Passive Energieeffizienzmaßnahmen im Fahrzeug zur Reduzierung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs

  • Passive reduction of energy consumption in vehicle air conditioning by optimizing cabin properties

Welp, Ralf; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Müller, Dirk (Thesis advisor); Vallée, Dirk Heinrich August (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Weg zur qualitativen Beurteilung von verschiedenen passiven Effizienzmaßnahmen am Fahrzeug. Hierfür wird ein thermisches Fahrzeug-Kabinenmodell in Modelica entwickelt, welches auf Modelle aus der bestehenden Modelica-Bibliothek „AixLib“ der RWTH Aachen zurückgreift. Das Kabinenmodell berücksichtigt die Kabinengeometrie, sowie Materialschichtungen und Aufbau. Außerdem ist eine serienähnliche Klimaregelung implementiert, die die zugeführter Heiz- bzw. Kühlleistung entsprechend der Innenraumtemperatur derart regelt, dass möglichst schnell eine vorgegebene Soll-Temperatur erreicht wird. Äußere Randbedingungen werden durch die Definition eines Fahrzyklus, der Außentemperatur und die Berechnung der solaren Einstrahlung und weiterer Wetterdaten berücksichtigt. Ausgabeparameter sind die mittlere Innenraumtemperatur, sowie die benötigte Heiz- und Kühlleistung. Dieses Kabinenmodell wird anhand von repräsentativen Szenarien und Messungen am Fahrzeug in einer Klimakammer validiert.Bei der Modellumsetzung wird die Glaskrümmung als Einflussparameter identifiziert, dessen Größenordnung aus der Literatur heraus nicht abgeschätzt werden kann. Aus diesem Grund wird basierend auf dem Strahlungsdurchgangsmodell für planare semitransparente Schichten ein Ansatz zur Berücksichtigung der Krümmung vorgestellt. Dabei wird der Strahlungsdurchgang selbst betrachtet, aber auch die Veränderung des Einfallswinkels über den Verlauf der Krümmung, sowie die Veränderung der projizierten Fläche. Eine Analyse der Einflussgröße dieser drei Bereiche ergibt eine Priorisierung der Einflussgrößen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine Differenzkurvenschar erzeugt, die alle relevanten Einflüsse der Krümmung auf die Transmission zusammenfasst. Der hohe Rechenaufwand zur Berechnung dieser Kurvenschaar begründet die abschließende Aufbereitung in Form einer empirischen Differenzfunktion, die einen Krümmungsfaktor ausweist. Diese Funktion ist lediglich vom normierten Krümmungsradius und dem globalen Einfallswinkel abhängig. Zur Integration in ein Simulationsmodell wird ein dreidimensionaler Ansatz vorgestellt, der die Berücksichtigung eines horizontalen und vertikalen Krümmungsradius vorsieht. Außerdem wird eine Möglichkeit zur Berechnung des jeweiligen horizontalen und vertikalen Einfallswinkels in Abhängigkeit von Flächen- und Sonnenazimut sowie Flächenneigung und Sonnenhöhe beschrieben. Um die für die Betrachtung der Glaskrümmung ursächliche Frage der Einflussstärke zu beantworten wird exemplarisch an einem Fahrzeug und zwei Gebäuden eine Vergleichsrechnung vollzogen. Diese kommt zu dem Ergebnis, dass bei schwach gekrümmten Fahrzeugverglasungen der Einfluss der Glaskrümmung vernachlässigt werden kann. Die beiden Beispielgebäude besitzen jeweils ein Glas-Tonnendach, sowie eine gekrümmte Fassade. Die Simulationen zeigen, dass die Berücksichtigung der Krümmung in beiden Fällen zu einer signifikanten Erhöhung der transmittierten Strahlung führt. Das entwickelte Modell bietet eine einfache Möglichkeit diesen Einfluss bereits in einer frühen Phase der Gebäudeplanung zu berücksichtigen.Entsprechend der Zielsetzung dieser Arbeit wird eine Sensitivitätsanalyse mit dem entwickelten Kabinenmodell durchgeführt, bei der drei Variationsparameter untersucht werden: Die Karosserie-Wärmedämmung, thermischen Masse und Strahlungstransmission. Diese werden jeweils in drei relevanten Szenarien (Passive Aufheizung im Sommer, Sommerfahrt und Winterfahrt) simuliert und zur Bewertung der Effizienz hinsichtlich des Energieverbrauchs zur Klimatisierung gegenübergestellt. Der Vergleich zeigt, dass die Strahlungstransmission gegenüber den anderen beiden Parametern die größte Bedeutung besitzt. Daraufhin werden im Anschluss Glastechnologien mit technisch möglichen und sinnvollen Schichtaufbauten zu Verglasungskonzepten kombiniert. Diese werden ebenfalls anhand des Kabinenmodells hinsichtlich ihrer Effizienz bewertet. Es zeigt sich, dass der Einsatz von Infrarot-reflektierenden Schichten gute Ergebnisse erzielt und die Weiterentwicklung von schaltbaren Technologien erstrebenswert ist.

Identifikationsnummern