MAGISTRSKO DELO
-
Upload
nguyennguyet -
Category
Documents
-
view
240 -
download
4
Transcript of MAGISTRSKO DELO
UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET
MAGISTRSKO DELO
Damjan Grobljar
Portorož, oktober 2009
UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET
MAGISTRSKO DELO
Damjan Grobljar
Ogrevanje hibridnih in električnih vozil
Portorož, oktober 2009
Mentor:
prof. dr. Miran Zgonik
Somentor:
doc. dr. Frančišek Bizjan
Poročevalca:
prof. dr. Sašo Medved
prof. dr. Marko Topič
UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET
MAGISTRSKO DELO
Damjan Grobljar
Ogrevanje hibridnih in električnih vozil
mentor: prof. dr. Miran Zgonik,
somentor: doc. dr. Frančišek Bizjan,
študent: Damjan Grobljar, prof.,
jezikovni pregled: Marta Klopčič, prof.,
vpisna številka: 97405537
študijski program: Univerzitetni podiplomski študijski program Varstvo okolja
smer študija: Varstvo okolja
Portorož, oktober 2009
I
Predgovor
Zahvaljujem se svoji družini, katere člani so potrpežljivo prenašali ure, dneve in lepe vikende,
ki sem jih, namesto njim, posvetil temu delu.
Doktorju Miranu Zgoniku za mentorstvo in nasvete pri izvedbi poskusov ter pomoč in
napotke pri izdelavi magistrske naloge.
Doktorju Frančišku Bizjanu za pomoč in nasvete pri izvedbi poskusov.
Gospodu Branku Kotarju s servisa Renault Setnikar v Dragomlju za nasvete in pomoč pri
pripravi in izvedbi meritev in druge informacije.
Moj trenutni avtomobil je Renault Clio, avto spodnjega srednjega razreda s sodobnim
turbodizelskim motorjem. Motor tega avtomobila ima dokaj dober izkoristek, avto porabi
malo goriva, porabljeno gorivo pa dobro izkoristi za pogon; zato za ogrevanje ostane relativno
malo toplote. Avto je čez noč parkiran na prostem, zato se kabina vsako noč ohladi. Ob mrzlih
jutrih, ko temperatura zunaj pade pod ledišče, se kabina avtomobila po začetku vožnje dolgo
ogreva. Meni to predstavlja problem. Bi se ga dalo rešiti? Kako?
Po pogovoru z doktorjem Zgonikom in natančnejši opredelitvi problema sem začel z
zbiranjem informacij. Opravil sem prve meritve, s katerimi sem določil, katero opremo
potrebujem za nove, bolj natančne meritve. Postavil sem prva vprašanja.
Koliko toplote potrebujemo za ogrevanje avtomobila? Koliko goriva potrošijo vozniki, ki
pozimi puščajo motor avta delovati, da bi se kabina ogrela? Kako je mogoče, da avtomobil
višjega razreda s sodobnim turbodizelskim motorjem začne z ogrevanjem kabine po nekaj
sekundah? Kako se ogrevajo hibridni avtomobili? Kako se ogrevajo električni avtomobili?
Nato sem zasledil še avtomobile na zrak. Spet ista težava. Pri ekspanziji se zrak ohladi. Torej
hlajenje kabine ne bo problem, kaj pa ogrevanje?
Pred vami je delo, v katerem sem poskušal odgovoriti na ta in druga vprašanja.
