MusatRadu.pdf

Universitatea Transilvania din Braovcoala Doctoral Interdisciplinar

Centrul de cercetare: Sisteme electrice avansate

Ing. Radu Gh. MUAT

mbuntirea confortului termic n autovehicule Improving the thermal comfort inside vehicles

Rezumatul tezei de doctorat

Ph.D. Thesis Summary

Conductor tiinific Prof. dr.ing. Elena HELEREA

BRAOV, 2011

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENA Comisiei de doctorat

Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov Nr. 4803 din 23.09.2011

PREEDINTE: Prof.univ.dr.ing. Sorin Aurel MORARU

DECAN, Facultatea de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor, Universitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA Universitatea Transilvania din Braov

REFERENI: Prof.univ.dr.ing. Radu MUNTEANU Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca

Prof.univ.dr.ing. Ioan POPA Universitatea din Craiova

Prof.univ.dr.ing. Paul Nicolae BORZA Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: smbt, 29.10.2011, ora 14, n Aula Sergiu T. Chiriacescu a Universitii Transilvania din Braov, sala U.II.3. Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei n timp util, pe adresa Universitii Transilvania din Braov, Catedra de Inginerie Electric a Facultii de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor. Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat.

V mulumim.

CUPRINS Pg.

teza Pg. rezumat

LISTA DE ABREVIERI 5 - LISTA DE FIGURI 7 - INTRODUCERE 11 8 1. CARACTERIZAREA CONFORTULUI TERMIC N INTERIORUL AUTOVEHICULELOR 15 11

1.1. Confortul ambiental n autovehicule 15 - 1.1.1. Factori care influeneaz confortul ambiental 16 - 1.1.2. Clasificarea confortului ambiental 16 -

1.2. Analiza confortului termic n autovehicule 16 12 1.2.1. Conceptul de confort termic 16 12 1.2.2. Stadiul actual al cercetrilor confortului termic 17 - 1.2.3. Studiu comparativ ntre confortul termic din vehicule i cel din cldiri 18 - 1.2.4. Autoreglarea termic a organismului uman 20 - 1.2.5. Condiii de confort termic 22 12 1.2.6. Influena confortului termic asupra performanelor oferului 22 - 1.2.7. Disconfortul termic local 23 12

1.3. Definirea, caracterizarea i msurarea parametrilor de confort termic 24 12 1.3.1. Temperatura aerului 24 - 1.3.2. Viteza aerului 25 - 1.3.3. Temperatura medie radiat 26 - 1.3.4. Umiditatea relativ a aerului 29 - 1.3.5. Nivelul de activitate i nivelul de izolaie termic a mbrcmintei 30 - 1.3.6. Msurarea parametrilor de confort termic 33 -

1.4. Reglementri privind confortul termic 34 - 1.5. Evaluarea confortului termic 36 12

1.5.1. Scri de evaluare a confortului termic 36 12 1.5.2. Modele de confort termic 37 - 1.5.3. Evaluarea confortului termic utiliznd manechine termice 41 - 1.5.4. Evaluarea confortului termic utiliznd modelul Fanger 42 13 1.5.5. Indicii termici PMV i PPD 45 14

1.6. Determinarea caracteristicilor de confort termic 48 14 1.6.1. Dependena temperaturii medii radiate de temperatura ambiant 49 14 1.6.2. Dependena vitezei aerului de temperatura ambiant 52 15 1.6.3. Program software pentru calculul indicilor termici 54 16

1.7. Concluzii 55 - 2. MODELAREA MEDIULUI TERMIC DIN AUTOVEHICULE 57 16

2.1. Transferul de cldur n autovehicule 57 - 2.1.1. Conducia termic 58 - 2.1.2. Convecia termic 60 - 2.1.3. Radiaia termic 62 - 2.1.4. Moduri combinate de transfer termic 66 -

2.2. Calculul termic al schimbtoarelor de cldur 67 - 2.2.1. Structura schimbtorului de cldur compact 68 - 2.2.2. Modelarea schimbtorului de cldur 70 - 2.2.3. Determinarea distribuiei temperaturii la suprafaa de schimb de cldur 75 -

2.3. Modelarea termic a mediului din interiorul autovehiculului 77 - 2.3.1. Surse de cldur i transferul termic n interiorul autovehiculului 77 - 2.3.2. Modelarea termic 2D a interiorului autovehiculului 80 16

3

2.4. Concluzii 82 - 3. SISTEM DE MONITORIZARE A TEMPERATURII N INTERIORUL AUTOVEHICULELOR I DETERMINRI EXPERIMENTALE 83 17

3.1. Sistem de monitorizare a temperaturii 84 18 3.1.1. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului de monitorizare 84 18 3.1.2. Strategia de comand i control a sistemului de monitorizare 94 18 3.1.3. Interfaa grafic 96 - 3.1.4. Amplasarea sistemului de monitorizare 96 19 3.1.5. Validarea sistemului de monitorizare 98 -

3.2. Monitorizarea temperaturii n interiorul autovehiculului 98 19 3.2.1. Monitorizarea temperaturii n procesul de rcire (regimul R3) 98 19 3.2.2. Monitorizarea temperaturii n procesul clasic de nclzire (regimul R2) 102 20 3.2.3. Monitorizarea temperaturii n procesul de nclzire utiliznd termorezistena PTC (regimul R4) 106 21

3.3. Prelucrarea i interpretarea datelor experimentale 109 21 3.3.1. Temperatura monitorizat ca serie de timp 109 - 3.3.2. Analiza procesului clasic de nclzire (regimul R2) 112 21 3.3.3. Analiza procesului de nclzire cu termorezistena PTC (regimul R4) 114 22

3.4. Concluzii 117 - 4. CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE NCLZIRE, VENTILAIE I AER CONIDIONAT DIN AUTOVEHICULE 119 23

4.1. Analiza sistemului HVAC 120 23 4.1.1. Conceptul de ventilaie i de condiionare a aerului 120 - 4.1.2. Stadiul actual al cercetrii 120 - 4.1.3. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului HVAC 123 23 4.1.4. Funciile sistemului HVAC 126 23

4.2. Standarde i reglementri privind sistemele HVAC 132 23 4.2.1. Reglementri privind sistemul de aer condiionat 133 - 4.2.2. Reglementri privind sistemul de nclzire 133 - 4.2.3. Reglementri privind sistemul de dejivrare i dezaburire 134 -

4.3. Impactul sistemelor HVAC asupra mediului nconjurtor i reglementri 135 23 4.3.1. Impactul sistemelor HVAC asupra mediului nconjurtor 135 23 4.3.2. Reglementri privind reducerea emisiilor poluante ale sistemelor HVAC 139 -

4.4. Performanele sistemelor HVAC 139 24 4.4.1. Analiza performanelor sistemelor de aer condiionat i determinri experimentale 139 24 4.4.2. Analiza performanelor sistemului clasic de nclzire i determinri experimentale 141 24

4.5. Concluzii 144 - 5. CARACTERIZAREA SISTEMELOR SUPLIMENTARE DE NCLZIRE DIN AUTOVEHICULE 145 25

5.1. Analiza sistemelor suplimentare de nclzire 146 25 5.1.1. Studiu comparativ al sistemelor suplimentare de nclzire 146 - 5.1.2. Descrierea arhitectural i funcional a sistemelor suplimentare de nclzire 153 25

5.2. Analiza termorezistenelor PTC 157 26 5.2.1. Determinarea caracteristicii termice 157 26 5.2.2. Determinarea caracteristicii volt-amper 159 27 5.2.3. Determinarea caracteristicii de putere 162 28 5.2.4. Modelarea matematic a termorezistenei PTC 162 28 5.2.5. Analiza uniformitii termice a termorezistenei PTC 165 29

5.3. Performanele sistemelor HVAC cu termorezisten PTC 167 30 5.4. Concluzii 169 -

4

6. SISTEM DE NCLZIRE CU TERMOREZISTEN PTC CU ALIMENTARE HIBRID 171 31

6.1. Surse de alimentare utilizate n autovehicule 173 - 6.1.1. Bateria 173 - 6.1.2. Pila de combustie 174 - 6.1.3. Supracondensatorul 174 -

6.2. Sistem de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid 175 31 6.2.1. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului de nclzire 175 31 6.2.2. Integrarea sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid n sistemul electric i electronic al autovehiculului 177 32 6.2.3. Strategia de comand i control a sistemului de nclzire cu PTC 178 -

6.3. Determinri experimentale privind testarea sistemului hibrid de alimentare a termorezistenei PTC 180 32

6.3.1. Descrierea arhitectural i funcional a bancului de testare 180 32 6.3.2. Strategia de comand i control a sistemului hibrid de alimentare 184 33 6.3.3. Interfaa grafic 185 - 6.3.4. Determinri experimentale 187 33

6.4. Concluzii 193 - 7. CONCLUZII FINALE I CONTRIBUII ORIGINALE 195 37

7.1. Concluzii finale 195 37 7.2. Contribuii originale 202 44 7.3. Diseminarea rezultatelor 203 45 7.4. Direcii viitoare de cercetare 204 45

BIBLIOGRAFIE 205 45 ANEXE 215 - Rezumatul tezei de doctorat 217 48 Curriculum Vitae 218 49

TABLE OF CONTENTS

Pg. teza

Pg. rezumat

ABBREVIATIONS 5 - FIGURES 7 - INTRODUCTION 11 8 1. THERMAL COMFORT CHARACTERISATION INSIDE VEHICLES 15 11

1.1. Ambient comfort inside vehicles 15 - 1.1.1. Influence factors for the ambient comfort 16 - 1.1.2. Ambient comfort clasification 16 -

1.2. Analysis of the thermal comfort inside vehicles 16 12 1.2.1. The themal comfort concept 16 12 1.2.2. Thermal comfort State of the art 17 - 1.2.3. Comparative study between thermal comfort in vehicles and buildings 18 - 1.2.4. The human termperature regulation system 20 - 1.2.5. Thermal comfort conditions 22 12 1.2.6. Thermal comfort influence on driving performances 22 - 1.2.7. Local thermal discomfort 23 12

1.3. Defining, characterizing and measuring thermal comfort parameters 24 12 1.3.1. Air temperature 24 - 1.3.2. Air velocity 25 - 1.3.3. Mean radiant temperature 26 - 1.3.4. Air humidity 29 - 1.3.5. Human activity level and clothing insulation 30 - 1.3.6. Measurement of thermal comfort parameters 33 -

5

1.4. Thermal comfort standards and regulations 34 - 1.5. Thermal comfort evaluation 36 12

1.5.1. Thermal comfort rating scales 36 12 1.5.2. Thermal comfort models 37 - 1.5.3. Thermal comfort evaluation by using thermal manikins 41 - 1.5.4. Thermal comfort evaluation by using Fangers model 42 13 1.5.5. Thermal comfort indices PMV and PPD 45 14

1.6. Determining thermal comfort characterstics 48 14 1.6.1. Mean radiant temperature dependency with ambient temperature 49 14 1.6.2. Air velocity dependency with ambient temperature 52 15 1.6.3. Implemented software for themal comfort indices calculation 54 16

1.7. Conclusions 55 - 2. MODELLING OF THE VEHICLE THERMAL ENVIRONMENT 57 16

2.1. Heat transfer inside vehicles 57 - 2.1.1. Conduction 58 - 2.1.2. Convection 60 - 2.1.3. Radiation 62 - 2.1.4. Multimode heat transfer 66 -

