Jan Pokorný, Jan Fišer Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 2 Motivace Tepelná zátěž kabiny Obrázek převzat z (Wagner,2007)

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 3 Motivace Tepelný komfort v kabině automobilu Systém větrání, vytápění a chlazení Bezpečnostodmlžování skel, únava, pozornost při jízdě Ergonomieovládání a řízení mikroklimatu Ekonomieúspory pohonných hmot Ekologiesnižování emisí, filtrování škodlivin Převzato z: Nissan's Forest AC blasts scents in your face to keep you awake

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 4 Motivace Spolupráce s firmou Volkswagen Nástroj pro výpočet spotřeby klimatizace pomocný nástroj pro návrh klimatizačních jednotek nových automobilů => Model tepelné zátěže kabiny automobilu Spolupráce s firmou Škoda (v rámci centra kompetence) Designový nástroj pro určení tepelné zátěže a spotřeby klimatizace => Virtuální zkušební stand vozu Simulační nástroje: CFD Obrázky převzaty z (Thermoanalytics, 2012), (Wagner, 2009) Simulační nástroje: 0D,1D modely Cíl: vytvořit rychlý výpočetní nástroj umožňující Analýzu vnitřního prostředí kabiny

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 5 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 6 VSTUPY MODEL VÝSTUPY Vlastnosti kabiny  Geometrie  Materiály Okrajové podmínky  GPS data  Okolní prostředí  Ventilace  Člověk Matlab (části kódu)  Uživatelské rozhraní  Generátor par. geom.  Zadávání okraj. podm.  Vztahy pro přenos tepla  Řešič diferen. rovnic  Řešič úhlových faktorů  Export dat Mikroklima uvnitř  Teplota vzduchu  Vlhkost vzduchu Tepelná zátěž kabiny  Povrchové teploty interiéru a exteriéru Struktura modelu Rozhraní modelu: vstupy/výstupy

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 7 Schéma přenosu tepla v modelu: S – slun.záření, R – radiace, K – vedení, C - konvekce M ATEMATICKÝ POPIS ( BILANČNÍ ROVNICE ) AKUMULACE TEPLA V MATERIÁLECH = BILANCE TEPELNÝCH TOKŮ AKUMULACE VLHKOSTI = BILANCE HMOTNOSTNÍCH TOKŮ VLHKOSTI Struktura modelu AKUMULACE TEPLA VE VLHKÉM VZDUCHU = BILANCE TEPELNÝCH TOKŮ

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 8 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 9 Vstupní data V LASTNOSTI KABINY ( TYP VOZU )  Geometrie  Materiály O KRAJOVÉ PODMÍNKY ( JÍZDNÍ DATA )  GPS data  Okolní prostředí  Ventilace  Člověk

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 10 Vstupní data P ARAMETRY GEOMETRIE bodyKit31-hatchback, 2-liftback(sedan), 3-combi A2.995délka kabiny v ose x B1.46šířka kabiny v ose y C0.624výška dveří v ose z D0.472 výška prosklené části (po hranu předního skla)od vodorovné roviny(zrcatka) v ose z alfa34sklon čelního sklaod vodorovné roviny beta36sklon zadního sklaod vodorovné roviny gama66sklon bočních skel E10.321délka vrsku palubni desky (pod čelním sklem) v ose x...………  3D GEOMETRIE VE FÓRMÁTU. NAS,. MAT,. STL 69 parametrů 100 bodů geometrie 132 (Liftback), 148 (Combi) ploch CTRIA 18 částí (31 kompletní karoserie)

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 11 Vstupní data SKLADBA KONSTRUKCÍ Skladba konstrukcí: typ vozu 'Felicia Combi', verze modelu 'CCHLMv0.7.15' IDMateriál Tloušťka [mm]Materiál Tloušťka [mm]Materiál Tloušťka [mm]Materiál Tloušťka [mm] 1FE-15EXT/INTFI Databáze materiálů: typ vozu 'Felicia Combi', verze modelu 'CCHLMv0.7.15' Kód Hustota [kg/m3] Tepelná vodivost [J/kgK] Měrná tepelná kapacita [J/kgK] Solární absorptivita [-] Solární transmisivita [-] Emisivita [-] FE DATABÁZE MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ  V ÝPOČET MĚRNÉHO TEPELNÉHO ODPORU KONSTRUKCE A HMOTNOSTI  P ŘIŘAZENÍ MATERIÁLOVÝCH KONSTANT JEDNOTLIVÝM ČÁSTEM GEOMETRIE