II
III
Kazalo:
1 Uvod ...................................................................................................................... 1
2 Izkoristek motorjev v vozilu ................................................................................... 3
2. 1 Sistemi za izkoriščanje notranje energije izpušnih plinov...................................... 6
2. 2 Druge tehnologije za zmanjšanje porabe v vozilih................................................. 7
3 Razvoj motorjev ..................................................................................................... 8
3. 1 Energetsko učinkovita vožnja ............................................................................... 9
4 Goriva .................................................................................................................. 11
4. 1 Fosilna goriva ..................................................................................................... 11
4. 2 Alternativna goriva ............................................................................................. 12
4.2.1 Vodik............................................................................................................... 12
5 Alternativni pogoni............................................................................................... 14
5. 1 Klasični motorji.................................................................................................. 14
5. 2 Stirlingov motor.................................................................................................. 14
5. 3 Plinske mikroturbine........................................................................................... 14
5. 4 Drugi alternativni pogoni.................................................................................... 15
5.4.1 Akumulacija energije v ultrakondenzatorjih ..................................................... 15
5.4.2 Vozila na stisnjeni zrak .................................................................................... 16
5.4.3 Sončne celice ................................................................................................... 17
5.4.4 Shranjevanje energije z vztrajnikom................................................................. 17
5. 5 Hibridna vozila ................................................................................................... 17
5.5.1 Toyota Prius..................................................................................................... 18
5.5.2 Honda Civic hibrid........................................................................................... 20
5. 6 Električna akumulatorska vozila ......................................................................... 21
5. 7 Vozila z gorivnimi celicami ................................................................................ 24
5.7.1 Delovanje gorivne celice.................................................................................. 24
5.7.2 Ogrevanje vozil z gorivnimi celicami............................................................... 25
5. 8 Primerjava izkoristka primarne energije različnih načinov pogona...................... 30
6 Analiza obstoječega stanja ogrevanja.................................................................... 32
6. 1 Sistemi za dodatno ogrevanje kabine .................................................................. 32
7 Ogrevanje v prihodnosti ....................................................................................... 35
7. 1 Lastne izkušnje in dilema o porabi energije za ogrevanje .................................... 35
8 Toplotna črpalka................................................................................................... 37
8. 1 Kompresorske toplotne črpalke........................................................................... 37
8.1.1 Hladila ............................................................................................................. 38
IV
8. 2 Absorpcijske in druge toplotne črpalke ............................................................... 39
8.2.1 Viri toplote za toplotno črpalko........................................................................ 40
8.2.2 Načrtovanje vgradnje toplotne črpalke. ............................................................ 41
8.2.3 Primerjava realnega in izračunanega grelnega števila pri ogrevanju ................. 41
9 Toplotno ugodje ................................................................................................... 44
9. 1 Toplotne obremenitve človeka ............................................................................ 45
10 Izračun toplote za ogrevanje kabine vozila............................................................ 46
10. 1 Toplotni tok........................................................................................................ 47
10.1.1 Prevod toplote.................................................................................................. 47
10.1.2 Prestop toplote in prestopnost .......................................................................... 48
10.1.3 Prehod toplote skozi avtomobilska stekla ......................................................... 51
10.1.4 Prehod toplote skozi ostali del avtomobila ....................................................... 53
10.1.5 Prehod toplote skozi celotno steno avtomobila ................................................. 53
10.1.6 Meritve dimenzij in lastnosti kabine avtomobila............................................... 54
10.1.7 Potek izračuna.................................................................................................. 55
11 Meritve................................................................................................................. 58
11. 1 Meritev ogrevanja mirujočega avtomobila ogrevanega s kaloriferjem................. 58
11.1.1 Primerjava meritev in izračunanih vrednosti..................................................... 59
11. 2 Meritev ogrevanja gibajočega se avtomobila, ogrevanega s kaloriferjem............. 62
11. 3 Meritev ogrevanja avtomobila s stalno hitrostjo ogrevanega s kaloriferjem......... 63
12 Rezultati izračunov............................................................................................... 66
12. 1 Vzdrževanje tople kabine.................................................................................... 66
12. 2 Ogrevanje hladnega mirujočega avtomobila........................................................ 68
12. 3 Ogrevanje hladnega avtomobila v gibanju........................................................... 71
13 Meritev moči in toplotnih tokov ........................................................................... 74
13. 1 Merjenje moči in dela za vožnjo avtomobila ....................................................... 74
13. 2 Meritve porabe goriva pri enakomerni vožnji...................................................... 80
13. 3 Meritev temperatur delov avtomobila med vožnjo. ............................................. 81
13. 4 Ogrevanje avtomobila v mirovanju z običajnim grelnim sistemom ..................... 88
13. 5 Primerjava različnih načinov ogrevanja .............................................................. 90
14 Primerjava mehanskega dela za vožnjo in toplote za ogrevanje kabine pri
električnem avtomobilu........................................................................................................ 92
14. 1 Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja................................................... 94
14. 2 Ogrevanje avtomobila s toplotno črpalko ............................................................ 98
14. 3 Posebnosti ogrevanja s toplotno črpalko............................................................. 98
V
14. 4 Vpliv ogrevanja vozila s toplotno črpalko na doseg električnega vozila .............. 99
14. 5 Moč toplotne črpalke in čas segrevanja ............................................................. 104
15 Sklep .................................................................................................................. 106
16 Literatura:........................................................................................................... 109
17 Viri..................................................................................................................... 110
18 Seznam slik ........................................................................................................ 111
19 Seznam tabel ...................................................................................................... 114
20 Priloge..............................................................................................................CXV
VI
VII
Povzetek
V delu pišem o ogrevanju vozil sedaj in predvidevam možne načine ogrevanja kabine vozila v
prihodnosti. Na cestah je največ avtomobilov z motorjem na notranje zgorevanje, katerih
izkoristek ni najboljši, kar pomeni relativno veliko porabo goriva, pa tudi dovolj toplote za
ogrevanje vozila v skoraj vseh režimih vožnje. V prihodnosti bo v prometu vse več
avtomobilov s hibridnim pogonom, čistim električnim pogonom, s pogonom na gorivne
celice, pa tudi avtomobilov s pogonom na stisnjeni zrak. Pri tem so (bodo) izkoristki bistveno
boljši, zato bo ostalo premalo odpadne toplote za ogrevanje kabine v hladnih obdobjih, še
posebno, ker vozniki pričakujejo vse več udobja. Nesmiselno bi bilo varčevati z gorivom za
pogon vozila, ob tem pa ga dodatno trošiti za ogrevanje. Treba bo uporabiti alternativne
načine ogrevanja, čeprav bodo dražji.
