Simulation der Fahrzeugklimatisierung mit lokaler Komfortbewertung

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1 P+Z Engineering GmbH Simulation der Fahrzeugklimatisierung mit lokaler Komfortbewertung P+Z Engineering GmbH, 2007 Dr. Stefan Paulke Michael Ellinger Stefan 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 Vorschriften + Gesetze Klimatisierung ist eine komplexe und interdisziplinäre Aufgabe! 1

3 Physikalischer Hintergrund Transmission und Abschattung Strahlungshintergrund Windgeschwindigkeit Reflektion Konvektion Luftfeuchte Belüftung Konvektion Absorption Umgebungstemperatur Sonnenstrahlung Wärmeleitung Körperstrahlung Innenraum = Strahlungsraum Thermodynamische Systemgrenze für die Energierhaltung 2

4 Thermischer Komfort Menschen fühlen und merken sich Temperaturunterschiede! Design Ästhetik nach Maslow, 1978, [4] ERGONOMIE LÄRM KLIMA LICHT VIBRATIONEN GERUCH KOMFORT-BEDÜRFNIS-PYRAMIDE nach T.H. Benzinger, 1979, [5] THERMISCHER KOMFORT Variable Abhängigkeit Zielgröße Temperatur f ( x, y, z, t) Komfortbereich (22-25 C) Wandtemperatur f ( x, y, z, t) (T surf T air ) < 4K Luftfeuchte f ( x, y, z, t) Komfortbereich (30 65 %) r r r Luftgeschwindigkeit f ( x, y, z, t) < 0.15 m/s Luftturbulenz f ( v t) < 20% bzw. Frequenz > 2Hz Aktivitätsrate f ( Q A, t) Arbeitsabh. (~ met) Bekleidung f R, R, f ) Lastfallabhängig ( cl ecl cl 3

5 Thermoregulation des Körpers Bioheat -Gleichung: PASSIVES SYSTEM AKTIVES SYSTEM Atmung Wärmeleitung Bekleidung Strahlung Konvektion Verdampfung aus [3] 4

6 Thermophysiologische Modelle GLOBALES MODELL LOKALES MODELL Zwei Knoten Modell Kern (90% des Gesamtgewichts) Haut (10% des Gesamtgewichts) TILL FIALA-FE 5

7 Klassifizierung der Kabinensimulation SIMULATIONSMETHODE EMPIRISCH EINZONIG MEHRZONIG 3D GEKOPPELT Eingabe Übertragungsfunktion Black Box Ausgabe Analytische Gleichungen Neuronale Netzwerke Hardware-in-the-Loop Statistik Fuzzy-Logik 1D/(3D) Programme Halbempirisch Energiebilanzierung Mittlere Kabinentemp. Einfacher Wärmeübergang 1D/2D/3D Programme Luftaustausch Energiebilanzierung Räumlich differenziert Örtlicher Wärmeübergang Gekoppelte 3D Tools CFD Co-Simulation Lokale Kabinenergebnisse Lokaler Wärmeübergang T = f ( x i ) Q = h T Q = h T(x,y,z) r dm r = v A dt r q = kij T r v r r ρ + ρ( v ) v = t r r p + η v + L ( v) + r f 6

8 Beispielmodell BMW X3 Modellierungsaufwand circa eine Woche! * Intel Xeon 2.8 GHz, Windows XP 32bit SCHALENNETZ ~ Knoten ~ Fahrzeugelemente ~ 8350 Insassenelemente ~ Freiheitsgrade (DOF) STRAHLUNGSGRUPPEN 1 Strahlungsraum mit 9750 Patches VF-Berechnungsdauer 15 min* PID/VOLUMEN EINTEILUNG 47 Fahrzeuggruppen + 48 Insassengruppen 1 Airzone + 7 Volumen MODELLVARIANTEN mit / ohne Glasschiebedach mit / ohne Insassen 7

