Auslegung und Beurteilung des thermischen Raumklimas in Fahrzeugen mit der Software THESEUS-FE

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1 S.Paulke: Auslegung und Beurteilung des thermischen Raumklimas in Fahrzeugen mit der Software THESEUS-FE 1

2 THESEUS-FE Pre-Processing Graphic Bar Menu Bar Tool Bar Data Explorer Status Line Python Console 2

3 THESEUS-FE Post-Processing 3

4 Der therm. Manikin FIALA-FE: Passives System Wärmeübertragung im Gewebe: Bioheat Equation (nach Pennes 1948) original Materialparameter (nach Fiala 1998) Wärmeleitung Metabolismus Wärme des Blutes Wärmespeicher zylindrische Körperteile: ω = 1 (z.b. Arme, Beine) kugelförmige Körperteile: ω = 2 (z.b. Kopf) Spezielles FE: "Zwiebelschale" Finite-Element-Ansatz (nach Paulke 2006) T η e 2 Ti i= 1 e e () t φ ( η) i L R r ϕ ψ 4

5 Der therm. Manikin FIALA-FE: Aktives System Lokale Regelmechanismen Q10-Effekt: - Schwitzen - Blutfluß i.d. Haut Δ - T sk,i,0 T sk,i + Q10-Effekt: - Metabolismus - Blutfluß im Muskel Hypothalamus Haut Regelmechanismen des Zentralen Nervensyst. T hy + T sk,i + Δ - T hy,0 Δ - T sk,i,0 Σ Zittern Vasokonstriktion Blutgefäße Haut Vasodilatation Schwitzen Blutfluß im Muskel T i,0 Δ - T i + Passives System dt sk,i dt Σ 5

6 Der therm. Manikin FIALA-FE: Validierung z.b. Mensch in Unterhose bei 5 C Raumtemperatur chest temp. [ C] thorax anterieur forehead temp. [ C] thesis Fiala [2] Fiala [1] THESEUS-FE experiment Experiment rectal temp. [ C] leg temp. [ C] metabolism [W] shivering! arm temp. [ C] mean skin temp. [ C]

7 Der therm. Manikin FIALA-FE: Implementierung Solver: internes Solid-Modell*) Einteilung der Körperteile Sektoren und Layer gemäß Fiala Bekleidung Haut Fett Muskel Knochen Randbedingungen: Strahlung (kurzwellig) Atmung (Konvektion+Verdunstung) Das FE-Modell ist vollständig aus sog. "Zwiebelschalen" aufgebaut externes Schalenmodell: als Schnittstelle für den Anwender zur Definition der Temperaturen werden auf Schalennetz geplottet Strahlung (langwellig) Konvektion Bekleidung Verdunstung (Schwitzen) Randbedingungen (rechts) Bekleidung Berechn. Sichtfaktoren Kontakt (Wärmeleitung) und für Postprozessing *) Hände sind hier nicht dargestellt 7

8 Der therm. Manikin FIALA-FE: Implementierung Wärmeleitende Struktur: Finite Elemente: Balken, Schalen, Solids, Spezielle FE "Zwiebelschale" Freiheitsgrade: Temperatur Randbedingungen d. Struktur: Kontakt Wärme d. Blutes Konvektion Strahlung Atmung Verdunstung Wärmequellen Airzones Freiheitsgrade: Temperatur, Feuchte Schwitzen Vasomotion Zittern Aktives System des Manikins Randbedingungen d. Airzones: Ventilations Wärmeübergang Stofftransport 8

9 Thermische Neutralität Randbedingungen d. unbekl. Menschen T air T wall v air Luftfeuchte Wärmeprod C 30.0 C 0.05 m/s 40 % 100 W Simulierte Hauttemperaturen T sk,0 : [ C] Im stationären Zustand der Neutralität ist die innere Wärmeproduktion gleich der Summe der Wärmeverluste aus Konvektion Atmung Verdunstung Strahlung 20% 10 25% % 34.1 cardiac output skin blood flow mass loss 4.9 ltr/min 24.3 W/K 0.73 g/min C Global-Temperaturen: C C 32.6 T skin,m T muscle,m T hypothalamus T rectal C C C C 9