Analiziral sem obstoječe stanje ogrevanja vozil s klasičnim pogonom, opisal značilne primere
alternativnih pogonov, zapisal sistem enačb, ki opisujejo ogrevanje avtomobila in rezultate
izračunov primerjal z eksperimentalno pridobljenimi podatki, da sem ugotovil pričakovane
realno potrebne toplotne tokove za ogrevanje.
Analiza različnih možnosti je nakazala smiselnost uporabe toplotne črpalke za ogrevanje. V
delu predlagam uporabo obstoječe klimatske naprave, ki jo z določenimi spremembami
uporabimo tudi za ogrevanje. Potrebno bo primerno planirati zmogljivosti in parametre
klimatske naprave – toplotne črpalke. Izkoristek toplotne črpalke lahko povečamo s
povišanjem vstopne temperature uparjalnika toplotne črpalke s skrbnim zbiranjem odpadne
toplote, ki se pojavlja v vozilu na različnih mestih.
VIII
Summary
In this work I have written about heating of vehicles cabin now and I have also predicted
possible ways to heat the cabins of the vehicles in the future. On our roads there are a mostly
cars propelled with internal combustion motor. Today internal combustion motor has quite a
low efficiency. This means that there is enough heat for heating the vehicle cabin in all modes
of driving. In the future there will be more and more hybrid propelled vehicles, electric
vehicles, vehicles propelled by fuel cells or vehicles propelled with compressed air.
The vehicles with higher efficiency will have less waste heat for heating the vehicle cabin in
cold seasons, especially because drivers expect more and more comfort. It would be senseless
to save fuel for driving and then at the same time use more fuel to heat the cabin of the
vehicle. Other alternative ways for heating the vehicle cabin, although more expensive, will
be used.
I have analyzed the existing state of heating vehicles with a classic drive. I have also
described typical cases of vehicles propelled by alternative ways. I have derived a system of
equations that describes heating of a vehicle cabin. In that way I have found out the expected
real heat flow required for heating.
I have compared the data from these calculations with the data gained by the measurements.
The analysis of different alternatives shows us a possibility of using a heat pump for heating
the vehicle.
Heating can be done with changing the air conditioning system, which is already used for
cooling.
We have to plan the capacity of the heat pump appropriately. The efficiency of the heat pump
can be improved with an increased inlet of temperature with an attentive gathering of the
waste heat from different places in the alternative motioned vehicle.
1
1 Uvod
Trenutno avtomobile največkrat poganjajo motorji na notranje zgorevanje fosilnih goriv Pri
cestnem transportu ima največjo vlogo nafta v obliki naftnih derivatov. Izkoristek motorja z
notranjim zgorevanjem je odvisen od več dejavnikov, običajno pa ne preseže 35 %. Na eni
strani to pomeni vsaj 65 % energijskih »izgub«, na drugi strani pa dovolj toplote za ogrevanje
kabine potniškega vozila.
Skupna poraba primarne energije v svetu narašča. Pri tem imajo največjo vlogo fosilna goriva
(tri četrtine vse primarne energije). Fosilna goriva imajo več slabih strani, npr. sproščanje
ogljikovega dioksida v ozračje in s tem povzročanje učinka tople grede. Poleg tega fosilna
goriva spadajo med neobnovljive vire energije, njihove zaloge pa so omejene, zato bo zanje
potrebno poiskati nadomestilo.
