Die Geräte sind überwiegend als Kompaktgeräte in Dach- oder Unterfluranordnung ausgeführt, aber auch Splitanlagen sind im Gebrauch. Die konditionierte Zuluft wird im Kühlbetrieb im Dachbereich von oben, an der Fensterbrüstung oder an beiden Stellen ausgeblasen. Im Heizbetrieb erfolgt das Ausblasen im Fußbereich oder an den Fenstern. Manchmal werden zusätzlich elektrisch betriebene Fußboden- und/oder Seitenwandheizungen verwendet. Die Fortluft wird je nach Dichtheit des Wagens über Abluftgeräte oder über statische Ablüfter abgeführt.
Die Auslegung und Einhaltung der vorgeschriebenen Parameter wird auf der Grundlage der gültigen Normen durchgeführt und überprüft [1], [2] und [3]. Dabei werden die extremen Lastpunkte Kühlen und Heizen eingestellt und das Erreichen der dabei vorgegebenen Innenraumzustände bewertet. Die zugehörige Leistungsaufnahme für Heizen und Kühlen wird festgestellt und mit der Aufgabenstellung verglichen. Daraus kann man auch Rückschlüsse auf den Jahresenergieverbrauch ziehen, wenn man sich einen Jahreslastverlauf vorgibt. Dieser ist von meteorologischen Werten, vom Fahrregime und von der Besetzung des jeweiligen Wagens oder Zuges abhängig. Daraus erhält man belastbarere Aussagen zum Energieverbrauch einer Bahnklimaanlage als Vergleich mit den Werten bei den extremen Lastbedingungen, die gewöhnlich in den Aufgabenstellungen vereinbart sind.
Ausgehend von den dabei ermittelten Werten kann man energiesparende Maßnahmen untersuchen, wie sie bisher fast ausschließlich bei stationären Klimaanlagen angewendet werden. Dazu gehören die in Tabelle 1 genannten Maßnahmen, für die ein rechnerisches Einsparpotenzial abgeschätzt wurde, wobei jedes Potenzial für sich allein gilt und nicht mit den anderen addiert werden kann. Für die Abschätzung der Einsparpotenziale wurden je nach Fahrzeugkategorie unterschiedliche Betriebsszenarien angesetzt. In die Berechnung eingeflossen sind neben den Fahrzeugdaten die Faktoren Besetzungsgrad, Betriebs- und Abstellzeit und durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit. Dabei wurden diese variiert, um bewerten zu können, welche Varianz das Einsparpotenzial haben kann. Für die klimatischen Bedingungen wurden Wetterdaten und Häufigkeitsverteilungen verschiedener Orte nach [4], [5] verwendet.
Zur Überprüfung dieser abgeschätzten Potenziale wurden entsprechende Anlagen realisiert und die Effekte messtechnisch ermittelt. In Bild 1 sind vier betrachtete An-wendungen zusammengestellt.
Freie Kühlung
Eine freie Kühlung ist sinnvoll anwendbar, wenn ein Kühlbefehl anliegt und die Innentemperatur größer als die Umgebungstemperatur ist. Da im reinen Lüftungsbetrieb die gleiche Bedingung, aber ohne Kühlbefehl gilt, wird diese Betriebsweise der Anlage durch eine Erhöhung der Außenluftmenge ausgedehnt. In Kombination mit der besetzungsabhängigen Außenluftzufuhr ergeben sich um so größere Effekte, je geringer die Besetzung des Wagens ist. Bei einer Temperaturdifferenz innen zu außen von 10 K ergeben sich die Werte nach Tabelle 2. Dabei wird bei der Reduzierung der Außenluftmenge vom Normwert 20 m3/h je nicht besetzten Platz ausgegangen.
Besetzungsabhängige Außenluftzufuhr
In diesem Falle wird die Luftmenge nicht nach den Vorgaben der Norm mit 20 m3/h und Platz geregelt. Die Regelung der besetzungsabhängigen Außenluftzufuhr kann dabei über die Bewertung der Luftqualität durch einen CO2-Sensor erfolgen oder indirekt über die Detektierung des Besetzungszustands durch die Bewertung der Einfederung des Fahrzeugs im Stillstand oder durch ein Passagierzählsystem, das erfasst, wie viel Personen ein- bzw. aussteigen. Im nachfolgend vorgestellten Fall wurde ein CO2-Sensor im Umluftkanal verwendet. Als oberer Grenzwert wurden 2300 ppm CO2 zugelassen, da dies die maximale Konzentration darstellt, die sich unter Normbedingungen mit minimal zulässiger Außenluftmenge einstellen kann. Der Luftmengenregler verstellt in Abhängigkeit vom sich einstellenden CO2-Pegel die Luftklappen in drei Stufen, d. h. je höher der Pegel wird, desto mehr Luft wird gefördert, wobei jeweils eine Differenz von 200 ppm als Hysterese zwischen den Werten für die Erhöhung und Reduktion liegt.
An der Metro in Shanghai wurden entsprechende Versuche durchgeführt. Dabei waren die unterschiedlichen Anforderungen an Werktagen mit hohen Fahrgastfrequenzen, besonders in den rush hours (morgens und abends) als auch am Wochenendbetrieb mit weniger Fahrgästen deutlich nachweisbar. Werktags z. B. wird die maximale Luftmenge doppelt so lange gefördert wie an einem Wochenende (s. Bild 2).
