Universitatea Transilvania din Braşov

Transcription

1 Universitatea Transilvania din Braşov Şcoala Doctorală Interdisciplinară Centrul de cercetare: Sisteme electrice avansate Ing. Radu Gh. MUŞAT Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Improving the thermal comfort inside vehicles Rezumatul tezei de doctorat Ph.D. Thesis Summary Conducător ştiinţific Prof. dr.ing. Elena HELEREA BRAŞOV, 2011

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din PREŞEDINTE: CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: REFERENŢI: Prof.univ.dr.ing. Sorin Aurel MORARU DECAN, Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor, Universitatea Transilvania din Braşov Prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA Universitatea Transilvania din Braşov Prof.univ.dr.ing. Radu MUNTEANU Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Prof.univ.dr.ing. Ioan POPA Universitatea din Craiova Prof.univ.dr.ing. Paul Nicolae BORZA Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: sâmbătă, , ora 14, în Aula Sergiu T. Chiriacescu a Universităţii Transilvania din Braşov, sala U.II.3. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa Universităţii Transilvania din Braşov, Catedra de Inginerie Electrică a Facultăţii de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor. Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

3 CUPRINS LISTA DE ABREVIERI 5 - LISTA DE FIGURI 7 - INTRODUCERE CARACTERIZAREA CONFORTULUI TERMIC ÎN INTERIORUL AUTOVEHICULELOR Confortul ambiental în autovehicule Factori care influenţează confortul ambiental Clasificarea confortului ambiental Analiza confortului termic în autovehicule Conceptul de confort termic Stadiul actual al cercetărilor confortului termic Studiu comparativ între confortul termic din vehicule şi cel din clădiri Autoreglarea termică a organismului uman Condiţii de confort termic Influenţa confortului termic asupra performanţelor şoferului Disconfortul termic local Definirea, caracterizarea şi măsurarea parametrilor de confort termic Temperatura aerului Viteza aerului Temperatura medie radiată Umiditatea relativă a aerului Nivelul de activitate şi nivelul de izolaţie termică a îmbrăcămintei Măsurarea parametrilor de confort termic Reglementări privind confortul termic Evaluarea confortului termic Scări de evaluare a confortului termic Modele de confort termic Evaluarea confortului termic utilizând manechine termice Evaluarea confortului termic utilizând modelul Fanger Indicii termici PMV şi PPD Determinarea caracteristicilor de confort termic Dependenţa temperaturii medii radiate de temperatura ambiantă Dependenţa vitezei aerului de temperatura ambiantă Program software pentru calculul indicilor termici Concluzii MODELAREA MEDIULUI TERMIC DIN AUTOVEHICULE Transferul de căldură în autovehicule Conducţia termică Convecţia termică Radiaţia termică Moduri combinate de transfer termic Calculul termic al schimbătoarelor de căldură Structura schimbătorului de căldură compact Modelarea schimbătorului de căldură Determinarea distribuţiei temperaturii la suprafaţa de schimb de căldură Modelarea termică a mediului din interiorul autovehiculului Surse de căldură şi transferul termic în interiorul autovehiculului Modelarea termică 2D a interiorului autovehiculului Pg. teza Pg. rezumat 3

4 2.4. Concluzii SISTEM DE MONITORIZARE A TEMPERATURII ÎN INTERIORUL AUTOVEHICULELOR ŞI DETERMINĂRI EXPERIMENTALE Sistem de monitorizare a temperaturii Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului de monitorizare Strategia de comandă şi control a sistemului de monitorizare Interfaţa grafică Amplasarea sistemului de monitorizare Validarea sistemului de monitorizare Monitorizarea temperaturii în interiorul autovehiculului Monitorizarea temperaturii în procesul de răcire (regimul R3) Monitorizarea temperaturii în procesul clasic de încălzire (regimul R2) Monitorizarea temperaturii în procesul de încălzire utilizând termorezistenţa PTC (regimul R4) Prelucrarea şi interpretarea datelor experimentale Temperatura monitorizată ca serie de timp Analiza procesului clasic de încălzire (regimul R2) Analiza procesului de încălzire cu termorezistenţa PTC (regimul R4) Concluzii CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE ÎNCĂLZIRE, VENTILAŢIE ŞI AER CONIDŢIONAT DIN AUTOVEHICULE Analiza sistemului HVAC Conceptul de ventilaţie şi de condiţionare a aerului Stadiul actual al cercetării Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului HVAC Funcţiile sistemului HVAC Standarde şi reglementări privind sistemele HVAC Reglementări privind sistemul de aer condiţionat Reglementări privind sistemul de încălzire Reglementări privind sistemul de dejivrare şi dezaburire Impactul sistemelor HVAC asupra mediului înconjurător şi reglementări Impactul sistemelor HVAC asupra mediului înconjurător Reglementări privind reducerea emisiilor poluante ale sistemelor HVAC Performanţele sistemelor HVAC Analiza performanţelor sistemelor de aer condiţionat şi determinări experimentale Analiza performanţelor sistemului clasic de încălzire şi determinări experimentale Concluzii CARACTERIZAREA SISTEMELOR SUPLIMENTARE DE ÎNCĂLZIRE DIN AUTOVEHICULE Analiza sistemelor suplimentare de încălzire Studiu comparativ al sistemelor suplimentare de încălzire Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemelor suplimentare de încălzire Analiza termorezistenţelor PTC Determinarea caracteristicii termice Determinarea caracteristicii volt-amper Determinarea caracteristicii de putere Modelarea matematică a termorezistenţei PTC Analiza uniformităţii termice a termorezistenţei PTC Performanţele sistemelor HVAC cu termorezistenţă PTC Concluzii 169-4

5 6. SISTEM DE ÎNCĂLZIRE CU TERMOREZISTENŢĂ PTC CU ALIMENTARE HIBRIDĂ Surse de alimentare utilizate în autovehicule Bateria Pila de combustie Supracondensatorul Sistem de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului de încălzire Integrarea sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă în sistemul electric şi electronic al autovehiculului Strategia de comandă şi control a sistemului de încălzire cu PTC Determinări experimentale privind testarea sistemului hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC Descrierea arhitecturală şi funcţională a bancului de testare Strategia de comandă şi control a sistemului hibrid de alimentare Interfaţa grafică Determinări experimentale Concluzii CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE Concluzii finale Contribuţii originale Diseminarea rezultatelor Direcţii viitoare de cercetare BIBLIOGRAFIE ANEXE Rezumatul tezei de doctorat Curriculum Vitae TABLE OF CONTENTS ABBREVIATIONS 5 - FIGURES 7 - INTRODUCTION THERMAL COMFORT CHARACTERISATION INSIDE VEHICLES Ambient comfort inside vehicles Influence factors for the ambient comfort Ambient comfort clasification Analysis of the thermal comfort inside vehicles The themal comfort concept Thermal comfort State of the art Comparative study between thermal comfort in vehicles and buildings The human termperature regulation system Thermal comfort conditions Thermal comfort influence on driving performances Local thermal discomfort Defining, characterizing and measuring thermal comfort parameters Air temperature Air velocity Mean radiant temperature Air humidity Human activity level and clothing insulation Measurement of thermal comfort parameters 33-5 Pg. teza Pg. rezumat

6 1.4. Thermal comfort standards and regulations Thermal comfort evaluation Thermal comfort rating scales Thermal comfort models Thermal comfort evaluation by using thermal manikins Thermal comfort evaluation by using Fanger s model Thermal comfort indices PMV and PPD Determining thermal comfort characterstics Mean radiant temperature dependency with ambient temperature Air velocity dependency with ambient temperature Implemented software for themal comfort indices calculation Conclusions MODELLING OF THE VEHICLE THERMAL ENVIRONMENT Heat transfer inside vehicles Conduction Convection Radiation Multimode heat transfer Heat exchangers Compact heat exchanger structure Compact heat exchanger numerical model Determining the temperature distribution of the compact heat exchanger Thermal modelling of the vehicle environment Heat source and heat transfer inside vehicles D thermal modelling of the vehicle environment Conclusions EMBEDDED SYSTEM FOR MONITORING THE TEMPERATURE INSIDE VEHICLES AND EXPERIMENTS Embedded system for monitoring temperature Architecture of the temperature monitoring system Control strategy of the temperature monitoring system Graphical interface Positioning of the temperature monitoring system Validation of the temperature monitoring system Temperature monitoring inside the vehicle Temperature monitoring in the cooling process (R3 process) Temperature monitoring in the heating process (R2 process) Temperature monitoring in the heating process using PTCthermoresistance (R4 process) Experimental data processing and interpreting Temperature values as serial correlation Analysing the heating process (R2 process) Analysing the heating process using PTC-thermoresistance (R4 process) Conclusions CHARACTERISATION OF THE HEATING VENTILATING AND AIR CONDITIONING SYSTEMS USED IN VEHICLES Analysing the HVAC systems Ventilation and the Air Conditiong concept HVAC systems - State of the art Architecture of the HVAC system HVAC system functions Standards and Regulations for HVAC systems Regulations for the air conditioning system 133-6

7 Regulations for the heating system Regulations for the desambuage and defrost system The impact of the HVAC system on the environment and regulations The impact of the HVAC system on the environment Regulations for reducing the pollutant emissions of the HVAC systems HVAC systems performances Analysing the performances of the air conditiong systems and experiments Analysing the performances of the heating systems and experiments Conclusions CHARACTERISATION OF THE AUXILIARY HEATING SYSTEMS USED IN VEHICLES Analysing the auxiliary heating systems Auxiliary heating systems State of the art Architecture of the auxiliary heating systems Analysing the PTC-termoresistance Determining the thermal characteristic Determining the volt-amper characteristic Determining the power characteristic Mathematical modeling of the PTC-termoresistance Analysing the thermal uniformity of the PTC-termoresistance Auxiliary heating systems performances Conclusions THE HEATING SYSTEM WITH PTC-THERMORESISTANCE WITH HYBRID SUPPLY Power supplies used in vehicles The battery The fuel cell The supercapacitor The heating system with PTC-thermoresistance with hybrid supply Architecture of the system Integration of the system with the vehicle electrical and electronical module Control strategy of the heating system with PTC-thermoresistance Experimental determination for the hybrid supply of the PTCthermoresistance Architecture of the test bench Control strategy of the hybrid supply system Graphical interface Experimental determinations Conclusions FINAL CONCLUSIONS AND ORIGINAL WORK Final conclusions Original work Publications Future work REFERENCES APPENDIX Abstract Curriculum Vitae În rezumat s-au păstrat notaţiile figurilor, relaţiilor, tabelelor şi referinţelor bibliografice din teza de doctorat. 7