Tehnologije, s katerimi je mogoče zmanjšati porabo goriva ali zamenjati vir pogonske
energije, so deloma že znane, potrebno jih je le izpopolniti in primerno povezati med sabo. Pri
tem imam v mislih predvsem uporabo biodizla, metanola, etanola, vodikovo tehnologijo,
uporabo gorivnih celic, električni pogon vozil, itd. Uporaba tehnologije mora biti dobro
premišljena in načrtovana, da ne vpliva negativno na že doseženo bivalno ugodje uporabnika
ali na okolje v ožji in širši okolici.
Promet na cestah je vse gostejši. Vozniki zahtevajo več udobja, več varnosti in večjo
zmogljivost vozil. Zato se kljub sodobnejšim, lažjim materialom in novim tehnološkim
rešitvam mase vozil VEČAJO, ravno tako pa tudi MOČI motorjev. Na cestah je več nesreč,
več znakov za omejitve hitrosti, več policistov z merilniki hitrosti. Promet je na nek način
zašel v slepo ulico. Zaradi gostejšega prometa in omejitev hitrosti se povprečne hitrosti vožnje
zmanjšujejo. Za počasnejšo vožnjo pa ZADOSTUJE MANJŠA MOČ motorja, s čimer lahko
zmanjšamo tudi porabo goriva.
Nove tehnologije pomenijo manj porabljenega goriva, zaradi večjega izkoristka pa tudi manj
toplote za ogrevanje kabine. Bo to predstavljalo težavo pri nadaljnjem razvoju? Bomo za
ogrevanje kabine porabljali gorivo, ki smo ga z veliko težavo prihranili pri pogonu vozila?
Nekatera vozila že uporabljajo elektriko za dodatno (hitrejše) ogrevanje kabine. Zaradi večjih
potreb po elektriki se večajo moči alternatorjev v vozilih in zmogljivosti akumulatorjev, s tem
pa tudi obremenitev motorja in masa vozil. Je segreta kabina samo znak razkošja ali gre tudi
za varnost? Vidnost je varnost. Avtomobilska stekla, še posebej vetrobransko, morajo biti
čista in nezamegljena in to takoj, še preden voznik spelje. Tehnologije, ki omogočajo hitro
ogrevanje kabine, ne da bi pretirano vplivale na okolje ali na porabo goriva, že obstajajo.
2
Nekatera vozila uporabljajo sisteme za ogrevanje s toploto, ki jo med vožnjo skladiščijo na
različne načine in jo uporabljajo kasneje.
Viri toplote v avtu so različni in so razporejeni na različnih mestih, zato je to toploto tehnično
težko izkoriščati. Ta mesta in tehnologije za njihovo izkoriščanje so predvsem izpuh, zavore,
hladilni sistem, zaviranje z magnetno zavoro, zaviranje z generatorjem in uporaba
proizvedene elektrike za ogrevanje kabine posredno ali neposredno.
Pri nekaterih vozilih že v sedanjem času prihaja do dolgotrajnejšega ogrevanja kabine zaradi
pomanjkanja odpadne toplote predvsem v začetku vožnje. Pri vozilih, pri katerih se trudijo
izboljšati izkoristek, bodo težave z ogrevanjem vozila še bolj izražene. V prihodnosti bodo v
prometu tudi avtomobili s hibridnim pogonom, električnim pogonom, s pogonom na gorivne
celice, pa tudi zračno gnani motorji. Pri tem bo za ogrevanje kabine manj (ali celo nič)
odpadne toplote. V delu ugotavljam, kolikšno težavo to predstavlja in kako bi jo lahko rešili.
Poiskal in primerjal sem možne načine ogrevanja kabine avtomobila. Izmeril sem toplotni tok,
potreben za ogrevanje vozila pri različnih temperaturah okolice in pri različnih hitrostih
vozila. Pri nižji temperaturi okolice je potrebni toplotni tok za ogrevanje vozila večji. Potrebni
toplotni tok za ogrevanje je večji pri premikanju vozila z večjo hitrostjo.
Pri električnih vozilih in vozilih z zračnim motorjem bo potrebno poiskati drugačen vir
toplote za ogrevanje kabine vozila od dosedanjih zaradi višjega izkoristka agregatov in
posledično manjše količine odpadne toplote. Tudi pri hibridnih vozilih in vozilih z gorivnimi
celicami bo v določenih režimih vožnje (majhna hitrost ali mirovanje, nizke zunanje
temperature, začetek vožnje) prihajalo do pomanjkanja odvečne toplote za ogrevanje kabine
vozila.
