Pkw-Klimatisierung

In drei Kapiteln wird über die Historie, weltweite Klimate und Regelwerke (Vorschriften, Normen und Richtlinien) berichtet. Die geschichtliche Entwicklung wird skizziert und auf wesentliche Meilensteine eingegangen. Normen, Richtlinien und Literaturstellen werden zusammengestellt, die für die Auslegung einer Klimaanlage und einer Heizung unentbehrlich sind. In einem Beispiel wird der Einfluss der Lufttemperatur und der Feuchte verschiedener Standorte auf die erforderliche Verdampferleistung gezeigt. Die Umrechnung des Luftdrucks auf eine andere Höhe wird mit einem Beispiel belegt. Es werden auch verschiedene Regenarten beschrieben. Zulassungsrelevante und wichtige Normen wurden zusammengestellt, die wiederum Querverweisungen enthalten.

In dieser Abhandlung werden die Unterschiede zwischen der Klimatisierung von Gebäuden und Pkw beschrieben. Zur Bewertung des Komforts wird das Modell nach Fanger erklärt, durch die direkte Sonneneinstrahlung erweitert und das Prinzip durch Diagramme veranschaulicht. Für Pkw ohne Klimaanlage (AC) ist bei sommerlichen Bedingungen die Schweißbildung der Insassen erheblich. Daher wird auf den Stofftransport des Schweißes und dessen Speicherung in der Kleidung und im Sitz hingewiesen. Messungen in einem Pkw zeigen bei Sonneneinstrahlung, dass beim Einsatz einer AC primär die Lufttemperatur in den Düsen abgesenkt und sekundär die Gebläsestufe nur geringfügig angehoben wird. Gezeigt wird die Herzfrequenz mit und ohne AC vs. Zeit nach dem Einsteigen in einem von der Sonne aufgeheizten Pkw. Ohne Klimaanlage steigt die Herzfrequenz kontinuierlich an. Mit AC sinkt die Herzfrequenz, bis nach etwa 20 min nahezu die Ruhefrequenz erreicht wird. Weiterhin wird auf den Einsatz von Klima-Messpuppen und Möglichkeiten zum körpernahen Heizen und Kühlen hingewiesen.

Es wird zwischen Außen- und Umluftbetrieb unterschieden. Beide Betriebsarten dienen der Wärme- und Stoffübertragung.

Die mittlere Innenraumlufttemperatur ist das arithmetische Mittel aus der mittleren Temperatur in Höhe des Fußraums und der mittleren Temperatur in Kopfhöhe. Mathematische Ableitungen siehe Abschn. 14.6 im Anhang F. Die Definition der Lufttemperaturen und die Lage der erforderlichen Messstellen sind in der DIN 1946-3:2006 beschrieben.

Es werden Messergebnisse von Versuchen gezeigt, die in einem Klimawindkanal bei einer Außenlufttemperatur von -20 °C durchgeführt wurden. Im Umluftbetrieb beträgt die erforderliche Heizleistung etwa 50 % von der im Außenluftbetrieb, jedoch beschlagen und vereisen die Scheiben auf der Innenseite. Eine vereinfachte Wärmebilanz am Verbrennungsmotor verdeutlicht das Defizit an Heizleistung bei verbrauchsoptimierten Ausführungen. Die Wirkungsweise verschiedener Zusatzheizungen wird beschrieben. Für die Entfeuchtung und Enteisung der Scheiben gibt es Vorschriften, die erfüllt werden müssen (FMVSS 103, EWG 78/317, ADR 15). Von den Düsen der Scheibenentfeuchtung kann kontaminierte Luft aus dem Fahrgastraum angesaugt werden. Das Kondensat der Partikel an den Scheiben führt insbesondere bei Gegenlicht zu Sichtbehinderungen. Beim Coanda-Effekt legt sich die Luft an der Hutze der Schalttafel an und strömt nicht zur Scheibe. Für verschiedene Anordnungen von elektrisch beheizten Scheiben wurden dazugehörende Formeln zusammengestellt. Beispiele aus der Praxis ergänzen die zusammengestellten Grundlagen.

Zwischen dem Tagesgang der Sonneneinstrahlung, der Fahrtrichtung des Pkw sowie der Anordnung und Ausführung der Scheiben bestehen komplexe Zusammenhänge. Diese werden nachstehend beschrieben.

Eintretender Regen in das Belüftungssystem und Kondensat am Verdampfer müssen bei allen Betriebsbedingungen vollständig abgeführt werden. Auch ist die Speicherung von Wasser im Verdampfer zu minimieren und die Kondensation an Bauteilen im Fahrgastraum zu vermeiden. Wasser bzw. Wasserdampf im Fahrgastraum begünstigen den Scheibenbeschlag und das Wachstum von Mikroorganismen. Nach der Richtlinie VDI 6032 sind Partikel vor dem Verdampfer mit einem Filter abzuscheiden. Filter sind in einem trockenen Bereich anzuordnen, da sich auf der Zuluftseite bei hoher Feuchtigkeit ein Substrat (Nährboden) für Schimmelpilze bilden kann. Für die Gaskonzentration im Fahrgastraum, die z. B. durch ausgeatmetes Kohlenstoffdioxid hervorgerufen wird, können die MAK-Werte als Anhalt herangezogen werden. Für die maximale Kältemittelfüllung, die plötzlich in einen Raum einströmen würde, gibt es praktische Grenzwerte für Maschinenräume.

