SOLIDWORKS Flow Simulation: klimatyzacja w aucie – komfort termiczny człowieka

W dzisiejszym artykule chciałem zbadać komfort termiczny człowieka znajdującego się w kabinie samochodu. Jest to bardzo kluczowy parametr, ponieważ przekłada się on bezpośrednio na jakość jazdy. Dzięki odpowiedniemu komfortowi, kierowca może bardziej skupić się na prowadzeniu auta, a pasażerowie nie narzekać na nieprawidłową temperaturę. Parametrami, które pozwalają określić owy komfort są: PMV (Predicted Mean Vote), PPD (Predicted Percentage Dissatisfied), LMA (Local Mean Age). Pierwsze dwa z nich są wymienione w normie ISO7730, ale czym one dokładnie są?

PMV (Predicted Mean Vote) to wskaźnik stosowany do przewidywania średniej wartości odczuć cieplnych użytkowników przebywających w danej przestrzeni. Skala PMV obejmuje zakres od -3 (zbyt zimno) do +3 (zbyt gorąco), z wartością 0 oznaczającą neutralne odczucie cieplne. Osiągnięcie równowagi cieplnej, gdzie produkcja ciepła wewnątrz ciała równa się jego utracie, zależy od kilku kluczowych czynników, takich jak poziom aktywności fizycznej, izolacja odzieży oraz parametry środowiska cieplnego. Przyjmuje się, że człowiek odczuwa komfort cieplny, kiedy PMV mieści się w przedziale od -0,5 do 0,5.

Aby dokładniej ocenić komfort cieplny, należy uwzględnić również wskaźnik PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied), który przewiduje procent osób odczuwających dyskomfort cieplny w danej przestrzeni. PPD pozwala określić odsetek osób, które mogą czuć się zbyt ciepło lub zbyt zimno. Przewidywanie PPD jest kluczowe w miejscach, gdzie komfort cieplny jest priorytetem, a także w przestrzeniach o dużych różnicach temperatury, np. pomiędzy podłogą a poziomem głowy użytkowników.

Ostatnim parametrem jest Local Mean Age, który odnosi się do średniego czasu, jaki płyn spędza w określonym miejscu. Jest to wskaźnik używany do oceny wydajności wentylacji i dystrybucji płynów, przy czym niższe wartości LMA generalnie wskazują na lepszą cyrkulację powietrza lub płynów.

Geometria

Symulację przeprowadzono na modelu udostępnionym przez użytkownika GrabCada, Jörga Schmita. Model został zmodyfikowany w celu umożliwienia analizy przepływu wewnętrznego.

Rys. 1 Używana geometria
Wprowadzone modyfikacje obejmowały dodanie 10 otworów wentylacyjnych, reprezentujących kratki nawiewu, oraz dwóch otworów wylotowych.

Lokalizację otworów przedstawiono na poniższym rysunku. Cztery otwory wlotowe znajdują się na przednim panelu, z czego dwa są umieszczone bliżej szyb. Dodatkowo zamontowano dwa nawiewy tuż pod przednią szybą. Kolejne dwie kratki kierują powietrze na nogi kierowcy i pasażera przedniego siedzenia. Dla pasażerów tylnej kanapy przewidziano dwa otwory zlokalizowane na tunelu środkowym. Otwory wylotowe umieszczono na dwóch tylnych słupkach.

Rys. 2 Rozstawienie wywietrzników powietrza

Siatka

Cała siatka została wygenerowana w programie SOLIDWORKS Flow Simulation. Przeprowadzono dwie różne symulacje, co wiązało się z koniecznością utworzenia dwóch niezależnych siatek obliczeniowych.

Jedna z symulacji dotyczyła przepływu zewnętrznego, druga — wewnętrznego. Takie podejście pozwoliło oszacować przybliżoną wartość współczynnika przenikania ciepła przez ścianki pojazdu, który następnie został wykorzystany jako warunek brzegowy w symulacji wewnętrznej.

W pierwszym przypadku (symulacja zewnętrzna) siatka składała się z 1 300 000 elementów, natomiast w drugim (symulacja wewnętrzna) — z 788 000 elementów. Wygląd siatki dla symulacji wewnętrznej został przedstawiony na poniższym rysunku.

Rys. 3 Siatka obliczeniowa
Obie symulacje przeprowadzono jako ustalone w czasie, z uwzględnieniem wymiany ciepła w ciałach stałych oraz promieniowania cieplnego. Do modelowania radiacji zastosowano metodę Discrete Transfer. Kierunek działania radiacji słonecznej został pokazany na poniższym rysunku. Dodatkowo uwzględniono działanie siły grawitacji, aby odwzorować konwekcję naturalną.