2.2. Heat exchangers 67 - 2.2.1. Compact heat exchanger structure 68 - 2.2.2. Compact heat exchanger numerical model 70 - 2.2.3. Determining the temperature distribution of the compact heat exchanger 75 -

2.3. Thermal modelling of the vehicle environment 77 - 2.3.1. Heat source and heat transfer inside vehicles 77 - 2.3.2. 2D thermal modelling of the vehicle environment 80 16

2.4. Conclusions 82 - 3. EMBEDDED SYSTEM FOR MONITORING THE TEMPERATURE INSIDE VEHICLES AND EXPERIMENTS 83 17

3.1. Embedded system for monitoring temperature 84 18 3.1.1. Architecture of the temperature monitoring system 84 18 3.1.2. Control strategy of the temperature monitoring system 94 18 3.1.3. Graphical interface 96 - 3.1.4. Positioning of the temperature monitoring system 96 19 3.1.5. Validation of the temperature monitoring system 98 -

3.2. Temperature monitoring inside the vehicle 98 19 3.2.1. Temperature monitoring in the cooling process (R3 process) 98 19 3.2.2. Temperature monitoring in the heating process (R2 process) 102 20 3.2.3. Temperature monitoring in the heating process using PTC- thermoresistance (R4 process) 106 21

3.3. Experimental data processing and interpreting 109 21 3.3.1. Temperature values as serial correlation 109 - 3.3.2. Analysing the heating process (R2 process) 112 21 3.3.3. Analysing the heating process using PTC-thermoresistance (R4 process) 114 22

3.4. Conclusions 117 - 4. CHARACTERISATION OF THE HEATING VENTILATING AND AIR CONDITIONING SYSTEMS USED IN VEHICLES 119 23

4.1. Analysing the HVAC systems 120 23 4.1.1. Ventilation and the Air Conditiong concept 120 - 4.1.2. HVAC systems - State of the art 120 - 4.1.3. Architecture of the HVAC system 123 23 4.1.4. HVAC system functions 126 23

4.2. Standards and Regulations for HVAC systems 132 23 4.2.1. Regulations for the air conditioning system 133 -

6

7

4.2.2. Regulations for the heating system 133 - 4.2.3. Regulations for the desambuage and defrost system 134 -

4.3. The impact of the HVAC system on the environment and regulations 135 23 4.3.1. The impact of the HVAC system on the environment 135 23 4.3.2. Regulations for reducing the pollutant emissions of the HVAC systems 139 -

4.4. HVAC systems performances 139 24 4.4.1. Analysing the performances of the air conditiong systems and experiments 139 24 4.4.2. Analysing the performances of the heating systems and experiments 141 24

4.5. Conclusions 144 - 5. CHARACTERISATION OF THE AUXILIARY HEATING SYSTEMS USED IN VEHICLES 145 25

5.1. Analysing the auxiliary heating systems 146 25 5.1.1. Auxiliary heating systems State of the art 146 - 5.1.2. Architecture of the auxiliary heating systems 153 25

5.2. Analysing the PTC-termoresistance 157 26 5.2.1. Determining the thermal characteristic 157 26 5.2.2. Determining the volt-amper characteristic 159 27 5.2.3. Determining the power characteristic 162 28 5.2.4. Mathematical modeling of the PTC-termoresistance 162 28 5.2.5. Analysing the thermal uniformity of the PTC-termoresistance 165 29

5.3. Auxiliary heating systems performances 167 30 5.4. Conclusions 169 -

6. THE HEATING SYSTEM WITH PTC-THERMORESISTANCE WITH HYBRID SUPPLY 171 31

6.1. Power supplies used in vehicles 173 - 6.1.1. The battery 173 - 6.1.2. The fuel cell 174 - 6.1.3. The supercapacitor 174 -

6.2. The heating system with PTC-thermoresistance with hybrid supply 175 31 6.2.1. Architecture of the system 175 31 6.2.2. Integration of the system with the vehicle electrical and electronical module 177 32 6.2.3. Control strategy of the heating system with PTC-thermoresistance 178 -

6.3. Experimental determination for the hybrid supply of the PTC-thermoresistance 180 32

6.3.1. Architecture of the test bench 180 32 6.3.2. Control strategy of the hybrid supply system 184 33 6.3.3. Graphical interface 185 - 6.3.4. Experimental determinations 187 33

6.4. Conclusions 193 - 7. FINAL CONCLUSIONS AND ORIGINAL WORK 195 37

7.1. Final conclusions 195 37 7.2. Original work 202 44 7.3. Publications 203 45 7.3. Future work 204 45

REFERENCES 205 45 APPENDIX 215 - Abstract 217 48 Curriculum Vitae 218 49

n rezumat s-au pstrat notaiile figurilor, relaiilor, tabelelor i referinelor bibliografice din teza de doctorat.


INTRODUCERE

Definirea contextului general Prezenta tez de doctorat abordeaz aspecte legate de o tem de mare actualitate, cea a

confortului termic n interiorul autovehiculelor. Confortul termic din interiorul autovehiculelor este mai dificil de evaluat i de

controlat dect cel din interiorul cldirilor din cauza influenei schimbului de cldur prin convecie, radiaie i conducie, din cauza influenei factorilor de mediu exterior i din cauza neomogenitii mediului interior creat de sistemul de nclzire, ventilaie i aer condiionat. De aceea, asigurarea i meninerea confortului termic n autovehicule este una dintre cele mai mari provocri pentru cercettorii, proiectanii i fabricanii de autovehicule.

Prioriti n cercetarea tiinific Tema de doctorat este interdisciplinar i, conform Planului Naional de Cercetare,

Dezvoltare i Inovare 2007-2013, se ncadreaz ca prioritate n domeniul 7, Materiale, procese i produse inovative, direcia de cercetare 7.54, Produse i tehnologii inovative destinate transporturilor i produciei de automobile. Aceast prioritate joac un rol important n consolidarea inovaiei i creativitii cu aplicare direct n industrie. De asemenea, teza de doctorat se ncadreaz n domeniul 2, Energie, direcia de cercetare 2.1, Sisteme i tehnologii energetice durabile; securitate energetic i n domeniul 3, Mediu, direcia de cercetare 3.1, Modaliti i mecanisme pentru reducerea polurii mediului.

Actualitatea i necesitatea cercetrii

Sistemele clasice de nclzire din autovehicule utilizeaz pentru nclzirea interiorului, cldura cedat de motorul cu ardere intern. n multe cazuri, mai ales n zonele temperate, motoarele cu ardere intern, chiar i cele cu performane ridicate, nu acoper necesarul de energie cerut de sistemele clasice de nclzire, cantitatea de cldur furnizat de motor fiind insuficient pentru nclzirea interiorului autovehiculului pn la nivelul optim de confort termic. Aceast deficien termic se amplific, n special, n perioada de iarn. Pe de alt parte, constrngerile actuale sunt legate i de utilizarea raional a resurselor neregenerabile i reducerea emisiilor poluante.

n ultimul deceniu, tot mai multe persoane sunt dependente de mijloacele de transport, n special de autovehicule. O dat cu tendina de reducere a costurilor, a greutii i a creterii siguranei n funcionarea autovehiculelor, a crescut i interesul pentru optimizarea, asigurarea i meninerea confortului termic n interiorul autovehiculelor.

Calitatea mediului interior reprezint un factor determinant n ceea ce privete sntatea i starea de bine a ocupanilor unui autovehicul i este determinat de compoziia aerului. Studiul confortului termic n domeniul transporturilor a nceput i s-a dezvoltat avnd la baz analiza confortului termic din cldiri. S-au dezvoltat o serie de modele de evaluare a confortului termic n cldiri. Aplicarea acestor modele n evaluarea confortului termic n autovehicule ntmpin dificulti din cauza caracterului specific al mediului din interiorul autovehiculelor: ne-uniform, dinamic, tranzitoriu i puternic influenat de mediul exterior. Evaluarea confortului termic n autovehicule ntmpin dificulti i din cauza influenei geamurilor (acestea acoper 24 % din suprafaa total a vehiculului), vitezelor mari ale aerului n interiorul vehiculelor, imobilitii pasagerilor i datorit intensitii i direciei radiailor solare. Prin urmare, aceti factori implic investigarea n profunzime a confortului termic i modelarea confortului termic din interiorul autovehiculelor.

Confortul termic este un concept definit ca fiind senzaia subiectiv de echilibru termic ce apare n corpul uman atunci cnd parametrii de confort termic din autovehicul temperatura aerului, umiditatea aerului, temperatura medie radiat de elementele nconjurtoare, viteza aerului, nivelul activitii umane i nivelul de izolare termic a 8

mbuntirea confortului termic n autovehicule mbrcmintei se situeaz ntr-un interval de valori bine definit. Subiectivitatea este un factor important n evaluarea confortului termic i de aceea este necesar fundamentarea parametrilor de confort termic. n literatura de specialitate exist puine studii referitoare la aceast problem. De aceea sunt necesare noi investigaii i dezvoltri de sisteme flexibile, portabile i precise care s caracterizeze confortul termic din interiorul autovehiculelor.

Sistemele actuale de nclzire, ventilaie i aer condiionat sunt constituite din module performante, cu strategii automate de comand, control i monitorizare. Aceste sisteme sunt implementate att pe autovehiculele clasice, ct i pe autovehiculele hibride i electrice. Exist probleme legate de consumul energetic ridicat al acestor sisteme, ceea ce implic creterea preului de cost i scderea eficienei totale a autovehiculului cu impact negativ asupra mediului nconjurtor.

n vederea perfecionrii sistemelor clasice de nclzire, reducerii timpului de nclzire i atingerii regimului de confort termic, cercettorii i fabricanii de autovehicule au dezvoltat i implementat sisteme suplimentare de nclzire. Sistemele suplimentare de nclzire, fiind n majoritate bazate pe elemente electrice rezistive, necesit surse suplimentare de alimentare. Prin urmare, sunt necesare dezvoltarea de noi soluii pentru alimentarea cu energie electric a acestor sisteme, att n cazul autovehiculelor clasice, ct i a celor hibride i electrice.

Obiectivele tezei de doctorat

Prezenta tez de doctorat are ca obiectiv principal mbuntirea confortului termic n interiorul autovehiculelor, prin dezvoltarea de noi abordri, modelri, tehnici de monitorizare a confortului termic n interiorul autovehiculelor, precum i prin conceperea i realizarea unui sistem de nclzire suplimentar cu termorezisten de tip PTC (coeficient de temperatur pozitiv) cu alimentare hibrid.

Obiectivele specifice tratate n capitolele prezentei teze de doctorat sunt: Investigarea i modelarea confortului termic prin caracterizarea i determinarea

parametrilor i a indicilor termici i prin modelarea mediului termic din interiorul autovehiculelor;

Conceperea i implementarea unui sistem de monitorizare a temperaturii n diferite zone ale corpului n vederea fundamentrii confortului termic la nivel local;

Investigarea i determinarea caracteristicilor sistemelor de nclzire, ventilaie i aer condiionat (HVAC), a sistemelor suplimentare de nclzire, precum i stabilirea unei soluii eficiente de nclzire suplimentar a interiorului autovehiculelor, n vederea asigurrii confortului termic;

Dezvoltarea unei soluii de alimentare hibrid a sistemelor de nclzire suplimentare cu termorezisten de tip PTC n vederea creterii confortului termic.

