Idealisierte energetisch-analytische Abbildungsmethode der Temperaturschichtung bei der passiven Aufheizung in der Fahrzeugkabine

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1 Idealisierte energetisch-analytische Abbildungsmethode der Temperaturschichtung bei der passiven Aufheizung in der Fahrzeugkabine 6. Tagung PKW-Klimatisierung, 24. November 2009, München St. Wagner

2 Motivation K L I M A T I S I E R U N G Hauptziel THERMISCHER KOMFORT Temperaturniveau Luftqualität Zugminimierung Geräuschpegel Effizienz/Dynamik Zusätzliche Optimierungsaufgaben ÖKONOMIE Mehrverbrauch Funktionsfähigk. Wartungsarmut Zuverlässigkeit Lebensdauer ÖKOLOGIE Emissionen Umweltschutz Entsorgung Kontaminierung Filterung ERGONOMIE Bedienbarkeit Information Haptik / Design Intelligenz Regelung SICHERHEIT Scheibenbeschlag Enteisung Tunnelblick Ermüdung Entflammbarkeit RANDBEDINGUNGEN Wetter + Ort Kundenwunsch + Kulturkreis Fahrzyklen + Fahrerprofil Kosten + Produktion Klimatisierung ist eine komplexe und interdisziplinäre Herausforderung! Vorschriften + Gesetze 1

3 Warum Simulation? Versuch oft zu zeitaufwendig, teuer, nur punktuelle Ergebnisgrößen und nicht jeder Lastfall möglich Anzahl der Konzeptvarianten und Eingabeparameter zu groß für eine reine versuchstechnische Erfassung aller Optionen Zukünftig zum Teil komplett neue Konzepte nötig, die zum Entwicklungszeitpunkt (Vorentwicklung) oft nur virtuell und nicht real existieren Objektive Basisbewertung des thermischen Komforts durch detaillierte thermophysiologische Insassenmodelle Aber Achtung Simulation ist nicht der alleinige Heilsbringer! Sondern nur ein komplementäres Hilfsmittel zur Produktentwicklung. 2

4 Physikalischer Hintergrund Transmission und Abschattung Strahlungshintergrund Windgeschwindigkeit Reflektion Konvektion Luftfeuchte Belüftung Konvektion Absorption Umgebungstemperatur Sonnenstrahlung Wärmeleitung Körperstrahlung Innenraum = Strahlungsraum Thermodynamische Systemgrenze für die Energierhaltung 3

5 Klassifizierung der Kabinensimulation SIMULATIONSMETHODE EMPIRISCH EINZONIG MEHRZONIG 3D GEKOPPELT Eingabe Übertragungsfunktion Black Box Ausgabe Analytische Gleichungen Neuronale Netzwerke Datamining, Statistik Genetische Algorithmen Fuzzy-Logik T = f ( x i ) 1D/(3D) Programme Halbempirisch Energiebilanzierung Mittlere Kabinentemp. Einfacher Wärmeübergang Q = h ΔT 1D/2D/3D Programme Luftaustausch Energiebilanzierung Räumlich differenziert Örtlicher Wärmeübergang Q = h ΔT(x,y,z) r dm r = v A dt Gekoppelte 3D Tools CFD Co-Simulation Lokale Kabinenergebnisse Lokaler Wärmeübergang r q = kij T r v r r ρ + ρ( v ) v = t r r r p + ηδv + L ( v) + f 4

6 Vor- und Nachteile der Methoden + PRO -KONTRA EMPIRISCH Extrem schnelle Antwortzeiten Gut für Überschlagsrechnungen Hauptanwendung Klimaregelung Einfache Formalismen Übertragbar in andere Anwendungen Meist nur für einen bestimmten Zweck Erneute Anpassung für jedes Modell Nur Ergebniswerte keine bunten Bilder Eingeschränkter Ergebnisraum Vernachlässigung lokaler Effekte EINZONIG Schnelle Antwort-/Modellierungszeiten Hauptanwendung Parameterstudien Gut für Konzeptentwurfe Gesamtmodellintegration Teilweise detaillierte Algorithmen Guter Einblick in alle Abhängigkeiten Nur mittlere Innenraumtemperatur Ungenügende Konvektionsabbildung Vernachlässigung lokaler Effekte 1D Tools oft ohne Schattenwurf Manchmal Anpassungen nötig Große Eingabedatenmenge MEHRZONIG Akzeptable Antwortzeiten Erste lokale Effekte Näher an der Realität Genauere Wärmeübergänge Großer Modellierungsaufwand Nur geringe örtliche Auflösung Benötigt Luftaustauschraten zw. Zonen Manchmal auch Nachjustierung nötig 3D GEKOPPELT Extrem lokale Auflösung Sehr nahe an der Realität Höchste Genauigkeit Alle Phänomene abgedeckt Weniger Eingabedaten nötig Anschauliche Ergebnisbilder Lange Berechnungsdauer Hoher Modellierungsaufwand Großer Investitionsbedarf (Soft+Hardware) Nur von Experten anwendbar Oft unübersichtlich Fehleranfällig 5