8 Rezumatul tezei de doctorat INTRODUCERE Definirea contextului general Prezenta teză de doctorat abordează aspecte legate de o temă de mare actualitate, cea a confortului termic în interiorul autovehiculelor. Confortul termic din interiorul autovehiculelor este mai dificil de evaluat şi de controlat decât cel din interiorul clădirilor din cauza influenţei schimbului de căldură prin convecţie, radiaţie şi conducţie, din cauza influenţei factorilor de mediu exterior şi din cauza neomogenităţii mediului interior creată de sistemul de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat. De aceea, asigurarea şi menţinerea confortului termic în autovehicule este una dintre cele mai mari provocări pentru cercetătorii, proiectanţii şi fabricanţii de autovehicule. Priorităţi în cercetarea ştiinţifică Tema de doctorat este interdisciplinară şi, conform Planului Naţional de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare , se încadrează ca prioritate în domeniul 7, Materiale, procese şi produse inovative, direcţia de cercetare 7.54, Produse şi tehnologii inovative destinate transporturilor şi producţiei de automobile. Această prioritate joacă un rol important în consolidarea inovaţiei şi creativităţii cu aplicare directă în industrie. De asemenea, teza de doctorat se încadrează în domeniul 2, Energie, direcţia de cercetare 2.1, Sisteme şi tehnologii energetice durabile; securitate energetică şi în domeniul 3, Mediu, direcţia de cercetare 3.1, Modalităţi şi mecanisme pentru reducerea poluării mediului. Actualitatea şi necesitatea cercetării Sistemele clasice de încălzire din autovehicule utilizează pentru încălzirea interiorului, căldura cedată de motorul cu ardere internă. În multe cazuri, mai ales în zonele temperate, motoarele cu ardere internă, chiar şi cele cu performanţe ridicate, nu acoperă necesarul de energie cerut de sistemele clasice de încălzire, cantitatea de căldură furnizată de motor fiind insuficientă pentru încălzirea interiorului autovehiculului până la nivelul optim de confort termic. Această deficienţă termică se amplifică, în special, în perioada de iarnă. Pe de altă parte, constrângerile actuale sunt legate şi de utilizarea raţională a resurselor neregenerabile şi reducerea emisiilor poluante. În ultimul deceniu, tot mai multe persoane sunt dependente de mijloacele de transport, în special de autovehicule. O dată cu tendinţa de reducere a costurilor, a greutăţii şi a creşterii siguranţei în funcţionarea autovehiculelor, a crescut şi interesul pentru optimizarea, asigurarea şi menţinerea confortului termic în interiorul autovehiculelor. Calitatea mediului interior reprezintă un factor determinant în ceea ce priveşte sănătatea şi starea de bine a ocupanţilor unui autovehicul şi este determinată de compoziţia aerului. Studiul confortului termic în domeniul transporturilor a început şi s-a dezvoltat având la bază analiza confortului termic din clădiri. S-au dezvoltat o serie de modele de evaluare a confortului termic în clădiri. Aplicarea acestor modele în evaluarea confortului termic în autovehicule întâmpină dificultăţi din cauza caracterului specific al mediului din interiorul autovehiculelor: ne-uniform, dinamic, tranzitoriu şi puternic influenţat de mediul exterior. Evaluarea confortului termic în autovehicule întâmpină dificultăţi şi din cauza influenţei geamurilor (acestea acoperă 24 % din suprafaţa totală a vehiculului), vitezelor mari ale aerului în interiorul vehiculelor, imobilităţii pasagerilor şi datorită intensităţii şi direcţiei radiaţilor solare. Prin urmare, aceşti factori implică investigarea în profunzime a confortului termic şi modelarea confortului termic din interiorul autovehiculelor. Confortul termic este un concept definit ca fiind senzaţia subiectivă de echilibru termic ce apare în corpul uman atunci când parametrii de confort termic din autovehicul temperatura aerului, umiditatea aerului, temperatura medie radiată de elementele înconjurătoare, viteza aerului, nivelul activităţii umane şi nivelul de izolare termică a 8

9 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule îmbrăcămintei se situează într-un interval de valori bine definit. Subiectivitatea este un factor important în evaluarea confortului termic şi de aceea este necesară fundamentarea parametrilor de confort termic. În literatura de specialitate există puţine studii referitoare la această problemă. De aceea sunt necesare noi investigaţii şi dezvoltări de sisteme flexibile, portabile şi precise care să caracterizeze confortul termic din interiorul autovehiculelor. Sistemele actuale de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat sunt constituite din module performante, cu strategii automate de comandă, control şi monitorizare. Aceste sisteme sunt implementate atât pe autovehiculele clasice, cât şi pe autovehiculele hibride şi electrice. Există probleme legate de consumul energetic ridicat al acestor sisteme, ceea ce implică creşterea preţului de cost şi scăderea eficienţei totale a autovehiculului cu impact negativ asupra mediului înconjurător. În vederea perfecţionării sistemelor clasice de încălzire, reducerii timpului de încălzire şi atingerii regimului de confort termic, cercetătorii şi fabricanţii de autovehicule au dezvoltat şi implementat sisteme suplimentare de încălzire. Sistemele suplimentare de încălzire, fiind în majoritate bazate pe elemente electrice rezistive, necesită surse suplimentare de alimentare. Prin urmare, sunt necesare dezvoltarea de noi soluţii pentru alimentarea cu energie electrică a acestor sisteme, atât în cazul autovehiculelor clasice, cât şi a celor hibride şi electrice. Obiectivele tezei de doctorat Prezenta teză de doctorat are ca obiectiv principal îmbunătăţirea confortului termic în interiorul autovehiculelor, prin dezvoltarea de noi abordări, modelări, tehnici de monitorizare a confortului termic în interiorul autovehiculelor, precum şi prin conceperea şi realizarea unui sistem de încălzire suplimentară cu termorezistenţă de tip PTC (coeficient de temperatură pozitiv) cu alimentare hibridă. Obiectivele specifice tratate în capitolele prezentei teze de doctorat sunt: Investigarea şi modelarea confortului termic prin caracterizarea şi determinarea parametrilor şi a indicilor termici şi prin modelarea mediului termic din interiorul autovehiculelor; Conceperea şi implementarea unui sistem de monitorizare a temperaturii în diferite zone ale corpului în vederea fundamentării confortului termic la nivel local; Investigarea şi determinarea caracteristicilor sistemelor de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat (HVAC), a sistemelor suplimentare de încălzire, precum şi stabilirea unei soluţii eficiente de încălzire suplimentară a interiorului autovehiculelor, în vederea asigurării confortului termic; Dezvoltarea unei soluţii de alimentare hibridă a sistemelor de încălzire suplimentare cu termorezistenţă de tip PTC în vederea creşterii confortului termic. Diseminarea rezultatelor Rezultatele obţinute în timpul pregătirii doctorale au fost diseminate în 13 lucrări de cercetare publicate în volume ale conferinţelor naţionale şi internaţionale, din care 10 lucrări ca prim autor şi o lucrare indexată în baze de date ISI. Modul de organizare a tezei de doctorat Prezenta teză de doctorat este structurată într-un număr de şapte capitole, la care se adaugă un capitol introductiv. Teza de doctorat conţine un număr de 146 figuri, 43 tabele, 153 relaţii, 273 referinţe bibliografice şi 2 anexe. Capitolul 1, intitulat Caracterizarea confortului termic în interiorul autovehiculelor, cuprinde o analiză a confortului termic în interiorul autovehiculelor şi un studiu comparativ între confortul termic din vehicule şi cel din clădiri. Sunt analizate condiţiile de confort termic şi de disconfort local, precum şi influenţa confortului termic asupra performanţelor şoferului. Sunt caracterizaţi parametrii care influenţează confortul termic în autovehicule şi sunt descrise standardele şi reglementările în vigoare privind confortul termic. Dintre metodele de evaluare 9

