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
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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
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1. Einleitung
2. Herausforderung
3. Thermische Behaglichkeit
4. Anwendung der DIN EN ISO 7730
5. Numerische Modellierung eines Zugabteils
6. Zusammenfassung & Ausblick
Inhalt
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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
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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
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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)
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Thermische Behaglichkeit
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
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Thermische Behaglichkeit
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
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Thermische Behaglichkeit
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
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Thermische Behaglichkeit
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
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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
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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
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Modellierungansatz
Sonneneinstrahlung
Oberwinterthur, 16.06.2016, 14:30
n
erad
a
90° 270°
180°
Azimuth 0°
14 erstellt: 16.06.16| WRE | 160616_ACUM16_Simulation_Klimatisierung_Schienenfahrzeuge.pptx
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)
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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
16 erstellt: 16.06.16| WRE | 160616_ACUM16_Simulation_Klimatisierung_Schienenfahrzeuge.pptx
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
17 erstellt: 16.06.16| WRE | 160616_ACUM16_Simulation_Klimatisierung_Schienenfahrzeuge.pptx
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)
abgebildet über Monitoring Points:
Füsse 0.1 m ab Boden
Bauch/Gesäss 0.9 m ab Boden
Kopf 1.7 m ab Boden
18 erstellt: 16.06.16| WRE | 160616_ACUM16_Simulation_Klimatisierung_Schienenfahrzeuge.pptx
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)
abgebildet über Monitoring Points:
Füsse 0.1 m ab Boden
Bauch/Gesäss 0.9 m ab Boden
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 [%]
P1 sitzend sommerlich leicht -0.19 5.7 6
P2 stehend Business 0.29 6.7 5
P3 sitzend sommerlich leicht -0.57 11.8 3
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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
www.helbling.ch
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