Pri analizi ogrevanja sem si pomagal z izpeljanim sistemom enačb, katerih rezultat je potek
temperature v kabini avtomobila. Vstopni podatki v enačbe so izmerjeni v okviru natančnosti
merilnih naprav, ki so mi bile dostopne. Način merjenja je natančneje opisan v tekstu.
3
2 Izkoristek motorjev v vozilu Izkoristek motorjev v vozilih je s stališča ogrevanja vozila zelo pomemben, saj večji
izkoristek pomeni manj odpadne toplote za ogrevanje kabine.
Srednje veliki štiritaktni dizelski motorji imajo v najboljšem območju delovanja izkoristek do
45 %. Vir [1] http://www.mandiesel.com
Specifična poraba motorja je odvisna od obremenitve in je najmanjša pri približno 80 %
nazivne moči. Pri večjih ali manjših močeh je specifična poraba večja, izkoristek pa manjši.
Izkoristek je zelo odvisen tudi od velikosti in namena motorja. Pri motorni žagi, na primer, je
enostavnost bolj pomembna kot majhna poraba. Majhen bencinski dvotaktni motor motorne
žage z močjo 2 kW ima specifično porabo goriva v območju največje moči preko 600 g/kWh,
tako da je izkoristek tega motorja v tem območju okoli 13 %. Podatka o najvišjem izkoristku
pri tem motorju nisem našel. Vir [2] http://www.dlg-test.de/pbdocs/4869.pdf
Čeprav sem za podatek o izkoristku motorja z notranjim zgorevanjem v avtomobilu zaprosil
več avtomobilskih proizvajalcev, mi podatkov ni uspelo dobiti. Javno so dostopni samo delni
in nepopolni podatki – običajno najugodnejša specifična poraba.
Na Volkswagnovi internetni strani sem dobil podatke za specifično porabo njihovega TDI
100-5 turbodizelskega pet valjnega motorja, ki se sicer uporablja v navtiki in ga navajam za
primer.
Ta motor ima največjo moč 74 kW, kar je primerljivo z motorji, vgrajenimi v avtomobil.
Podatki so za mariniziran motor, ki poganja propeler. Karakteristika voznih uporov pri
avtomobilu in karakteristika propelerja nista enaki, vseeno pa se v določenih točkah stikata.
Ta sodoben turbodizelski motor ima najmanjšo specifično porabo 217 g/kWh ali največji
izkoristek 36 %. Celo pri moči 4 kW, kar je le 5 % nazivne moči, ima še vedno skoraj 25%
izkoristek. Vir [3] http://www.vw-m.de
Za primer energijske bilance navajam tudi delovne parametre dizelskega motorja STEYR M1,
ki so jih izmerili na Strojni fakulteti v Ljubljani leta 2005. Na spodnji sliki je prikazana
energijska bilanca tega motorja pri različnih vrtljajih motorja pri polni obremenitvi.
Posamezne oznake pomenijo:
4
Pmeh. je mehanska moč motorja, Qvode je toplota, ki prestopa na hladilno vodo, Qizpuh je
toplota izpušnih plinov, Qostalo je vsota toplote hladilnika za zrak, hlajenega s hladilno vodo
motorja, toplote goriva, hlajenega s hladilno vodo motorja, toplote sevanja in konvekcije ter
nezajeta toplota. Vse številke so izražene kot deleži celotne energije.
Slika 1: Energijska bilanca dizelskega motorja Steyr M1 pri polni obremenitvi
Vir [4] Energijska bilanca motorja Steyr M1 izmerjena na FS v Ljubljani, 22. 11. 2005
Izmerjeni izkoristek motorja je med 33 in 41 %. Od 18 do 26 % celotne energije goriva je iz
motorja odnašala hladilna voda. Izpušni plini so iz motorja odnašali od 26 do 35 % celotne
energije. Preostanek toplote (od 10 do 15 %) so skupne izgube toplote pri hlajenju vstopnega
zraka z vmesnim hladilnikom, toplota za ogrevanje goriva in ostale izgube.
V Argonne National Laboratory Transportation Technology R&D Center so oktobra 1999
testirali bencinski motor Toyote Prius. Spodnji graf prikazuje izkoristke pri obremenitvi od 5
do 40 kW. Graf prikazuje izkoristke od 25 do 37 %. Pri običajnih avtomobilih je izkoristek
motorja manjši pri majhnih obremenitvah motorja, kar je vidno tudi v grafu. Pri ničelni
obremenitvi (v prostem teku) je izkoristek celo enak 0 %, če zanemarimo obremenitev
motorja z alternatorjem za polnjenje akumulatorja ali s klimatsko napravo.
