Gemeinsamer Schlussbericht zum Projekt: „Heat2Comfort - Abwärmebasierte Klimatisierung von Brennstoffzellen-Triebzügen“

Abstract

Stand der Wissenschaft und Technik: Für die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen werden nach dem Stand der Technik nahezu ausschließlich rein elektrisch betriebene Kompaktanlagen verwendet, welche die Funktionen Heizen, Kühlen, Entfeuchten und Lüften vereinen. Dabei wird die thermische Behaglichkeit in den Räumen allein durch die Konditionierung der Zuluft realisiert. Die Kältebereitstellung erfolgt durch Kompressionskälteanlagen. Zur Steigerung der Heizleistung werden die Kompaktanlagen vereinzelt durch Umluft-Heizlüfter ergänzt. Zielsetzung: Das primäre Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Entwicklung eines neuartigen Klimasystems, das auf der Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle als primäres Energiewandlungssystem des Fahrzeugs beruht. Dabei sollen 70 % der im Jahresverlauf für die Klimatisierung benötigten Energie durch Abwärme bereitgestellt, der thermische Komfort der Passagiere nachweisbar erhöht und der Schallleistungspegel des für die Klimatisierung benötigten Aggregats um mindestens 3 dB(A) gesenkt werden. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass der nutzbare Teil der Brennstoffzellenabwärme für die Fahrzeugklimatisierung drastisch gesteigert werden kann, durch Nutzung eines thermischen Speichers (Thermische Weiche) und durch thermische Kälteerzeugung (Absorptionskälteanlage). Das entwickelte abwärmegestützte Klimasystem kann so über 90 % des thermischen Energiebedarfs im Fahrzeug aus Abwärme bereitstellen und dabei rund 64 % der für die Klimatisierung des Fahrgastraumes benötigten elektrischen Energie ein-sparen. Zudem ist das System signifikant leiser als Standard-Klimageräte (4 dB(A) in Volllast, 17 dB(A) in Teillast) und bietet gleichzeitig einen besseren Komfort für die Fahrgäste durch die thermische Bauteilaktivierung (Thermisch Aktive Innenausbau-Komponenten). Des Weiteren zeigte sich, dass die Regelung des Systems einen entscheidenden Einfluss auf die Energieeffizienz hat, und, dass trotz der Ansätze zur modellprädiktiven Regelung noch viel Optimierungspotenzial besteht. Grundlage dafür bildete und bildet das 1D-Simulationsmodell, anhand dessen verschiedenste Regelstrategien getestet werden können. Datei-Upload durch TIB State of the art: For the air conditioning of rail vehicles, the state of the art is to use almost exclusively electrically operated compact systems that combine the functions of heating, cooling, dehumidification and ventilation. Thermal comfort in the rooms is achieved solely by conditioning the supply air. Cooling is provided by compression refrigeration systems. To increase the heating output, the compact systems are occasionally supplemented by circulating air fan heaters. Objective: The primary objective of the joint project is to develop a new type of air conditioning system based on the use of waste heat from the fuel cell as the vehicle's primary energy conversion system. The aim is to provide 70 % of the energy required for air conditioning throughout the year through waste heat, to demonstrably increase the thermal comfort of passengers and to reduce the sound power level of the unit required for air conditioning by at least 3 dB(A). Results: It was shown that the usable part of the fuel cell waste heat for vehicle air conditioning can be drastically increased by using a thermal storage unit (thermal separator) and thermal cooling (absorption refrigeration system). The developed waste heat-based air conditioning system can thus provide over 90 % of the thermal energy required in the vehicle from waste heat and save around 64 % of the electrical energy required for air conditioning the passenger compartment. In addition, the system is significantly quieter than standard air conditioning units (4 dB(A) at full load, 17 dB(A) at partial load) and also offers better comfort for passengers thanks to thermal component activation (thermally active interior components). Furthermore, it was shown that the control of the system has a decisive influence on energy efficiency and that, despite the approaches to model-predictive control, there is still a lot of potential for optimization. The basis for this was and is the 1D simulation model, which can be used to test a wide range of control strategies.