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 12 J ÍZDNÍ DATA  GPS data- zeměpisná poloha, časový údaj, směr a rychlost jízdy  Okolní prostředí- meteorologická data (teplota vlhkosti okolního vzduchu)  Ventilace- teplota, vlhkost, množství přiváděného vzduchu)  Člověk- produkce tepla radiací (70 W) a konvekcí (30 W) Vstupní data datetimelatitudelongitudealtitudespeedAMB_T_AIRAMB_RHSOL-IOccupantsTengineTtrunkT_VENTRH _VENTVolumeFLow :18: :18: :19:  U RČENÍ POLOHY SLUNCE NA OBLOZE ( ČASOVÝ ÚDAJ + ÚDAJ O ZEMĚPISNÉ POLOZE ), TJ. URČENÍ ORIENTACE VOZU VŮČI SLUNCI  D EFINICE VELIČIN SMĚR, RYCHLOST JÍZDY, METEOROLOGICKÁ DATA, PARAMETRY PŘIVÁDĚNÉHO VZDUCHU VENTILACÍ, POČET OSOB …

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 13 Výstupní data M IKROKLIMA UVNITŘ  Teplota vzduchu  Vlhkost vzduchu (relativní, měrná) T EPELNÁ ZÁTĚŽ KABINY  Povrchové teploty interiéru a exteriéru

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 14 Výstupní data M IKROKLIMA UVNITŘ  Teplota vzduchu – střední hodnota teploty vzduchu v kabině  Vlhkost vzduchu (relativní, měrná) Teplota vzduchu v kabině a jeho měrná vlhkost

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 15 Výstupní data T EPELNÁ ZÁTĚŽ KABINY – vyjadřuje součet tepelných toků vedením skrz stěny kabiny, prostupujícím slunečním zářením a produkcí tepla od lidí uvnitř.  Povrchové teploty interiéru a exteriéru Povrchové teploty interiéru a tepelná zátěž kabiny – parkování, letní den, slunce svítí z pravé strany vozu Tepelná zátěž > 0 tj. kabina přijímá teplo z okolí a je nutné ji ochlazovat Tepelná zátěž Tepelná bilance kabiny (rovnice platí pouze pro ustálený stav )

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 16 Výstupní data V YHLEDÁVACÍ TABULKA TEPELNÉ ZÁTĚŽE KABINY PRO DANÝ VŮZ : Zkrácení výpočetního času na minimum – veškeré hodnoty jsou před počítány PARAMETRY VYHLEDÁVÁCÍ TABULKY nastavená teplota uvnitř vozu +18…+27 °C teplota okolí (radiační a vzduchu) -15…+35 °C Počáteční rozdíl teplot v kabině -18…+38 °C intenzita slunečního záření 0…900 W/m 2 rychlost jízdy 0…100 km/h počet osob uvnitř 1…4osob poloha slunce vůči vozu 48,6 ° z boku množství přiváděného vzduchu 100 l/s Vyhledávací tabulka tepelné zátěže (ve Wattech)

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 17 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 18 Parametrizace geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 19 Parametrizace geometrie 1/4 2/3 5/8 6/7 9/12 10/11 13/16 14/17 15/18 19/23 20/24 21/25 22/26 27/30 33/36 27/30 33/36 28/31 34/37 28/31 34/37 29/32 35/38 29/32 35/38 43/44 45/46 47/48 101/ / / / / / / /126 49/50 55/56 129/130 51/52 57/58 119/ / / / /136 53/54 59/60 137/ /121 Výchozí návrh parametrizace – indexování bodů geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 20 Parametrizace geometrie trojúhelníková síť geometrienormály jednotlivých trojúhleníků