7 Problemstellung Typische Lufttemperatur-Messstellen TEMPERATURSCHICHTUNG [ C] 6

8 Lösung mit der Einvolumenmethode Lufttemperatur [ C] Test - Gemittelte Kopfraumtemperatur Test - Gemittelte Fußraumtemperatur Simulation - Einzonenmodell = Kleinwagen A = 1000 W/m² = 5 km/h = 43 C = 15 % = 60 min Zeit [s]

9 Grundidee zur V5-Methode z bfahrzeug L Heckscheibe Quer V3 z max V 3 LFrontscheibe V 1 m 1 (t) m 2 (t) V 2 A ϕ A Hutablage v A I-Tafel V 4 V 5 0 8

10 Theorie Luftmassenströme... Gesucht: Luftaustauschraten V 1 und V 2 bzw. da V = A quer * v die Auftriebsgeschwindigkeiten v 1,2? ρ 2 E Pot = Δρ g cos = 2 ( ϕ) L = cr v EKin Daraus ergibt sich die Auftriebsgeschwindigkeit entlang der schrägen Scheibe zu: v = ( ρ w ρ ) g cos c 2 ρ R ( ϕ) L Mit der empirischen Funktion für die Luftdichte ρ [kg/m³] = 360,77819 * T [K] -1,00336 erhält man: v C T = L cos ,00336 ( ) L V ϕ C L 1, TW 9

11 Anwendung und Kalibrierung Test - Gemittelte Kopfraumtemperatur Simulation - Kopfraumvolumentemperatur (V3) Lufttemperatur [ C] Test - Gemittelte Fußraumtemperatur = Kleinwagen A = 1000 W/m² = 5 km/h = 43 C = 15 % = 60 min Simulation - Fußraumvolumentemperatur (V5) Zeit [s]

12 Validierung Kleinwagen Test - Gemittelte Kopfraumtemperatur Simulation - Kopfraumvolumentemperatur (V3) Lufttemperatur [ C] Test - Gemittelte Fußraumtemperatur = Kleinwagen B = 1000 W/m² = 0 km/h = 38 C = 40 % = 90 min Simulation - Fußraumvolumentemperatur (V5) Zeit [s]

13 Validierung SUV Test - Gemittelte Kopfraumtemperatur Simulation - Kopfraumvolumentemperatur (V3) Lufttemperatur [ C] Test - Gemittelte Fußraumtemperatur = Kompakt SUV = 1000 W/m² = 10 km/h = 40 C = 40 % 60 min Simulation - Fußraumvolumentemperatur (V5) Zeit [s]

14 Validierung Limousine Test - Gemittelte Kopfraumtemperatur Simulation - Kopfraumvolumentemperatur (V3) Lufttemperatur [ C] Test - Gemittelte Fußraumtemperatur = Mittelklasse = 1000 W/m² = 0 km/h = 38 C = 40 % = 50 min Simulation - Fußraumvolumentemperatur (V5) Zeit [s]

15 Ergebnisse im Überblick 5 Absolute Temperaturabweichung von der Messung 4 Kopfraumtemperatur Lufttemperatur [ C] 3 2 Fußraumtemperatur Kleinwagen (Hersteller A) 1.0 Kleinwagen (Hersteller B) 0.7 SUV Kompakt (Hersteller A) Mittelklasselimousine (Hersteller C) 14

16 Ergebnisse im Überblick 10 Relative maximale Abweichung von der Messung 8 Kopfraumtemperatur 8.2% Prozent [%] 6 4 Fußraumtemperatur 5.4% 3.7% % 1.7% Kleinwagen (Hersteller A) 2.7% Kleinwagen (Hersteller B) 2.6% SUV Kompakt (Hersteller A) 1.7% Mittelklasselimousine (Hersteller C) 15

17 Zusammenfassung Die neue V5-Methode zur überschlägigen Berechnung der Kopf- und Fußraumtemperatur bei der passiven Aufheizung der Fahrzeugkabine konnte an vier unterschiedlichen Fahrzeugtypen mit guter Übereinstimmung zu Messwerten validiert und bestätigt werden. Die Berechnungsmethode ist einfach in der Handhabung, zuverlässig in ihrer Vorhersage, schnell in der Ausführung und verursacht keinen wesentlich höheren Modellierungsaufwand als eine Einvolumenmethode. Sie bietet sich daher idealerweise für Parameterstudien in der Vorauslegung zur energieoptimierenden Konzeptentwicklung an. Zukünftig wird die Ausweitung der V5-Methode auf artverwandte Anwendungsgebiete geprüft, die Methode weiter automatisiert und verallgemeinert sowie untersucht, inwieweit ähnlich einfache Verfahren zur groben Abbildung der Luftströmung auch in der zwangsbelüfteten Abkühlphase der Fahrgastzelle darstellbar sind. 16