10 Rezumatul tezei de doctorat a confortului termic în autovehicule sunt analizate scările de confort termic, modele fizice cu manechine termice şi modelul matematic dezvoltat de Fanger. Simularea modelului matematic a confortului termic este efectuată utilizând mediul de simulare MatLab/Simulink. Este descris un utilitar software dezvoltat de autor în mediul de dezvoltare Microsoft Visual Studio utilizat în procesul de identificare a indicilor termici de confort şi disconfort termic. Capitolul 2, intitulat Modelarea mediului termic din autovehicule, conţine analiza transferului de căldură în autovehicule. Este abordată problema transferului termic în schimbătoarele de căldură, dispozitive de transfer termic cheie în sistemele de încălzire, ventilaţie şi condiţionare a aerului din autovehicul. Este analizat în detaliu transferul termic într-un schimbător de căldură compact cu aripioare nervurate. Modelul termic elaborat şi implementat în mediul de simulare şi modelare termică FEMM permite obţinerea distribuţiei temperaturii la suprafaţa de schimb de căldură, la nivelul unor secţiuni 2D. Determinarea transferului de căldură şi modelarea termică în secţiune 2D a interiorului autovehiculului la nivelul picioarelor, bordului şi la nivelul geamurilor, se realizează pe baza bilanţului termic în interiorul autovehiculului, utilizând mediul de simulare şi modelare termică FEMM. Capitolul 3, intitulat Sistem de monitorizare a temperaturii în interiorul autovehiculului, descrie sistemul de monitorizare a distribuţiei temperaturii în zona picioarelor, zona abdominală şi zona capului corespunzătoare şoferului, respectiv, pasagerului conceput şi realizat de autor. Sunt descrise strategiile de comandă şi control destinate procesului de încălzire şi răcire, precum şi sistemele de achiziţie de date ce utilizează microcontrolere din familia AVR implementate de autor. Sunt prezentate determinările experimentale referitoare la distribuţia temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului şi la viteza de variaţie a temperaturii în procesul de încălzire, respectiv, răcire. Prelucrarea datelor experimentale se realizează prin metoda regresiei matematice şi metoda statistică de caracterizare a seriilor de date ca serii de timp. Analiza statistică a datelor experimentale permite identificarea gradului de independenţă între valorile de temperatură măsurate, considerate ca serii de timp, utilizând programul de statistică MedCalc vers Capitolul 4, intitulat Caracterizarea sistemelor de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat din autovehicule, descrie analiza şi evoluţia sistemelor de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat (HVAC) utilizate în autovehicule. Sunt prezentate standardele şi reglementările europene în vigoare privind procesul de răcire şi încălzire a interiorului autovehiculului, procesul de dejivrare şi dezaburire a parbrizului, precum şi impactul sistemelor HVAC asupra mediului înconjurător. Determinările experimentale efectuate de autor asupra regimului clasic de încălzire şi răcire a interiorului autovehiculului permit stabilirea perioadei de încălzire, respectiv, de răcire, indicator specific de performanţă al sistemelor HVAC. Capitolul 5, intitulat Caracterizarea sistemelor suplimentare de încălzire, prezintă evoluţia sistemelor suplimentare de încălzire utilizate în autovehicule. Sunt descrise bancurile de testare a termorezistenţei PTC şi determinările experimentale privind caracteristicile termice, volt-amper şi de putere. Pe baza caracteristicilor obţinute, se realizează modelul matematic şi simularea software a termorezistenţei PTC, utilizând mediul de simulare MatLab / Simulink. Este prezentat bancul de testare cu cameră termografică şi determinările experimentale efectuate de autor privind uniformitatea termică a termorezistenţei PTC. Capitolul 6, intitulat Sistem de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă, descrie principiul de funcţionare şi arhitectura sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă conceput de autor, format din sistem hibrid de alimentare compus din baterie şi supracondensator, sistem de măsurare a valorilor tensiunii şi curentului la bornele dispozitivelor de alimentare şi la bornele termorezistenţei PTC; sisteme de comutaţie şi sistem automat de achiziţie şi control a datelor. Sunt descrise strategiile de comandă şi control utilizate în procesul de încălzire cu termorezistenţă PTC, în regim staţionar şi în regim dinamic. Este descris bancul de testare a sistemului hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC, conceput şi realizat de autor. În vederea alimentării termorezistenţei 10

11 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule PTC utilizând sistemul hibrid de alimentare, sunt implementate strategii de comandă şi control. Determinările experimentale în vederea monitorizării tensiunii şi curentului la bornele termorezistenţei PTC şi a dispozitivelor de alimentare stau la baza elaborării de strategii de gestiune optimală a energiei electrice pentru alimentarea termorezistenţei PTC. Capitolul 7, intitulat Concluzii finale şi contribuţii originale, prezintă concluziile generale desprinse din lucrare, contribuţiile personale, diseminarea rezultatelor ştiinţifice, precum şi direcţiile viitoare privind continuarea acestei cercetări. Valoarea aplicativă a tezei de doctorat Rezultatele teoretice şi experimentale obţinute în cadrul prezentei teze de doctorat au valoare aplicativă şi pot fi utilizate în viitor pentru: Determinarea caracteristicilor şi a indicilor termici în autovehicule; Monitorizarea distribuţiei temperaturii în diferite zone ale corpului prin utilizarea sistemului de monitorizare dezvoltat de autor; Caracterizarea termică a termorezistenţei PTC şi determinarea parametrilor specifici; Creşterea eficienţei sistemului de încălzire prin utilizarea sistemului de alimentare hibrid a termorezistenţei PTC; Creşterea duratei de viaţă a bateriei electrice prin utilizarea sistemului de alimentare hibrid a termorezistenţei PTC. Doresc să adresez mulţumiri conducătorului ştiinţific prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA, care m-a coordonat, îndrumat, încurajat şi mi-a fost alături cu sfaturi substanţiale în realizarea tezei de doctorat, precum şi pentru susţinerea continuă pe toată durata studiilor doctorale. Mulţumesc 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 susţinere, pentru atenţia cu care s-au aplecat asupra lucrării şi pentru sfaturile acordate. În egală măsură doresc să îmi exprim recunoştinţa doamnei conf.univ.dr. Livia SÂNGEORZAN de la Catedra de Informatică, Facultatea de Matematică şi Informatică pentru cunoştinţele şi sfaturile transmise. Totodată, mulţumesc colectivului catedrei de Electrotehnică de la Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor pentru sprijinul acordat. În final, dar nu în ultimul rând doresc să mulţumesc familiei pentru răbdarea, înţelegerea şi suportul moral acordat şi, în special, soţiei mele, Ana-Maria MUŞAT fără de care cu greu aş fi dus la bun sfârşit această lucrare. CAPITOLUL 1. CARACTERIZAREA CONFORTULUI TERMIC ÎN INTERIORUL AUTOVEHICULELOR În ultimii ani, odată cu tendinţa de reducere a costurilor, a greutăţii şi a creşterii siguranţei în funcţionarea autovehiculelor, a crescut şi interesul pentru optimizarea confortului în autovehicule. Autovehiculele au evoluat de la construcţii simpliste spre maşini moderne cu tehnologii de ultimă oră, organizate pe criterii funcţionale şi estetice, care să le asigure ocupanţilor vehiculului ergonomie, siguranţă şi confort. În ultimul deceniu, tot mai multe persoane sunt dependente de mijloacele de transport, în special de autovehicule. Din acest motiv este important să se asigure un nivel optim de confort în interiorul autovehiculelor. Arhitecţii şi constructorii dezvoltă şi implementează în permanenţă soluţii noi, cu rezultate performante, care să îmbunătăţească confortul în interiorul autovehiculului, decoratorii aduc elemente noi în estetică şi design-ul autovehiculului, iar ergonomia se perfecţionează continuu, scopul tuturor fiind crearea unei ambianţe confortabile, pentru ocupanţii autovehiculului. 11

12 Rezumatul tezei de doctorat 1.2. Analiza confortului termic în autovehicule Conceptul de confort termic Confortul termic reprezintă senzaţia subiectivă de echilibru termic ce apare în corpul uman atunci când parametrii de confort termic din autovehicul temperatura aerului, umiditatea aerului, temperatura medie radiată de elementele înconjurătoare, viteza aerului, nivelul activităţii umane şi nivelul de izolare termică a îmbrăcămintei se situează într-un interval de valori bine definit [55], [192]. Confortul termic optim este stabilit în gama de temperatură de 21 C 23 C şi se obţine ca rezultantă a temperaturii aerului interior, a temperaturii medii radiate de elementele înconjurătoare, a umidităţii interioare şi a vitezei de mişcare a aerului. Toate acestea trebuie să fie în concordanţă cu natura activităţii şi nivelul de îmbrăcăminte al ocupanţilor, cu evitarea situaţiilor în care ocupanţii vin în contact cu suprafeţe prea reci sau prea calde şi cu evitarea curenţilor de aer. Aceste cerinţe trebuie îndeplinite de-a lungul întregului an, atât în condiţii de iarnă, cât şi în condiţii de vară [270] Condiţii de confort termic Pentru obţinerea nivelului optim de confort termic trebuie să se îndeplinească următoarele cerinţe [54], [166], [215]: (i) să existe confort termic la nivel local; (ii) corpul uman să fie în echilibru termic; (iii) rata de respiraţie să fie în limitele confortului termic individual; (iv) temperatura medie la suprafaţa pielii să fie în limitele de confort termic Disconfortul termic local Există cinci situaţii în care se generează disconfortul termic local: (i) radiaţie termică asimetrică; (ii) diferenţe de temperatură pe verticală [164]; (iii) diferenţe de temperatură pe orizontală, în special la nivelul podelei; (iv) fluctuaţiile de temperatură din interiorul autovehiculului [229]; (v) contactul cu suprafeţele interioare prea reci sau prea calde Definirea, caracterizarea şi măsurarea parametrilor de confort termic Chiar dacă confortul termic este subiectiv, variind de la om la om în funcţie de vârstă, sex, îmbrăcăminte şi anotimp, se poate face o generalizare asupra parametrilor care determină confortul termic [57], [58], [147], [183]: Parametrii de mediu: temperatura aerului; viteza aerului; temperatura medie radiată de elementele interioare înconjurătoare; umiditatea aerului; Parametrii individuali: nivelul de activitate; nivelul de izolare termică a îmbrăcămintei. Când toţi cei şase parametri de confort termic sunt măsuraţi, se determină efectul lor combinat asupra ocupanţilor autovehiculului [173] Evaluarea confortului termic În prezent, estimarea confortului termic se realizează prin măsurarea fiecărui parametru de confort termic, prin intermediul indicilor de confort termic şi cu ajutorul modelelor teoretice şi fizice [105], [143]. Există două mari categorii de evaluare a confortului termic: scări de evaluare; modele de confort termic [144], [202] Scări de evaluare a confortului termic Scările de evaluare se bazează pe metode subiective, aprecieri şi opinii personale ale indivizilor implicaţi în aprecierea confortului termic Prima scară de evaluare a confortului termic a fost dezvoltată de Yaglou în 1927 şi era compusă din cinci indici de evaluare. Ulterior scara a fost extinsă la şapte indici de evaluare [231]. În anul 1930, Bedford [13] a dezvoltat o scară cu şapte indici de evaluare şi a fost cea mai utilizată în Marea Britanie (Figura 1.10). 12

