Klimatechnik für Elektroautos

16.01.2018
Klimatechnik für Elektroautos Peter Winandy

RWTH-Professor van Treeck, Daniel Wölki und Henning Metzmacher (v.r.) bewerten Bilder des Fahrsimulators.

 

Henning Metzmacher nimmt im Fahrsimulator Platz und drückt einige Knöpfe. Gleichzeitig steuert der wissenschaftliche Mitarbeiter mit einer Computermaus eine Menüleiste an, auf dem Computermonitor erscheint Sekunden später seine Silhouette. Das Bild wurde erzeugt von einer Infrarotkamera, sie macht die Wärmeverteilung im Körper sichtbar: Der Kopf ist hellorange, die Arme und der Oberkörper erscheinen in Grüntönen. Das bedeutet, der Fahrer fühlt sich behaglich. Dr.-Ing. Daniel Wölki steht vor einem weiteren Monitor. „Das ist das Bild, das mit unserem numerischen Menschmodell MORPHEUS simuliert wird. Es stimmt fast exakt mit dem realen Bild überein, weil wir in der Lage sind, über das Tracking der Gestik den Bild- und Sensordaten auch Körperregionen zuzuordnen“.

Reduzierte Reichweite von Elektroautos

Wölki leitet die Gruppe „Thermische Ergonomie und Nutzerverhalten“ am Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen E3D von Professor Christoph van Treeck. Am Institut forschen Ingenieure verschiedener Fachrichtungen – IT-Spezialisten, Medizin-, Regelungs- und Elektrotechniker. Das Team arbeitet seit mehreren Jahren an einer völlig neuartigen Klimatisierungstechnik für Elektrofahrzeuge.

„Heizung und Klimaanlage reduzieren als Hauptverbraucher die Reichweite eines Elektroautos um etwa die Hälfte", so van Treeck. Forschungsziel in seinem Lehrstuhl ist daher unter anderem nachzuweisen, dass der Energieverbrauch der Klimatechnik deutlich gesenkt werden könne. „Bisher wird das gesamte Raumluftvolumen im Auto auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Wenn man aber nicht die Lufttemperatur als Basis nimmt, sondern den thermischen Komfort, also wie behaglich jemand das Raumklima empfindet, kann viel Energie gespart werden.“

Sensortechnik für mehr Komfort

Das Temperaturempfinden ist bei Menschen aber unterschiedlich ausgeprägt. Was der eine als angenehm frisch empfindet, lässt den anderen vielleicht frösteln. Wölki hat sich während seiner Promotion umfassend mit der Thermoregulation des Menschen beschäftigt. „Der Mensch reagiert auf Veränderungen seiner Kern- und Hauttemperaturen, Ziel sollte die Aufrechterhaltung einer Köpertemperatur von 37 Grad sein. Sonst ändert sich die Durchblutung, man schwitzt oder zittert.“

Um das individuelle Komfortklima der Fahrzeuginsassen zu ermitteln, wurde im Lehrstuhl eine neuartige Sensortechnik entwickelt. „Wir führen damit unsere langjährigen Forschungsarbeiten zur Thermophysiologie, Behaglichkeitsforschung und Bilddatenerkennung am neuralgischen Punkt Regelungstechnik im Fahrzeug zusammen", so van Treeck. Dutzende Sensoren auf den Autositzen und eine Infrarotkamera an der Frontscheibe sammeln Daten über Feuchtigkeit oder Temperatur und werten die menschliche Gestik aus. Daraus wird der Ist-Zustand der Insassen ermittelt und mit einem Modell verglichen, das die objektiv ermittelte thermische Akzeptanz bewertet. Dieses Modell basiert auf den Daten von 500 Probanden und dem menschlichen Energie-Simulator Morphable Human Energy Simulator, kurz MORPHEUS genannt. Aus Ist-Zustand und Modell wird eine Regelungsgröße ermittelt, die für die Ansteuerung lokaler Klimasysteme zur Verfügung steht.

Energieeinsparung auch für Gebäude

In Zukunft soll die Temperatureinstellung nicht mehr für das komplette Raumluftvolumen des Autos erfolgen. Vielmehr will man Wärme und Kälte individuell dosiert beispielsweise über Sitze oder Fußmatten direkt auf Körperteile der Insassen wirken lassen. Ähnlich arbeiten heute bereits Sitz- oder Lenkradheizungen, allerdings mit höherem Energieverbrauch.

„Wir arbeiten jetzt gemeinsam mit Zulieferern der Automobilhersteller aus Europa daran, das System in die praktische Anwendung zu bringen“, so Wölki. Dafür muss es zunächst noch kleiner und günstiger werden. Doch eigne sich die Technik nicht nur für Autos – auch in Gebäuden könnte das Modell des thermischen Komforts zu Energieeinsparungen führen.

(Autorin: Helga Hermanns)