Diseminarea rezultatelor Rezultatele obinute n timpul pregtirii doctorale au fost diseminate n 13 lucrri de

cercetare publicate n volume ale conferinelor naionale i internaionale, din care 10 lucrri ca prim autor i o lucrare indexat n baze de date ISI.

Modul de organizare a tezei de doctorat

Prezenta tez de doctorat este structurat ntr-un numr de apte capitole, la care se adaug un capitol introductiv. Teza de doctorat conine un numr de 146 figuri, 43 tabele, 153 relaii, 273 referine bibliografice i 2 anexe.

Capitolul 1, intitulat Caracterizarea confortului termic n interiorul autovehiculelor, cuprinde o analiz a confortului termic n interiorul autovehiculelor i un studiu comparativ ntre confortul termic din vehicule i cel din cldiri. Sunt analizate condiiile de confort termic i de disconfort local, precum i influena confortului termic asupra performanelor oferului. Sunt caracterizai parametrii care influeneaz confortul termic n autovehicule i sunt descrise standardele i reglementrile n vigoare privind confortul termic. Dintre metodele de evaluare 9


a confortului termic n autovehicule sunt analizate scrile de confort termic, modele fizice cu manechine termice i modelul matematic dezvoltat de Fanger. Simularea modelului matematic a confortului termic este efectuat utiliznd mediul de simulare MatLab/Simulink. Este descris un utilitar software dezvoltat de autor n mediul de dezvoltare Microsoft Visual Studio utilizat n procesul de identificare a indicilor termici de confort i disconfort termic.

Capitolul 2, intitulat Modelarea mediului termic din autovehicule, conine analiza transferului de cldur n autovehicule. Este abordat problema transferului termic n schimbtoarele de cldur, dispozitive de transfer termic cheie n sistemele de nclzire, ventilaie i condiionare a aerului din autovehicul. Este analizat n detaliu transferul termic ntr-un schimbtor de cldur compact cu aripioare nervurate. Modelul termic elaborat i implementat n mediul de simulare i modelare termic FEMM permite obinerea distribuiei temperaturii la suprafaa de schimb de cldur, la nivelul unor seciuni 2D. Determinarea transferului de cldur i modelarea termic n seciune 2D a interiorului autovehiculului la nivelul picioarelor, bordului i la nivelul geamurilor, se realizeaz pe baza bilanului termic n interiorul autovehiculului, utiliznd mediul de simulare i modelare termic FEMM.

Capitolul 3, intitulat Sistem de monitorizare a temperaturii n interiorul autovehiculului, descrie sistemul de monitorizare a distribuiei temperaturii n zona picioarelor, zona abdominal i zona capului corespunztoare oferului, respectiv, pasagerului conceput i realizat de autor. Sunt descrise strategiile de comand i control destinate procesului de nclzire i rcire, precum i sistemele de achiziie de date ce utilizeaz microcontrolere din familia AVR implementate de autor. Sunt prezentate determinrile experimentale referitoare la distribuia temperaturii n zona oferului i n zona pasagerului i la viteza de variaie a temperaturii n procesul de nclzire, respectiv, rcire. Prelucrarea datelor experimentale se realizeaz prin metoda regresiei matematice i metoda statistic de caracterizare a seriilor de date ca serii de timp. Analiza statistic a datelor experimentale permite identificarea gradului de independen ntre valorile de temperatur msurate, considerate ca serii de timp, utiliznd programul de statistic MedCalc vers. 11.6.

Capitolul 4, intitulat Caracterizarea sistemelor de nclzire, ventilaie i aer condiionat din autovehicule, descrie analiza i evoluia sistemelor de nclzire, ventilaie i aer condiionat (HVAC) utilizate n autovehicule. Sunt prezentate standardele i reglementrile europene n vigoare privind procesul de rcire i nclzire a interiorului autovehiculului, procesul de dejivrare i dezaburire a parbrizului, precum i impactul sistemelor HVAC asupra mediului nconjurtor. Determinrile experimentale efectuate de autor asupra regimului clasic de nclzire i rcire a interiorului autovehiculului permit stabilirea perioadei de nclzire, respectiv, de rcire, indicator specific de performan al sistemelor HVAC.

Capitolul 5, intitulat Caracterizarea sistemelor suplimentare de nclzire, prezint evoluia sistemelor suplimentare de nclzire utilizate n autovehicule. Sunt descrise bancurile de testare a termorezistenei PTC i determinrile experimentale privind caracteristicile termice, volt-amper i de putere. Pe baza caracteristicilor obinute, se realizeaz modelul matematic i simularea software a termorezistenei PTC, utiliznd mediul de simulare MatLab / Simulink. Este prezentat bancul de testare cu camer termografic i determinrile experimentale efectuate de autor privind uniformitatea termic a termorezistenei PTC.

Capitolul 6, intitulat Sistem de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid, descrie principiul de funcionare i arhitectura sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid conceput de autor, format din sistem hibrid de alimentare compus din baterie i supracondensator, sistem de msurare a valorilor tensiunii i curentului la bornele dispozitivelor de alimentare i la bornele termorezistenei PTC; sisteme de comutaie i sistem automat de achiziie i control a datelor. Sunt descrise strategiile de comand i control utilizate n procesul de nclzire cu termorezisten PTC, n regim staionar i n regim dinamic. Este descris bancul de testare a sistemului hibrid de alimentare a termorezistenei PTC, conceput i realizat de autor. n vederea alimentrii termorezistenei

10

mbuntirea confortului termic n autovehicule PTC utiliznd sistemul hibrid de alimentare, sunt implementate strategii de comand i control. Determinrile experimentale n vederea monitorizrii tensiunii i curentului la bornele termorezistenei PTC i a dispozitivelor de alimentare stau la baza elaborrii de strategii de gestiune optimal a energiei electrice pentru alimentarea termorezistenei PTC.

Capitolul 7, intitulat Concluzii finale i contribuii originale, prezint concluziile generale desprinse din lucrare, contribuiile personale, diseminarea rezultatelor tiinifice, precum i direciile viitoare privind continuarea acestei cercetri.

Valoarea aplicativ a tezei de doctorat

Rezultatele teoretice i experimentale obinute n cadrul prezentei teze de doctorat au valoare aplicativ i pot fi utilizate n viitor pentru:

Determinarea caracteristicilor i a indicilor termici n autovehicule; Monitorizarea distribuiei temperaturii n diferite zone ale corpului prin utilizarea

sistemului de monitorizare dezvoltat de autor; Caracterizarea termic a termorezistenei PTC i determinarea parametrilor specifici; Creterea eficienei sistemului de nclzire prin utilizarea sistemului de alimentare

hibrid a termorezistenei PTC; Creterea duratei de via a bateriei electrice prin utilizarea sistemului de alimentare

hibrid a termorezistenei PTC.

Doresc s adresez mulumiri conductorului tiinific prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA, care m-a coordonat, ndrumat, ncurajat i mi-a fost alturi cu sfaturi substaniale n realizarea tezei de doctorat, precum i pentru susinerea continu pe toat durata studiilor doctorale.

Mulumesc domnilor prof.univ.dr.ing. Radu MUNTEANU, prof.univ.dr.ing. Ioan POPA, prof.univ.dr.ing. Paul BORZA, prof.univ.dr.ing. Sorin Aurel MORARU pentru deosebita onoare de a accepta propunerea de a face parte din comisia de susinere, pentru atenia cu care s-au aplecat asupra lucrrii i pentru sfaturile acordate.

n egal msur doresc s mi exprim recunotina doamnei conf.univ.dr. Livia SNGEORZAN de la Catedra de Informatic, Facultatea de Matematic i Informatic pentru cunotinele i sfaturile transmise.

Totodat, mulumesc colectivului catedrei de Electrotehnic de la Facultatea de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor pentru sprijinul acordat.

n final, dar nu n ultimul rnd doresc s mulumesc familiei pentru rbdarea, nelegerea i suportul moral acordat i, n special, soiei mele, Ana-Maria MUAT fr de care cu greu a fi dus la bun sfrit aceast lucrare.

CAPITOLUL 1. CARACTERIZAREA CONFORTULUI TERMIC N INTERIORUL AUTOVEHICULELOR

n ultimii ani, odat cu tendina de reducere a costurilor, a greutii i a creterii

siguranei n funcionarea autovehiculelor, a crescut i interesul pentru optimizarea confortului n autovehicule. Autovehiculele au evoluat de la construcii simpliste spre maini moderne cu tehnologii de ultim or, organizate pe criterii funcionale i estetice, care s le asigure ocupanilor vehiculului ergonomie, siguran i confort.

n ultimul deceniu, tot mai multe persoane sunt dependente de mijloacele de transport, n special de autovehicule. Din acest motiv este important s se asigure un nivel optim de confort n interiorul autovehiculelor. Arhitecii i constructorii dezvolt i implementeaz n permanen soluii noi, cu rezultate performante, care s mbunteasc confortul n interiorul autovehiculului, decoratorii aduc elemente noi n estetic i design-ul autovehiculului, iar ergonomia se perfecioneaz continuu, scopul tuturor fiind crearea unei ambiane confortabile, pentru ocupanii autovehiculului. 11


1.2. Analiza confortului termic n autovehicule 1.2.1. Conceptul de confort termic Confortul termic reprezint senzaia subiectiv de echilibru termic ce apare n corpul

uman atunci cnd parametrii de confort termic din autovehicul temperatura aerului, umiditatea aerului, temperatura medie radiat de elementele nconjurtoare, viteza aerului, nivelul activitii umane i nivelul de izolare termic a mbrcmintei se situeaz ntr-un interval de valori bine definit [55], [192].

Confortul termic optim este stabilit n gama de temperatur de 21 C 23 C i se obine ca rezultant a temperaturii aerului interior, a temperaturii medii radiate de elementele nconjurtoare, a umiditii interioare i a vitezei de micare a aerului. Toate acestea trebuie s fie n concordan cu natura activitii i nivelul de mbrcminte al ocupanilor, cu evitarea situaiilor n care ocupanii vin n contact cu suprafee prea reci sau prea calde i cu evitarea curenilor de aer. Aceste cerine trebuie ndeplinite de-a lungul ntregului an, att n condiii de iarn, ct i n condiii de var [270].

1.2.5. Condiii de confort termic Pentru obinerea nivelului optim de confort termic trebuie s se ndeplineasc

urmtoarele cerine [54], [166], [215]: (i) s existe confort termic la nivel local; (ii) corpul uman s fie n echilibru termic; (iii) rata de respiraie s fie n limitele confortului termic individual; (iv) temperatura medie la suprafaa pielii s fie n limitele de confort termic.

1.2.7. Disconfortul termic local Exist cinci situaii n care se genereaz disconfortul termic local: (i) radiaie termic

asimetric; (ii) diferene de temperatur pe vertical [164]; (iii) diferene de temperatur pe orizontal, n special la nivelul podelei; (iv) fluctuaiile de temperatur din interiorul autovehiculului [229]; (v) contactul cu suprafeele interioare prea reci sau prea calde.