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 21 Parametrizace geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 22 Parametrizace geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 23 Parametrizace geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 24 Parametrizace geometrie Typy karoserie Hatchback Sedan/Liftback Combi Ukázka geometrií Liftback Škoda Octavia III Škoda Octavia II Combi Škoda Felicia Formát 3D geom..nas,.mat,.stl

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 25 Parametrizace geometrie Geometrie Octivia II Liftback – porovnání parametrizované a skutećné geometrie

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 26 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 27 Přenos tepla P ŘIŘAZENÍ OKRAJOVÝCH PODMÍNEK P ŘENOS TEPLA - VEDENÍM P ŘENOS TEPLA – KONVEKCÍ P ŘENOS TEPLA - RADIACÍ ( DLOUHOVLNNÁ ) P ŘENOS TEPLA - RADIACÍ ( KRÁTKOVLNNÁ )

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 28 Přenos tepla – přiřazení okrajových podmínek PovrchyCavityAirzoneSunPOS/NEG PovrchyCavityAirzoneSunPOS/NEG EXTERIÉRINTERIÉR Cavity, Airzone 1 – vnějšek kabiny 2 – vnitřek kabiny 3 – motorový prostor 4 – přístrojová deska 5 – zadní kufr Sun 0 – skryté části 1 – venkovní (přímé + difuzní) 2 – transmitované skrz skla 3 – venkovní (jen difúzní)

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 29 Přenos tepla - vedením Fourierův zákon TETE TITI T out T in Skladba konstrukcí: typ vozu IDNázevMateriálTloušťka [mm]MateriálTloušťka [mm]MateriálTloušťka [mm]MateriálTloušťka [mm] 1Čelní skloTM-014.4EXT/INT 2Zadní skloTM EXT/INT 3Okno levéTM EXT/INT 4Okno pravéTM EXT/INT 5Sloupky LPM-010KO OM-0255KO Sloupky PPM-010KO OM-0255KO Dveře LPM-010KO OM-0294OM-010 8Dveře PPM-010KO OM-0294OM-010 9StřechaPM-010KO OM-010EXT/INT 10Okno - střechaPM-010KO OM-010EXT/INT 11Podlaha kabinaPL-022OM-0225KO EXT/INT 12Přepážka předníKO-010.1IM-0410KO-021EXT/INT 13Pal. deska vrchníPL-013IM-077EXT/INTPM Pal. Deska spodníPM-054EXT/INT 15Sedadlo LPKO-021IM PM-07NaNEXT/INT 16Sedadlo PPKO-021IM PM-07NaNEXT/INT 17Sedadlo zadníIM-08100PM-07NaNEXT/INT 18Plato kufrEXT/INTTK-010.1PL-049PM Skladba konstrukcí: druh a tlouštka materiálů Databáze materiálů: ρ k,λ k,c k => celková hmostnost m => celková tepelná kapacita c => celkový tepelný odpor konstrukce R [m 2 K/W] R

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 30 Přenos tepla - konvekcí Vztahy převzaty z: Theseus-FE: Theory Manual Version 4.0, P+Z Engineering GmbH – Munich, Newtonův ochlazovací zákon

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 31 Přenos tepla – radiací  Dlouhovlnná (IR záření nad 3 μm )  Krátkovlnná (UV, viditelné a IR do 3 μm )

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 32 Přenos tepla – radiací (dlouhovlnná) Stefan-Boltzmannův zákon Vnitřek kabiny Vnějšek kabiny T EPELNÝ TOK DV. RADIACÍ NA I - TOU ČÁST EXTERIÉRU T EPELNÝ TOK DV. RADIACÍ NA I - TOU ČÁST INTERIÉRU T EPELNÝ TOK PŘIJMUTÝ I - TÝM POVRCHEM OD J - TÉHO

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 33 Jak podlaha „vidí“ na ostatní části Přenos tepla – radiací (dlouhovlnná) ID (i,j) E E E E E E E E E E E Tabulka úhlových faktorů (spočteno v Star-CCM+)