Rys. 4 Kierunek padania promieni słonecznych
Założono, że temperatura otoczenia wynosi 30°C. Każdy nawiew został zdefiniowany jako wlot chłodnego powietrza o masowym natężeniu przepływu 0,025 kg/s i temperaturze 10°C. Otworom wylotowym przypisano warunek brzegowy typu Environmental Pressure, z domyślnymi wartościami ciśnienia i temperatury.

Materiał przypisany do poszczególnych elementów modelu przedstawia się następująco:

Karoseria | Stal
Siedzenia | Pianka UF
Szyby | Szkło

Zdefiniowano również powierzchnie radiacyjne, wprowadzając trzy nowe obiekty do bazy danych:

Szyby – emisyjność 0,90, absorpcja słoneczna 0,10

Zewnętrzne elementy karoserii (stal nierdzewna, polerowana, kolor czerwony) – emisyjność 0,074, absorpcja słoneczna 0,70

Wnętrze pojazdu – emisyjność 0,82, absorpcja słoneczna 0,82

Średnią i maksymalną temperaturę powietrza w kabinie

Masowe natężenie przepływu

Średnią prędkość przepływu powietrza

Uzyskane wyniki:

Dla symulacji zewnętrznej, wykres współczynnika wymiany ciepła wygląda następująco:

Rys. 5 Wykres powierzchniowy dla współczynnika wymiany ciepła
Najwyższe wartości współczynnika przenikania ciepła odnotowano na przednich szybach, co wynika z ich bezpośredniego nasłonecznienia. W tylnej części pojazdu wartości te były znacznie niższe i mieściły się w przedziale 1–5 W/m2K.

Uzyskane wyniki zostały zaimportowane do symulacji wewnętrznej i zdefiniowane jako warunek brzegowy dla powierzchni wewnętrznych ścianek.

Aby móc ocenić parametry związane z komfortem termicznym człowieka, zdefiniowano dodatkowo dwa kluczowe parametry: opór cieplny odzieży oraz poziom metabolizmu. Przyjęto wartość rezystancji termicznej równą 0,5 clo, co odpowiada lekkiej odzieży letniej. Wartość metabolizmu ustalono na 1,2 met — nieco więcej niż typowe dla pracy biurowej.

Na podstawie powyższych założeń wykonano obliczenia. Rozkład temperatury wzdłuż osi kierowcy przedstawiono na poniższym rysunku:

Rys. 6 Rozkład temperatury w osi kierowcy
Patrząc na powyższy rysunek możliwe jest wyciągnięcie wniosku, że w aucie panuje niska temperatura i użytkownicy będą odczuwać chłód. Nic bardziej mylnego. W symulacjach, w których bada się komfort człowieka, lepszym parametrem służącym do oceny temperatury jest parametr o nazwie Operative Temperature. Jest to pojedyncza wartość reprezentująca to, co człowiek „odczuwa” w danym miejscu, biorąc pod uwagę zarówno:

promieniowanie cieplne od otaczających powierzchni (np. rozgrzanych szyb),

konwekcję od powietrza, które go opływa (np. zimne powietrze z nawiewów).

Równanie definiujące Operative Temperature jest zdefiniowane zgodnie z normą ISO 7730 i wygląda następująco:

Czyli w momencie, w którym wartość prędkości jest niska (bliska zera) to dominujący wpływ ma promieniowanie (np. od szyb), a w momencie, w którym wartość prędkości zaczyna być wyższa, to konwekcja zaczyna dominować.

Wykresy Operative Temperature wyglądają następująco:

Rys. 7 Rozkład operative temperature dla wielu płaszczyzn

Rys. 8 Rozkład operative temperature na wysokości głowy

Rys. 9 Rozkład operative temperature w osi kierowcy
Aby człowiek odczuwał komfort cieplny to wartość Operative temperaturę powinna mieścić się w zakresie od 22 do 25 stopni Celsjusza. Z powyższych wykresów jasno wynika, że przeważa temperatura od 24 stopni do 27 stopni. Wartość maksymalna została uzyskana nad tylną kanapą nad głowami pasażerów siedzących po bokach. Świadczy to o miejscu, w którym średnia temperatura promieniowania dominuje. Ponadto w tych miejscach klimatyzacja nie wieje bezpośrednio na pasażerów, a same siedzenia znajdują się za przednimi fotelami. Wynika stąd, że te miejsca są obszarami, w których dochodzi do gorszego ochładzania powietrza. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na samą wartość tego parametru w okolicach samych foteli. Tam temperatura jest znacznie niższa i jest poniżej 21 stopni. Świadczy to o silnym wpływie klimatyzacji, na odczuwaną temperaturę. Osoba kierująca pojazdem oraz pasażer siedzący za nią będą odczuwać chłód od samych siedzeń. Żeby potwierdzić tą tezę należy wyświetlić wykresy PMV. Zostały on przedstawiony na poniższych rysunkach.