Es werden theoretische Betriebscharakteristika von Wärmeübertragern (WT) aus der Literatur zusammengestellt. Damit wird der Zusammenhang zu vereinfachten Formeln, die in der Praxis üblich sind, und zu verwendeten Begriffen, z. B. ETD (Eintritts-Temperatur-Differenz), k′ und \( \dot{Q}_{100}\), hergestellt. Die theoretischen Gleichungen bilden die Grundlage für Interpolationen und Analysen eines WT. Es werden gemessene Wärmestromkennfelder und Druckverlustlinien von einem Heizungswärmeübertrager (HWT) und einem Verdampfer gezeigt. Diese Kennfelder werden so, wie in der Praxis üblich, dargestellt. Beschrieben werden ferner Interpolationen von Wärmestromkennfeldern, die Abhängigkeit des Wärmestromkennfelds und der Druckdifferenz eines HWT von den Stoffgrößen auf der Flüssigkeitsseite sowie die luftseitige Wärmebilanz eines Verdampfers. Die Analysen und Beschreibungen werden mit Beispielen ergänzt.

Es werden die theoretischen Kreisprozesse einer Kompressionskälteanlage mit den Kältemitteln R134a und R744 (Kohlenstoffdioxid) dargestellt. Letzterer wird als überkritisch bezeichnet, da der Hochdruck meistens oberhalb des kritischen Drucks liegt. Dieser ist bis zu 10-mal höher als bei einer R134a-Anlage. Bei niedrigen Außenlufttemperaturen kann der Hochdruck wie bei herkömmlichen Anlagen unterhalb des kritischen Drucks sein. Aus der Literatur werden Verfahren zusammengestellt, um eine optimale Leistungszahl (COP Coefficient of Performance) mit einer R744-Kälteanlage zu erzielen. Die Leistungszahlen einer R744- und R134a-Kälteanlage sind etwa gleich. Auf die Vor- und Nachteile von R1234yf wird hingewiesen.

Potenziale zur Komforterhöhung und Energieersparnis lassen sich physikalisch ableiten. Diese sind den Ingenieuren der Pkw-Klimatisierung meistens bekannt. Die eigentliche Schwierigkeit ist die Umsetzung der Maßnahmen, da der Pkw maßgeblich durch das Design und die Kosten geprägt wird. Wegen der aktuellen Vorgaben des CO₂-Ausstoßes durch die Europäische Union werden wirksame und kostengünstige Lösungen gesucht und bei Eignung verwirklicht. Mit der konsequenten Regelung des Klimagerätes und des Kältemittelkreises kann ein breites Potenzial erschlossen werden (Thermomanagement). Eine günstigere Anordnung der Luftansaugung oder eine nach physikalischen Gesichtspunkten ausgewählte Geometrie der Verglasung tangieren jedoch das Erscheinungsbild des Pkw und treffen kaum den jeweiligen Zeitgeschmack. Über Verbesserungen, z. B. einem zusätzlichen Wärmeübertrager im Kältekreis (Innerer Wärmeübertrager), wird berichtet.

Einige Prüfstände der Audi AG und deren Spezifikationen sowie Aufgaben werden beschrieben. Diese sind ein Klimawindkanal (Bj. 2007) und eine Klimakammer (Bj. 1971). Für einen Prüfstand zur Messung der Heizung, Lüftung und Klimaanlage werden Hinweise zur Auswertung von Messungen gegeben. Dies betrifft insbesondere die Ermittlung von Massen- und Wärmeströmen an Heizungswärmeübertragern und Verdampfern. Hierzu werden Beispiele aus der Praxis genannt. Ein Prüfstand für komplette Kältemittel-Kreisläufe mit alternativen Kältemitteln ist ähnlich aufgebaut und wurde erweitert. Mit einem sehr einfachen Prüfstand können mit der Innendruckmethode die Luftmassenströme durch den Fahrgastraum ermittelt werden. Die Möglichkeiten der Innendruckmethode werden dargestellt. Eine Beregnungsanlage mit einer schwenkbaren Hebebühne wird gezeigt und die Prüfvorschriften werden genannt.

