnen .

Ein Schätzwert für die Lufttemperatur T _a kann bevorzugt durch einen Mittelwert der Lufttemperaturen bestimmt werden, die von den im Fahrgastinnenraum angeordneten Temperatursensoren gemessen werden . In diesem Fall wird vorteilhafterweise der Mittelwert von sämtlichen Temperaturmesswerten bestimmt , die von den vorgesehenen Temperatursensoren im Fahrgastinnenraum erfasst werden .

Die in Schritt a ) verwendete Auswerteeinheit kann beispielsweise in eine Zugsteuerungseinrichtung oder eine Klimagerät- Steuerung integriert ist . Auch ist es möglich, dass die vorgesehene Auswerteeinheit einer gesonderten Messwerteerfassungseinrichtung nachgeschaltet ist . Diese Auswerteeinheit löst dann auch die in Schritt b ) vorgesehene Signalisierung einer gefährdenden Hitzebelastung aufgrund beispielsweise eines Überschreitens eines Schwellwertes für die Feuchtkugeltemperatur WBGT aus oder signalisiert die getrof fene Feststellung einer anderen Instanz des Fahrzeugs , welche wiederum den Vorgang des Signalisierens in Schritt b ) übernimmt .

Während der oben angesprochene Schwellwert für den WBGT- Indexzur Signalisierung kurz fristig auftretender Hitzebelastung dient und die Maßnahme (n) auslöst , dass die Fahrgäste aufgefordert werden, das Fahrzeug so schnell wie möglich zu verlassen, und/oder einen Betreiber des Fahrzeugs auf die anstehende Hitzebelastung hinzuweisen, ist es auch möglich, dass mittel fristig zu erwartende Hitzebelastungen signalisiert werden .

Dazu kann vorgesehen sein, dass in Schritt b ) zusätzlich über ein gleitendes Zeitfenster definierter Länge eine Überschrei- tungsdauer für den Schwellwert für den WBGT- Index aufsummiert wird und ein Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes für die Überschreitungsdauer signalisiert wird . Es ist ebenfalls möglich, dass beispielsweise zwei oder mehr Schwellwerte für die Dauer der Überschreitung des Schwellwertes für die Feuchtkugeltemperatur definiert sind . Jedem dieser Schwellwerte für die Dauer der Überschreitung kann dann ein Zeitintervall zugeordnet sein, innerhalb dessen Maßnahmen zum Schutz der Fahrgäste vor Hitzebelastung getrof fen werden . Beispielsweise kann ein niedrigerer Schwellwert für die Dauer der Überschreitung vorgesehen sein, bei dem Reaktionen innerhalb z . B . einer Stunde erfolgen sollen, und ein höherer Schwellwert , bei dem Reaktionen innerhalb beispielsweise 15 Minuten zu tref fen sind . Die möglichen Maßnahmen/Reaktionen sind dieselben, wie diej enigen, die bei Überschreiten des Schwellwerts für den WBGT- Index selbst bei extrem kurz fristig auftretenden Hitzebelastungen getrof fen werden, nämlich Aufforderung der Fahrgäste , das Fahrzeug zu verlassen und/oder Information des Betreibers des Fahrzeugs auf die anstehende Hitzebelastung . Die oben angesprochenen Messwerte von den j e nach Aus führungs form des Verfahrens eingesetzten Sensoren werden bevorzugt kontinuierlich erfasst und überwacht/ausgewertet .

Die oben angesprochene Aufgabe wird hinsichtlich der Klimaanordnung gelöst durch eine Klimaanordnung nach Anspruch 13 . Danach umfasst die Klimaanordnung eine Sensoranordnung und eine Auswerteeinheit für von der Sensoranordnung gelieferte Messsignale und ist derart ausgeführt , dass ein Verfahren der vorstehend erläuterten Art durchgeführt werden kann . Insbesondere umfasst die Sensoranordnung j egliche Temperatur- oder Feuchtesensoren, die zur Aus führung der j eweiligen Verfahrensvariante erforderlich sind .

Bevorzugt weist die Sensoranordnung über beide Längsseiten des Fahrgastinnenraums verteilte Sensoren für eine Temperatur im Fahrgastinnenraum, wenigstens einen Sensor für eine Temperatur einer Umluft und/oder einer Fortluft sowie wenigstens ein Sensor für eine relative Luftfeuchte einer Umluft und/oder einer Fortluft und/oder im Fahrgastinnenraum auf .

Es versteht sich, dass zur Aus führung einer bestimmten Verfahrensvariante , wie sie oben beschrieben ist , nur j eweils durch die zu erfassenden Messgrößen bestimmte Sensoren erforderlich sind .

