Strömungssimulation zur Analyse des Fahrgast- komforts in ......Strömungssimulation zur Analyse des Fahrgast-komforts in Schienenfahrzeugen Helbling Technik AG, Schachenallee 29,

Strömungssimulation zur Analyse des Fahrgast-

komforts in Schienenfahrzeugen

Helbling Technik AG, Schachenallee 29, CH-5000 Aarau

erstellt für:

ACUM 2016, Oberwinterthur

erstellt: 16.06.2016 / WRE

2 erstellt: 16.06.16| WRE | 160616_ACUM16_Simulation_Klimatisierung_Schienenfahrzeuge.pptx

Unser Fokus

Automation Sys. Production Mach. Devices, Appliances

Medtech Microengineering

Transportation

IT & Software Engineering

Power Control, Data Transmission

Computation & Simulation

Optics Sensors

Helbling Technik

Independent R&D Contractor


1. Einleitung

2. Herausforderung

3. Thermische Behaglichkeit

4. Anwendung der DIN EN ISO 7730

5. Numerische Modellierung eines Zugabteils

6. Zusammenfassung & Ausblick

Inhalt


Einleitung

Zunehmende Anforderungen an die Klimatisierung in

Schienenfahrzeugen für einen maximalen Fahrgastkomfort

Quantitative Werte müssen gemäss Normen eingehalten

werden können.

Fahrzeug-Zulassung erfordert Tests im Klima-Windkanal.

Bei Nicht-Erreichen der Kriterien drohen:

Projektverzögerung Strafen

Aufwändige und kostspielige Designanpassung von

auskonstruierten Fahrzeugen

Kosten für zusätzliche Tests

Es wird gefordert, dass die Fahrzeugklimatisierung

bereits frühzeitig in der Entwicklung dimensioniert

werden kann.

rta.eu


Herausforderung

Immer komplexere Formen von Zugwagons

(z.B. doppelstöckig, asymmetrisch, etc…)

Zunehmende Energieeffizienz der Fahrzeuge gefordert

Klimageräte sind typischerweise überdimensioniert

Sparmöglichkeiten von Kosten und Gewicht

Vorhersage transienter Effekte

Kurze Zeitintervalle zwischen Türöffnung im Nahverkehr

Fahrgastwechsel

Schnelle Änderung der äusseren klimatischen

Bedingungen (z.B. Einfahrt GBT)

Quantifizierung der thermischen Behaglichkeit für die

Passagiere

de.wikipedia.org


Thermische Behaglichkeit

Definition

«Thermische Behaglichkeit ist definiert als das Gefühl, das Zufriedenheit mit dem

Umgebungsklima ausdrückt.»

Definition Gesundheit (WHO):

«Gesundheit ist nicht nur das Freisein von Krankheiten und Gebrechen, sondern der Zustand völligen

körperlichen, geistigen und sozialen Wohlbefindens.»

Thermische Behaglichkeit ist als Teil der Gesundheit hoch zu gewichten.

Allgemeiner Trend: Aktive, technische Einflussnahme des Menschen auf seinen Aufenthaltsort.

Entwicklungen im Bereich Architektur, Bauwesen, HLK-Technik, Beleuchtung, etc weisen darauf hin:

Thermisches Komfortempfinden ist wichtig für die Menschen!

Ist die thermische Behaglichkeit überhaupt physiologisch messbar?

Methoden zur Beurteilung des Raumklimas von P. O. Fanger (EN ISO 7730)



EN ISO 7730:2005

Thermisches Raumklima wird im wesentlichen durch vier Parameter bestimmt:

Lufttemperatur Tair

Beeinflusst die konvektive Wärmeabgabe des Menschen

Mittlere Strahlungstemperatur Trad,mean

Mittlere Temperatur aller umgebenden Oberflächen, welche denselben Strahlungswärmeaustausch

mit der Person hervorruft, wie die tatsächlichen Oberflächentemperaturen.

Beeinflusst wie die Lufttemperatur den Wärmehaushalt des Menschen.

Luftgeschwindigkeit vair

Beeinflusst ebenfalls die konvektive Wärmeabgabe des Menschen

Luftfeuchte j

Beeinflusst die sensible und insensible Transpiration des Menschen



EN ISO 7730:2005

Behaglichkeitsgleichung zur Bestimmung der thermischen

Indizes:

PMV («predicted mean vote»)

Die zu erwartende durchschnittliche Beurteilung des

Raumklimas anhand einer 7-Punkte Skala

PPD («predicted percentage of dissatisfied») in %

Streuung der Beurteilung durch Einzelpersonen um

den Mittelwert

Gibt die relative Anzahl der mit den thermischen

Bedingungen Unzufriedenen an.