13 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Figura Scara de evaluare Bedford În anul 1967, Gagge dezvoltă o scară de evaluare având cinci indici de evaluare (Figura 1.11.): pleasant - indifferent - slightly unpleasant - unpleasant [67]. Figura Scara de evaluare Gagge În anul 1971, Rohles [237] a dezvoltat o scară de evaluare a senzaţiei termice numită scala ASHRAE având şapte indici de evaluare (Figura 1.12.). Figura Scara de evaluare ASHRAE Valorile numerice din această scară au fost modificate în comparaţie cu scara dezvoltată de Bedford, fiind cuprinse în gama faţă de 1 7. Această modificare a fost realizată cu scopul simplificării modului de utilizare, de a avea o simetrie faţă de zero, astfel încât valorile negative corespund părţii rece, iar valorile pozitive părţii de cald. Scara ASHRAE a fost introdusă în anul 1992 în standardul ASHRAE 55 şi este utilizată şi în prezent [237] Evaluarea confortului termic utilizând modelul Fanger Modelul propus de Fanger are la bază ecuaţia de bilanţ termic a corpului uman. Ulterior, acest model a fost extins şi în domeniul autovehiculelor pentru evaluarea confortului termic al ocupanţilor unui autovehicul. Condiţia necesară pentru asigurarea confortului termic al unui individ expus unui mediu dat un timp îndelungat, este dată de existenţa unui echilibru termic al corpului uman. Interacţiunea termică dintre corpul uman şi mediu este descrisă de ecuaţia de bilanţ termic al corpului uman: căldura dezvoltată de corpul uman (ΔQ body ) este egală cu căldura cedată de corpul uman de la suprafaţa pielii îmbrăcămintei prin conducţie (ΔQ body-clothes ) şi căldura cedată de corpul uman de la nivelul îmbrăcămintei mediului ambiant prin radiaţie şi convecţie (ΔQ clothes-air ) [54], [145]. Qbody Qbodyclothes Qclothesair (1.23) Ecuaţia generală de evaluare a confortului termic este de forma [54]: M 0,6 (1 ) 0,0023 pa 0,0014 Ta 0,052 0,35 pa 5,95 ADu (1.40) T 273 T 273 f h T T 3,4 10 fcl cl mrt în care h c şi T cl sunt date de următoarele expresii: 0,25 2,05 Tcl Ta pentru 2,05 Tcl Ta h c 10,4 v pentru 2,05 Tcl Ta cl 0,25 0,25 c cl 10,4 10,4 a v v (1.41) T cl 35,7 0,032 M A Du 1- η -0,18I cl { M A Du [0,6 (1 ) 0,0023 p a (1.42) 0,0014T a 0,052] 0,35 p a 5,95} 13

14 Rezumatul tezei de doctorat Indicii termici PMV şi PPD Senzaţia de confort termic este evaluată cu ajutorul indicelui termic PMV (Predicted Mean Vote), iar gradul de disconfort este evaluat cu indicele termic PPD (Predicted Percentage Dissatisfied). Aceşti indici au devenit baza mai multor standarde de confort termic, cele mai semnificative fiind ISO 7730, ISO 9920 şi ASHRAE 55. În vederea evaluării senzaţiei de confort termic se utilizează scara subiectivă de confort termic ASHRAE cu şapte niveluri. Pe această scară, valoarea indicelui PMV este cuprinsă între -3 şi +3, corespunzând senzaţiei de la foarte rece la foarte cald, respectiv, valoarea de 0 în care indicele termic PMV este neutru [54], [237], [249], [253]. Valoarea indicelui de confort termic PMV este dată de relaţia: PMV 0,352 e 0,42 3,4 10 M A 8 Du f cl -0,042 1 η 0, ,061 1 η 1 η 50 0, p 0, T 4 4 T 273 T 273 f h T T } cl M A Du 0,032 M { ADu mrt M A Du cl a c cl a M A Du M A Du a p a (1.47) Indicele de disconfort termic PPD se determină pe baza relaţiei: 4 2 0,03353PMV 0,2179PMV PPD e (1.50) Domeniul de confort termic optim corespunde intervalului de valori cuprinse între -0,5 şi +0,5. În consecinţă, valorile pentru PMV cuprinse în intervalul -0,5 < PMV < +0,5 şi valorile PPD < 10 % sunt considerate acceptabile Determinarea caracteristicilor de confort termic Pentru determinarea caracteristicilor de confort termic T mrt = f (T a ) şi v = f (T a ), autorul a simulat, în regim staţionar, utilizând mediul de simulare MatLab/Simulink, ecuaţia generală de confort termic [148] Dependenţa temperaturii medii radiate de temperatura ambiantă Caracteristica de confort termic T mrt = f (T a ) temperatura aerului interior în funcţie de temperatura medie radiată, având ca parametru viteza aerului este ridicată pentru trei niveluri diferite de activitate (50 kcal/h m 2 ; 100 kcal/h m 2 ; 160 kcal/h m 2 ), şi 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). În Figura 1.16 sunt ilustrate caracteristicile de confort termic T mrt = f (T a ), obţinute prin simularea ecuaţiei de confort termic, în mediul de simulare MatLab/Simulink, pentru cazul în care rezistenţa termică I cl = 0,5 clo şi factorul de îmbrăcăminte f cl = 1,10 [148]. a.) Caracteristica T mrt = f (T a ) pentru nivelul de activitate de 50 kcal/h m 2 b.) Caracteristica T mrt = f (T a ) pentru nivelul de activitate de 100 kcal/h m 2 Figura Caracteristicile T mrt = f (T a ) pentru ocupanţii vehiculului având îmbrăcăminte uşoară de vară, la trei niveluri diferite de activitate 14

15 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule În Figura 1.17 sunt ilustrate caracteristicile de confort termic T mrt = f (T a ), obţinute prin simularea ecuaţiei de confort termic în mediul de simulare MatLab/Simulink, pentru cazul în care rezistenţa termică I cl = 1,5 clo şi factorul de îmbrăcăminte f cl = 1,20 [148]. a.) Caracteristica T mrt = f (T a ) pentru nivelul de activitate de 50 kcal/h m 2 b.) Caracteristica T mrt = f (T a ) pentru nivelul de activitate de 100 kcal/h m 2 Figura Caracteristicile T mrt = f (T a ) pentru ocupanţii vehiculului având îmbrăcăminte grea de iarnă la trei niveluri diferite de activitate Dependenţa vitezei aerului de temperatura ambiantă Caracteristica de confort termic v = f (T a ) temperatura aerului interior în funcţie de viteza aerului, având ca parametru nivelul de activitate este ridicată pentru patru tipuri diferite de îmbrăcăminte (f cl = 1,0; 1,1; 1,15; 1,2), fiecare caracteristică având valori diferite ale nivelului de activitate (50 kcal/h m 2 ; 75 kcal/h m 2 ;100 kcal/h m 2 ; 125 kcal/h m 2 ; 160 kcal/h m 2 ) [148]. a.) Persoană nud b.) Îmbrăcăminte uşoară (de vară) c.) Îmbrăcăminte medie (de business) d.) Îmbrăcăminte grea (de iarnă) Figura Caracteristicile v = f (T a ) pentru ocupanţii vehiculului la cinci niveluri de activitate şi patru tipuri diferite de îmbrăcăminte 15

16 Rezumatul tezei de doctorat Din simulările realizate s-a observat faptul că, în vederea obţinerii confortului termic, cei trei parametrii de mediu, temperatura aerului interior, temperatura medie radiată şi viteza aerului, trebuie să aibă valori bine definite şi să fie în corelaţie cu parametrii individuali, factorul de îmbrăcăminte şi nivelul de activitate. Prin urmare, setul de valori ai parametrilor de confort termic trebuie să fie corelate între ele în vederea obţinerii confortului termic Program software pentru calculul indicilor termici Pentru facilitarea procesului de calcul a indicilor de confort şi disconfort termic, autorul a dezvoltat un program software în mediul de dezvoltare Microsoft Visual Studio. Programul software permite vizualizarea gradului de îndeplinire a confortului termic în funcţie parametrii specifici mediului în care se află individul (Figura 1.19). a.) Fereastra de parametri b.) Curba de confort termic Figura Interfaţa grafică pentru calculul indicilor termici de confort şi disconfort CAPITOLUL 2. MODELAREA MEDIULUI TERMIC DIN AUTOVEHICULE Modelarea termică 2D a interiorului autovehiculului În vederea stabilirii distribuţiei temperaturii în interiorul autovehiculului se realizează o modelare termică la nivelul unor secţiuni 2D, luând în considerare influenţa sistemului de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat, a geamurilor şi a radiaţilor solare. De asemenea, modelarea termică permite identificarea performanţelor şi avantajelor sistemului HVAC în vederea evidenţierii nivelului de confort termic la nivel global şi la nivel local pentru ocupanţii autovehiculului. Mediul din interiorul autovehiculului a fost modelat termic utilizând mediul de simulare şi modelare termică FEMM (Finite Element Method Magnetics). Astfel, în vederea modelării termice s-a considerat un autovehicul marca Renault Clio pentru care interiorul autovehiculului a fost considerat de formă dreptunghiulară. Au fost efectuate măsurări asupra suprafeţelor geamurilor şi elementelor de construcţie ale autovehiculului. În cadrul modelării termice, grilele sistemului HVAC, atât cele de la nivelul bordului cât şi cele de la nivelul picioarelor, au fost considerate ca fiind surse de încălzire având temperatura setată la 50 C, iar elementele de construcţie ale autovehiculului au fost considerate materiale izolante. În Figura 2.14 este ilustrată repartiţia temperaturii în secţiune 2D la nivelul bordului autovehiculului, luând în considerare grilele laterale şi centrale ale sistemului HVAC amplasate la nivelul bordului. În Figura 2.15 este ilustrată repartiţia temperaturii în secţiune 2D la nivelul picioarelor, luând în considerare grilele sistemului HVAC amplasate la nivelul picioarelor. 16

17 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Figura Secţiune la nivelul bordului Figura 2.15 Secţiune la nivelul picioarelor Prezenţa geamurilor este considerată prin aportul de densitate de flux termic de 10 kw/m 2 transferată în interiorul autovehiculului. În Figura 2.16 este ilustrată repartiţia temperaturii în secţiune 2D la nivelul geamurilor, influenţa sistemului HVAC, în acest caz fiind neglijată. Figura 2.16 Secţiune la nivelul geamurilor Analiza distribuţiei temperaturii, în interiorul autovehiculului, obţinută prin modelare 2D, pune în evidenţă unii din factorii care influenţează uniformitatea termică: Geamurile sunt elemente importante în transferul căldurii atât în sezonul de iarnă (pierderi de căldură către mediul exterior) cât şi în sezonul de vară (aport de căldură din mediul exterior), cu influenţă semnificativă asupra confortului termic al pasagerilor; Geamurile pot determina disconfortul la nivel local, prin diferenţa de temperatură pe verticală, între nivelul capului şi nivelul picioarelor cât şi pe orizontală, între zonele laterale şi zonele centrale; Există diferenţe semnificative între temperaturile din zona bordului şi zona din spate a autovehiculului. Distribuţia temperaturii în zona din spate poate fi îmbunătăţită prin utilizarea unor sisteme HVAC multi-zonale. CAPITOLUL 3. SISTEM DE MONITORIZARE A TEMPERATURII ÎN INTERIORUL AUTOVEHICULELOR ŞI DETERMINĂRI EXPERIMENTALE În vederea monitorizării distribuţiei temperaturii în zona picioarelor, zona abdominală şi zona capului corespunzătoare şoferului respectiv pasagerului, în diferite regimuri de funcţionare a sistemului HVAC autorul a proiectat şi implementat un sistem de monitorizare a temperaturii. Sistemul propus are ca scop investigarea vitezei de variaţie a temperaturii în procesul de încălzire, respectiv de răcire la nivelul capului, abdomenului respectiv picioarelor (pentru 17

