17.04.2013

Fraunhofer-Gesellschaft

Zwischen Behaglichkeit und Reichweite

Wohlfühltemperatur oder Reichweite? Bislang mussten sich Besitzer von Elektroautos zwischen diesen beiden Optionen entscheiden. Der erhöhte Energiebedarf entsteht dadurch, dass die Heizleistung nicht durch Abwärme des Motors verfügbar ist, sondern rein durch elektrische Energie erzeugt werden muss. Die Gruppe um Diplom-Informatiker Sebastian Stratbücker der Abteilung Raumklima des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP erforscht derzeit in Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG im Verbundprojekt „E-Komfort“ Klimatisierungskonzepte für Elektroautos, die den Besitzer nicht mehr vor diese Wahl stellen.

Ihr Ansatz: Um die Batterieladung zugunsten der Reichweite effektiv zu verwenden, soll der Verbrauch für die Klimatisierung durch gezielte, punktuelle Beheizung und Kühlung der Fahrgastzelle minimiert werden.
Der menschliche Körper ist ständig mit warmen und kalten Umgebungsbedingungen konfrontiert, sei es zu Hause im Wohnzimmer oder in der Fahrgastzelle eines Autos. Jedoch gibt es erhebliche Unterschiede, hinsichtlich der Homogenität der Raumtemperaturen: Während in einem Wohnzimmer die Temperatur recht gleichmäßig ist, gibt es im Fahrzeug erhebliche Temperaturunterschiede, beispielsweise zwischen Vorder- und Rücksitz sowie dem Fußraum. Um unangenehme Temperaturunterschiede zu vermeiden und ein möglichst behagliches Innenraumklima herzustellen, ist bei konventionellen Klimatisierungskonzepten eine Beheizung oder Kühlung des gesamten Fahrgastraumes erforderlich. Bislang soll im Bereich des Passagiers überall die gleiche Temperatur herrschen. Aber: »Bei diesem Ansatz wird sehr viel Energie dafür verschwendet, zunächst alle Bauteile sowie die Raumluft zu erwärmen«, erklärt Stratbücker, Leiter der Gruppe „Simulation“. Ein großer Teil der verfügbaren Akkuleistung eines Elektroautos würden demnach zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle verbraucht. Das führe letztendlich zu einer deutlichen Reduzierung – im Winter um bis zu 50 Prozent – der Reichweite, erläutert der Diplom-Informatiker.

Um eine Lösung zu finden, musste sich die Forschergruppe um Sebastian Stratbücker zunächst einmal Gedanken machen, welche Kriterien für die Behaglichkeit in einem Elektroauto ausschlaggebend sind. Dabei nutzten die Wissenschaftler die langjährige Erfahrung in der Abteilung Raumklima, wenn es um die Erfassung und Auswertung von Raumklimaparametern geht. Die Abteilung beschäftigt sich seit jeher mit Fragestellungen rund um das Thema Behaglichkeit. Dafür werden sowohl messtechnische Einrichtungen, statistische Auswertungen von umfangreichen Probandenstudien als auch vermehrt simulationsgestützte Methoden für den Entwurf und die Optimierung von Raumklimasystemen genutzt. Diese Kompetenzen werden unter anderem auch im Bereich der Gebäudesimulation eingesetzt, um beispielsweise in der Planungsphase eine optimale Auslegung hinsichtlich des thermischen Komfort und der Energieeffizienz zu finden.

Bisherige Bewertungsgrößen wie der „Predicted Mean Vote-Wert“ (PMV-Wert), also das „vorausgesagte mittlere Votum“ nach DIN ISO 7730, lassen sich jedoch nicht ohne weiteres vom Gebäudebereich auf den Fahrzeugbereich übertragen. Der PMV-Wert, der nur das durchschnittliche Empfinden einer größeren Personengruppe darstellt, basiert auf einer globalen Aussage zum thermischen Empfinden, sprich: für den Körper insgesamt und nur für stationäre, unveränderliche Umgebungstemperaturen nahe dem Komfortbereich. Deswegen haben die Forscher des Fraunhofer IBP in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „E-Komfort“ unter anderem erst die notwendigen Methoden entwickelt, um das thermische Empfinden des Menschen mit Hilfe von geeigneten Messgrößen zu ermitteln. Eine davon ist das neuentwickelte Klimamesssystem DressM AN (Dummy REpresenting Suit for Simulation of huMAN heatloss). Das neue Systemkonzept setzt dabei verstärkt auf den Einsatz von kommerziell verfügbaren Komponenten und eine vollständige Eigenentwicklung der Systemsoftware am Fraunhofer IBP.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „E-Komfort“ wurde ein neuer Komfortsensor entwickelt, der die Messung der sogenannten Äquivalenttemperatur ermöglicht. Dieses in der DIN EN ISO 14502-2 definierte Klimasummenmaß umfasst die Größen Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit und Wärmestrahlung. Damit werden thermische Umgebungsbedingungen mit nur einem Zahlenwert beschreibbar, was eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Klimaszenarien ermöglicht. Die Untersuchungen von klimawirksamen lokalen Heiz- und Kühlmaßnahmen führen die Wissenschaftler des „E-Komfort“-Projekts dann an einem aktuellen Elektrofahrzeug mit den Partnern Volkswagen AG und der P+Z Engineering GmbH durch.

