Fahrzeugklimatisierung

 

Energieeffiziente Klimatisierung und Bereitstellung der thermischen Behaglichkeit in Fahrzeugkabinen

 

Wärmedurchgangsmessungen von Fahrzeugbauteilen

Wärmedurchgangsmessung-Abbildung Urheberrecht: EBC Abb. 1: Thermografie-Aufnahme eines Testfahrzeuges mit intern platzierter Wärmequelle

Für die numerische Simulation und Bewertung des gesamtenergetischen Fahrzeugverhaltens sind Kennwerte bezüglich des Wärmedurchgangsverhaltens erforderlich. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn vereinfachte energetische Simulationsmodelle zum Einsatz gelangen sollen, welche die Wärmeübertragungsmechanismen durch ein dimensionsreduziertes Modell abbilden. Gerade im Rahmen der Elektrifizierung des Antriebstrangs gewinnen diese Werkzeuge einen immer höheren Stellenwert. Für die messtechnische Erfassung des Wärmedurchgangs stellt sich dabei die Aufgabe, wie Bauteile in einem Versuchsstand eingebracht werden können und dabei der Wärmebrückeneinfluss des Randverbundes zu angrenzenden Bauteilen abgebildet werden kann. Dazu wurde eine einfache und praxisorientierte Methodik entwickelt, um den Wärmedurchgang als integrale Größe für ein definiertes Fahrzeugbauteil zu erfassen.

 
 

Messung der Lüftungseffektivität in Fahrzeugkabinen

CO2-Abbildung Urheberrecht: EBC Abb. 2: CO2 Konzentrationsverlauf an verschiedenen Positionen innerhalb der Kabine

Durch die Nutzung von alternativen Antrieben in Elektro-und Hybridfahrzeugen, erfordert die Klimatisierung der Fahrzeugkabine eine effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie. Gleichermaßen steht jedoch die Erfüllung von thermischen Behaglichkeitskriterien im Fokus der Klimatisierungsstrategie. Insbesondere die Übergabe von Heiz-und Kühlleistung durch das HVAC-System spielt eine Schlüsselrolle für den thermischem Komfort und eine zufriedenstellende Luftqualität. In aktuellen und zukünftigen Fahrzeugkabinen wird die thermische Behaglichkeit zunehmend durch Systeme bereitgestellt, die in der Nähe oder in direktem Kontakt zu den Passagieren sind. Als Beispiele seien hier die Lenkradheizung, Sitzheizung sowie Strahlungsheizflächen an Innenelementen der Türen genannt. Neben diesen Systemen wird im Regelfall ein luftgestütztes Übergabesystem verwendet, welches die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Geruchsbelastung in der Kabine in gewissen Grenzen hält. Da die Konditionierung der Frischluft bei extremen klimatischen Bedingungen betraglich hohe Wärmeleistungen erfordert und auch der Transport der Luft energieaufwändig ist, sind die Reduktion des Frischluftanteils und Minimierung des Luftvolumenstromes wichtige Ziele auf dem Weg zu einem energieeffizienten Gesamtsystem. Durch eine Reduktion der Volumenströme gewinnt eine effiziente Luftverteilung in der Fahrzeugzelle an Bedeutung. Die Luft muss in der gesamten Kabine erneuert werden und somit Kurzschlussströme weitestgehend vermieden werden, um die lokale CO2 Konzentration in der Kabine zu begrenzen und unangenehme Gerüche in Grenzen zu halten.

 

Bestimmung der subjektiven Wahrnehmung hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit

Probandenbewertung-Abbildung Urheberrecht: EBC Abb. 3: Probandenbewertung von verschiedenen Lüftungs-Szenarien

Zusätzlich zur numerischen Simulationen können Probandenversuche genutzt werden, um eine subjektive Beurteilung verschiedener Klimatisierungskonzepte vorzunehmen. Dabei werden die Zustände innerhalb der Fahrzeugkabine durch eine Probandengruppe hinsichtlich des thermischen Empfindens und der thermischen Behaglichkeit bewertet. Darüber hinaus werden auch weitere subjektive Größen wie Zugluft und empfundene Luftqualität ermittelt. Um die Durchführung einfach und zeitgemäß zu gestalten, wird ein server-basierter, elektronischer Fragebogen auf einem Tablet genutzt. Werden nun zeitgleich die thermischen Randbedingungen messtechnisch erfasst, lassen sich Korrelationen für die thermische Behaglichkeitsmodellierung bestimmen und so wiederum in die numerische Simulation integrieren.

 

Simulation mit groben Gittern von Luftströmungen innerhalb der Fahrzeugkabine

Lufttemperaturdaten-Abbildung Urheberrecht: EBC Abb. 4: Simulierte und messtechnisch erfasste Lufttemperaturdaten innerhalb der Fahrzeugkabine

Um hohe Luftaustauschwirkungsgrade und eine zufriedenstellende thermische Behaglichkeit zu erreichen, ist die Kenntnis des Strömungs- und Temperaturfeldes innerhalb der Kabine von großer Bedeutung. In der Regel werden dazu detaillierte CFD Berechnungen mit feinen Gittern herangezogen, die auf der einen Seite hohe Genauigkeiten bieten, auf der anderen Seite jedoch lange Rechenzeiten benötigen. Ein weiterer Ansatz stellt daher die Strömungs-Simulation mit groben Gittern dar, die eine dreidimensionale Lösung der Strömungsstruktur, der Temperaturverteilung und weiterer Größen wie beispielsweise der Feuchte in Echtzeit berechnen können. Ein Vergleich der Ergebnisse einer solchen Berechnung mit Messdaten ist in Abbildung 4 dargestellt.

 

Innovative Klimatisierungskonzepte für Fahrzeugkabinen

Vergleich_Lüftungskonzepte-Abbildung Urheberrecht: EBC Abb. 5: Simulierter Wärmebedarf (l) und relative Luftfeuchte nahe der Scheibe (r) für verschiedene Lüftungskonzepte

Ganzheitliche Fahrzeugmodelle ermöglichen den detaillierten Vergleich zwischen verschiedenen innovativen Ansätzen zur Fahrzeugklimatisierung. Die Kopplung von Modellen, welche verschiedene Methoden zur Wärmeerzeugung und Wärmeübergabe abbilden, mit einer dreidimensionalen Simulation mit groben Gittern ermöglicht eine Bewertung hinsichtlich energetischer Aspekte. Mit der Einbindung komplexer Komfort-Modelle kann zusätzlich eine Bewertung der thermischen Behaglichkeit erfolgen. Der Zusammenschluss der verschiedenen Modelle ermöglicht die unabhängige Bewertung verschiedener Technologien wie Scheiben- und Oberflächenheizungen, Wärmerückgewinnung und Kombinationen daraus. Zudem können Fragestellungen hinsichtlich der „Time-to-Comfort“ für transiente Betriebsweisen beantwortet werden. Zudem lassen sich Technologien unter sicherheitsrelevanten Aspekten wie beispielsweise der Luftfeuchte nahe den Scheiben betrachten, um den Scheibenbeschlag effizient zu vermeiden.