18 Rezumatul tezei de doctorat şofer şi pasager), precum şi identificarea diferenţei de temperatură între diferite părţi ale corpului în diferite regimuri de funcţionare a sistemului HVAC. 3.1.Sistem de monitorizare a temperaturii Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului de monitorizare În Figura 3.2 este ilustrată schema bloc a sistemului de monitorizare proiectat şi implementat pentru monitorizarea distribuţiei şi a vitezei de variaţie a temperaturii în diferite zone ale corpului şoferului respectiv pasagerului. Figura 3.2. Schema bloc a sistemului de monitorizare Sistemul de monitorizare cuprinde următoarele componente: Senzori digitali de temperatură de tip LM75 (TS); Senzor de umiditate şi temperatură (SHT); Sistem automat de achiziţie şi control (DAQ+CS); Senzor de temperatură integrat de tip LM35 (ETS); Modul convertor RS232 Bluetooth (CUB); Laptop. Sistemul de monitorizare implementat hardware împreună cu componentele acestuia (sistemul automat de achiziţie şi control; modulul convertor RS232 Bluetooth; senzorii digitali de temperatură LM75; senzorul de umiditate şi temperatură SHT11; senzorul de temperatură integrat LM35), este ilustrat în Figura Figura 3.10 Implementarea hardware a sistemului de monitorizare Strategia de comandă şi control a sistemului de monitorizare Strategia de comandă şi control cuprinde patru regimuri de funcţionare (Tabelul 3.2): Tabelul 3.2. Regimurile de funcţionare din cadrul strategiei de comandă şi control Regimul de funcţionare Condiţii de funcţionare Condiţii de monitorizare Observaţii Regimul 1 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 t t lim1 Monitorizare iniţială Regimul 2 ICE=1; HVAC=1; PTC=0 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 T HVAC ref T măs ETS t t lim2 Regim de încălzire cu HVAC clasic 18

19 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Regimul 3 Regimul 4 ICE=1; HVAC=1; PTC=0 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 ICE=1; HVAC=1; PTC=1 ICE=0; HVAC=0; PTC=0 T HVAC ref < T măs ETS t t lim3 T HVAC ref T măs ETS t t lim4 Regim de răcire Regim de încălzire cu HVAC clasic + element suplimentar Amplasarea sistemului de monitorizare În Figura 3.13 este ilustrată, în vedere de sus, amplasarea sistemului automat de achiziţie şi control împreună cu cei şase senzori digitali de temperatură LM75 atât în zona şoferului cât şi în zona pasagerului: zona capului (partea stângă şi dreaptă); zona abdominală (partea stângă şi dreaptă); zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă). În Figura 3.14 este ilustrată, în vedere laterală, amplasarea senzorilor digitali de temperatură LM75, a senzorului de umiditate şi temperatură SHT11 şi a senzorului de temperatură integrat ETS. Figura Amplasarea sistemului de monitorizare vedere de sus Figura Amplasarea senzorilor de temperatură şi umiditate vedere laterală 3.2. Monitorizarea temperaturii în interiorul autovehiculului Monitorizarea temperaturii în procesul de răcire (regimul R3) În procesul de monitorizare s-au considerat următoarele premise: (i) funcţionarea motorului autovehiculului la ralanti pe întreaga perioadă de monitorizare; (ii) setarea sistemului automat HVAC la temperatura T set = +22 C în procesul de răcire şi T set = +21 C în procesul de încălzire; (iii) autovehiculul este amplasat în aer liber. Cazul B-R3: La temperatura exterioară de +44 C. Monitorizarea temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului a fost efectuată în data de , în localitatea Bucureşti, între orele 12:00 şi 15:00, autovehiculul fiind poziţionat de la est la vest. Monitorizarea s-a efectuat în două faze: (i) pe o durată de timp de 30 de minute cu motorul şi sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durată de timp de 15 de minute cu motorul şi sistemul HVAC oprite. În Figura 3.20 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului B-R3, în zona şoferului în cele şase zone de interes, la o temperatură exterioară de +44 C. Figura Variaţia temperaturii în zona şoferului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă) la temperatura exterioară de +44 C 19

20 Rezumatul tezei de doctorat În Figura 3.22 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului B-R3, în zona pasagerului în cele şase zone, la o temperatură exterioară de +44 C. Figura Variaţia temperaturii în zona pasagerului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă) la temperatura exterioară de +44 C Monitorizarea temperaturii în procesul clasic de încălzire (regimul R2) Cazul A-R2: La temperatura exterioară de -20 C: Monitorizarea temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului a fost efectuată în data de , în localitatea Poiana Braşov, între orele 00:00 şi 2:00. Monitorizarea s-a efectuat în două faze: (i) pe o durată de timp de 90 de minute cu motorul şi sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durată de timp de 25 de minute cu motorul şi sistemul HVAC oprite. În Figura 3.24 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului A-R2, în zona şoferului în cele şase zone, la temperatura exterioară de -20 C [152]. Figura Variaţia temperaturii aerului în zona şoferului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă), la temperatura exterioară de -20 C În Figura 3.26 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului A-R2, în zona pasagerului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă), la temperatura exterioară de -20 C [152]. Figura Variaţia temperaturii în zona pasagerului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă), la temperatura exterioară de -20 C 20

21 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Monitorizarea temperaturii în procesul încălzire utilizând termorezistenţa PTC (regimul R4) Cazul A-R4: La temperatura exterioară de -20 C: Monitorizarea temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului a fost efectuată în data de , în localitatea Poiana Braşov, între orele 00:00 şi 2:00. Monitorizarea s-a efectuat în două faze: (i) pe o durată de timp de 45 de minute cu motorul şi sistemul HVAC pornite; (ii) pe o durată de timp de 15 de minute cu motorul şi 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) şi cu o termorezistenţă PTC, model Denso 1000 W / 13,5 V [152]. În Figura 3.32 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului A-R4, în zona şoferului în cele şase zone, la temperatura exterioară de -20 C. Figura Variaţia temperaturii în zona şoferului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă), la temperatura exterioară de -20 C În Figura 3.33 sunt ilustrate rezultatele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii aerului, conform cazului A-R4, în zona pasagerului în cele şase zone, la temperatura exterioară de -20 C. Figura Variaţia temperaturii în zona pasagerului în cele şase zone: zona capului (partea stângă şi dreaptă), zona abdominală (partea stângă şi dreaptă), zona picioarelor (partea stângă şi dreaptă), la temperatura exterioară de -20 C 3.3. Prelucrarea şi interpretarea datelor experimentale Analiza procesului clasic de încălzire (regimul R2) Valorile măsurate ale temperaturii sunt considerate, în această analiză, serii de timp. În vederea evaluării procesului clasic de încălzire, a fost dezvoltată curba de regresie polinomială de gradul doi pentru cazul A-R2 (la temperatura exterioară de -20 C), în fiecare zonă de interes în parte. Coeficienţii curbei de regresie polinomiale de gradul 2 au fost 21

22 Rezumatul tezei de doctorat calculaţi utilizând metoda celor mai mici pătrate aplicată datelor obţinute experimental, utilizând programul de statistică MedCalc vers În Figura 3.36 şi în Figura 3.37 sunt ilustrate reprezentările grafice ale curbelor de regresie polinomiale de gradul 2, în cele şase zone pentru şofer, respectiv, pentru pasager. La temperatura exterioară de -20 C La temperatura exterioară de -20 C Figura Curbele de regresie polinomiale în Figura Curbele de regresie polinomiale în procesul clasic de încălzire în zona şoferului procesul clasic de încălzire în zona pasagerului Analiza procesului de încălzire cu termorezistenţa PTC (regimul R4) În Figura 3.38 şi în Figura 3.39 sunt ilustrate reprezentările grafice ale curbelor de regresie polinomiale de gradul 2, în cele şase zone pentru şofer, respectiv, pentru pasager. La temperatura exterioară de -20 C La temperatura exterioară de -20 C Figura Curbele de regresie polinomiale în Figura Curbele de regresie polinomiale în procesul de încălzire cu PTC, în zona şoferului procesul de încălzire cu PTC, în zona pasagerului În urma determinărilor experimentale, autorul a evidenţiat faptul că temperatura la nivelul picioarelor este mai ridicată decât la nivelul capului. De asemenea, temperatura la nivelul şoferului este mai ridicată decât la nivelul pasagerului, iar temperatura în partea stânga a şoferului şi în partea dreaptă a pasagerului este mai ridicată decât în zona centrală (în partea dreaptă a şoferului şi în partea stânga a pasagerului). Aceste diferenţe de temperatură pot facilita apariţia disconfortului local. În urma analizării procesului de încălzire în zona şoferului şi în zona pasagerului, pe baza curbei de regresie polinomială de gradul doi şi a testelor statistice utilizate, autorul concluzionează faptul că cele două ipoteze enunţate sunt acceptate. Prin urmare: (i) temperatura măsurată în partea stângă / dreaptă a şoferului / pasagerului nu este aceeaşi; (ii) temperatura măsurată pe verticală, în zona capului / picioarelor a şoferului / pasagerului, nu este aceeaşi. De asemenea, autorul concluzionează faptul că există o legătură între valorile măsurate şi zonele unde se efectuează măsurătoarea. În cazul îmbunătăţirii confortului termic la nivelul întregului corp, este necesar îmbunătăţirea confortului termic la nivelul local. 22