Mit heutigen Klimawindkanälen können die physikalischen Größen an Pkw sehr genau und reproduzierbar gemessen werden. Doch werden nicht sämtliche Randbedingungen, die in der Natur vorkommen, hinreichend genau simuliert. Hierzu gehören z. B. der Tagesgang der Sonne, wechselnde Temperaturen und Luftfeuchten der Außenluft etc. Daher sind Versuche auf der Straße, vorzugsweise in einem abgesicherten Prüfgelände, erforderlich. Die Messung der Temperaturen im Fahrgastraum wird beschrieben. Für den Vergleich verschiedener Pkw werden die Messungen synchron durchgeführt. Vorteilhaft ist es, wenn ein genau vermessenes Fahrzeug als Referenz immer mitgemessen wird. Die Anordnung der Messstellen und die Bewertung der Messergebnisse erfolgt nach DIN 1946-3:2006. Zur Messung luftseitiger Druckdifferenzen wird ein Prandtl-Rohr verwendet, das vorzugsweise oberhalb des Fahrzeugdachs im hinteren Bereich angeordnet ist. Anstelle des Prandtl-Rohrs kann ein kalibrierter Bezugspunkt an der Karosserie verwendet werden.

Verschiedene Antriebskonzepte elektrisch betriebener Pkw werden zusammengestellt. Angaben zur maximalen Reichweite und der installierten Batteriekapazität werden nach Pressemitteilungen und der Literatur ausgewertet. Es besteht näherungsweise ein linearer Zusammenhang. Die spezifische Reichweite beträgt etwa 6,6 km/kWh und der spezifische Verbrauch ca. 15 kWh/100 km ohne Klimatisierung und sonstige Verbraucher. Es wird der Einfluss der Klimatisierung auf die Reichweite abgeschätzt. Diese wird im Sommer- und insbesondere im Winterbetrieb erheblich reduziert. Der Mehrverbrauch beträgt in Deutschland im Jahresmittel ca. 3,8 kWh/100 km. Der scheinbar niedrige Verbrauch von Plug-in-Hybriden wird mit Beispielen belegt. Die instationäre Aufheizung des Fahrgastraums von BEV ist mit PTC-WT effizienter als bei Pkw mit Verbrennungsmotoren. Von Hochvolt-Wärmeübertragern werden Anordnungen, Heiztechnologien und Regelungen beschrieben. Diskutiert werden eine bedarfsgerechte Lüftung mit Heizungen in BEV und Besonderheiten bei der Auslegung einer HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning). In Tabellen werden einige passive und aktive Maßnahmen für den Sommer- und Winterbetrieb genannt, mit welchen die Reichweitenreduktion minimiert werden kann. Optimale Ergebnisse können nur durch Kombination verschiedener Maßnahmen erreicht werden.

Im Anhang sind Diagramme für feuchte Luft, Äthylenglykol-Wassermischungen sowie Kältemittel R134a und R744 zusammengestellt. Dort findet man auch häufig verwendete Formeln. Zur Darstellung der Kennlinien mit empirischen Formeln werden die Abgleichmethode, die Summe der kleinsten Fehlerquadrate und die Interpolation verwendet. Damit werden die Kennlinien verschiedener Komponenten mit Beispielen abgebildet, aber auch die Grenzen bei der Anwendung aufgezeigt. Das Wärmestromfeld eines Heizungswärmeübertragers kann hinreichend genau approximiert werden. Grundlage sind die Annahme eines theoretischen Wärmeübertragers und die Ermittlung einer Funktion des Wärmedurchgangs. Beispiele aus der Praxis zeigen solche Auswertungen und den Vergleich zwischen der Messung und der Approximation. Die Interpolation innerhalb des gemessenen Bereichs ist zufriedenstellend. Teilweise kann auch mit der notwendigen Vorsicht extrapoliert werden. Mit theoretischen Ableitungen des Luftaustauschs durch die Karosserie wurden Parameterintegrale erhalten. Die Integrale werden umgeformt, in Reihen entwickelt und mit Hilfe von Gammafunktionen und den Symmetrieeigenschaften, welche zwischen dem Leckzu- und abluftstrom bestehen, gelöst. Die mittlere Lufttemperatur im Fahrgastraum wird für den stationären Betrieb als arithmetisches Mittel nach DIN 1946-3: 2006–2007 dargestellt und diskutiert. Diese wird für den Außenluftbetrieb mathematisch abgeleitet. Physikalisch besteht eine Analogie zur stationären Abkühlung eines Fluids in einem Rohr. Es wird gezeigt, welchen Einfluss Wärmequellen auf den Temperaturverlauf im Rohr bzw. Fahrgastraum haben. Es wird eine mathematische Methode zur Ermittlung des Mehrverbrauchs einer HVAC im Jahresmittel (kWh/100 km) beschrieben. Verwendet werden Kennlinien der HVAC und die Häufigkeit der Umgebungstemperaturen, der r. F. und Sonneneinstrahlung. Die Auswertung geschieht numerisch und analytisch. Zur Ermittlung der Taupunkt- und Kühlgrenz- bzw. Nasstemperatur werden Beispiele herangezogen. Weiterhin wird über scheinbare Temperaturen des Himmels in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur mit der r. F. als Parameter bei sternklaren, wolkenlosen berichtet. Bei den Auswertungen von Wärmebilanzen instationärer (von der Zeit abhängiger) Vorgänge können Differenzialgleichungen (DGL) hilfreich sein. Diese sind meistens sehr kompliziert und nur aufwendig oder überhaupt nicht lösbar. Es werden Lösungswege und Ergebnisse gewöhnlicher DGL angegeben.