9 Passive Aufheizung T ~ 4 C T ~ 15 C Glasdach Stahldach Lichtundurchlässig (τ = 0) T ~ 30 C RANDBEDINGUNGEN Klimakammer 1000 W/m 2 40 C 40 %RF Testdauer: 90 min Berechnungszeit: 10 min* * Intel Xeon 2.8 GHz, Windows XP 32bit 8

10 Neuronales Netz Eingabegrößen Umgebungstemperatur [-30 45] C Fahrgeschwindigkeit [0 35] m/s Luftgeschwindigkeit [0 0.25] m/s Strahlungshintergrund [-20 30] C Starttemperatur [ ] C Luftmassenstrom [0 0.2] kg/s Belüftungstemperatur [-30 50] C Direkte Sonnenintensität [0 1200] W/m² Altitude Winkel [0 90] Azimuth Winkel [0 360] ANN Ausgabegrößen Stichproben im Wertebereich Berechnung und Ergebnisauswertung Neuronale Netzerstellung 9

11 Cool-Down mit Einzonenmodell RANDBEDINGUNGEN Klimakammer Simulationszeit: 0 min Simulationszeit : 5 min Simulationszeit : 10 min Simulationszeit : 20 min Simulationszeit : 30 min Simulationszeit : 40 min 1000 W/m2 40 C 40 %RF Fahrzeug im IDLE mode Luftmassenstrom: 0,1 kg/s * Intel Xeon 2.8 GHz, Windows XP 32bit Klimaanlage Umluft Testdauer: 40 min Berechnungszeit: 7 min* 10

12 Cool-Down mit lokalem Wärmeübergang Lokale Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) aus einer stationären CFD - Berechnung HTC [ W/(m²K) ] Geschwindigkeitsbetrag [ m/s ] 11

13 Cool-Down mit 3D-Kopplung LOKALE TEMPERATUREN UND GESCHWINDIGKEITEN Berechnungszeitpunkt: 300 s Stromlinien: Luftgeschw. [0 1 m/s] Rückfluss zum Auslass < 30 C Querschnitt: Temperaturverteilung > 45 C 12

14 Komfortbewertung LOKALE EQUIVALENTTEMPERATUR LOKALER KOMFORTINDEX 40 5 heiß DIN EN ISO warm 3 neutral 20 2 kühl 1 kalt 10 ET [ C ] Q Q bc, real bc, real = Q = A rad, eq sf h rad + Q conv, eq ( ET T ) + A h ( ET T ) sf sf conv sf 13

15 Co-Simulation VORTEILE Nur eine Schnittstelle zur Middleware wird benötigt Plattform unabhängig Jedes Client-Tool rechnet in seinem eigenen Lösungsraum mit individuellen Zeitschrittweiten und voneinander unabhängigen Lösungsmethoden Schneller Austausch eines Client-Tools durch standardisierten Datentransfer Parallele Verarbeitung gegenüber seriellem Ablauf Ein Sender viele synchrone Empfänger und umgekehrt 14

16 Korrelation zwischen Simulation und Test Temperatur [ C] 80 74, , BMW X3 - Cool Down IDLE Einzonige Simulation Mittlere Innenraumtemperatur Einzonige Simulation mit lokalen HTCs Mittlere Innenraumtemperatur 3D gekoppelte Simulation Mittlere Kopfraumtemperatur Messung Mittlere Kopfraumtemperatur (aus [2]) Zielgröße Zeit [s] 30,0 28,1 25,6 25,3 15