23 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule CAPITOLUL 4. CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE ÎNCĂLZIRE, VENTILAŢIE ŞI AER CONDIŢIONAT DIN AUTOVEHICULE Sistemul HVAC este proiectat să asigure: (i) confortul termic al ocupanţilor (prin funcţia de încălzire şi răcire a interiorului autovehiculului); (ii) vizibilitatea prin parbriz (prin funcţia de dejivrare şi dezaburire a geamurilor); (iii) izolarea interiorului autovehiculului în cazul poluării mediului exterior (prin funcţia de recirculare a aerului interior); (iv) tratarea aerului (prin funcţia de filtrare). 4.1 Analiza sistemului HVAC Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului HVAC Arhitectura sistemului HVAC cuprinde atât componentele care alcătuiesc circuitul de răcire cât şi componentele care alcătuiesc circuitul de încălzire. O parte din aceste componente sunt amplasate în compartimentul motor, iar o parte întră în componenţa grupului HVAC, situat în compartimentul pasager. Grupul HVAC este situat în compartimentul pasager, în cadrul planşei de bord şi cuprinde următoarele componente: panoul de comandă, detentorul, evaporatorul, radiatorul de încălzire, grupul moto-ventilator, filtrul de aer, elementele suplimentare de încălzire (opţional) şi clapetele de dirijare a aerului în zonele de interes. În compartimentul motor sunt amplasate următoarele componente: compresorul, deshidratorul, radiatorul de răcire al motorului, condensorul, grupul moto-ventilator, valvele de suprapresiune, valvele de umplere a circuitului de aer condiţionat [78]. Sistemele HVAC întâlnite pe autovehicule se împart în trei categorii principale: (i) Sisteme controlate manual; (ii) Sisteme controlate automat; (iii) Sisteme semiautomate [197] Funcţiile sistemului HVAC Sistemele HVAC actuale au funcţii specifice: (i) încălzirea aerului; (ii) răcirea aerului; (iii) captarea, ventilarea şi evacuarea aerului; (iv) filtrarea aerului; (v) recircularea aerului. Producerea aerului cald: Sursa de energie utilizată în procesul de încălzire al interiorului este căldura generată de agentul de răcire al motorului [49], [208]. Producerea aerului rece: Principiul de funcţionare al sistemului de aer condiţionat se bazează pe fenomenul de absorbţie de căldură la trecerea unui gaz de la presiune mare la presiune mică. Procesul de producere al aerului rece este identic cu cel utilizat la frigidere sau congelatoare. Agentul refrigerant absoarbe căldura la trecerea din starea lichidă în starea gazoasă şi eliberează căldura la trecerea din starea gazoasă în starea lichidă. Prin urmare, transferul căldurii de la un corp cald către mediul ambiant prin răcire artificială se realizează pe baza ciclurilor termodinamice reversibile compuse din două transformări adiabate şi două transformări izoterme, conform ciclului Carnot [73], [74], [217] Standarde şi reglementări privind sistemele HVAC Standardele care reglementează sistemele HVAC şi mediul termic din interiorul autovehiculelor nu definesc o anumită temperatură optimă de confort în interiorul autovehiculului pentru zona şoferului şi a pasagerului. În schimb, impun ca valoarea temperaturii în zona picioarelor atât pentru şofer cât şi pentru pasager să fie mai ridicată decât în zona capului. Există reglementări europene în vigoare privind răcirea şi încălzirea interiorului autovehiculului cât şi reglementările pentru dejivrarea şi dezaburirea parbrizului [ ] Impactul sistemelor HVAC asupra mediului înconjurător şi reglementări Impactul sistemelor HVAC asupra mediului înconjurător Agentul refrigerant R12 reprezintă sângele sistemului HVAC şi a fost cel mai utilizat agent în ultima parte a secolului trecut. Marele dezavantaj al agentului de răcire R12 este faptul că are în compoziţie cloruri care sunt foarte nocive şi prin urmare este socotit un distrugător de ozon. O moleculă de clorură din R12 poate să distrugă 1 milion de molecule de 23

24 Rezumatul tezei de doctorat ozon din atmosferă (până la momentul dezactivării sale) contribuind astfel considerabil la efectul de seră. În ultimul deceniu au intrat în uz aşa-numiţii freoni ecologici (de ex. R410a, denumit şi Puron, HFC R407c, HFC R134a etc.). Conform unui studiu recent al agenţiei ADEME (Agenţia Mediului şi Gestionării Energiei), creşterea consumului de combustibil la utilizarea sistemului HVAC are repercusiuni negative asupra emisiilor de gaze cu efect de seră. Funcţionarea sistemului HVAC în timpul lunilor de vară determină o creştere a consumului de combustibil de aproximativ 25 % 35 % în ciclul urban şi 10 % 20 % în ciclul extra-urban. Ca medie anuală, creşterea consumului de combustibil este de aproximativ 5 %. Cercetările actuale din industria de autovehicule sunt îndreptate spre găsirea de soluţii menite să reducă emisia de gaze cu efect de seră prin înlocuirea agentului refrigerant HFC R134a cu un agent refrigerant nou: dioxidul de carbon (CO 2 ). Noul sistem oferă o capacitate de răcire mai bună, dar şi o reducere cu până la 25 % a consumului de combustibil. [11], [12], [24], [46], [73], [97], [206] Performanţele sistemelor HVAC Analiza performanţelor sistemelor de aer condiţionat şi determinări experimentale Măsurătorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus şi 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 în evidenţă variaţia temperaturii în timp şi performanţele sistemului de aer condiţionat. Astfel, determinările experimentale efectuate de autor indică faptul că variaţia temperaturii în timp în perioada regimului de răcire are o caracteristică termică specifică, ilustrată în Figura 4.20 în funcţie de regimurile de funcţionarea a motorului autovehiculului şi a sistemului HVAC. Figura Variaţia temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului în regim de răcire Analiza performanţelor sistemului clasic de încălzire şi determinări experimentale Măsurătorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus şi 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 în evidenţă variaţia temperaturii în timp şi performanţele sistemului de încălzire. Astfel, determinările experimentale efectuate de autor indică faptul că variaţia temperaturii în timp în perioada regimului clasic de încălzire are o caracteristică termică specifică, ilustrată în Figura 4.23, în funcţie de regimurile de funcţionarea a motorului autovehiculului şi a sistemului HVAC [152]. Figura Variaţia temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului în regim de încălzire 24

25 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule CAPITOLUL 5. CARACTERIZAREA SISTEMELOR SUPLIMENTARE DE ÎNCĂLZIRE DIN AUTOVEHICULE Sistemele clasice de încălzire utilizează pentru încălzire căldura cedată de motorul cu ardere internă. În multe cazuri, mai ales în zonele temperate, motoarele cu ardere internă, chiar şi cele cu performanţe ridicate, nu acoperă necesarul de energie cerut de sistemele clasice de încălzire, cantitatea de căldură furnizată de motor fiind insuficientă pentru încălzirea interiorului autovehiculului până la nivelul optim de confort termic. Această deficienţă termică se amplifică în special în perioada de iarnă. În vederea perfecţionării sistemelor clasice de încălzire s-au dezvoltat sisteme suplimentare de încălzire Analiza sistemelor suplimentare de încălzire Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemelor suplimentare de încălzire Datorită proprietăţilor sale de auto reglare termică şi a constantei de timp de valoare mică, termorezistenţa cu coeficient de temperatură pozitiv (positive temperature coefficient - PTC) este potrivită pentru aplicaţii în controlul regimului de încălzire şi realizare a confortului termic al ocupanţilor unui autovehicul [5], [76], [99], [102], [146], [150], [195]. Utilizată ca sistem suplimentar de încălzire, termorezistenţa PTC are proprietatea de a furniza căldura necesară încălzirii habitaclului, după pornirea la rece a motorului, până în momentul în care acesta atinge temperatura optimă de funcţionare [39], [111]. Caracteristica principală a unui termistor PTC o reprezintă capacitatea de autoreglare termică, definită prin modul specific de variaţie a rezistentei electrice cu temperatura [149]. - La temperaturi scăzute (punctul de funcţionare al termorezistenţei este (T N, R N )), valoarea rezistenţei electrice este mică, la alimentarea cu energie electrică, valoarea intensităţii curentului electric care o străbate este mare, şi, corespunzător, se dezvoltă o cantitate mare de căldură. Ca urmare, valoarea rezistenţei scade, atinge o valoare minimă, după care rezistenţa creşte relativ brusc; 2 U 2 T mic R mic Q dezv t Rmin I t => Q dezv Rmin - La temperaturi ridicate, valoarea rezistenţei este mare, la alimentarea în continuare a termorezistenţei, căldura eliberată se va micşora. Termorezistenţa funcţionează la un curent mic, corespunzător punctului de echilibru (T PTC, R PTC ); 2 U 2 T mare R mare Q dezv t Rmax I t => Q dezv Rmax - La temperatura de echilibru (punctul de funcţionare al termorezistenţei este (T PTC, R PTC )), valoarea rezistenţei este mare, cantitatea de căldură degajată este mică şi funcţionarea termorezistenţei se stabilizează şi se obţine echilibrul termic. R N valoarea nominală a rezistenţei corespunzătoare valorii nominale a temperaturii T N ; R min valoarea minimă a rezistenţei corespunzătoare valorii minime a temperaturii T Rmin ; R ref valoarea de referinţă a rezistenţei corespunzătoare valorii de referinţă a temperaturii T ref ; R ptc, T ptc valori de echilibru. Figura Caracteristica termică a unui termistor de tip PTC 25