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 34 Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) 1.Určení aktuální vzájemné polohy auta a slunce 2.Vstup: intenzita slunečního záření na vodorovnou rovinu 3.Transformační matice (rotace) => intenzita slunečního záření na jednotlivé části vozu: 4.Rozlišení přímé složky a difúzní složky záření dle Cihelky 5.Transmitované sluneční záření vstupuje do interiéru: pro distribuce solární energie v interiéru je využita tab. úhlových faktorů (tj. zjednodušení náročného výpočtu stínění). 6.Do výpočtu vstupují vlastnosti povrchů : transmisivita a absorbtivita krátkovlného záření

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 35 Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) North South EastWest Zeměpisná poloha  Longitude (zem. délka)  Latitude (zem. šířka)  Altitude (zem. výška) Směr jízdy  Δ Longitude  Δ Latitude  Δ Altitude

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 36 Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) Zeměpisná poloha  Longitude (zem. délka)  Latitude (zem. šířka)  Altitude (zem. výška) Směr jízdy  Δ Longitude  Δ Latitude  Δ Altitude Poloha slunce na obloze (závisí na čase a zem. pololoze)  Azimut  Elevace Globální souřadný systém světa (NESWS): x, y, z  Vektor směru jízdy vozu  Vektor směru slunečních paprsků South EastWest North z y x

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 37 z y x Y Z X Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) Zeměpisná poloha  Longitude (zem. délka)  Latitude (zem. šířka)  Altitude (zem. výška) Směr jízdy  Δ Longitude  Δ Latitude  Δ Altitude Poloha slunce na obloze (závisí na čase a zem. pololoze)  Azimut  Elevace Globální souřadný systém světa (NESWS): x, y, z  Vektor směru jízdy vozu  Vektor směru slunečních paprsků Lokální souřadný systém kabiny : X, Y, Z  Normály jednotlivých povrchů kabiny

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 38 Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) Globální souřadný systém světa (NESWS): x, y, z  Vektor jízdy vozu  Vektor směru slunečních paprsků Lobální souřadný systém kabiny : X, Y, Z  Normály jednotlivých povrchů kabiny

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 39 Přenos tepla – radiací (krátkovlnná) VSTUPY  Sluneční elevace  Nadmořská výška  Linkeho zákal a oblačnost ROVNICE dle (Cihelky, 1994)  Intenzita sluneční záření před vstupem do zemské atmosféry  Heindl-Koch koeficient (ε) –  Tlumení záření Linkeho zákalem a oblaćností VÝSTUPY  Příma složka slun. záření  Difúzní složka slun. záření (včetně odraženého záření od zem. p.)  Globální intenzita slunečního záření

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 40 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 41 Vliv vlhkosti AKUMULACE VLHKOSTI = BILANCE HMOTNOSTNÍCH TOKŮ VLHKOSTI AKUMULACE TEPLA VE VLHKÉM VZDUCHU = BILANCE TEPELNÝCH TOKŮ R OVNICE VYCHÁZÍ Z DEFINICE ENTALPIE VLHKÉHO VZDUCHU kde x A [kg/kg sv ] je měrná vlhkost [J/kg] je změna měrné entalpie v kabině ventilací je hmotnostní tok přiváděného vzduchu ventilací Směs suchého vzduchu a vodní páry akumuluje teplo nejen změnou teploty ale i vlhkosti!

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 42 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 43 Validace modelu - úvod Klimakomora VW VW Golf, Polo Vlastní měření Škoda Felicia Combi září leden 2012 Simulace → predikce Nástroj pro výpočet tepelné zátěže kabiny (návrh modelu) Měření → Okrajové podmínky Otestovaný/kalibrovaný nástroj Předání OP Měření → Validační parametry

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 44 Validace modelu - klimakomora

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 45 Validace modelu – skutečný provoz