1.3. Definirea, caracterizarea i msurarea parametrilor de confort termic Chiar dac confortul termic este subiectiv, variind de la om la om n funcie de vrst,

sex, mbrcminte i anotimp, se poate face o generalizare asupra parametrilor care determin confortul termic [57], [58], [147], [183]:

Parametrii de mediu: temperatura aerului; viteza aerului; temperatura medie radiat de elementele interioare nconjurtoare; umiditatea aerului;

Parametrii individuali: nivelul de activitate; nivelul de izolare termic a mbrcmintei. Cnd toi cei ase parametri de confort termic sunt msurai, se determin efectul lor

combinat asupra ocupanilor autovehiculului [173]. 1.5. Evaluarea confortului termic n prezent, estimarea confortului termic se realizeaz prin msurarea fiecrui

parametru de confort termic, prin intermediul indicilor de confort termic i cu ajutorul modelelor teoretice i fizice [105], [143]. Exist dou mari categorii de evaluare a confortului termic: scri de evaluare; modele de confort termic [144], [202].

1.5.1. Scri de evaluare a confortului termic Scrile de evaluare se bazeaz pe metode subiective, aprecieri i opinii personale ale

indivizilor implicai n aprecierea confortului termic Prima scar de evaluare a confortului termic a fost dezvoltat de Yaglou n 1927 i era

compus din cinci indici de evaluare. Ulterior scara a fost extins la apte indici de evaluare [231]. n anul 1930, Bedford [13] a dezvoltat o scar cu apte indici de evaluare i a fost cea mai utilizat n Marea Britanie (Figura 1.10).

12

mbuntirea confortului termic n autovehicule

Figura 1.10. Scara de evaluare Bedford

n anul 1967, Gagge dezvolt o scar de evaluare avnd cinci indici de evaluare

(Figura 1.11.): pleasant-indifferent-slightly unpleasant-unpleasant [67].

Figura 1.11. Scara de evaluare Gagge

n anul 1971, Rohles [237] a dezvoltat o scar de evaluare a senzaiei termice numit

scala ASHRAE avnd apte indici de evaluare (Figura 1.12.).

Figura 1.12. Scara de evaluare ASHRAE

Valorile numerice din aceast scar au fost modificate n comparaie cu scara

dezvoltat de Bedford, fiind cuprinse n gama -3 +3 fa de 1 7. Aceast modificare a fost realizat cu scopul simplificrii modului de utilizare, de a avea o simetrie fa de zero, astfel nct valorile negative corespund prii rece, iar valorile pozitive prii de cald. Scara ASHRAE a fost introdus n anul 1992 n standardul ASHRAE 55 i este utilizat i n prezent [237].

1.5.4. Evaluarea confortului termic utiliznd modelul Fanger Modelul propus de Fanger are la baz ecuaia de bilan termic a corpului uman.

Ulterior, acest model a fost extins i n domeniul autovehiculelor pentru evaluarea confortului termic al ocupanilor unui autovehicul. Condiia necesar pentru asigurarea confortului termic al unui individ expus unui mediu dat un timp ndelungat, este dat de existena unui echilibru termic al corpului uman. Interaciunea termic dintre corpul uman i mediu este descris de ecuaia de bilan termic al corpului uman: cldura dezvoltat de corpul uman (Qbody) este egal cu cldura cedat de corpul uman de la suprafaa pielii mbrcmintei prin conducie (Qbody-clothes) i cldura cedat de corpul uman de la nivelul mbrcmintei mediului ambiant prin radiaie i convecie (Qclothes-air) [54], [145].

airclothesclothesbodybody QQQ (1.23)Ecuaia general de evaluare a confortului termic este de forma [54]:

aclccl4mrt4clcl8 TThf273T273Tf104,395,535,0052,00014,00023,0)1(6,0

aaaDu

pTpAM

(1.40)

n care hc i Tcl sunt date de urmtoarele expresii:

v10,4 T 2,05pentru 4,10

v10,4 T 2,05pentru T05,2h

25,0acl

25,0acl

25,0acl

c

Tv

TT (1.41)

}95,535,0]052,00014,0

0023,0)1(6,0[{I0,18--1AM032,07,35T cl

Ducl

aa

aDu

pT

pAM

(1.42)

13


1.5.5 Indicii termici PMV i PPD Senzaia de confort termic este evaluat cu ajutorul indicelui termic PMV (Predicted

Mean Vote), iar gradul de disconfort este evaluat cu indicele termic PPD (Predicted Percentage Dissatisfied). Aceti indici au devenit baza mai multor standarde de confort termic, cele mai semnificative fiind ISO 7730, ISO 9920 i ASHRAE 55. n vederea evalurii senzaiei de confort termic se utilizeaz scara subiectiv de confort termic ASHRAE cu apte niveluri. Pe aceast scar, valoarea indicelui PMV este cuprins ntre -3 i +3, corespunznd senzaiei de la foarte rece la foarte cald, respectiv, valoarea de 0 n care indicele termic PMV este neutru [54], [237], [249], [253].

Valoarea indicelui de confort termic PMV este dat de relaia:

}TThf273T273Tf104,3

T-340014,0p-440023,050142,0

p10,061-430,351{032,0e 0,352

aclccl4

mrt4

clcl8

aa

a

0,042-

DuDuDu

DuDu

AM

AM

AM

AM

AM

AMPMV Du

(1.47)

Indicele de disconfort termic PPD se determin pe baza relaiei: 24 2179,003353,095100 PMVPMVePPD (1.50) Domeniul de confort termic optim corespunde intervalului de valori cuprinse ntre -0,5

i +0,5. n consecin, valorile pentru PMV cuprinse n intervalul -0,5 < PMV < +0,5 i valorile PPD < 10 % sunt considerate acceptabile.

1.6. Determinarea caracteristicilor de confort termic Pentru determinarea caracteristicilor de confort termic Tmrt = f (Ta) i v = f (Ta), autorul

a simulat, n regim staionar, utiliznd mediul de simulare MatLab/Simulink, ecuaia general de confort termic [148].

1.6.1. Dependena temperaturii medii radiate de temperatura ambiant Caracteristica de confort termic Tmrt = f (Ta) temperatura aerului interior n funcie

de temperatura medie radiat, avnd ca parametru viteza aerului este ridicat pentru trei niveluri diferite de activitate (50 kcal/hm2; 100 kcal/hm2; 160 kcal/hm2), i la diferite valori ale vitezei aerului (0,1 m/s; 0,2 m/s; 0,3 m/s; 0,5 m/s; 1,5 m/s). n Figura 1.16 sunt ilustrate caracteristicile de confort termic Tmrt = f (Ta), obinute prin simularea ecuaiei de confort termic, n mediul de simulare MatLab/Simulink, pentru cazul n care rezistena termic Icl = 0,5 clo i factorul de mbrcminte fcl = 1,10 [148].

a.) Caracteristica Tmrt = f (Ta) pentru nivelul de

activitate de 50 kcal/hm2 b.) Caracteristica Tmrt = f (Ta) pentru nivelul de

activitate de 100 kcal/hm2

Figura 1.16. Caracteristicile Tmrt = f (Ta) pentru ocupanii vehiculului avnd mbrcminte uoar de var, la trei niveluri diferite de activitate

14

mbuntirea confortului termic n autovehicule n Figura 1.17 sunt ilustrate caracteristicile de confort termic Tmrt = f (Ta), obinute

prin simularea ecuaiei de confort termic n mediul de simulare MatLab/Simulink, pentru cazul n care rezistena termic Icl = 1,5 clo i factorul de mbrcminte fcl = 1,20 [148].

a.) Caracteristica Tmrt = f (Ta) pentru nivelul de activitate de 50 kcal/hm2

b.) Caracteristica Tmrt = f (Ta) pentru nivelul de activitate de 100 kcal/hm2

Figura 1.17. Caracteristicile Tmrt = f (Ta) pentru ocupanii vehiculului avnd mbrcminte grea de iarn la trei niveluri diferite de activitate

1.6.2 Dependena vitezei aerului de temperatura ambiant Caracteristica de confort termic v = f (Ta) temperatura aerului interior n funcie de

viteza aerului, avnd ca parametru nivelul de activitate este ridicat pentru patru tipuri diferite de mbrcminte (fcl = 1,0; 1,1; 1,15; 1,2), fiecare caracteristic avnd valori diferite ale nivelului de activitate (50 kcal/hm2; 75 kcal/hm2;100 kcal/hm2; 125 kcal/hm2; 160 kcal/hm2) [148].

a.) Persoan nud b.) mbrcminte uoar (de var)

c.) mbrcminte medie (de business) d.) mbrcminte grea (de iarn)

Figura 1.18. Caracteristicile v = f (Ta) pentru ocupanii vehiculului la cinci niveluri de activitate i patru tipuri diferite de mbrcminte

15


Din simulrile realizate s-a observat faptul c, n vederea obinerii confortului termic, cei trei parametrii de mediu, temperatura aerului interior, temperatura medie radiat i viteza aerului, trebuie s aib valori bine definite i s fie n corelaie cu parametrii individuali, factorul de mbrcminte i nivelul de activitate. Prin urmare, setul de valori ai parametrilor de confort termic trebuie s fie corelate ntre ele n vederea obinerii confortului termic.

1.6.3 Program software pentru calculul indicilor termici Pentru facilitarea procesului de calcul a indicilor de confort i disconfort termic,

autorul a dezvoltat un program software n mediul de dezvoltare Microsoft Visual Studio. Programul software permite vizualizarea gradului de ndeplinire a confortului termic n funcie parametrii specifici mediului n care se afl individul (Figura 1.19).

a.) Fereastra de parametri b.) Curba de confort termic

Figura 1.19. Interfaa grafic pentru calculul indicilor termici de confort i disconfort

CAPITOLUL 2. MODELAREA MEDIULUI TERMIC DIN AUTOVEHICULE

2.3.2. Modelarea termic 2D a interiorului autovehiculului n vederea stabilirii distribuiei temperaturii n interiorul autovehiculului se realizeaz

o modelare termic la nivelul unor seciuni 2D, lund n considerare influena sistemului de nclzire, ventilaie i aer condiionat, a geamurilor i a radiailor solare. De asemenea, modelarea termic permite identificarea performanelor i avantajelor sistemului HVAC n vederea evidenierii nivelului de confort termic la nivel global i la nivel local pentru ocupanii autovehiculului.

Mediul din interiorul autovehiculului a fost modelat termic utiliznd mediul de simulare i modelare termic FEMM (Finite Element Method Magnetics).

Astfel, n vederea modelrii termice s-a considerat un autovehicul marca Renault Clio pentru care interiorul autovehiculului a fost considerat de form dreptunghiular. Au fost efectuate msurri asupra suprafeelor geamurilor i elementelor de construcie ale autovehiculului. n cadrul modelrii termice, grilele sistemului HVAC, att cele de la nivelul bordului ct i cele de la nivelul picioarelor, au fost considerate ca fiind surse de nclzire avnd temperatura setat la 50 C, iar elementele de construcie ale autovehiculului au fost considerate materiale izolante.

n Figura 2.14 este ilustrat repartiia temperaturii n seciune 2D la nivelul bordului autovehiculului, lund n considerare grilele laterale i centrale ale sistemului HVAC amplasate la nivelul bordului.

n Figura 2.15 este ilustrat repartiia temperaturii n seciune 2D la nivelul picioarelor, lund n considerare grilele sistemului HVAC amplasate la nivelul picioarelor.

