Dittus, Holger

Donner, Sylvio

Konrad, Marcel

Schenker, Moritz

Institute of Transport Research:Publications

Erstellung eines thermischen Wagenkastenmodells für einstöckige (batterieelektrische) SchienenfahrzeugeThis project has received funding from the Shift2Rail Joint Undertaking under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No 881791 DLR.de  •  Folie 1Sylvio DonnerInstitut für Fahrzeugkonzepte, FK-FEK05.10.2022• Einleitung• Modellierung• Gesamtkonzept• Das thermische Wagenkastenmodell• Wandmodell• Klimaanlagenmodell• Automatisierung• Ergebnisse aus dem EU-Projekt FINE-2• Ergebnisse aus Projekt MOSENAS• AusblickGrant Agreement Number: 881791AgendaMotivation: Reduktion der CO2-Emissionen sowie die Senkung des Gesamtenergiebedarfes➢Transportsektor 30 % des Gesamtenergiebedarfes in Deutschland (≙ 400 TWh)➢Verkehrsverlagerung von Straße auf Schiene➢Nur 54 % der Strecken OL-elektrifiziert➢Nicht- bzw. teilelektrifizierte Strecken werden dieselbetrieben befahren➢Lösung: batterieelektrische Antriebe➢Herausforderung: Sicherstellung der Reichweite auch unter anspruchsvollen klimatischen RandbedingungenZiel: Kenntnis der charakteristischen thermodyn. Größen im thermischen Wagenkastenmodell (TWKM) zur Sicherstellung der ReichweiteVision: (12) NGT CARGO: Intermodales Terminalkonzept - YouTubeGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 3Einleitung• Gesamtmodell bestehend aus drei Untermodellen: ➢Wettermodell: Einstellung der klimatischen Randbedingungen➢Fahrdynamikmodell: ermöglicht Energiebetrachtungen bezüglich Antriebsleistung ➢TWKM: Berechnung des HVAC-Leistung- und Energiebedarfes• Einbindung der fahrzeugspezifischen Parameter mithilfe von records über eine Auswahl von Fahrzeugen aus einer DatenbankGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 4Modellierung: Gesamtkonzept• Bilanzierung der auf- und abgegebenen Wärmemengen (Q)• Implementierung des Wagenkastens durch verschiedene Wand- und Fensterelemente• Regelung von Fahrgastraumtemperatur und Frischluftzufuhr über ein Klimaanlagenmodell (HVAC)• Fahrgastmodell zur Beschreibung der temperaturabhängigen Wärmeenergie-und Feuchtigkeitsabgabe> Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 5Modellierung: Das thermische WagenkastenmodellModellstruktur: ➢Wärmestrahlung mit Einstrahlwinkelberechnung (blau)➢Wärmedurchgang (grün)➢Berechnung des äußeren Wärmeübertragungskoeffizienten (orange)Drei Wärmeübertragungsmechanismen: Wärmestrahlung, Konvektion und WärmeleitungGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 6Modellierung: WandmodellModellstruktur:➢Zuluftkreislauf mit Zuluftventilatoren (gelb)➢Besetzungsabhängige Zufuhr von Frischluft (rot)➢Rückfluss und Druckausgleich der Raumluft mit der Umgebung (lila)➢Regelung der Temperatur im Fahrgastraum durch PI-Regler und Kombitabelle für Heiz-/Kühlleistung (grün)Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 7Modellierung: Klimaanlagenmodel• Automatisierung der Simulationen mithilfe des SARA-Skriptes (Simulation Automation &Result Analysis)• Vorteile: ➢Beschleunigung häufig wiederkehrender Vorgänge➢Schnelle Anpassung von Modellen und Modellparametern➢Parametervariation mit geringem Aufwand• Modularer Aufbau des Skriptes ermöglicht einfache Änderungen von Parameter für VariationenGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 8Automatisierung: SARA-Skript• Aufgabe: Ermittlung und Bewertung von Energieeinsparmaßnahmen für HVAC-Systeme• Definition eines Referenzfahrzeuges  und Referenzstrecke (Reg140)• Ermittlung des notwendigen Leistung-und Energiebedarfes für die Referenz nach EN 50591• Definition und Bewertung von Maßnahmen:➢Einsatz Wärmepumpe➢Variation Wärmedurchgangskoeff.➢Ausnutzung der Solltemperaturgrenzen➢Integration WärmespeicherGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 9Einsatz des Modells im EU-Projekt FINE-2Referenzparameter WertAnzahl Wagen 2Zuglänge 40 mDesignmasse 90 t (inkl. Batterie)Anzahl Sitze 100Traktion Motor Leistung 4 x 320 kW = 1280 kW0501001500 1000 2000 3000 4000Speed in km/hTime in sGrant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 10Ergebnisse: FINE-2Maßnahme Gewichteter spezifischer Energiebedarf am DC-Link in kWh/km(EN 50591)Jährlicher EnergiebedarfDC-link in MWh(EN 50591)Änderung der jährlichenEnergiekosten in %(EN 50591)Änderung des Energiebedarfes am meist kritischenBetriebspunkt OP in %Referenzsszenario 2.47 85.4 - -Ersetzen der