PMV Empfinden

+3 zu warm

+2 warm

+1 etwas warm

0 neutral

-1 etwas kühl

-2 kühl

-3 kalt



EN ISO 7730:2005

Auch bei thermischer Neutralität kann Unbehagen entstehen, wenn ein Teil des Körpers zu kalt oder zu

warm ist. Dies kann hervorgerufen werden durch:

Lokal hohe Luftgeschwindigkeiten (Zugluftrisiko ZLR)

Vertikale Lufttemperaturunterschiede

Kalte oder warme Fussböden

Strahlungstemperatur-Asymmetrie



Messung vs. Modellierung

Messung:

Aufbau eines Mockup (max 2 Abteile)

Messgrössen nur schwer zu erfassen

Messungen nur punktuell mit grossen Unsicherheiten

Umgebungsbedingungen werden vernachlässigt

Parameterstudien und Geometrievariationen aufwändig

Numerische Simulation:

trägt wesentlich dazu bei, den Prozess zu verstehen

hilft Einflüsse durch Geometrievariationen effizient zu analysieren

unterstützt die Entwickler massgeblich bei der Lösungsfindung

siemens.com


Modellierungansatz

Numerische Modellierung mit CFD

Netz:

1.4 Mio Hexader-Zellen

Isolation und Sitze als Solid Body

Keine Fahrgäste «geometrisch» berücksichtigt

Simulationssetup:

Software. Ansys CFX (v17.0)

Analysis Type: Stationär

Material: Luft bei 25°C (Boussinesq-Ansatz)

Heat Transfer: Thermal Energy

Turb.Model: k-w SST

Strahlung: Monte Carlo


Modellierungansatz

Randbedingungen

m°in, Tin

m°out

Qrad,out

vtrain, Tamb

kIso

Qconv

cp,seat

lseat

Strömung:

m°in = ₵

m°out = 2 * m°in/2

Wärme:

Tin = f (Tout, Tsoll)

Qconv auf Aussenwand als HTC = f(vtrain, Tamb)

Qrad,out als Ssurf = f(time, vtrain, n )

Qrad,win als Srad = f(time, vtrain, twin)

m°out

Qrad,win

n


Modellierungansatz

Sonneneinstrahlung

Oberwinterthur, 16.06.2016, 14:30

n

erad

a

90° 270°

180°

Azimuth 0°


Modellierungansatz

Komfort-Faktoren

PMV (Add. Variable):

User Fortran Routine «usr_pmvppd.F»

Grössen «Fahrgast»:

Aktivität der Person

Wärmewiderstand der Bekleidung

Grössen «Umgebung»:

Luftgeschwindigkeit

Lufttemperatur

Strahlungsintensität

Rel. Luftfeuchte

PPD:

PPD (PMV) = 100-95*exp(-0.03353*PMV4-0.2179*PMV2)

ZLR:

ZLR = (34-T)*(v-0.05)0.62 *(0.37*v*Tu+3.14)


Resultate

Komfort-Faktoren

Verteilung von PMV, PPD und DR

Oberwinterthur, 13.06. 17:30Uhr

Fahrtrichtung Nord-Süd (80km/h)

Personen sommerlich gekleidet /sitzend

Umgebung Tamb = 32 °C

Klimaanlage:

V° = 120 m3/h

Tsoll = 22 °C


Resultate

Komfort-Faktoren

Verteilung von PMV, PPD und DR

Oberwinterthur, 13.06. 17:30Uhr

Fahrtrichtung Nord-Süd (80km/h)

Personen sommerlich gekleidet /sitzend

Umgebung Tamb = 32 °C

Klimaanlage:

V° = 120 m3/h

Tsoll = 22 °C


Resultate

Komfort-Faktoren

Zwei Personen sitzend in Fahrtrichtung am Fenster (P1 und P3)

abgebildet über Monitoring Points:

Füsse 0.1 m ab Boden

Bauch/Gesäss 0.6 m ab Boden

Kopf 1.2 m ab Boden

Eine Person stehend im Gang (P2)




Kopf 1.7 m ab Boden


Resultate

Komfort-Faktoren

Zwei Personen sitzend in Fahrtrichtung am Fenster (P1 und P3)




Kopf 1.2 m ab Boden

Eine Person stehend im Gang (P2)




Kopf 1.7 m ab Boden

Kategorie PMV [-] PPD [%] DR [%]

A -0.2 < PMV < 0.2 < 6 < 10

B -0.5 < PMV < 0.5 < 10 < 20

C -0.7 < PMV < 0.7 < 15 < 30

Einteilung gemäss EN ISO 7730:

Volle Sonneneinstrahlung, Tamb = 32 °C:

Volle Sonneneinstrahlung, Sonnenblende, Tamb = 24 °C:

Person Aktivität Bekleidung PMV [-] PPD [%] DR [%]

P1 sitzend sommerlich leicht -0.80 18.5 13

P2 stehend Business 1.11 31.0 8

P3 sitzend sommerlich leicht 1.23 36.7 6

Person Aktivität Bekleidung PMV [-] PPD [%] DR [%]


P2 stehend Business 0.29 6.7 5



Fazit & Ausblick

Fazit:

Auslegungskriterien für thermische Behaglichkeit in Schienenfahrzeugen erfolgreich in Ansys CFX

implementiert und angewendet.

Quantitative Grössen in Raum und Zeit zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit vorhanden

Simulation aus Effizienzgründen bis jetzt auf zwei Personenabteile beschränkt.

Ausblick:

Transiente Simulationen

Simulation eines kompletten Wagons

Vorgabe von Streckenprofilen (Fahrtrichtung, -geschwindigkeit, Sonneneinstrahlung)

Implementierung Klimasteuerung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Ihr Ansprechpartner

Reto Wäger

Berechnungsingenieur

Helbling Technik AG

Schachenallee 29

CH-5000 Aarau

Telefon +41 62 836 45 78

[email protected]

www.helbling.ch

Helbling Technik

Aarau • Bern • Wil SG • Zürich • München • Boston • Shanghai

mailto:[email protected]

http://www.helbling.ch/

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