16


Figura 2.14. Seciune la nivelul bordului Figura 2.15 Seciune la nivelul picioarelor

Prezena geamurilor este considerat prin aportul de densitate de flux termic de 10 kW/m2 transferat n interiorul autovehiculului. n Figura 2.16 este ilustrat repartiia temperaturii n seciune 2D la nivelul geamurilor, influena sistemului HVAC, n acest caz fiind neglijat.

Figura 2.16 Seciune la nivelul geamurilor

Analiza distribuiei temperaturii, n interiorul autovehiculului, obinut prin modelare 2D, pune n eviden unii din factorii care influeneaz uniformitatea termic: Geamurile sunt elemente importante n transferul cldurii att n sezonul de iarn (pierderi de cldur ctre mediul exterior) ct i n sezonul de var (aport de cldur din mediul exterior), cu influen semnificativ asupra confortului termic al pasagerilor; Geamurile pot determina disconfortul la nivel local, prin diferena de temperatur pe vertical, ntre nivelul capului i nivelul picioarelor ct i pe orizontal, ntre zonele laterale i zonele centrale; Exist diferene semnificative ntre temperaturile din zona bordului i zona din spate a autovehiculului. Distribuia temperaturii n zona din spate poate fi mbuntit prin utilizarea unor sisteme HVAC multi-zonale.

CAPITOLUL 3. SISTEM DE MONITORIZARE A TEMPERATURII N INTERIORUL AUTOVEHICULELOR I DETERMINRI

EXPERIMENTALE n vederea monitorizrii distribuiei temperaturii n zona picioarelor, zona abdominal

i zona capului corespunztoare oferului respectiv pasagerului, n diferite regimuri de funcionare a sistemului HVAC autorul a proiectat i implementat un sistem de monitorizare a temperaturii.

Sistemul propus are ca scop investigarea vitezei de variaie a temperaturii n procesul de nclzire, respectiv de rcire la nivelul capului, abdomenului respectiv picioarelor (pentru 17


ofer i pasager), precum i identificarea diferenei de temperatur ntre diferite pri ale corpului n diferite regimuri de funcionare a sistemului HVAC.

3.1.Sistem de monitorizare a temperaturii 3.1.1. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului de monitorizare n Figura 3.2 este ilustrat schema bloc a sistemului de monitorizare proiectat i

implementat pentru monitorizarea distribuiei i a vitezei de variaie a temperaturii n diferite zone ale corpului oferului respectiv pasagerului.

Figura 3.2. Schema bloc a sistemului de monitorizare

Sistemul de monitorizare cuprinde urmtoarele componente: Senzori digitali de

temperatur de tip LM75 (TS); Senzor de umiditate i temperatur (SHT); Sistem automat de achiziie i control (DAQ+CS); Senzor de temperatur integrat de tip LM35 (ETS); Modul convertor RS232 Bluetooth (CUB); Laptop.

Sistemul de monitorizare implementat hardware mpreun cu componentele acestuia (sistemul automat de achiziie i control; modulul convertor RS232 Bluetooth; senzorii digitali de temperatur LM75; senzorul de umiditate i temperatur SHT11; senzorul de temperatur integrat LM35), este ilustrat n Figura 3.10.

Figura 3.10 Implementarea hardware a sistemului de monitorizare

3.1.2. Strategia de comand i control a sistemului de monitorizare Strategia de comand i control cuprinde patru regimuri de funcionare (Tabelul 3.2):

Tabelul 3.2. Regimurile de funcionare din cadrul strategiei de comand i control Regimul de funcionare Condiii de funcionare Condiii de monitorizare Observaii Regimul 1 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 t tlim1 Monitorizare iniial Regimul 2 ICE=1; HVAC=1; PTC=0 ICE=0; HVAC=0; PTC=0

THVAC ref Tms ETS t tlim2

Regim de nclzire cu HVAC clasic

18


Regimul 3 ICE=1; HVAC=1; PTC=0 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 THVAC ref < Tms ETS t tlim3 Regim de rcire

Regimul 4 ICE=1; HVAC=1; PTC=1 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 THVAC ref Tms ETS t tlim4

Regim de nclzire cu HVAC clasic + element suplimentar

3.1.4. Amplasarea sistemului de monitorizare n Figura 3.13 este ilustrat, n vedere de sus, amplasarea sistemului automat de

achiziie i control mpreun cu cei ase senzori digitali de temperatur LM75 att n zona oferului ct i n zona pasagerului: zona capului (partea stng i dreapt); zona abdominal (partea stng i dreapt); zona picioarelor (partea stng i dreapt). n Figura 3.14 este ilustrat, n vedere lateral, amplasarea senzorilor digitali de temperatur LM75, a senzorului de umiditate i temperatur SHT11 i a senzorului de temperatur integrat ETS.

Figura 3.13. Amplasarea sistemului de monitorizare

vedere de sus Figura 3.14. Amplasarea senzorilor de

temperatur i umiditate vedere lateral

3.2. Monitorizarea temperaturii n interiorul autovehiculului 3.2.1. Monitorizarea temperaturii n procesul de rcire (regimul R3) n procesul de monitorizare s-au considerat urmtoarele premise: (i) funcionarea

motorului autovehiculului la ralanti pe ntreaga perioad de monitorizare; (ii) setarea sistemului automat HVAC la temperatura Tset = +22 C n procesul de rcire i Tset = +21 C n procesul de nclzire; (iii) autovehiculul este amplasat n aer liber.

Cazul B-R3: La temperatura exterioar de +44 C. Monitorizarea temperaturii n zona oferului i n zona pasagerului a fost efectuat n data de 02.07.2011, n localitatea Bucureti, ntre orele 12:00 i 15:00, autovehiculul fiind poziionat de la est la vest. Monitorizarea s-a efectuat n dou faze: (i) pe o durat de timp de 30 de minute cu motorul i sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durat de timp de 15 de minute cu motorul i sistemul HVAC oprite.

n Figura 3.20 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului B-R3, n zona oferului n cele ase zone de interes, la o temperatur exterioar de +44 C.

Figura 3.20. Variaia temperaturii n zona oferului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt) la

temperatura exterioar de +44 C 19


n Figura 3.22 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului B-R3, n zona pasagerului n cele ase zone, la o temperatur exterioar de +44 C.

Figura 3.22. Variaia temperaturii n zona pasagerului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt) la

temperatura exterioar de +44 C

3.2.2. Monitorizarea temperaturii n procesul clasic de nclzire (regimul R2) Cazul A-R2: La temperatura exterioar de -20 C: Monitorizarea temperaturii n zona

oferului i n zona pasagerului a fost efectuat n data de 14.02.2011, n localitatea Poiana Braov, ntre orele 00:00 i 2:00. Monitorizarea s-a efectuat n dou faze: (i) pe o durat de timp de 90 de minute cu motorul i sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durat de timp de 25 de minute cu motorul i sistemul HVAC oprite. n Figura 3.24 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului A-R2, n zona oferului n cele ase zone, la temperatura exterioar de -20 C [152].

Figura 3.24. Variaia temperaturii aerului n zona oferului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i

dreapt), la temperatura exterioar de -20 C

n Figura 3.26 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului A-R2, n zona pasagerului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt), la temperatura exterioar de -20 C [152].

Figura 3.26. Variaia temperaturii n zona pasagerului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt), la

temperatura exterioar de -20 C

20

mbuntirea confortului termic n autovehicule 3.2.3. Monitorizarea temperaturii n procesul nclzire utiliznd termorezistena PTC (regimul R4) Cazul A-R4: La temperatura exterioar de -20 C: Monitorizarea temperaturii n zona

oferului i n zona pasagerului a fost efectuat n data de 31.01.2011, n localitatea Poiana Braov, ntre orele 00:00 i 2:00. Monitorizarea s-a efectuat n dou faze: (i) pe o durat de timp de 45 de minute cu motorul i sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durat de timp de 15 de minute cu motorul i sistemul HVAC oprite. S-a implementat sistemul de monitorizare conceput de autor, pe un autovehicul marca Renault Kangoo 1.9DCI, echipat cu un sistem HVAC automat model Denso (ventilator tip Bosch DPO-K 12V) i cu o termorezisten PTC, model Denso 1000 W / 13,5 V [152].

n Figura 3.32 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului A-R4, n zona oferului n cele ase zone, la temperatura exterioar de -20 C.

Figura 3.32. Variaia temperaturii n zona oferului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt), la


n Figura 3.33 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii aerului, conform cazului A-R4, n zona pasagerului n cele ase zone, la temperatura exterioar de -20 C.

Figura 3.33. Variaia temperaturii n zona pasagerului n cele ase zone: zona capului (partea stng i dreapt), zona abdominal (partea stng i dreapt), zona picioarelor (partea stng i dreapt), la


3.3. Prelucrarea i interpretarea datelor experimentale 3.3.2 Analiza procesului clasic de nclzire (regimul R2) Valorile msurate ale temperaturii sunt considerate, n aceast analiz, serii de timp. n

vederea evalurii procesului clasic de nclzire, a fost dezvoltat curba de regresie polinomial de gradul doi pentru cazul A-R2 (la temperatura exterioar de -20 C), n fiecare zon de interes n parte. Coeficienii curbei de regresie polinomiale de gradul 2 au fost 21


calculai utiliznd metoda celor mai mici ptrate aplicat datelor obinute experimental, utiliznd programul de statistic MedCalc vers. 11.6.

n Figura 3.36 i n Figura 3.37 sunt ilustrate reprezentrile grafice ale curbelor de regresie polinomiale de gradul 2, n cele ase zone pentru ofer, respectiv, pentru pasager.

La temperatura exterioar de -20 C La temperatura exterioar de -20 C

Figura 3.36. Curbele de regresie polinomiale n procesul clasic de nclzire n zona oferului

Figura 3.37. Curbele de regresie polinomiale n procesul clasic de nclzire n zona pasagerului

3.3.3 Analiza procesului de nclzire cu termorezistena PTC (regimul R4) n Figura 3.38 i n Figura 3.39 sunt ilustrate reprezentrile grafice ale curbelor de

regresie polinomiale de gradul 2, n cele ase zone pentru ofer, respectiv, pentru pasager.

La temperatura exterioar de -20 C La temperatura exterioar de -20 C

Figura 3.38. Curbele de regresie polinomiale n procesul de nclzire cu PTC, n zona oferului

Figura 3.39. Curbele de regresie polinomiale n procesul de nclzire cu PTC, n zona pasagerului

n urma determinrilor experimentale, autorul a evideniat faptul c temperatura la nivelul picioarelor este mai ridicat dect la nivelul capului. De asemenea, temperatura la nivelul oferului este mai ridicat dect la nivelul pasagerului, iar temperatura n partea stnga a oferului i n partea dreapt a pasagerului este mai ridicat dect n zona central (n partea dreapt a oferului i n partea stnga a pasagerului). Aceste diferene de temperatur pot facilita apariia disconfortului local.

n urma analizrii procesului de nclzire n zona oferului i n zona pasagerului, pe baza curbei de regresie polinomial de gradul doi i a testelor statistice utilizate, autorul concluzioneaz faptul c cele dou ipoteze enunate sunt acceptate. Prin urmare: (i) temperatura msurat n partea stng / dreapt a oferului / pasagerului nu este aceeai; (ii) temperatura msurat pe vertical, n zona capului / picioarelor a oferului / pasagerului, nu este aceeai.