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 46 Validace modelu – skutečný provoz Sedadlo spolujezdce Sedadlo vlevo vzadu Povrchy exteriéru a interiéru Okrajové podmínky Hlava Trup Nohy Hlava Trup Nohy Čelní sklo Palubní deska Střecha Pravé dveře Pravé sklo Střecha ext. Vyústky V kufru Pod kapotou Podvozek Střešní panel Měřené veličiny Teplota vzduchuCCTPPP––––––TTTTC Povrchová teplota–P––––PPPPPT––––T Rychlost vzduchuC–––––––––––C–––– Relativní vlhkostC–––––––––––––––C Teplota kulového teploměruG–––––––––––––––– Intenzita slunečního záření––––––––––––––––V Umístění měřících sond a měřené veličiny: C – Testo s kombinovanými sondami, G – kulový teploměr, P – odporový teploměr PT100, T – termočlánek, V – fotovoltaický (PV) panel. Pro měření rychlosti auta, azimutu a polohy byl navíc využit GPS modul.

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 47 Validace modelu – skutečný provoz Použitá měřící technika

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 48 Validace modelu – skutečný provoz

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 49 Validace modelu – skutečný provoz

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 50 Validace modelu – skutečný provoz

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 51 Obsah:  Motivace  Struktura modelu  Vstupní / výstupní data  Parametrizace geometrie  Přenos tepla  Vliv vlhkosti  Validace modelu  Závěr

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 52 Závěr - vlastnosti modelu Shrnutí 69 parametrů 100 uzlů 132 (Liftback), 148 (Combi) ploch CTRIA 18 částí (31 kompletní karoserie) Rychlost výpočtu FELICIA_COMBI_dark_blue_VUT_Parking_ Čas simulace: s, cca 23h Čas výpočtu: 202 s, cca 4 min

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 53 Závěr - shrnutí Model tepelné zátěže kabinytepelný komfort, predikce potřeby energie na klimatizování kabiny. Pomocný nástroj pro návrh klimatizačních zařízení automobilů Matematický popisSoustava obyč. diferenciálních rovnic popisující základní principy přenosu tepla. VýhodyJednoduchý rychlý výpočetní nástroj, náhrada ke komerčním software NevýhodyÚzce zaměřená aplikace, pro detailní analýzy vnitřního prostředí nevhodný (není náhradou CFD metod) Parametrizovaná geometrieMožnost sledovat vliv designových změn na tepelnou zátěž ValidaceModel validován na základě měření v reálném provozu Ukázka modeluSeznámení s vlastním modelem… Pokračovaní v odpolední časti…

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 54 Konec prezentace Děkuji za pozornost Workshop je podpořen z projektu: - Podpora tvorby excelentních týmů mezioborového výzkumu na VUT CZ.1.07/2.3.00/

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 55 Program workshopu 09: :30 - Úvodní přednáška: Prostředí v kabinách automobilů - možnosti jeho predikce a měření (J. Fišer) 09: :30 - Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu (struktura modelu, vlastnosti modelu, parametrizace geometrie, vstupní data, výstupy) (J. Pokorný) 10: :30 - Měření tepelného komfortu v kabinách automobilů prostřednictvím tepelných manekýnů (J. Fišer) 11: :30 - Přestávka na oběd a kávu 12: :30 - Ukázka funkcí a aplikace modelu tepelné zátěže automobilu (J. Pokorný) 13: :00 - Měření s tepelným manekýnem Newtonem (Seznámení s hardware manekýna, ukázka měření a vyhodnocení tepelného komfortu pomocí metodiky diagramu komfortních zón - ISO ) (J. Fišer) 16: :00 - Možnost diskuze u kávy

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 56 Příloha A: model polohy slunce na obloze INPUTS Year, day in year (d), local time (LT), Time zone (TZ) Longitude (Lo), Longitude (La), Altitude EQUATIONS Equation of time (EoT) Local standard time meridian (LSTM) Time correction factor (TC) Local solar time (LST) Hour angle (HRA) Declination (δ) OUTPUTS Azimuth Elevation

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 57 Příloha A: model polohy slunce na obloze Equation of time (EoT) Hour angle (HRA) Noon in local solar time (LST) is defined as when the sun is highest in the sky (HRA=0°).

Model pro predikci tepelné zátěže kabiny automobilu 58 Příloha A: model polohy slunce na obloze Declination (δ) Azimuth Elevation