Die Anordnung der Temperatursensoren im Fahrgastinnenraum über beide Längsseiten des Fahrgastinnenraums hat den Vorteil , dass eine örtliche Temperaturverteilung im Fahrgastinnenraum mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann, was für eine gute Qualität der j eweiligen Schätzwerte für die natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw , die Schwarzkugeltemperatur T _g und ggf . , nämlich bei erfasster Sonneneinstrahlung für das Fahrzeug, die Lufttemperatur T _a im Fahrgastinnenraum sorgt . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert . Es zeigen :

Figur 1 eine perspektivische , schematisch Ansicht eines Schienenfahrzeugwagens ,

Figur 2 eine schematische , grafische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs für den WBGT- Index im Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs ,

Figur 3 eine schematische , grafische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs für eine Überschreitungsdauer des WBGT- Index im Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs und

Figur 4 eine graphische Darstellung der Temperatur als Funktion der Feuchte zur Ermittlung der natürlichen Feuchtkugeltemperatur T _nw .

Das Aus führungsbeispiel nach Figur 1 zeigt eine Klimaanordnung mit einem Klimagerät 1 , einer Sensoranordnung und einer Klimagerät-Steuerung, in die eine Auswerteeinheit 2 für von der Sensoranordnung gelieferte Messsignale integriert ist .

Die Sensoranordnung umfasst im vorliegenden Aus führungsbeispiel an j eder der beiden Längsseiten eines Fahrgastinnen- raums 3 eines Fahrzeugs , bei dem es sich hier beispielshalber um einen Einzelwagen eines Schienenfahrzeugs handelt , j eweils vier in Längsrichtung des Fahrzeugs verteilte Temperatursensoren Tu..., Tis , sowie einen Feuchtesensor F . Die Temperatursensoren Tu , ..., Tis sowie der Feuchtesensor F liefern Messsignale für eine j eweilige Temperatur bzw . für eine Luftfeuchte im Fahrgastinnenraum 3 . Diese Messsignale werden an die Auswerteeinheit 2 übertragen . Zudem umfasst die Sensoranordnung an einem Fortluftauslass 4 der Klimaanordnung einen Temperatursensor Tf und einen Feuchtesensor Ff . Ein aus dem Fahrgastinnenraum 3 zum Klimagerät 1 führender Umluftauslass 5 ist ebenfalls mit einem Temperatursensor T _u und einem Feuchtesensor F _u ausgestattet . Messsignale der Temperatursensoren Tf , T _u und der Feuchtsensoren Ff , F _u werden ebenfalls der Auswerteinheit 2 zugeleitet .

Zur Einschätzung, in welchem Maße für Fahrgäste , die sich im Fahrgastinnenraum 3 befinden, eine Hitzebelastung vorliegt , berechnet die Auswerteinheit 2 aufgrund der von der Sensoranordnung erhaltenen Messwerte einen Schätzwert für eine Feuchtkugeltemperatur WBGT nach der folgenden Gleichung :

WBGT=0 , 7 T _nw + 0 , 2 T _g + 0 , 1 T _a ( 1 ) .

Die Berechnung eines Messwertes für den WBGT- Index beruht auf Schätzwerten für die natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw , die Schwarzkugeltemperatur T _g und, bei Verwendung der Gleichung ( 1 ) , der (mittleren Raumtemperatur T _a .

Für die Abschätzung der natürlichen Feuchtkugeltemperatur T _nw sind verschiedene Varianten möglich . Im Einzelnen kann alternativ der Schätzwert für die natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw nach folgenden Varianten ermittelt werden : a ) den gemittelten Messsignalen der Temperatursensoren Tu , ..., Tis im Fahrgastinnenraum 3 und dem Messsignal des Feuchtesensors F _u für die Umluft , b ) den gemittelten Signalen der Temperatursensoren Tu , ..., Tis im Fahrgastinnenraum 3 und dem Messsignal des Feuchtsensors Ff für die Fortluft , c ) dem Messsignal des Temperatursensors T _u für die Umluft und dem Messsignal des Feuchtesensors F _u für die Umluft , d) dem Messsignal des Temperatursensors Tf für die Fortluft und dem Messsignal des Feuchtesensors Ff für die Fortluft , e ) dem Messsignal des Temperatursensors T _u für die Umluft und dem Messsignal des Feuchtesensors Ff für die Fortluft , f ) dem Messsignal des Temperatursensors Tf für die Fortluft und dem Messsignal des Feuchtesensors F _u für die Umluft oder g) den Messsignalpaaren der Temperatursensoren Tu , Tis im Fahrgastinnenraum 3 und des Feuchtesensors Ff im Fahr gas tinnenraum .