De asemenea, autorul concluzioneaz faptul c exist o legtur ntre valorile msurate i zonele unde se efectueaz msurtoarea. n cazul mbuntirii confortului termic la nivelul ntregului corp, este necesar mbuntirea confortului termic la nivelul local. 22


CAPITOLUL 4. CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE NCLZIRE, VENTILAIE I AER CONDIIONAT DIN AUTOVEHICULE Sistemul HVAC este proiectat s asigure: (i) confortul termic al ocupanilor (prin

funcia de nclzire i rcire a interiorului autovehiculului); (ii) vizibilitatea prin parbriz (prin funcia de dejivrare i dezaburire a geamurilor); (iii) izolarea interiorului autovehiculului n cazul polurii mediului exterior (prin funcia de recirculare a aerului interior); (iv) tratarea aerului (prin funcia de filtrare).

4.1 Analiza sistemului HVAC 4.1.3. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului HVAC Arhitectura sistemului HVAC cuprinde att componentele care alctuiesc circuitul de

rcire ct i componentele care alctuiesc circuitul de nclzire. O parte din aceste componente sunt amplasate n compartimentul motor, iar o parte ntr n componena grupului HVAC, situat n compartimentul pasager. Grupul HVAC este situat n compartimentul pasager, n cadrul planei de bord i cuprinde urmtoarele componente: panoul de comand, detentorul, evaporatorul, radiatorul de nclzire, grupul moto-ventilator, filtrul de aer, elementele suplimentare de nclzire (opional) i clapetele de dirijare a aerului n zonele de interes. n compartimentul motor sunt amplasate urmtoarele componente: compresorul, deshidratorul, radiatorul de rcire al motorului, condensorul, grupul moto-ventilator, valvele de suprapresiune, valvele de umplere a circuitului de aer condiionat [78]. Sistemele HVAC ntlnite pe autovehicule se mpart n trei categorii principale: (i) Sisteme controlate manual; (ii) Sisteme controlate automat; (iii) Sisteme semiautomate [197].

4.1.4. Funciile sistemului HVAC Sistemele HVAC actuale au funcii specifice: (i) nclzirea aerului; (ii) rcirea aerului;

(iii) captarea, ventilarea i evacuarea aerului; (iv) filtrarea aerului; (v) recircularea aerului. Producerea aerului cald: Sursa de energie utilizat n procesul de nclzire al

interiorului este cldura generat de agentul de rcire al motorului [49], [208]. Producerea aerului rece: Principiul de funcionare al sistemului de aer condiionat se

bazeaz pe fenomenul de absorbie de cldur la trecerea unui gaz de la presiune mare la presiune mic. Procesul de producere al aerului rece este identic cu cel utilizat la frigidere sau congelatoare. Agentul refrigerant absoarbe cldura la trecerea din starea lichid n starea gazoas i elibereaz cldura la trecerea din starea gazoas n starea lichid. Prin urmare, transferul cldurii de la un corp cald ctre mediul ambiant prin rcire artificial se realizeaz pe baza ciclurilor termodinamice reversibile compuse din dou transformri adiabate i dou transformri izoterme, conform ciclului Carnot [73], [74], [217].

4.2. Standarde i reglementri privind sistemele HVAC Standardele care reglementeaz sistemele HVAC i mediul termic din interiorul

autovehiculelor nu definesc o anumit temperatur optim de confort n interiorul autovehiculului pentru zona oferului i a pasagerului. n schimb, impun ca valoarea temperaturii n zona picioarelor att pentru ofer ct i pentru pasager s fie mai ridicat dect n zona capului. Exist reglementri europene n vigoare privind rcirea i nclzirea interiorului autovehiculului ct i reglementrile pentru dejivrarea i dezaburirea parbrizului [250-252].

4.3. Impactul sistemelor HVAC asupra mediului nconjurtor i reglementri 4.3.1. Impactul sistemelor HVAC asupra mediului nconjurtor Agentul refrigerant R12 reprezint sngele sistemului HVAC i a fost cel mai

utilizat agent n ultima parte a secolului trecut. Marele dezavantaj al agentului de rcire R12 este faptul c are n compoziie cloruri care sunt foarte nocive i prin urmare este socotit un distrugtor de ozon. O molecul de clorur din R12 poate s distrug 1 milion de molecule de 23


ozon din atmosfer (pn la momentul dezactivrii sale) contribuind astfel considerabil la efectul de ser. n ultimul deceniu au intrat n uz aa-numiii freoni ecologici (de ex. R410a, denumit i Puron, HFC R407c, HFC R134a etc.). Conform unui studiu recent al ageniei ADEME (Agenia Mediului i Gestionrii Energiei), creterea consumului de combustibil la utilizarea sistemului HVAC are repercusiuni negative asupra emisiilor de gaze cu efect de ser. Funcionarea sistemului HVAC n timpul lunilor de var determin o cretere a consumului de combustibil de aproximativ 25 % 35 % n ciclul urban i 10 % 20 % n ciclul extra-urban. Ca medie anual, creterea consumului de combustibil este de aproximativ 5 %. Cercetrile actuale din industria de autovehicule sunt ndreptate spre gsirea de soluii menite s reduc emisia de gaze cu efect de ser prin nlocuirea agentului refrigerant HFC R134a cu un agent refrigerant nou: dioxidul de carbon (CO2). Noul sistem ofer o capacitate de rcire mai bun, dar i o reducere cu pn la 25 % a consumului de combustibil. [11], [12], [24], [46], [73], [97], [206].

4.4. Performanele sistemelor HVAC 4.4.1. Analiza performanelor sistemelor de aer condiionat i determinri experimentale Msurtorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus i implementat de autor pe

un autovehicul marca Renault Clio 1.5DCI, echipat cu sistem HVAC automat model Valeo (ventilator Bosch DPO-K 12V) au pus n eviden variaia temperaturii n timp i performanele sistemului de aer condiionat. Astfel, determinrile experimentale efectuate de autor indic faptul c variaia temperaturii n timp n perioada regimului de rcire are o caracteristic termic specific, ilustrat n Figura 4.20 n funcie de regimurile de funcionarea a motorului autovehiculului i a sistemului HVAC.

Figura 4.20. Variaia temperaturii n zona oferului i n zona pasagerului n regim de rcire

4.4.2. Analiza performanelor sistemului clasic de nclzire i determinri experimentale Msurtorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus i implementat de autor pe

un autovehicul marca Renault Clio 1.5DCI, echipat cu sistem HVAC automat model Valeo (ventilator Bosch DPO-K 12V) au pus n eviden variaia temperaturii n timp i performanele sistemului de nclzire. Astfel, determinrile experimentale efectuate de autor indic faptul c variaia temperaturii n timp n perioada regimului clasic de nclzire are o caracteristic termic specific, ilustrat n Figura 4.23, n funcie de regimurile de funcionarea a motorului autovehiculului i a sistemului HVAC [152].

Figura 4.23. Variaia temperaturii n zona oferului i n zona pasagerului n regim de nclzire

24


CAPITOLUL 5. CARACTERIZAREA SISTEMELOR SUPLIMENTARE DE NCLZIRE DIN AUTOVEHICULE

Sistemele clasice de nclzire utilizeaz pentru nclzire cldura cedat de motorul cu

ardere intern. n multe cazuri, mai ales n zonele temperate, motoarele cu ardere intern, chiar i cele cu performane ridicate, nu acoper necesarul de energie cerut de sistemele clasice de nclzire, cantitatea de cldur furnizat de motor fiind insuficient pentru nclzirea interiorului autovehiculului pn la nivelul optim de confort termic. Aceast deficien termic se amplific n special n perioada de iarn. n vederea perfecionrii sistemelor clasice de nclzire s-au dezvoltat sisteme suplimentare de nclzire.

5.1. Analiza sistemelor suplimentare de nclzire 5.1.2. Descrierea arhitectural i funcional a sistemelor suplimentare de nclzire Datorit proprietilor sale de auto reglare termic i a constantei de timp de valoare

mic, termorezistena cu coeficient de temperatur pozitiv (positive temperature coefficient - PTC) este potrivit pentru aplicaii n controlul regimului de nclzire i realizare a confortului termic al ocupanilor unui autovehicul [5], [76], [99], [102], [146], [150], [195].

Utilizat ca sistem suplimentar de nclzire, termorezistena PTC are proprietatea de a furniza cldura necesar nclzirii habitaclului, dup pornirea la rece a motorului, pn n momentul n care acesta atinge temperatura optim de funcionare [39], [111].

Caracteristica principal a unui termistor PTC o reprezint capacitatea de autoreglare termic, definit prin modul specific de variaie a rezistentei electrice cu temperatura [149]. - La temperaturi sczute (punctul de funcionare al termorezistenei este (TN, RN)), valoarea

rezistenei electrice este mic, la alimentarea cu energie electric, valoarea intensitii curentului electric care o strbate este mare, i, corespunztor, se dezvolt o cantitate mare de cldur. Ca urmare, valoarea rezistenei scade, atinge o valoare minim, dup care rezistena crete relativ brusc;

T mic R mic tIRtRUQdezv 2min

min

2 => Qdezv

- La temperaturi ridicate, valoarea rezistenei este mare, la alimentarea n continuare a termorezistenei, cldura eliberat se va micora. Termorezistena funcioneaz la un curent mic, corespunztor punctului de echilibru (TPTC, RPTC);

T mare R mare tIRtRUQdezv 2max

max

2 => Qdezv

- La temperatura de echilibru (punctul de funcionare al termorezistenei este (TPTC, RPTC)), valoarea rezistenei este mare, cantitatea de cldur degajat este mic i funcionarea termorezistenei se stabilizeaz i se obine echilibrul termic.

RN valoarea nominal a rezistenei corespunztoare valorii nominale a temperaturii TN ; Rmin valoarea minim a rezistenei corespunztoare valorii minime a temperaturii TRmin ; Rref valoarea de referin a rezistenei corespunztoare valorii de referin a temperaturii Tref ; Rptc, Tptc valori de echilibru.

Figura 5.12. Caracteristica termic a unui termistor de tip PTC

25


Structura termorezistenei PTC, ilustrat n Figura 5.15a, este alctuit dintr-un conector electric (1), armturi din plastic (2) i elemente rezistive de nclzire (3). Elementele rezistive de nclzire, ilustrate n Figura 5.15b, sunt compuse din armturi ceramice (1) dispuse succesiv de-a lungul elementelor radiatorului de aluminiu (2). Elementele de aluminiu ale radiatorului asigur contactul electric i transferul cldurii [39], [99], [150].

a.) Componentele termorezistenei PTC b.) Structura elementelor rezistive de nclzire

Figura 5.15. Componentele i structura intern a termorezistenei PTC

Pentru adaptarea puterii de nclzire la diferite cerine, elemente rezistive de nclzire sunt conectate la circuitele de nclzire (etajele de putere). Fiecare etaj de putere are comportament electric similar unei termorezistene PTC. Valoarea maxim admisibil a temperaturii la suprafaa elementelor rezistive de nclzire este de aproximativ 165 C, pentru cazul n care termorezistena PTC nu este strbtut de flux de aer [99], [195].