10 Komfortmodelle in THESEUS-FE Input Fanger (1970) PMV-Index Aktivitätsgrad, Globale Randbedingungen: Luft- und Wandtemperatur, Luftgeschwindigkeit, Feuchte Bekleidung Fiala (1998) DTS-Index mittl. Hauttemp. Kerntemp. Gültigkeit stationär, global dynamisch global Bewertung der Äquivalenttemperaturen (EN ISO ) lokale äußere Wärmeströme stationär, lokal + global 6 Bewertungsbereiche Zhang (2003) Local Comfort Model lokale Hauttemperaturen mittl. Hauttemperatur Kerntemperatur dynamisch, lokal + global 13 Bewertungsbereiche Besonder heiten nicht gekoppelt mit Manikin DTS sehr ähnlich zu PMV Unterschiedliche Bewertung für Sommer- und Winterbekleidung ideal für Optimierungen, da auch der max. erreichbare lokale Komfort berechnet Defizite nicht anwendbar bei Kontaktrandbedingungen Bekleidung nur global definierbar (clo-wert) nur punktuell validiert für zeitveränderl. Randbeding. im Vergleich mit Zhang: zu undifferenziert für lokale Komfortaussagen Berechnung sehr aufwendig Ergebnisse teilw. nicht transparent ("black box") Output Globales therm. Empfinden auf 7-stufiger Skala -3.. kalt -2.. kühl -1.. etwas kühl 0.. neutral +1.. etwas warm +2.. warm +3.. heiß Lokales therm. Empfinden und Komfort auf 5-stufiger Skala 1.. zu kalt (unkomfortabel) 2.. kalt (noch komfortabel) 3.. neutral (komfortabel) 4.. warm (noch komfortab.) 5.. zu warm (unkomfortab.) Globales und lokales therm. Empfinden auf 9-stufiger Skala von -4 (sehr kalt) bis +4 (sehr heiß) Thermischer Komfort auf 9-stufiger Skala von -4 (sehr unkomfortabel) bis +4 (sehr komfortabel) 10

11 Beurteilung des therm. Komforts in der Fz-Kabine Kabinetemperaturen: 100 Einsteigen Sommerlastfall Klimakammer: Sonnenstrahlung: 1000 Wm Luft I-Tafel 20 0 passiv Aufheizen Klimaanlage in Betrieb t [min] 40 C Lufttemp. PMV Index: DTS Index: heiß 3 warm 2 [ C] keine not assigned Zuordnung 1 kalt (unkomf.) 2 3 cold, uncomfortable cool, kühl but still (komf.) comfortable neutral (komf.) Gebläse Sonne Änderung der mittl. Hauttemp. etwas 1 warm 1 neutral warm, warm but still comfortable (komf.) heiß hot, uncomfortable (unkomf.) Sonne unkomfortable Bereiche resultieren aus Sonneneinstrahlung Gebläse und Sitzkontakt Sitzkontakt 11

12 Sitzkomfortbewertung nach Zhang Es werden unterschiedliche Varianten für Sitzheizungen bewertet. Zu Beginn der Simulation ist der PKW kalt. Heizleistung in der Kontaktzone: 1000 W/m Variante A Variante B Variante C t [sec]

13 Sitzkomfortbewertung nach Zhang sehr heiß + 4 Thermisches Empfinden: heiß warm lokal kühl kalt sehr kalt sehr angenehm + 4 global Thermischer Komfort: Die LC max -Kurve markiert den maximal erreichbaren Komfort in der Kontaktzone! LC max sehr unangenehm -4 Quasi-statische Temperaturverteilung in der Kontaktzone (ohne Sitzheizung) 13