FEV evaluiert ein neues Fahrgastraum-Heizsystem

Erhöhte Reichweite und verbesserter Komfort für Elektrofahrzeuge

1. Juni 2017 | Engineering Service

Beim Heizen der Fahrgastzelle wird bei konventionellen Autos ein Teil der überschüssigen abgestrahlten Wärmeenergie des Verbrennungsmotors genutzt. Durch die höhere Tank-to-Wheel-Effizienz elektrischer Fahrzeuge steht ihnen diese Wärmequelle nicht zur Verfügung. Stattdessen ist eine zusätzliche Heizung vonnöten, die von der Batterie mit Energie versorgt wird. Infolgedessen wird durch das Beheizen elektrischer Fahrzeuge deren Reichweite um bis zu 50 Prozent reduziert. Die Steigerung der Effizienz des Fahrzeugs oder des Fahrgastraum-Heizsystems ist eine große Herausforderung auf dem Weg zu wettbewerbsfähigen Elektrofahrzeugen für den Alltag.

In einer aktuellen Studie hat die FEV das Energieeinsparpotenzial von Heizflächen in der unmittelbaren Umgebung des Fahrers untersucht. Das in einem Versuchsfahrzeug installierte Heizsystem für Elektrofahrzeuge bestand aus einem elektrischen PTC-Luftheizer und elektrisch betriebenen Strahlungsflächen in der Fahrgastzelle. Mit dem Versuchsfahrzeug wurden umfangreiche Messungen in einer Klimakammer durchgeführt und der Energieverbrauch der Heizsysteme festgehalten. Der Vergleich des Energieverbrauchs beider Heizvorgänge offenbart ein Energieeinsparpotenzial von bis zu neun Prozent.

Operative Temperatur

Das Heizsystem nutzt sowohl Konvektion als auch Wärmestrahlung. Daher reicht eine alleinige Messung der Lufttemperatur nicht aus. Um die Interaktion der beiden Wärmeübertragungsmechanismen angemessen zu berücksichtigen, muss ein anderes Verfahren zur Beurteilung der Fahrgastraumheizung eingesetzt werden.
Ein geeigneter Weg ist die Bestimmung der sogenannten operativen Temperatur. Die operative Temperatur gewichtet die Wärmeübergangskoeffizienten der Konvektion und der Wärmestrahlung. Für diese Messungen wurde ein dedizierter Sensor zur Messung der Strahlungswärme als ein erster Prototyp aufgebaut. Erfahrungen aus dem Bausektor zeigen, dass die Verwendung der operativen Temperatur statt der Lufttemperatur bei der Regelung des Heizsystems eines Raums sowohl den Energieverbrauch verringert als auch die thermische Behaglichkeit erhöht.

Temperaturmessung

Zur Beurteilung der Erwärmung des Fahrgastraums wurden mehrere Temperaturmesspunkte in der Fahrgastzelle verwendet. Da das Ziel der neuen Messmethode nicht eine Beurteilung der Heizleistung, sondern ein Vergleich der beiden Heizverfahren war, reichte die Messung der Temperaturen im Bereich der Vordersitze aus. Die Temperaturen wurden auf Kopf- und Fußhöhe gemessen. Im Versuchsfahrzeug wurden acht Temperaturmesspunkte eingerichtet, wovon jeweils vier auf der Fahrer- beziehungsweise der Beifahrerseite installiert wurden. Zwei der vier Messpunkte pro Seite wurden an den Kopfstützen angebracht.
Ein selbst gebauter flacher Strahlungstemperatursensor mit drei Zentimetern Kantenlänge wurde in Kombination mit einem Thermoelement zur Bestimmung der operativen Temperatur auf Fußhöhe eingesetzt, da hier die Strahlungsflächen installiert wurden. Die durchschnittliche Fahrgastraumtemperatur kann durch die Berechnung der Durchschnittstemperaturen auf Kopfhöhe und der operativen Temperaturen auf Fußhöhe ermittelt werden.

Heizsystem

Das konventionelle Heizsystem mit einem rein elektrischen PTC-Luftheizer und Gebläse wurde um elektrisch betriebene Strahlungsflächen in den Fußräumen des Fahrzeugs erweitert.
In einer Literaturstudie zur Strahlungsheizung für Gebäude wurde festgestellt, dass Strahlungsheizungen im Vergleich zu konvektiven Heizsystemen potenziell einen um ca. zehn Prozent geringeren Energieverbrauch aufweisen. Laut der Studie kann die Lufttemperatur ohne negative Auswirkungen auf die Empfindung von thermischer Behaglichkeit um 5 K gesenkt werden. Darüber hinaus werden Wärmeverluste durch Luftaustausch reduziert. Der Anteil der an den Luftstrom gebundenen Wärmeenergie ist geringer, wenn zusätzliche Strahlungsheizsysteme verwendet werden.
In kalter Witterung sollten in einem Fahrzeug die Füße und Beine wärmer als andere Körperteile sein. Deshalb wurden die Strahlungsflächen im Bereich der Füße und Beine installiert. Die Fußräume des Versuchsfahrzeugs waren dafür geeignet, da ihre Seiten ausreichend Platz zur Installation bieten. Sowohl im unveränderten als auch im modifizierten Heizsystem gelangt kalte Außenluft in das Lüftungssystem. Die Lufttemperatur wird durch den PTC-Luftheizer erhöht.
Im modifizierten Fahrzeug mit  zusätzlichen Strahlungsflächen wurde die Heizleistung reduziert, was zu einer geringeren Lufttemperatur führte. Die Wirkung  der beiden Heizsysteme wurde durch eine Messung der Temperaturen im Kopf- und Fußbereich ermittelt.