Rys. 10 Rozkład PMV dla wielu płaszczyzn

Rys. 11 Rozkład PMV na wysokości głowy

Rys. 12 Rozkład PMV w osi kierowcy
Obszary zaznaczone na kolory z przedziału żółty-czerwony świadczą o obszarach, gdzie pasażerom będzie za gorąco. Natomiast obszary zaznaczone na kolory z przedziału turkusowy-niebieski świadczą o obszarach gdzie pasażerom będzie za zimno. Widać że w okolicy wszystkich siedzeń, pasażerowie będą odczuwać chłód. Dodatkowo na wysokości głowy, w obszarach tylnej kanapy, boczni pasażerowie będą czuć upał. Widać tutaj, że są znaczne gradienty temperatur i temperatura powietrza nie jest jednorodna.

W celu określenia średnich wartości wskaźnika PMV opracowano tabelę zestawiającą jego wartości dla poszczególnych płaszczyzn wykresu:

| Local Parameter | Average | Bulk Average
Kierowca | Pasażer | Oś auta | Na wysokość głowy
PMV [] | PMV [] | PMV [] | PMV []
0,20 | 0,29 | – 0,44 | – 0,16
– 0,64 | – 0,42 | 0,13 | – 1,28

Z powyższej tabeli wynika, że dla wszystkich płaszczyzn (poza płaszczyzną znajdującą się na wysokości głowy) wartości parametru PMV znajdują się w przedziale od -0,5 do 0,5.

Wykres dla parametru PPD w osi kierowcy wygląda następująco:

Rys. 13 Rozkład PPD w osi kierowcy
Widać że w okolicach zagłówka kierowcy, 100% osób stwierdzi że czuje dyskomfort. To samo dotyczy się całego oparcia pod plecy. To na co warto zwrócić uwagę to obszar znajdujący się pomiędzy fotelem przednim, a kierownicą. Jest to obszar, w którym temperatura powietrza, będzie odpowiednia i osoba prowadząca auto będzie czuć komfort na swoich rękach.

Duży wpływ na odczuwanie komfortu ma prędkość przepływu. W przypadku kiedy ta wartość jest za duża, ludzie odczuwają dyskomfort. Odpowiednią górną wartością, dla której człowiek czuje się odpowiednio jest wartość 0,3 m/s. Na poniższym rysunku przedstawiono wykres prędkości, który został umiejscowiony na wysokości głowy. Obszary, gdzie prędkość jest większa niż 0,3 m/s zostały zaznaczone na kolor bordowy.

Rys. 14 Rozkład prędkości na wysokości głowy
Widać, że prawie wszędzie wartość jest większa niż 0,3. Ma to bezpośredni wpływ na wartości parametrów PMV, PPD oraz Operative Temperature. Dwa obszary, które znajdują się za fotelami, są jednocześnie obszarami, gdzie Operative temperaturę jest największe. Dodatkowo są to obszary, w których PMV ma wartość +3. Czyli są to miejsca, gdzie powietrze zostało nagrzane przez promieniowanie słoneczne.

Wykres prędkości ma też bezpośredni wpływ na wykres LMA.

Rys. 15 Rozkład LMA w osi kierowcy

Rys. 16 Rozkład LMA w osi auta
Widać, że wartość tego parametru jest bardzo mała. Świadczy to o tym, że powietrze bardzo szybko się przemieszcza.

Wnioski

Z uzyskanych wykresów wynika, że wartości prędkości przepływu są zbyt wysokie. Mają one bezpośredni wpływ na komfort człowieka. Takie ustawienia klimatyzacji są odpowiednie w momencie, chęci szybkiego schłodzenia powietrza w aucie. Nie zalecane jest pozostawienie takich ustawień na cały czas spędzony w aucie.

Sam komfort człowieka można polepszyć. Wynika to z faktu istnienia niejednorodnego rozkładu parametru operative temperature oraz PMV. Dodatkowo, żeby poprawić komfort człowieka, należałoby rozważyć zmniejszenie wartość przepływu masowego oraz zmianę ustawień kierunku przepływu powietrza, żeby powietrze nie wiało bezpośrednio na pasażerów.

Post: SOLIDWORKS Flow Simulation: klimatyzacja w aucie – komfort termiczny człowieka