17 Vor- und Nachteile + PRO -KONTRA EMPIRISCH EINZONIG MEHRZONIG 3D GEKOPPELT Extrem schnelle Antwortzeiten Gut für Überschlagsrechnungen Hauptanwendung Klimaregelung Einfache Formalismen Übertragbar in andere Anwendungen Schnelle Antwort-/Modellierungszeiten Hauptanwendung Parameterstudien Gut für Konzeptentwurfe Gesamtmodellintegration Teilweise detaillierte Algorithmen Guter Einblick in alle Abhängigkeiten Akzeptable Antwortzeiten Erste lokale Effekte Näher an der Realität Genauere Wärmeübergänge Extrem lokale Auflösung Sehr nahe an der Realität Höchste Genauigkeit Alle Phänomene abgedeckt Weniger Eingabedaten nötig Anschauliche Ergebnisbilder Meist nur für einen bestimmten Zweck Erneute Anpassung für jedes Modell Nur Ergebniswerte keine bunten Bilder Eingeschränkter Ergebnisraum Vernachlässigung lokaler Effekte Nur mittlere Innenraumtemperatur Ungenügende Konvektionsabbildung Vernachlässigung lokaler Effekte 1D Tools oft ohne Schattenwurf Manchmal Anpassungen nötig Große Eingabedatenmenge Großer Modellierungsaufwand Nur geringe örtliche Auflösung Benötigt Luftaustauschraten zw. Zonen Manchmal auch Nachjustierung nötig Lange Berechnungsdauer Hoher Modellierungsaufwand Großer Investitionsbedarf (Soft+Hardware) Nur von Experten anwendbar Oft unübersichtlich Fehleranfällig 16

18 Erweiterte Klimatisierungsstrategien SOMMER Jalousie Solare Standbelüftung Elektrischer Kompressor Speziallacke Glasmaterialien (elektrochromatisch + SPD, NIR - Verglasung) Sitzbelüftung, Funktionsstoffe Kältespeicher Belüftungskonzepte (diffus, dezentral), Feuchteregelung, Beschlagsminimierung R744 Klimaanlage Mehrzonenklimatisierung mit Enthalpieregelung Wärmespeicher WINTER CO 2 Wärmepumpe Zuheizsysteme (PTC, elektrisch, brennstoffbetrieben) Sitzheizung Restwärmenutzung Hoch isolierende Verglasung und Karosserie, beheizte Windschutzscheibe PARKEND ZU FAHRTBEGINN FAHREND START/STOP nach [4] 17

19 Zusammenfassung Die Fahrzeugklimatisierung kann heutzutage bis hin zur lokalen Komfortbewertung mit aktiven Insassenmodellen vollkommen virtuell durch eine Vielzahl an Methoden und Programmen ausgelegt werden. Bei den aus betriebswirtschaftlicher Sicht geforderten Zeit- und Qualitätsrahmen genügt eine rein experimentelle Erfassung des Istzustandes in der Prototypenphase der Entwicklung nicht mehr den heutigen Anforderungen. Energieoptimierte Klimaanlagen bedürfen der thermodynamischen Betrachtung des Gesamtsystems inklusive aller Effekte an und in der Fahrzeugkabine. Die nötigen Zukunftsstrategien zur Verbrauchs- und Emissionsreduzierung werden verstärkt präventive und bedarfsgerechte Klimatisierungsmaßnahmen hervorbringen. 18

20 Referenzen [1] THESEUS-FE, Manuals v2.1. P+Z Engineering GmbH, Munich [2] S. Jagsch, A.-M. Blondet, C. Kußmann, T. Mooshammer. Virtueller Versuch am Beispiel Klimatisierung. VDI-Berichte Nr. 1967, S , 2006 [3] D. Fiala, K.J. Lomas, M. Stohrer. Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions. Int J Biometeorol 45, S , 2001 [4] F. Frühauf. Thermische Behaglichkeit im Fahrzeug von morgen. IIR-Fachkonferenz Thermomanagement im Kfz, Stuttgart, 2002 [5] E. Mayer, R. Hellwig, A. Holm. Thermische Behaglichkeit im Fahrzeug. Haus der Technik- Fachbuch, PKW-Klimatisierung V, S. 1 11, expert verlag, Renningen, 2007, ISBN: [6] T. Schneider, M. Ellinger, S. Paulke, St. Wagner, H. Pastohr. Modernes Thermomanagement am Beispiel der Innenraumklimatisierung. Automobiltechnische Zeitschrift, Jahrgang 109, Vol. 2, S , Vieweg Verlag, Wiesbaden,