Puterea consumat de o termorezisten PTC variaz de la 900 W la 2000 W i depinde de volumul de aer din interiorul vehiculului. Pentru optimizarea controlului i pentru prevenirea interferenelor electromagnetice aprute din cauza curenilor mari i a ncrcrii generatorului, circuitele de putere ale termorezistenei PTC sunt compuse din 3 6 etaje de putere (200 W, 300 W sau 400 W), controlate independent cu ajutorul releelor. Elementele rezistive de nclzire sunt comutate progresiv pentru a reduce factorul de ncrcare al generatorului i interferenele electromagnetice aprute din cauza curenilor mari [149].

Termorezistena PTC funcioneaz numai atunci cnd: Motorul autovehiculului este pornit; Temperatura exterioar este sczut; Cantitatea de cldur asigurat de sistemul de rcire al motorului este insuficient; Generatorul electric nu are ncrcare / sarcin mare.

5.2. Analiza termorezistenelor PTC 5.2.1. Determinarea caracteristicii termice Pentru determinarea caracteristicii termice R = f (T) autorul a dezvoltat i implementat

bancul de testare ilustrat n Figura 5.16. Bancul de testare este compus din: (i) Dispozitiv testat: termorezistena PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistem automat de achiziie i contro; (iii) Modulul convertor RS232 Bluetooth; (iv) Camer termic tip Derby DK 9620 utilizat n procesul de rcire; (v) Camer termic tip Carbolite PF120-200 utilizat n procesul de nclzire; (vi) Senzori digitali de temperatur tip LM75 amplasai n interiorul celor dou camere de nclzire respectiv rcire; (vii) Senzori digitali de temperatur tip LM75 amplasai pe termorezistena PTC n zona elementelor rezistive; (viii) Osciloscop tip Fluke 1998b; (ix) Laptop: utilizat la comunicaia cu sistemul automat de achiziie i control [151].

Figura 5.16. Bancul de testare pentru determinarea caracteristicii termice R = f (T)

26

mbuntirea confortului termic n autovehicule Procesul de caracterizare termic a termorezistenei PTC a presupus stabilizarea

termic la diverse valori ale temperaturii, pornind de la -50 C pn la +210 C i identificarea variaiei valorii rezistenei. n Figura 5.18 este ilustrat caracteristica termic, R = f (T), obinut experimental pentru fiecare etaj de putere n parte (n care 1, 2, 3, 4, sunt cele 4 etaje ale termorezistenei PTC analizate) [151].

Figura 5.18. Caracteristica termic R = f (T) rezultate experimentale

Valoarea rezistenei descrete iniial cu creterea temperaturii pn la atingerea valorii

de prag a temperaturii. n aceast regiune, caracteristica termic are un coeficient negativ. Dup depirea valorii de prag a temperaturii, valoarea rezistenei crete drastic, iar coeficientul caracteristicii termice devine pozitiv.

5.2.2. Determinarea caracteristicii volt-amper Pentru determinarea caracteristicii volt-amper, U = f (I), autorul a dezvoltat i

implementat bancul de testare ilustrat n Figura 5.19. Bancul de testare este compus din: (i) Dispozitivul testat: termorezistena PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistemul automat de achiziie i control; (iii) Modulul convertor RS232 Bluetooth; (iv) Sistemul de comutaie ntre etajele de putere ale termorezistenei PTC; (v) Surs de curent de laborator tip PMG 24 V, 15 A; (vi) Senzor de tensiune tip ISO124; (vii) Senzor de curent tip LEM25; (viii) Senzori digitali de temperatur (tip LM75) amplasai pe termorezistena PTC.

Figura 5.19. Bancul de testare pentru determinarea caracteristicii U = f (I)

Procesul de caracterizare electric a termorezistenei PTC a presupus monitorizarea

variaiei tensiunii i curentului n gama de temperatur -50 C +210 C. n Figura 5.22 este ilustrat caracteristica volt-amper U = f (I) obinut experimental pentru fiecare etaj de putere n parte (n care 1, 2, 3, 4, sunt cele patru etaje ale termorezistenei PTC analizate).

Caracteristica volt-amper U = f (I) are o cretere liniar pn n momentul n care elementele rezistive ale termorezistenei PTC ating temperatura optim de funcionare (valoarea de prag a temperaturii). Peste aceast valoare de prag a temperaturii, valoarea curentului electric scade drastic.

27


Figura 5.22. Caracteristica volt-amper U = f (I) rezultate experimentale

5.2.3. Determinarea caracteristicii de putere Pe baza valorilor obinute pentru intensitatea curentului I i a tensiunii U obinute

experimental, pentru fiecare etaj de putere n parte, s-a determinat caracteristica puterii disipate P = f (T). Caracteristica de putere obinut este ilustrat n Figura 5.23 pentru fiecare etaj de putere n parte (n care 1,2,3,4, sunt cele patru etaje ale termorezistenei PTC analizate).

Figura 5.23. Caracteristica puterii disipate P = f (T) rezultate experimentale

Valoare maxim a puterii disipate corespunde valorii temperaturii de prag. Din datele experimentale a rezultat faptul c termorezistena PTC testat are aceleai

caracteristici cu cele ale unui termistor de tip PTC, valorile parametrilor i caracteristicile fiind comparabile cu cele din literatura de specialitate.

5.2.4. Modelarea matematic a termorezistenei PTC Procesul de modelare este fundamental n vederea identificrii i anticiprii

comportamentului termorezistenei PTC. Acest lucru este semnificativ n special la vehiculele electrice, situaie n care gestiunea i transferul fluxului energetic influeneaz performantele vehiculului. Conform caracteristicii termice specifice termistorilor de tip PTC (cu T > 0), caracteristica termic a termorezistenei PTC poate fi aproximat cu o zon liniar i cu o zon exponenial. Aceste dou zone sunt descrise de urmtoarele ecuaii [149], [151]: - pentru zona liniar, n gama de temperatur crTTT ,min : TmRTR 01 (5.3)- pentru zona exponenial, n gama de temperatur max,TTT cr : TbeRTR 02 (5.4)

unde: R01, R02 valorile iniiale ale rezistenei conform zonelor liniar i exponenial; m panta; b exponentul; Tcr temperatura de prag; Rmax , Rmin valoarea maxim respectiv minim a rezistenei corespunztoare valorii maxime temperaturii Tmax, respectiv minime a temperaturii Tmin.

28

mbuntirea confortului termic n autovehicule n Figura 5.24 este ilustrat reprezentarea grafic a curbelor teoretice descrise de cele

dou ecuaii ale modelului matematic al termorezistenei PTC. Modelarea matematic a comportamentului termic a termorezistenei PTC s-a realizat utilizndu-se mediul de programare MatLab ver 7.7 R2008b, Rezultatul simulrii comportamentului termic al celor patru etaje de putere ale termorezistenei este prezentat n Figura 5.25, n care 1, 2, 3, 4, sunt cele 4 etaje ale termorezistenei PTC analizate [149], [151].

Figura 5.24. Curbele teoretice descrise de modelul

matematic al termorezistenei PTC Figura 5.25. Caracteristica termic R = f (T)

rezultatele simulrii

n vederea identificrii acurateei modelului matematic autorul a efectuat analiza erorilor ntre datele experimentale i datele obinute n urma simulrii pentru fiecare etaj de putere n parte. Se observ faptul c n gama de temperatur 150 C 200 C apar erori semnificative. Deviaia maxim apare la temperatura de 190 C.

Pentru reducerea erorilor n gama de temperatur 150 C 200 C, se va studia uniformitatea termic a termorezistenei PTC.

5.2.5. Analiza uniformitii termice a termorezistenei PTC Analiza uniformitii termice a termorezistenei PTC se poate realiza cu metoda

termografic, cu ajutorul creia se ridic harta termografic i se determin att valoarea minim i maxim a temperaturii ct i distribuia temperaturii pe ntreaga suprafa a termorezistenei PTC. Msurarea temperaturii prin metoda termografic se face cu ajutorul unor dispozitive dedicate camer termografic.

Uniformitatea termic pentru o termorezistena PTC utilizat n sistemul suplimentar de nclzire a fost studiat i analizat utilizndu-se metoda termografic, la alimentarea progresiv a etajelor de putere a termorezistenei.

Pentru determinarea hrii termografice, autorul a dezvoltat i implementat bancul de testare ilustrat n Figura 5.27, compus din: (i) Dispozitivul testat: termorezistena PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistem de comutaie ntre etajele de putere ale termorezistenei PTC; (iii) Surs de curent de laborator tip PMG 24 V, 15 A; (iv) Senzor de tensiune tip ISO124; (v) Senzor de curent tip LEM25; (vi) Camer termografic tip Fluke Ti9; (vii) Senzori digitali de temperatur tip LM75 amplasai pe termorezistena PTC n zona elementelor rezistive.

Figura 5.27. Bancul de testare pentru determinarea hrii termografice

Pentru determinarea distribuiei termice pe suprafaa termorezistenei PTC s-au

efectuat multiple determinri experimentale, la diferite valori ale curentului: 1 A; 3 A; 5 A; 10 A; 15 A. Experimentele s-au realizat n condiii statice, fr debit de aer care strbate termorezistena PTC. Hrile termografice obinute ilustreaz distribuia termic pe ntreaga suprafa a termorezistenei PTC i prezint punctele de maxim i de minim ale temperaturii. 29


n Figura 5.28 este prezentat harta termografic obinut atunci cnd toate cele patru etaje de putere sunt strbtute de un curent avnd valori I = 15 A; 10 A.

a.) I = 15 A b.) I = 10 A

Figura 5.28. Harta termografic a termorezistenei PTC obinut la diferite valori ale curentului

Uniformitatea temperaturii pe suprafaa termorezistenei PTC este limitat de conductivitatea termic a materialului. Geometria termorezistenei poate avea un impact semnificativ asupra pierderilor de cldur agravnd astfel non-uniformitatea termic. Pentru obinerea unei distribuii termice uniforme, metoda termografic este aplicat n proiectarea termorezistenei PTC.

5.3.Performanele sistemelor HVAC cu termorezisten PTC Performanele sistemelor de nclzire echipate cu termorezisten PTC sunt reflectate

de intervalul de timp n care n interiorul autovehiculului se atinge valoarea temperaturii reglat la sistemul HVAC. Msurtorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus i implementat de autor pe un autovehicul marca Renault Kangoo 1.9DCI, echipat cu sistem HVAC automat model Denso (ventilator tip Bosch DPO-K 12V) i cu termorezisten PTC, model Denso 1000 W / 13,5 V, au pus n eviden variaia temperaturii n timp i performanele sistemului de nclzire. Etajele de putere ale termorezistenei PTC sunt alimentate progresiv n vederea reducerii factorului de ncrcare al generatorului i a interferenelor electromagnetice aprute din cauza curenilor mari, pe baza algoritmului intern al sistemului HVAC al autovehiculului. Astfel, determinrile experimentale efectuate de autor indic faptul c variaia temperaturii n timp n perioada regimului de nclzire are o caracteristic termic specific, ilustrat n Figura 5.29, n funcie de regimurile de funcionarea a motorului autovehiculului i a sistemului HVAC. De asemenea, exist o diferen n evoluia temperaturii ntre zona oferului i zona pasagerului, dar, cu aceeai form de variaie n timp [152].