Darüber hinaus kommen Simulationsprogramme zum Einsatz, die die unterschiedlichen Temperatureinwirkungen auf den menschlichen Körper mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD), zu Deutsch: numerische Strömungssimulation, untersuchen. Warme Anströmung aus der Lüftungsanlage, Sonneneinstrahlung, kalte Abstrahlung von Glasscheiben und die thermophysiologische Reaktion des Menschen darauf – das alles gilt es zu berücksichtigen, wenn man realitätsnahe Berechnungen durchführen möchte. »Unsere Simulationswerkzeuge unterscheiden einzelne Körperteile und Hautsektoren, um lokale Einflüsse und Reaktionen der Menschen untersuchen zu können«, so Stratbücker. »Mit Hilfe des Simulationsprogramms kann detailliert nachgestellt werden, wie die menschliche Thermoregulation auf veränderliche und inhomogene Reize reagiert.« Wenn es kalt wird, ziehen sich die Gefäße der menschlichen Haut zusammen, um möglichst wenig Wärme an die Umgebung abzugeben. Den entgegengesetzten Effekt nutzt der Körper, um auf Hitze zu reagieren: Die Gefäße erweitern sich, um die Temperatur auf der Hautoberfläche durch vermehrten Blutfluss zu erhöhen bevor unangenehmes Schwitzen einsetzt. Die Haut fungiert dabei als äußerst sensible Membran zwischen Körper und Umwelt.
Mit diesen aufwändigen Untersuchungen und Simulationen bekommen die Wissenschaftler Erkenntnisse, welche Körperteile besonders berücksichtigt werden müssen, wenn sie das Wohlgefühl in einer Fahrgastzelle erhöhen wollen. »Durch Modelle, die aus Probandenversuchen hervorgegangen sind, weiß man, welche Regionen des Körpers besonders empfindlich auf kleine Temperaturschwankungen reagieren und welche einen größeren Toleranzbereich aufweisen«, erklärt Stratbücker. Die Forscher versuchen, durch gezielte lokale Maßnahmen das gesamte Behaglichkeitsempfinden in den Komfortbereich zu bringen, wie beispielweise durch Sitzheizung, Wärmestrahler oder kleine Ventilatoren. Allen gemeinsam ist, dass sie bei sehr niedrigem Leistungsverbrauch ihre Wirkung sehr nah am Menschen entfalten, so dass dadurch ein globales Wohlgefühl hergestellt werden kann und der Akku des E-Fahrzeuges dabei möglichst wenig beansprucht wird. Durch punktuelle Kühlung oder Wärmezufuhr soll, so die Ambition der Wissenschaftler, der Zielkonflikt zwischen Reichweite und Behaglichkeit aufgelöst werden.

Nachdem die Laufleistungsoptimierung von Elektrofahrzeugen hier im Hauptfokus der Forscher steht, die Klimaanlage im E-Fahrzeug ein wesentlicher Verbraucher ist und die Temperatur einen der wichtigen Wohlfühlfaktoren darstellt, beschäftigen sie sich vor allem mit der Klimaoptimierung in der Fahrgastzelle. »Hier können wir unsere Kernkompetenzen im Bereich thermischer Komfort umfassend miteinbringen«, so der Fraunhofer-Wissenschaftler. Messtechniken, Erfahrung mit Probandenstudien und die Möglichkeit, thermische Randbedingungen und thermophysiologische Reaktionen nachstellen und simulieren zu können, qualifizierten das Fraunhofer IBP für das Vorhaben.

Nun sind die Forscher daran, die gewonnenen Daten aus den komplexen Simulationsfällen zusammenzufassen, um daraus einfachere Modelle zur Reichweitenoptimierung und das Thermomanagement in Elektroautos zu entwickeln. Es müssen neuartige Fahrzeugkonzepte für die Automobilbranche entworfen und standardisiert werden. Denn die Nutzerakzeptanz gegenüber Elektromobilität wird nicht nur von den Kosten abhängen, sondern vor allem davon, ob sich die stetig wachsende Zahl von Elektroautobesitzern immer noch fragen muss: Wohlfühltemperatur oder Reichweite?

Quelle: