Desarrollo de un modelo para el cálculo del consumo de climatización en vehículos de pasajeros urbanos

Abstract

[ES] El sistema de climatización es uno de los equipos auxiliares más importantes de un vehículo, el cual mantiene un ambiente térmicamente confortable al controlar la temperatura y la humedad relativa del aire interior, sin embargo, su utilización incrementa el consumo energético global del vehículo. En la presente tesis doctoral, se desarrolla un modelo global para calcular el consumo energético y las emisiones de CO2 del sistema de climatización de vehículos cuando estos recorren un trayecto determinado. El modelo global está comprendido de tres submodelos. El primer submodelo es un modelo térmico dinámico de la cabina de un vehículo que estima la variación de la temperatura y humedad del aire interior en función de las diferentes cargas térmicas y de las condiciones exteriores (temperatura ambiente y radiación solar). El modelo fue validado de acuerdo con dos ensayos experimentales, con y sin radiación solar. Además, el modelo calcula la demanda térmica que necesita satisfacer el sistema de climatización para mantener el interior del vehículo a una temperatura predefinida. El segundo submodelo consiste en un modelo del equipo de aire acondicionado, que contiene modelos detallados de los diferentes componentes del ciclo de compresión de vapor (compresor, evaporador, condensador, dispositivo de expansión, etc.). Este modelo genera mapas de prestaciones del equipo de aire acondicionado para diferentes condiciones de trabajo (temperaturas de entrada al evaporador y condensador, velocidad del compresor, humedad relativa, etc.). El tercer submodelo integra el modelo térmico dinámico del vehículo con el modelo del equipo de aire acondicionado. Este modelo determina las prestaciones del equipo de aire acondicionado en cada paso de tiempo, en función de la demanda de refrigeración instantánea; además, calcula el consumo y las emisiones de CO2 producidas por el sistema de climatización cuando el vehículo realiza una trayectoria definida, tomando en cuenta el tipo de accionamiento del compresor (mecánico o eléctrico) y sus respectivas eficiencias de la cadena de transformación de energía. El modelo desarrollado considera la variación de las condiciones climatológicas y los cambios de dirección que el vehículo realiza a lo largo del trayecto. Finalmente, se presenta un caso de estudio en donde se estima el consumo energético y las emisiones de CO2 del sistema de climatización de un autobús con accionamiento mecánico y eléctrico. Se consideró un autobús de 50 pasajeros que realiza un trayecto extraurbano (ida y vuelta) entre las ciudades de Valencia y Madrid en un día típico de verano. Los resultados muestran que el sistema de climatización con accionamiento mecánico consume 10.2 litros de combustible (gasoil) y emite 27.3 kg de CO2 durante el viaje de ida, asumiendo que el equipo funciona a una velocidad constante del compresor de 2000 rpm. Por otro lado, el sistema de climatización en el autobús impulsado eléctricamente consume 18.1 kWh durante el viaje de ida y genera 8,2 kg de emisiones indirectas de CO2

[CA] El sistema de climatització és un dels equips auxiliars més importants d'un vehicle, el qual manté un ambient tèrmicament confortable al controlar la temperatura i la humitat de l'aire interior, no obstant això, la seua utilització incrementa el consum energètic global del vehicle. En la present tesi doctoral, es desenvolupa un model global per a calcular el consum energètic i les emissions de CO2 del sistema de climatització de vehicles quan aquests recorren un trajecte determinat. El model global està comprés de tres submodels. El primer submodel és un model tèrmic dinàmic de la cabina d'un vehicle que estima la variació de la temperatura i humitat de l'aire interior en funció de les diferents càrregues tèrmiques i de les condicions exteriors (temperatura ambient i radiació solar). El model va ser validat d'acord amb dos assajos experimentals, amb i sense radiació solar. A més, el model calcula la demanda tèrmica que necessita satisfer el sistema de climatització per a mantenir l'interior del vehicle a una temperatura predefinida. El segon submodel consisteix en un model de l'equip d'aire condicionat, que conté models detallats dels diferents components del cicle de compressió de vapor (compressor, evaporador, condensador, dispositiu d'expansió, etc.). Aquest model genera mapes de prestacions de l'equip d'aire condicionat per a diferents condicions de treball (temperatures d'entrada a l'evaporador i condensador, velocitat del compressor, humitat relativa, etc.). El tercer submodel integra el model tèrmic dinàmic del vehicle amb el model de l'equip d'aire condicionat. Aquest model determina les prestacions de l'equip d'aire condicionat en cada pas de temps, en funció de la demanda de refrigeració instantània; a més, calcula el consum i les emissions de CO2 produïdes pel sistema de climatització quan el vehicle realitza una trajectòria definida, tenint en compte el tipus d'accionament del compressor (mecànic o elèctric) i les seues respectives eficiències de la cadena de transformació d'energia. El model desenvolupat considera la variació de les condicions climatològiques i els canvis de direcció que el vehicle realitza al llarg del trajecte. Finalment, es presenta un cas d'estudi on s'estima el consum energètic i les emissions de CO2 del sistema de climatització d'un autobús amb accionament mecànic o elèctric. Es va considerar un autobús de 50 passatgers que realitza un trajecte extraurbà (anada i tornada) entre les ciutats de València i Madrid en un dia típic d'estiu. Els resultats mostren que el sistema de climatització amb accionament mecànic consumeix 10.2 litres de combustible (gasoil) i emet 27.3 kg de CO2 durant el viatge d'anada, assumint que l'equip funciona a una velocitat constant del compressor de 2000 rpm. D'altra banda, el sistema d'aire condicionat en l'autobús impulsat elèctricament consumeix 18.1 kWh durant el viatge d'anada i genera 8,2 kg d'emissions indirectes de CO2.

[EN] The air conditioning system is one of the most important auxiliary systems in a vehicle. It provides a thermally comfortable environment by controlling the temperature and relative humidity of the indoor air; however, its excessive use increases the overall energy consumption of the vehicle. In the present Ph.D. thesis, a global model is developed to calculate the energy consumption and CO2 emissions of the automotive air conditioning system, when the vehicle travels in a determined path. The main model comprises three sub-models. The first sub-model corresponds to a dynamic thermal model of the vehicle's cabin that estimates the temperature and humidity variation of the vehicle's interior air according to the different thermal loads and the external conditions (temperature and solar radiation). It was validated according to two experimental tests, with and without solar radiation. In addition, the model calculates the thermal demand that the air conditioning system needs to maintain the interior of the vehicle at a predefined temperature. The second submodel consists in a model of air conditioning equipment, which contains detailed models of the different components of the steam compression cycle (compressor, evaporator, condenser, expansion device, etc.).This model generates performance maps for different working conditions (evaporator and condenser inlet temperatures, compressor speed, etc.). The third submodel integrates the dynamic thermal model of the vehicle with the model of the air conditioning equipment. It determines the performance of the air conditioning system for each time step based on the cooling load. Furthermore, it calculates the consumption and emissions produced by the air conditioning system when the vehicle performs a defined path. In this study, mechanically or electrically driven compressors with their respective efficiencies of the energy transformation chain were considered. The developed model takes into account the weather conditions and changes of direction that the vehicle takes along the journey Finally, a case study is presented to analyze the energy consumption and CO2 emissions of air conditioning system for a bus driven by a mechanical or an electrical motor. A 50-passenger bus was considered in the analysis. The bus makes a round trip from Valencia to Madrid on a typical summer day. Results show that the mechanically driven bus consumes 10.2 liters of fuel (diesel) and exhausts 27.3 kg of CO2 during the outward journey. The air conditioning system, in this case, is assumed to be operating at a constant compressor speed of 2000 rpm. On the other hand, the air conditioning system in electrically driven bus consumes 18.1 kWh during the outward trip and produces 8.2 kg of indirect CO2 emissions.