Als Ergebnis ergab sich ein um 19,7 Prozent reduzierter Jahresenergieverbrauch bei der besetzungsabhängigen Außenluftmenge gegenüber dem Vergleichsfahrzeug ohne diese Regelung. Dieser Wert wird in europäischen Nahverkehrszügen höher aus-fallen, da die Metrofahrzeuge in Shanghai ohne Heizung betrieben werden können und damit der weniger energieintensive Kühlbetrieb den Maßstab setzt. Berücksichtigt man den Energiebedarf der elektrischen Direktheizung und das hier vorhandene Einsparpotenzial, führt dies zu größeren Energieeinsparungen im Jahresenergieverbrauch, als bei den Untersuchungen in Shanghai ermittelt wurde.
Wärmerückgewinnung aus der Fortluft
An einem viergliedrigen Regionalzug in Finnland wurde jeder Wagen mit einem Dach-Kompaktklimagerät und Wärmerückgewinnung ausgerüstet (s. Bild 3) und die Energieeinsparung im Heizbetrieb ermittelt. Die vorausberechneten Einsparwerte konnten im Wesentlichen im Versuch bestätigt werden, s. Tabelle 3.
Hochgerechnet mit einer typischen Außentemperaturverteilung ergibt sich daraus ein jährliches Einsparpotenzial bei voller Besetzung von 73,2 MWh je Zug und bei 1/3-Besetzung von 21,6 MWh.
Wärmepumpe
Ein Reisezugwagen der niederländischen Bahn, der mit einem Klimagerät mit zwei Kältekreisläufen und Solekühlung ausgerüstet ist, wurde mit einer Wärmepumpenschaltung und einem zusätzlichen Verdampfer gegen die Außenluft ausgestattet und im Vergleich mit zwei Referenzwagen mit der konventionellen elektrischen Widerstandsheizung betrieben. In der Wärmepumpenschaltung wurden die beiden Heizkreisläufe nacheinander entsprechend der angeforderten Heizleistung zugeschaltet und erst bei Außentemperaturen unter 5 °C übernahm die elektrische Widerstandsheizung die ge-samte Heizlast. An der Spannungsversorgungder Klimaanlage wurden Energiezähler eingebaut. Die Messergebnisse sind in Bild 4 dokumentiert. In der Auswertung der Ergebnisse ergibt sich im Heizbetrieb eine Energieeinsparung von 50 Prozent und für den Jahresenergieverbrauch eine Einsparung von 44 Prozent (59 MWh gegenüber 105 MWh) [6].
Schlussfolgerungen
Es ist möglich, durch Modifikationen der Bahnklimageräte energiesparende Lösungen zu realisieren, die in der Gebäudeklimatisierung Standard sind. Dabei müssen für die unterschiedlichen Zugkonfigurationen und Klimazonen die jeweils optimalen Lösungen gefunden werden und ihr Kostenaufwand muss sich über die Senkung des Jahresenergiebedarfs mindestens kompensieren. Bei der hohen Lebensdauer der Bahnklimaanlagen von mindestens 15 Jahren ist das eine reale Zielstellung.
Bei den gezeigten praktischen Erprobungen konnten auch die Anforderungen an die Robustheit und Zuverlässigkeit im Bahneinsatz nachgewiesen werden. Weitere Optimierungsmöglichkeiten sind bei der Regelung zu erkennen. Die Regelungskonzepte für das dynamische Verhalten und für die Verbindung mehrerer Maßnahmen in einem Gerät sind dabei zu betrachten.
Die Umsetzung von energiesparenden Lösungen wird im Bahnbetrieb zunehmen. Dafür wird es erforderlich sein, einen abgestimmten Testzyklus zur Bewertung des Jahresenergieverbrauchs von Bahnklimaanlagen zur Verfügung zu haben. -
Literaturverzeichnis
[1] EN 13129-1:2003: Bahnanwendungen Luftbehandlung in Schienenfahrzeugen des Fernverkehrs
Teil 1: Behaglichkeitsparameter. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2003
Teil 2: Typprüfungen. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2004
[2] EN 14750-1:2006: Bahnanwendungen Luftbehandlung in Schienenfahrzeugen des innerstädtischen und regionalen Nahverkehrs
Teil 1: Behaglichkeitsparameter. Berlin: Beuth Verlag, August 2006
Teil 2: Typprüfungen. Berlin: Beuth Verlag, August 2006
[3] EN 14813-1:2006 + A1: Bahnanwendungen Luftbehandlung in Führerräumen
Teil 1: Behaglichkeitsparameter. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2011
Teil 2: Typprüfungen. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2006
[4] DIN 4710: Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2003
[5] Climate Design Data; ASHRAE Handbook 2009 Fundamentals; American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Atlanta 2009
[6] De Keijzer, J.: Eindrapportage beproeving warmtepomp ICRm; Lloyds Register Rail Europe 03-310215; August 2007
1 Überarbeiteter Vortrag von der DKV-Kältetagung 2011 in Aachen
Dipl.-Ing. Lutz Boeck
Faiveley Transport Leipzig GmbH & Co. KG