26 Rezumatul tezei de doctorat Structura termorezistenţei PTC, ilustrată în Figura 5.15a, este alcătuită dintr-un conector electric (1), armături din plastic (2) şi elemente rezistive de încălzire (3). Elementele rezistive de încălzire, ilustrate în Figura 5.15b, sunt compuse din armături ceramice (1) dispuse succesiv de-a lungul elementelor radiatorului de aluminiu (2). Elementele de aluminiu ale radiatorului asigură contactul electric şi transferul căldurii [39], [99], [150]. a.) Componentele termorezistenţei PTC b.) Structura elementelor rezistive de încălzire Figura Componentele şi structura internă a termorezistenţei PTC Pentru adaptarea puterii de încălzire la diferite cerinţe, elemente rezistive de încălzire sunt conectate la circuitele de încălzire (etajele de putere). Fiecare etaj de putere are comportament electric similar unei termorezistenţe PTC. Valoarea maximă admisibilă a temperaturii la suprafaţa elementelor rezistive de încălzire este de aproximativ 165 C, pentru cazul în care termorezistenţa PTC nu este străbătută de flux de aer [99], [195]. Puterea consumată de o termorezistenţă PTC variază de la 900 W la 2000 W şi depinde de volumul de aer din interiorul vehiculului. Pentru optimizarea controlului şi pentru prevenirea interferenţelor electromagnetice apărute din cauza curenţilor mari şi a încărcării generatorului, circuitele de putere ale termorezistenţei PTC sunt compuse din 3 6 etaje de putere (200 W, 300 W sau 400 W), controlate independent cu ajutorul releelor. Elementele rezistive de încălzire sunt comutate progresiv pentru a reduce factorul de încărcare al generatorului şi interferenţele electromagnetice apărute din cauza curenţilor mari [149]. Termorezistenţa PTC funcţionează numai atunci când: Motorul autovehiculului este pornit; Temperatura exterioară este scăzută; Cantitatea de căldură asigurată de sistemul de răcire al motorului este insuficientă; Generatorul electric nu are încărcare / sarcină mare Analiza termorezistenţelor PTC Determinarea caracteristicii termice Pentru determinarea caracteristicii termice R = f (T) autorul a dezvoltat şi implementat bancul de testare ilustrat în Figura Bancul de testare este compus din: (i) Dispozitiv testat: termorezistenţa PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistem automat de achiziţie şi contro; (iii) Modulul convertor RS232 Bluetooth; (iv) Cameră termică tip Derby DK 9620 utilizată în procesul de răcire; (v) Cameră termică tip Carbolite PF utilizată în procesul de încălzire; (vi) Senzori digitali de temperatură tip LM75 amplasaţi în interiorul celor două camere de încălzire respectiv răcire; (vii) Senzori digitali de temperatură tip LM75 amplasaţi pe termorezistenţa PTC în zona elementelor rezistive; (viii) Osciloscop tip Fluke 1998b; (ix) Laptop: utilizat la comunicaţia cu sistemul automat de achiziţie şi control [151]. Figura Bancul de testare pentru determinarea caracteristicii termice R = f (T) 26

27 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Procesul de caracterizare termică a termorezistenţei PTC a presupus stabilizarea termică la diverse valori ale temperaturii, pornind de la -50 C până la +210 C şi identificarea variaţiei valorii rezistenţei. În Figura 5.18 este ilustrată caracteristica termică, R = f (T), obţinută experimental pentru fiecare etaj de putere în parte (în care 1, 2, 3, 4, sunt cele 4 etaje ale termorezistenţei PTC analizate) [151]. Figura Caracteristica termică R = f (T) rezultate experimentale Valoarea rezistenţei descreşte iniţial cu creşterea temperaturii până la atingerea valorii de prag a temperaturii. În această regiune, caracteristica termică are un coeficient negativ. După depăşirea valorii de prag a temperaturii, valoarea rezistenţei creşte drastic, iar coeficientul caracteristicii termice devine pozitiv Determinarea caracteristicii volt-amper Pentru determinarea caracteristicii volt-amper, U = f (I), autorul a dezvoltat şi implementat bancul de testare ilustrat în Figura Bancul de testare este compus din: (i) Dispozitivul testat: termorezistenţa PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistemul automat de achiziţie şi control; (iii) Modulul convertor RS232 Bluetooth; (iv) Sistemul de comutaţie între etajele de putere ale termorezistenţei PTC; (v) Sursă 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 temperatură (tip LM75) amplasaţi pe termorezistenţa PTC. Figura Bancul de testare pentru determinarea caracteristicii U = f (I) Procesul de caracterizare electrică a termorezistenţei PTC a presupus monitorizarea variaţiei tensiunii şi curentului în gama de temperatură -50 C +210 C. În Figura 5.22 este ilustrată caracteristica volt-amper U = f (I) obţinută experimental pentru fiecare etaj de putere în parte (în care 1, 2, 3, 4, sunt cele patru etaje ale termorezistenţei PTC analizate). Caracteristica volt-amper U = f (I) are o creştere liniară până în momentul în care elementele rezistive ale termorezistenţei PTC ating temperatura optimă de funcţionare (valoarea de prag a temperaturii). Peste această valoare de prag a temperaturii, valoarea curentului electric scade drastic. 27

28 Rezumatul tezei de doctorat Figura Caracteristica volt-amper U = f (I) rezultate experimentale Determinarea caracteristicii de putere Pe baza valorilor obţinute pentru intensitatea curentului I şi a tensiunii U obţinute experimental, pentru fiecare etaj de putere în parte, s-a determinat caracteristica puterii disipate P = f (T). Caracteristica de putere obţinută este ilustrată în Figura 5.23 pentru fiecare etaj de putere în parte (în care 1,2,3,4, sunt cele patru etaje ale termorezistenţei PTC analizate). Figura Caracteristica puterii disipate P = f (T) rezultate experimentale Valoare maximă a puterii disipate corespunde valorii temperaturii de prag. Din datele experimentale a rezultat faptul că termorezistenţa PTC testată are aceleaşi caracteristici cu cele ale unui termistor de tip PTC, valorile parametrilor şi caracteristicile fiind comparabile cu cele din literatura de specialitate Modelarea matematică a termorezistenţei PTC Procesul de modelare este fundamental în vederea identificării şi anticipării comportamentului termorezistenţei PTC. Acest lucru este semnificativ în special la vehiculele electrice, situaţie în care gestiunea şi transferul fluxului energetic influenţează performantele vehiculului. Conform caracteristicii termice specifice termistorilor de tip PTC (cu α T > 0), caracteristica termică a termorezistenţei PTC poate fi aproximată cu o zonă liniară şi cu o zonă exponenţială. Aceste două zone sunt descrise de următoarele ecuaţii [149], [151]: - pentru zona liniară, în gama de temperatură T T min, T cr : RT R 01 m T (5.3) bt - pentru zona exponenţială, în gama de temperatură T Tcr,T max : RT R 02 e (5.4) unde: R 01, R 02 valorile iniţiale ale rezistenţei conform zonelor liniară şi exponenţială; m panta; b exponentul; T cr temperatura de prag; R max, R min valoarea maximă respectiv minimă a rezistenţei corespunzătoare valorii maxime temperaturii T max, respectiv minime a temperaturii T min. 28

29 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule În Figura 5.24 este ilustrată reprezentarea grafică a curbelor teoretice descrise de cele două ecuaţii ale modelului matematic al termorezistenţei PTC. Modelarea matematică a comportamentului termic a termorezistenţei PTC s-a realizat utilizându-se mediul de programare MatLab ver 7.7 R2008b, Rezultatul simulării comportamentului termic al celor patru etaje de putere ale termorezistenţei este prezentat în Figura 5.25, în care 1, 2, 3, 4, sunt cele 4 etaje ale termorezistenţei PTC analizate [149], [151]. Figura Curbele teoretice descrise de modelul matematic al termorezistenţei PTC Figura Caracteristica termică R = f (T) rezultatele simulării În vederea identificării acurateţei modelului matematic autorul a efectuat analiza erorilor între datele experimentale şi datele obţinute în urma simulării pentru fiecare etaj de putere în parte. Se observă faptul că în gama de temperatură 150 C 200 C apar erori semnificative. Deviaţia maximă apare la temperatura de 190 C. Pentru reducerea erorilor în gama de temperatură 150 C 200 C, se va studia uniformitatea termică a termorezistenţei PTC Analiza uniformităţii termice a termorezistenţei PTC Analiza uniformităţii termice a termorezistenţei PTC se poate realiza cu metoda termografică, cu ajutorul căreia se ridică harta termografică şi se determină atât valoarea minimă şi maximă a temperaturii cât şi distribuţia temperaturii pe întreaga suprafaţă a termorezistenţei PTC. Măsurarea temperaturii prin metoda termografică se face cu ajutorul unor dispozitive dedicate cameră termografică. Uniformitatea termică pentru o termorezistenţa PTC utilizată în sistemul suplimentar de încălzire a fost studiată şi analizată utilizându-se metoda termografică, la alimentarea progresivă a etajelor de putere a termorezistenţei. Pentru determinarea hărţii termografice, autorul a dezvoltat şi implementat bancul de testare ilustrat în Figura 5.27, compus din: (i) Dispozitivul testat: termorezistenţa PTC, tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (ii) Sistem de comutaţie între etajele de putere ale termorezistenţei PTC; (iii) Sursă de curent de laborator tip PMG 24 V, 15 A; (iv) Senzor de tensiune tip ISO124; (v) Senzor de curent tip LEM25; (vi) Cameră termografică tip Fluke Ti9; (vii) Senzori digitali de temperatură tip LM75 amplasaţi pe termorezistenţa PTC în zona elementelor rezistive. Figura Bancul de testare pentru determinarea hărţii termografice Pentru determinarea distribuţiei termice pe suprafaţa termorezistenţei PTC s-au efectuat multiple determinări experimentale, la diferite valori ale curentului: 1 A; 3 A; 5 A; 10 A; 15 A. Experimentele s-au realizat în condiţii statice, fără debit de aer care străbate termorezistenţa PTC. Hărţile termografice obţinute ilustrează distribuţia termică pe întreaga suprafaţă a termorezistenţei PTC şi prezintă punctele de maxim şi de minim ale temperaturii. 29