Wärmepumpe durchWiderstandsheizer2.60 89.9 +5.36 +17.0Reduktion des Wärmeübergangs überdie Wände2.45 84.7 -0.76 -0.86Verbesserung des COP der Wärmepumpe 2.46 85.1 -0.36 -0.84Ausnutzung der Solltemperaturgrenzen 2.46 84.8 -0.63 -0.24Integration einesLatentwärmespeichers2.40 82.8 -3.01 -0.16• Aufgabe: Berechnung und Bewertung von verschiedenen HVAC-Energieeinsparmaßnahmen zur Erhöhung der Reichweite eines BEMUS• Definition des Klimatisierungskonzeptes• Definition des batterieelektrischen Fahrzeuges• Definition verschiedener umwelttechnischer Randbedingungen (Temperatur, Fahrgastrate, Sonneneinstrahlung)• untersuchte Maßnahmen:➢Freies Kühlen➢Besetzungsabhängige Frischluftregelung➢Variation des Wärmedurchgangskoeffizienten➢Ausnutzung des Solltemperaturbereiches➢Nutzung einer Wärmepumpe> Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 11Einsatz des Modells im Projekt MOSENAS> Vortrag > Autor  •  Dokumentname > DatumDLR.de  •  Folie 12Betriebspunkte nach der EN50591Betriebspunkt(OP)Außentemperatur𝑻𝒂 in °CLuftfeuchtigkeit𝑯𝐫, 𝐚𝐦𝐛 in %Sonneneinstrahlung in W/m²Fahrgastrate in%1 -10 90 0 02 0 90 0 1003 10 90 0 504 15 90 0 505 22 80 0 1006 28 70 600 1007 35 50 700 1008 -20 90 0 09 -10 90 0 010 0 90 0 011 15 80 0 012 22 80 0 013 35 50 700 014 0 90 0 015 15 80 0 016 28 50 700 0BetriebspunktZone I Zone II Zone IIIVerkehrsbetrieb im kommerziellen Einsatz (VikE)OP1 2 65 372OP2 244 945 1 445OP3 1 086 1 442 1 198OP4 1 163 1 102 889OP5 969 627 404OP6 695 185 72OP7 221 14 NAGesamt VikE 4380 4380 4380Verkehrsbetrieb außerhalb des kommerziellen Einsatzes (VakE)OP8 NA 0 15OP9 0 21 109OP10 175 490 638OP11 657 674 539OP12 533 257 143OP13 95 18 16Gesamt VakE 1460 1460 1460Abstell-betrieb (Ab) OP14 175 512 762OP15 827 801 629OP16 458 147 69Gesamt Ab 1460 1460 1460Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 13Ergebnisse: MOSENAS – Einsatz Wärmepumpe Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 14Ergebnisse MOSENAS - Solltemperaturkurven> Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 15Ergebnisse: MOSENAS – Solltemperaturkurven• Weiterentwicklung des Modell: • Aufbau eines Türmodells• Integration eines physikalischen Klimaanlagenmodells• Aufteilung des Fahrgastraumes in Schichten• Integration einer Metallhydrid-Kälteanlage als FMU und Bewertung gegenüber konventioneller Anlage• Strömungssimulation im Fahrgastraum> Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 16AusblickVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit> > Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 17The Parties and their staff undertake to work together and individually in a cooperative and open manner so as to perform theProject and, overall the Programme, under the following principles:Commitment to deliver the S2R Programme in order to achieve the S2R objectives as established in the S2R Regulations,Efficient implementation of the Project and timely performance of all obligations under the S2R regulatory framework and agreed Decisions (e.g. Governing Board Decisions)Promptly respond to requests arose during the Project and Programme execution, in particular with an active participation to the works (no sleeping partners).Carry out the Programme and Project activities using diligent efforts and cooperating in good faith, with fundamental ethical principles,in a professional manner, taking necessary steps to avoid conflicts and disputes;seeking for consensus in decision making processes or escalate without delay, in accordance with the S2R Regulation, possiblerisks or issues which would undermine the Project performance and/or present/future Programme activities,implementing the best efforts to remove any impediments to consider new opportunities for research and innovations activities, subject to the legal obligation established in the present Consortium Agreement and connected Grant Agreement.The Parties and their staff shall use their best efforts to perform such further acts in order to carry out the Project to accomplish the purposes of the S2R Programme.> Grant Agreement Number: 881791DLR.de  •  Folie 18CODE OF CONDUCT ARTICLE

Erstellung eines thermischen Wagenkastenmodells für einstöckige (batterieelektrische) Schienenfahrzeuge

https://elib.dlr.de/188811/1/Erstellung%20eines%20thermischen%20Wagenkastenmodells%20f%C3%BCr%20einst%C3%B6ckige%20%28batterieelektrische_final.pdf

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