Figura 5.29. Variaia temperaturii n zona oferului i n zona pasagerului n regim de nclzire, cu

sistem HVAC i termorezisten PTC

Analiznd datele experimentale obinute n urma monitorizrii temperaturii interioare, o cretere a temperaturii exterioare cu 10 C (de la -20 C la -10 C), are drept efect creterea eficienei termice a sistemului de nclzire cu termorezisten PTC, astfel: (i) n zona oferului cu 4,8 % n zona picioarelor i cu 5,3 % n zona capului; (ii) n zona pasagerului cu 7,8 % n zona picioarelor i cu 6,7 % n zona capului. 30


CAPITOLUL 6. SISTEM DE NCLZIRE CU TERMOREZISTEN PTC CU ALIMENTARE HIBRID

Termorezistenele de tip PTC au fost introduse n sistemele HVAC pentru

compensarea deficienelor termice ale motoarelor cu combustie intern, n special a motoarelor Diesel, n perioada de iarn. Termorezistenele PTC funcioneaz doar atunci cnd motorul autovehiculului este pornit, ceea ce are drept consecin creterea consumului de energie, motiv pentru care autovehiculul trebuie s fie echipat cu un generator mult mai puternic. n vederea creterii performanelor sistemului de alimentare, extinderii gamei de funcionare a termorezistenei PTC i reducerii consumului de combustibil, de energie i a emisiilor poluante, autorul propune un sistem de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid. n cadrul sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid, autorul propune dezvoltarea i implementarea unei structuri hibride de alimentare format din baterie i supracondensator, numit sistem hibrid de alimentare. Totodat, soluia a avut n vedere posibilitatea protejrii dispozitivelor de alimentare prin utilizarea n regim staionar a unui redresor.

6.2. Sistem de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid 6.2.1. Descrierea arhitectural i funcional a sistemului de nclzire Sistemul de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid propus de autor,

asigur nclzirea interiorului autovehiculului n regim staionar (atunci cnd autovehiculul este parcat i cu motorul oprit) i n regim dinamic al autovehiculului (atunci cnd motorul este pornit) cu reducerea consumului de combustibil i a emisiilor poluante.

Sistemul de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid este compus din: (i) sistem HVAC echipat cu termorezisten PTC; (ii) sistem hibrid de alimentare a termorezistenei PTC (bateria autovehiculului; supracondensator; sisteme de comutaie; sistem de msurare a valorilor tensiunii i curentului la bornele dispozitivelor de alimentare i la bornele termorezistenei PTC; sistem automat de achiziie i control); (iii) redresor auto.

n Figura 6.1 este ilustrat schema bloc a sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid propus i dezvoltat de autor.

Figura 6.1. Schema bloc a sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid

Sistemul de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid permite nclzirea

interiorului autovehiculului n: regim staionar, cnd motorul autovehiculului este oprit (ICE = 0; PTC = 1); regim dinamic, cnd autovehiculul este pornit (ICE = 1; PTC = 1).

Regimul staionar este caracterizat de: (i) alimentarea termorezistentei PTC de la reeaua de 220 V prin intermediul redresorului; (ii) ncrcarea bateriei i supracondensatorului, de la reeaua de 220 V prin intermediul redresorului, n funcie de valoarea tensiunii msurate la bornele acestora. Avantajele regimului staionar: (i) alimentarea termorezistenei PTC fr a avea motorul autovehiculului pornit i fr a utiliza energia electric de pe baterie autovehiculului; (ii)

31


ncrcarea dispozitivelor de alimentare fr a fi necesar pornirea motorului; (iii) prelungirea duratei de via a bateriei. Dezavantajul regimului staionar: imposibilitatea deplasrii autovehiculului pe durata alimentrii de la reeaua de 220 V.

Regimul dinamic este caracterizat de: (i) decuplarea redresorului prin intermediul sistemului de comutaie 2 i trecerea din regimul staionar n regimul dinamic; (ii) identificarea sistemului optim de alimentare; (iii) alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator prin intermediul sistemului de comutaie 2; (iv) comutarea automat a alimentrii de pe baterie, prin intermediul sistemului de comutaie 2, n momentul n care valoarea tensiunii monitorizate la bornele supracondensatorului atinge un prag minim pre-definit; (v) ncrcarea dispozitivelor de alimentare prin intermediul generatorului autovehiculului n funcie de valoarea tensiunii msurate la bornele acestora.

6.2.2. Integrarea sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid n sistemul electric i electronic al autovehiculului Utilizarea sistemului de nclzire cu termorezisten PTC cu alimentare hibrid

impune implementarea unei interfee auxiliare care s permit conectarea i alimentarea modulului electronic de comand i control al autovehiculului (ECU) i al sistemului HVAC (ventilatorul, panoul de comand etc.) la / de la sistemul hibrid de alimentare, atunci cnd autovehiculul este staionar i motorul este oprit.

6.3. Determinri experimentale privind testarea sistemului hibrid de alimentare a termorezistenei PTC 6.3.1. Descrierea arhitectural i funcional a bancului de testare n prezent, bateriile sunt cele mai des utilizate dispozitive de alimentare n

autovehicule. Performanele reduse ale bateriilor n cazul furnizrii vrfurilor de curent [180], impun dezvoltarea unei structuri hibride de alimentare bateriesupracondensator [181].

Pentru determinarea performanelor energetice ale sistemului hibrid de alimentare i pentru mbuntirea confortului termic n interiorul autovehiculului, autorul a dezvoltat i implementat un banc de testare, ilustrat n Figura 6.5.

Figura 6.5. Schema bloc a bancului de testare a sistemului hibrid de alimentare a termorezistenei PTC

Bancul de testare, ilustrat n Figura 6.5, este compus din urmtoarele componente: (i) Sistemul automat de achiziie i control; (ii) Sistemul de comutaie; (iii) Sistemul de msurare a tensiunii i curentului; (iv) Dispozitivele energetice: Supracondensator de tip ECOND PSCAP, 350 F , 14 V; Baterie auto de tip Delphi-12 V, 110 Ah; Surs de alimentare de laborator de tip LAB-EC 2305, 0-30 V, 0-5 A; (v) Redresor auto, 220 V ca / 12 V cc 14 V cc; (vi) Termorezistena PTC; tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (vii) Laptop.

Sistemul hibrid de alimentare implementat hardware, avnd integrate componentele descrise anterior: sistemul automat de achiziie i control; sistemul de comutaie; sistemul de msurare a tensiunii i curentului; dispozitivele de alimentare (supracondensatorul, bateria i sursa de laborator); redresorul; termorezistena PTC, este ilustrat n Figura 6.11.

32


Figura 6.11. Implementarea hardware a bancului de testare a sistemului hibrid de alimentare a

termorezistenei PTC 6.3.2. Strategia de comand i control a sistemului hibrid de alimentare Primele teste au avut n vedere alimentarea termorezistenei PTC numai de pe

supracondensator. Utiliznd sursa de laborator, supracondensatorul a fost ncrcat la tensiunea nominal (Un = 13,5 V), dup care tensiunea a fost stabilizat timp de 150 de secunde. S-a comandat alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator un timp de 350 de secunde, n vederea atingerii echilibrului termic la nivelul elementelor rezistive.

Drept urmare a rezultatelor experimentale favorabile, obinute n urma alimentrii termorezistenei PTC de pe supracondensator, autorul a integrat n sistemul hibrid de alimentare i bateria auto. Strategia utilizat pentru alimentarea termorezistenei PTC utiliznd dispozitivele de alimentare, const n parcurgerea urmtorilor pai: Pasul 1: verificarea strii de funcionare a sistemului hibrid de alimentare; Pasul 2: identificarea valorilor iniiale ale tensiunii i curentului monitorizate la bornele

bateriei i a supracondensatorului; Pasul 3: ncrcarea SC utiliznd sursa de laborator pn la valoarea tensiunii nominale

(13,5 V), dup care are loc procesul de stabilizare a tensiunii, timp de 150 de secunde;

Cazul A Pasul 4: comanda alimentrii termorezistenei PTC de pe supracondensator i alimentarea

acesteia timp de 350 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele supracondensatorului;

Cazul B i C Pasul 4: comanda alimentrii termorezistenei PTC de pe supracondensator i alimentarea

acesteia timp de 100 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele supracondensatorului;

Pasul 5: la atingerea timpului presetat, de 100 de secunde, se comand n mod automat comutarea alimentrii termorezistenei PTC de pe baterie;

Pasul 6: alimentarea termorezistenei PTC de pe baterie timp de 250 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele bateriei.

6.3.4. Determinri experimentale Cazul A: sursa de laborator + supracondensator + PTC Experimentele realizate prin alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator

au ca scop identificarea energiei utile disponibile pe supracondensator. Primele teste au avut n vedere alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator. Au fost efectuate multiple determinri experimentale, alimentnd pe rnd:

33


(i) etajul de putere de 166 W; (ii) etajul de putere de 333 W; (iii) etajul de putere de 166 W n paralel cu etajul de putere de 333 W; (iv) etajul de putere de 333 W n paralel cu etajul de putere de 333 W.

n Figura 6.14 este ilustrat schema electric a bancului de testare utilizat n cazul A.

Figura 6.14. Schema electric a bancului de testare utilizat n cazul A

n cadrul experimentelor s-au considerat urmtoarele premise: (i) ncrcarea supracondensatorului (SC) utiliznd sursa de laborator (E1) pn la valoarea tensiunii nominale de 13,5 V (K1 = 1; K2 = 0); (ii) alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator o perioad de timp de 350 sec (K1 = 0; K2 = 1); (iii) termorezistena PTC nu este strbtut de flux de aer.

n Figura 6.15 sunt ilustrate rezultatele experimentale obinute n urma alimentrii etajelor de putere ale termorezistenei PTC de pe SC pentru o perioad de timp de 350 sec.

a.) Etajul de putere de 166 W b.) Etajul de putere de 333 W

c.) Etajul de 166 W n paralel cu etajul de 333 W d.) Etajul de 333 W n paralel cu etajul de 333 W

Figura 6.15. Alimentarea termorezistenei PTC de pe supracondensator pentru o perioad de 350 sec Rezultate experimentale

Cazul B: sursa de laborator + supracondensator + redresor + baterie + PTC Bateria de pornire a fost utilizat n vederea asigurrii densitii energetice necesare

procesului de atingere i stabilizare a echilibrului termic. n cazul aplicaiilor de EV i HEV, pentru alimentarea sarcinilor suplimentare sunt utilizate att bateriile de pornire ct i bateriile de traciune. Autorul a ales utilizarea unei baterii de pornire, datorit avantajelor acesteia legate de posibilitatea de furnizare a vrfurilor de putere de valori mai mari dect cele de traciune. De menionat faptul c, pe durata derulrii experimentelor, bateria de pornire a fost alimentat n permanen de la redresor (E2), n vederea simulrii cazului real, n care bateria

34

mbuntirea confortului termic n autovehicule este ncrcat de la alternatorul autovehiculului. Determinrile experimentale au vizat testarea procesului de alimentare al etajelor de putere menionate anterior.

n Figura 6.16 este ilustrat schema electric a bancului de testare utilizat n cazul B.

Figura 6.16. Schema electric a bancului de testare utilizat n cazul B

n cadrul experimentelor s-au considerat urmtoarele premise: (i) ncrcarea supracondensatorului (SC) utiliznd sursa de laborator (E1) pn la valoarea tensiunii nominale de 13,5 V (K1

Date post:	29-Sep-2015
Category:	Documents
Upload:	ancuta2011
View:	7 times
Download:	1 times

MusatRadu.pdf

Documents