Durchführung der Messungen

In einer Klimakammer wurde bei einer Umgebungstemperatur von -10 °C eine Messreihe durchgeführt, wobei bei allen Messungen der Luftstrom nur auf die Füße gerichtet war. Der Prüfaufbau wurde weder von der Windgeschwindigkeit noch von Sonneneinstrahlung beeinflusst. Das Versuchsfahrzeug wurde ungefähr 25 Minuten lang beheizt. Zum Vergleich der Wärmeabgabe aller Prüfkonfigurationen wurden drei verschiedene Temperaturen berücksichtigt: auf Fußhöhe, auf Kopfhöhe und die durchschnittliche Temperatur des Fahrgastraums.

Grafik - Heizsysteme für Elektrofahrzeuge

Schematische Ansicht des konventionellen Heizsystems


Grafik - Heizsysteme für Elektrofahrzeuge

Schematische Ansicht des neuen Heizsystemschen

Fahrgastraumtemperaturen & Energieeinsparpotenzial

Bei der durchschnittlichen Fahrgastraumtemperatur zeigen die Ergebnisse, dass die PTC-Heizleistung entweder zu hoch (Messung Komb. I) oder zu gering (Messung Komb. II) war. Daher wurden die gemessenen Temperaturprofile aus Komb. I und Komb. II interpoliert und damit eine Schätzung des Temperaturprofils einer Messung mit entsprechender PTC-Heizleistung erstellt. Der Energieverbrauch der interpolierten Messung wurde dementsprechend berechnet und der durchschnittliche Energieverbrauch der Messungen Komb. I und Komb. II wurde ermittelt. Mit den Strahlungsflächen waren nur
90,7 Prozent der Heizenergie zum Erreichen einer dem konventionellen System gleichwertigen Heizleistung nötig. Da die Ergebnisse auf einer Interpolation beruhen, ist das Energieeinsparpotenzial nicht physikalisch begründet, kann jedoch als Prognose für das Energieeinsparpotenzial verwendet werden.

Subjektive Eindrücke zum Strahlungsheizsystem

Im Winter wurden in Alsdorf subjektive Untersuchungen durchgeführt, um die Einstellungen der verschiedenen Heizsysteme zu justieren und die Temperatursensoren zu prüfen. Während dieser Untersuchungen wurde das Strahlungsheizsystem subjektiv beurteilt. Die Umgebungstemperatur betrug 3 °C, wodurch realistische Bedingungen für das Heizen eines Fahrzeugs herrschten. Auf dem Fahrersitz des Versuchsfahrzeugs saß beim Betrieb des Heizungssystems eine Person, die mit Jeans, Winterjacke und Halbschuhen bekleidet war. Bereits etwa zwei Minuten nach Beginn des Heizvorgangs spürte die Versuchsperson die Strahlungswärme. Die Lufttemperatur war geringer als die der Strahlungsflächen. Allgemein wurde die Strahlungswärme als angenehm empfunden. Die Versuchsperson berührte im Verlauf der Untersuchung die Strahlungsflächen mit den Beinen und verbesserte so die thermische Behaglichkeit. Aufgrund der Nähe der Strahlungsflächen zu den Beinen kann diese Haltung vom Fahrer auch während der Fahrt eingenommen werden. Allgemein wurde die Strahlungsheizung von der Versuchsperson  positiv bewertet. Objektive Messungen können – selbst mit einer thermischen Messpuppe – Verhaltensreaktionen wie die oben beschriebene nicht nachmodellieren.

Grafik - Heizsysteme für Elektrofahrzeuge

Tabelle - Heizsysteme für Elektrofahrzeuge

Messwerte:
– Ref. I: Maximale PTC-Leistung 3,2 kW und 0,1 kW Gebläseleistung
– Komb. I: Wie Ref. I, mit zusätzlich 0,2 kW Strahlungsheizleistung
– Komb. II: PTC-Leistung 2,4 kW, 0,1 kW Gebläseleistung und 0,2 kW Strahlungsheizleistung

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