Der Wert für die natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw wird dann beispielsweise anhand der graphischen Darstellung von Fig . 4 ermittelt , und zwar mit den j eweils bestimmten Werten für die Temperatur T und die Feuchte x (Wassergehalt ) . Im dargestellten Wertepaarbeispiel beträgt die Temperatur T 20 ° C und die Feuchte x 6 g/kg . Durch Umsetzung dieser Werte in der graphischen Darstellung ergibt sich dafür eine natürliche Feuchtkugeltemperatur T _nw von ca . 13 ° C .

Auch für die Schwarz kugeltemperatur T _g wird ein Schätzwert zum Einsetzen in eine der beiden oben genannten Gleichungen ( 1 ) und ( 2 ) verwendet . Dieser bestimmt sich aus einem Temperaturmaximalwert , der von den Temperatursensoren Tu , ... , Tis für den Fahrgastinnenraum 3 festgestellt wurde . Werden auf j eder Längsseite des Fahrzeugs mindestens zwei Temperatursensoren Tu , ... , Tis für den Fahrgastinnenraum 3 eingesetzt , können auch die beiden größten gemessenen Werte für die Temperatur im Fahrgastinnenraum als Temperaturwert für die Schwarzkugeltemperatur T _g verwendet werden .

Als Lufttemperatur T _a wird der Mittelwert der von den Temperatursensoren Tu , ... , Tis für den Fahrgastinnenraum 3 gemessenen Temperaturwerten verwendet .

Die Auswerteeinrichtung 2 signalisiert im Bedarfsfall eine gefähr- dende/übermäßige Hitzebelastung der in dem Fahrgastinnenraum 3 be- findlichen Fahrgäste . Dies kann beispielsweise durch optische oder akustische Informationsausgaben im Fahrgastinnenraum 3 geschehen . Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Signalisierung an einen Betreiber des betreffenden Fahrzeugs erfolgen .

In der Auswerteeinheit 2 ist zur Bestimmung, ob eine übermäßige Hitzebelastung von Fahrgästen vorliegt , ein Berechnungsalgorithmus für den WBGT-Index hinterlegt . Zur Beobachtung möglicherweise mittelfristig auftretender Hitzebelastungen wird wie folgt vorgegangen : Für die Überwachung der Feuchtkugeltemperatur wird eine Länge für ein gleitendes Zeitfenster definiert , wobei das Zeitfenster beispielsweise bis zu einer Stunde lang sein kann . Insbesondere kann die Länge des Zeitfensters 0 , 5 Stunden betragen .

Wenn der laufend berechnete Schätzwert für den WBGT-Index einen Schwellwert Si erreicht oder überschreitet , vgl . Fig . 2 , wird dann eine Überschreitungsdauer D in dem vorher definierten Zeitfenster aufsummiert . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel , vgl . Fig . 3 , werden zwei Schwellwerte S2 und S3 für die Dauer der Überschreitung des Schwellwerts Si für den WBGT-Index in dem gleitenden Zeitfenster definiert :

Der niedrigere Schwellwert S2 wird als Zeiteinheit oder Quotient der Zeitfensterlänge festgelegt , mit dessen Erreichen die im Fahrgastinnenraum 3 befindlichen Fahrgäste aufgefordert werden, das Schienenfahrzeug mittelfristig , beispielsweise innerhalb einer Stunde , zu verlassen und/oder ein Betreiber des Fahrzeugs auf mittelfristig zu erwartende Hitzebelastungen hingewiesen wird . Der höherer Schwellwert S3 wird als Zeiteinheit oder Quotient der Zeitfensterlänge festgelegt , mit dessen Erreichen die in dem Fahrgastinnenraum 3 befindlichen Fahrgäste aufgefordert werden, das Schienenfahrzeug kurzfristig, beispielsweise innerhalb von 15 Minuten, zu verlassen, und/oder der Betreiber des Fahrzeugs auf kurzfristig zu erwartende Hitzebelastungen hingewiesen wird .

Zur Warnung vor derart kurzfristig auftretenden Hitzebelastungen, so dass sofortiges Handeln erforderlich wird, wird wie folgt vorgegangen : Es wird ein weiterer Schwellwert S4 für den WBGT-Index definiert , ab dem die in dem Fahrgastinnenraum 3 befindlichen Fahrgäste aufgefordert werden, das Schienenfahrzeug so schnell wie möglich zu verlassen und/oder ein Betreiber des Schienenfahrzeugs auf die zu erwartenden, sofortige Maßnahmen erfordernde Hitzebe- lastung hingewiesen wird .

Es ist ersichtlich, dass der weitere Schwellwert S4 für den WBGT- Index erheblich höher liegt als der Schwellwert Si für den WBGT- Index, der der Überwachung mittelfristig auftretender Hitzebelas- tung im Fahrgastinnenraum zugrunde gelegt wird .