30 Rezumatul tezei de doctorat În Figura 5.28 este prezentată harta termografică obţinută atunci când toate cele patru etaje de putere sunt străbătute de un curent având valori I = 15 A; 10 A. a.) I = 15 A b.) I = 10 A Figura Harta termografică a termorezistenţei PTC obţinută la diferite valori ale curentului Uniformitatea temperaturii pe suprafaţa termorezistenţei PTC este limitată de conductivitatea termică a materialului. Geometria termorezistenţei poate avea un impact semnificativ asupra pierderilor de căldură agravând astfel non-uniformitatea termică. Pentru obţinerea unei distribuţii termice uniforme, metoda termografică este aplicată în proiectarea termorezistenţei PTC. 5.3.Performanţele sistemelor HVAC cu termorezistenţă PTC Performanţele sistemelor de încălzire echipate cu termorezistenţă PTC sunt reflectate de intervalul de timp în care în interiorul autovehiculului se atinge valoarea temperaturii reglată la sistemul HVAC. Măsurătorile efectuate cu sistemul de monitorizare propus şi implementat de autor pe un autovehicul marca Renault Kangoo 1.9DCI, echipat cu sistem HVAC automat model Denso (ventilator tip Bosch DPO-K 12V) şi cu termorezistenţă PTC, model Denso 1000 W / 13,5 V, au pus în evidenţă variaţia temperaturii în timp şi performanţele sistemului de încălzire. Etajele de putere ale termorezistenţei PTC sunt alimentate progresiv în vederea reducerii factorului de încărcare al generatorului şi a interferenţelor electromagnetice apărute din cauza curenţilor mari, pe baza algoritmului intern al sistemului HVAC al autovehiculului. Astfel, determinările experimentale efectuate de autor indică faptul că variaţia temperaturii în timp în perioada regimului de încălzire are o caracteristică termică specifică, ilustrată în Figura 5.29, în funcţie de regimurile de funcţionarea a motorului autovehiculului şi a sistemului HVAC. De asemenea, există o diferenţă în evoluţia temperaturii între zona şoferului şi zona pasagerului, dar, cu aceeaşi formă de variaţie în timp [152]. Figura Variaţia temperaturii în zona şoferului şi în zona pasagerului în regim de încălzire, cu sistem HVAC şi termorezistenţă PTC Analizând datele experimentale obţinute în urma monitorizării temperaturii interioare, o creştere a temperaturii exterioare cu 10 C (de la -20 C la -10 C), are drept efect creşterea eficienţei termice a sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC, astfel: (i) în zona şoferului cu 4,8 % în zona picioarelor şi cu 5,3 % în zona capului; (ii) în zona pasagerului cu 7,8 % în zona picioarelor şi cu 6,7 % în zona capului. 30

31 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule CAPITOLUL 6. SISTEM DE ÎNCĂLZIRE CU TERMOREZISTENŢĂ PTC CU ALIMENTARE HIBRIDĂ Termorezistenţele de tip PTC au fost introduse în sistemele HVAC pentru compensarea deficienţelor termice ale motoarelor cu combustie internă, în special a motoarelor Diesel, în perioada de iarnă. Termorezistenţele PTC funcţionează doar atunci când motorul autovehiculului este pornit, ceea ce are drept consecinţă creşterea consumului de energie, motiv pentru care autovehiculul trebuie să fie echipat cu un generator mult mai puternic. În vederea creşterii performanţelor sistemului de alimentare, extinderii gamei de funcţionare a termorezistenţei PTC şi reducerii consumului de combustibil, de energie şi a emisiilor poluante, autorul propune un sistem de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă. În cadrul sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă, autorul propune dezvoltarea şi implementarea unei structuri hibride de alimentare formată din baterie şi supracondensator, numită sistem hibrid de alimentare. Totodată, soluţia a avut în vedere posibilitatea protejării dispozitivelor de alimentare prin utilizarea în regim staţionar a unui redresor Sistem de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă Descrierea arhitecturală şi funcţională a sistemului de încălzire Sistemul de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă propus de autor, asigură încălzirea interiorului autovehiculului în regim staţionar (atunci când autovehiculul este parcat şi cu motorul oprit) şi în regim dinamic al autovehiculului (atunci când motorul este pornit) cu reducerea consumului de combustibil şi a emisiilor poluante. Sistemul de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă este compus din: (i) sistem HVAC echipat cu termorezistenţă PTC; (ii) sistem hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC (bateria autovehiculului; supracondensator; sisteme de comutaţie; sistem de măsurare a valorilor tensiunii şi curentului la bornele dispozitivelor de alimentare şi la bornele termorezistenţei PTC; sistem automat de achiziţie şi control); (iii) redresor auto. În Figura 6.1 este ilustrată schema bloc a sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă propus şi dezvoltat de autor. Figura 6.1. Schema bloc a sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă Sistemul de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă permite încălzirea interiorului autovehiculului în: regim staţionar, când motorul autovehiculului este oprit (ICE = 0; PTC = 1); regim dinamic, când autovehiculul este pornit (ICE = 1; PTC = 1). Regimul staţionar este caracterizat de: (i) alimentarea termorezistentei PTC de la reţeaua de 220 V prin intermediul redresorului; (ii) încărcarea bateriei şi supracondensatorului, de la reţeaua de 220 V prin intermediul redresorului, în funcţie de valoarea tensiunii măsurate la bornele acestora. Avantajele regimului staţionar: (i) alimentarea termorezistenţei PTC fără a avea motorul autovehiculului pornit şi fără a utiliza energia electrică de pe baterie autovehiculului; (ii) 31

32 Rezumatul tezei de doctorat încărcarea dispozitivelor de alimentare fără a fi necesară pornirea motorului; (iii) prelungirea duratei de viaţă a bateriei. Dezavantajul regimului staţionar: imposibilitatea deplasării autovehiculului pe durata alimentării de la reţeaua de 220 V. Regimul dinamic este caracterizat de: (i) decuplarea redresorului prin intermediul sistemului de comutaţie 2 şi trecerea din regimul staţionar în regimul dinamic; (ii) identificarea sistemului optim de alimentare; (iii) alimentarea termorezistenţei PTC de pe supracondensator prin intermediul sistemului de comutaţie 2; (iv) comutarea automată a alimentării de pe baterie, prin intermediul sistemului de comutaţie 2, în momentul în care valoarea tensiunii monitorizate la bornele supracondensatorului atinge un prag minim predefinit; (v) încărcarea dispozitivelor de alimentare prin intermediul generatorului autovehiculului în funcţie de valoarea tensiunii măsurate la bornele acestora Integrarea sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă în sistemul electric şi electronic al autovehiculului Utilizarea sistemului de încălzire cu termorezistenţă PTC cu alimentare hibridă impune implementarea unei interfeţe auxiliare care să permită conectarea şi alimentarea modulului electronic de comandă şi control al autovehiculului (ECU) şi al sistemului HVAC (ventilatorul, panoul de comandă etc.) la / de la sistemul hibrid de alimentare, atunci când autovehiculul este staţionar şi motorul este oprit Determinări experimentale privind testarea sistemului hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC Descrierea arhitecturală şi funcţională a bancului de testare În prezent, bateriile sunt cele mai des utilizate dispozitive de alimentare în autovehicule. Performanţele reduse ale bateriilor în cazul furnizării vârfurilor de curent [180], impun dezvoltarea unei structuri hibride de alimentare baterie supracondensator [181]. Pentru determinarea performanţelor energetice ale sistemului hibrid de alimentare şi pentru îmbunătăţirea confortului termic în interiorul autovehiculului, autorul a dezvoltat şi implementat un banc de testare, ilustrat în Figura 6.5. Figura 6.5. Schema bloc a bancului de testare a sistemului hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC Bancul de testare, ilustrat în Figura 6.5, este compus din următoarele componente: (i) Sistemul automat de achiziţie şi control; (ii) Sistemul de comutaţie; (iii) Sistemul de măsurare a tensiunii şi curentului; (iv) Dispozitivele energetice: Supracondensator de tip ECOND PSCAP, 350 F, 14 V; Baterie auto de tip Delphi-12 V, 110 Ah; Sursă 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) Termorezistenţa PTC; tip DENSO, 1000 W, 13,5 V; (vii) Laptop. Sistemul hibrid de alimentare implementat hardware, având integrate componentele descrise anterior: sistemul automat de achiziţie şi control; sistemul de comutaţie; sistemul de măsurare a tensiunii şi curentului; dispozitivele de alimentare (supracondensatorul, bateria şi sursa de laborator); redresorul; termorezistenţa PTC, este ilustrat în Figura

33 Îmbunătăţirea confortului termic în autovehicule Figura Implementarea hardware a bancului de testare a sistemului hibrid de alimentare a termorezistenţei PTC Strategia de comandă şi control a sistemului hibrid de alimentare Primele teste au avut în vedere alimentarea termorezistenţei PTC numai de pe supracondensator. Utilizând sursa de laborator, supracondensatorul a fost încărcat la tensiunea nominală (U n = 13,5 V), după care tensiunea a fost stabilizată timp de 150 de secunde. S-a comandat alimentarea termorezistenţei PTC de pe supracondensator un timp de 350 de secunde, în vederea atingerii echilibrului termic la nivelul elementelor rezistive. Drept urmare a rezultatelor experimentale favorabile, obţinute în urma alimentării termorezistenţei PTC de pe supracondensator, autorul a integrat în sistemul hibrid de alimentare şi bateria auto. Strategia utilizată pentru alimentarea termorezistenţei PTC utilizând dispozitivele de alimentare, constă în parcurgerea următorilor paşi: Pasul 1: verificarea stării de funcţionare a sistemului hibrid de alimentare; Pasul 2: identificarea valorilor iniţiale ale tensiunii şi curentului monitorizate la bornele Pasul 3: Cazul A Pasul 4: Cazul B şi C Pasul 4: Pasul 5: Pasul 6: bateriei şi a supracondensatorului; încărcarea SC utilizând sursa de laborator până la valoarea tensiunii nominale (13,5 V), după care are loc procesul de stabilizare a tensiunii, timp de 150 de secunde; comanda alimentării termorezistenţei PTC de pe supracondensator şi alimentarea acesteia timp de 350 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele supracondensatorului; comanda alimentării termorezistenţei PTC de pe supracondensator şi alimentarea acesteia timp de 100 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele supracondensatorului; la atingerea timpului presetat, de 100 de secunde, se comandă în mod automat comutarea alimentării termorezistenţei PTC de pe baterie; alimentarea termorezistenţei PTC de pe baterie timp de 250 de secunde, concomitent cu monitorizarea valorii tensiunii la bornele bateriei Determinări experimentale Cazul A: sursa de laborator + supracondensator + PTC Experimentele realizate prin alimentarea termorezistenţei PTC de pe supracondensator au ca scop identificarea energiei utile disponibile pe supracondensator. Primele teste au avut în vedere alimentarea termorezistenţei PTC de pe supracondensator. Au fost efectuate multiple determinări experimentale, alimentând pe rând: 33