Phänomenologische Abbildung eines Latentwärmespeichers und modellgestützter Entwurf einer bedarfsgerechten Heizungsregelung

Im Winter wird die Reichweite elektrischer Busse, mit einem elektrisch betriebenen Heizungssystem, nahezu halbiert. Um eine emissionsfreie Beheizung, ohne Beeinträchtigung der Reichweite, zu realisieren, wird im Projekt Heat2Go eine schnellladefähige Latentwärmespeicherheizung entwickelt. Nach dem Prinzip der Gelegenheitsladung erfolgt die elektrische Beladung der Speicherheizung an einer Ladestation, die Wärmeabgabe an den Businnenraum wird über einen hydraulischen Heizungskreislauf realisiert. Das System wird im EDDA-Bus des Fraunhofer IVI demonstriert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines Simulationsmodells der Wärmespeicherheizung in MATLAB-Simulink. Das Modell setzt sich aus den Teilmodellen Innenraum, Heizungskreislauf und PCM-Wärmespeicher zusammen. Aufbauend wird für das Modell eine Steuerung entworfen, mit dem Ziel, energieeffizient die Sollinnenraumtemperatur zu gewährleisten. Dafür werden die Sollwerte der Innenraum- und Vorlauftemperatur sowie die Anzahl der notwendigen Speichermodule in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geführt. Die Pumpendrehzahl ist linear an die Anzahl der Speichermodule gekoppelt und wird so gering wie möglich gehalten. Das Modell des PCM-Wärmespeichers wird unter Berücksichtigung der Stoffeigenschaften des PCM und dem konstruktiven Aufbau erstellt und anschließend einer Plausibilitätsprüfung unterzogen. Fortführend erfolgt eine Analyse der Ladezustandsbestimmung. Das Innenraumodell, die Wärmesenke des Heizungskreislaufs, berücksichtigt Wärmeverluste, durch die Zufuhr von Frischluft (Lüftung, Türöffnungen), die konvektiven Wärmeverluste über die Bushülle in Abhängigkeit der Fahrtgeschwindigkeit sowie innere Wärmegewinne durch Passagiere. Anhand von Messdaten wird das Innenraummodell (Wärmedurchgangskoeffizient, Kapazitäten) validiert. Zudem wird der Einfluss verschiedener Faktoren auf den Wärmebedarf des Innenraums untersucht. Die Steuerung wird exemplarisch an einem realen Fahrtzyklus, bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen getestet und positiv beurteilt. Für niedrige Umgebungstemperaturen und großer Entladeleistung der Speichermodule wird die Sollvorlauftemperatur nicht mehr erreicht. Durch die Einführung eines Betriebsmodus mit maximaler Entladeleistung, kann die geforderte Sollinnenraumtemperatur dennoch gewährleistet werden. Um den Nutzungsgrad der Wärmespeicherheizung zu optimieren, wird geprüft, ob durch das Nachladen des Wärmespeichers mit Rekuperationsenergie und aus der Batterie, zwei Speichermodule eingespart werden können. Dabei wird keine wesentliche Reduzierung der Batterielebensdauer festgestellt, somit ist die Einsparung der Speichermodule wirtschaftlich.