Motorji hibridnih avtomobilov pri tako majhnih močeh ne delujejo, saj računalnik poskrbi za
izklop motorja in pogon z elektromotorjem ali pa za obremenitev bencinskega motorja z
generatorjem, ki polni akumulatorje.
5
Vir [5] http://www.transportation.anl.gov
Slika 2: Izkoristki bencinskega motorja Toyote Prius
Izkoristek motorja je odvisen od več dejavnikov. Izkoristkov motorja je toliko, kot je delovnih
točk, zato izkoristke prikazujemo z diagrami. Spodnja slika predstavlja diagram specifične
porabe pri delnih obremenitvah za dizelski motor IMR S44/V z nazivno močjo 58 kW.
Vir [6] http://facta.junis.ni.ac.rs
Slika 3: Diagram izkoristka pri delnih obremenitvah za motor IMR S44/V
6
SKLEP: Izkoristek motorja v vozilu je odvisen od načina vožnje, gostote prometa, povprečne
hitrosti, obremenjenosti vozila in drugih dejavnikov. Povprečen izkoristek med vožnjo v
realnem prometu za večino sodobnih vozil z motorjem z notranjim zgorevanjem se giblje med
15 in 35 % V trinajstem poglavju sem predstavil poskus, pri katerem sem meril delo, ki je
potrebno za premikanje avtomobila nižjega srednjega razreda znamke Renault Clio po mestu,
po magistralni cesti in na obvoznici. Z izmerjenimi podatki sem izračunal izkoristek motorja
na posameznih odsekih in na celotni poti. Povprečni izkoristek motorja na celotni poti je bil
27 %.
2. 1 Sistemi za izkoriščanje notranje energije izpušnih plinov
Proizvajalci motorjev razvijajo motorje in dodatne sisteme, s katerimi se trudijo še dodatno
izkoristiti notranjo energijo izpušnih plinov in hladilne tekočine in s tem zmanjšati porabo
goriva. Navedel sem le nekaj možnosti, ki se že uporabljajo ali pa so v fazi raziskav.
TIGER (Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery system) je naziv projekta, ki
napoveduje še bolj intenzivno uporabo izpušnih plinov kot je z običajnimi turbopuhali. Gre za
turbino, ki jo dodatno namestijo za izpušni kolektor. Kinetična energija izpušnih plinov preko
turbine poganja električni generator. S pridobljeno elektriko napajamo električne porabnike v
avtu (ventilacija, električna klimatska naprava, osvetlitev, radio, ...). Pri sistemih kot je
TIGER se pojavijo težave predvsem pri nizkih vrtljajih in majhnih obremenitvah motorja.
Sodobni dizelski in tudi nekateri bencinski motorji del notranje in del kinetične energije
izpušnih plinov že izkoriščajo za pogon turbine, ki poganja puhalo za dodatno polnjenje
motorja z zrakom. Pri tem imajo ti motorji pri nizkih vrtljajih motorja težave s tako
imenovano "turbo luknjo". Energija izpušnih plinov v prostem teku motorja in pri nizkih
vrtljajih in obremenitvah je premajhna, da bi zadostovala za učinkovit pogon puhala. Podobno
je tudi pri turbini, ki poganja generator. Zato TIGER ne more v celoti nadomestiti alternatorja.
Pri BMW-ju so predstavili delujoč motorni prototip, pri katerem motorju na notranje
zgorevanje pomaga tudi PARNI STROJ. Inženirji pri BMW so uspeli uporabiti velik del še
neizkoriščene energije pri sodobnem motorju – notranjo energijo izpušnih plinov. Na spletni
strani so zapisali, da so z uporabo odpadne toplote pri 1,8-litrskem bencinskem motorju
pridobili do 10 kW več moči in do 20 Nm več navora, s tem pa zmanjšali porabo goriva za 15
7
odstotkov. Glavni vir energije za parni stroj predstavlja toplota izpušnega sistema, za dodaten
vir energije pa služi toplota iz sistema hlajenja bencinskega motorja.
BMW razvija sistem tako, da bi ga lahko vgradili v obstoječe avtomobilske karoserije – na
primer v prednji del avtomobila BMW serije 3. Motor je že na preskusni mizi, do serijske
izdelave pa mu po besedah inženirjev iz BMW vseeno manjka še deset let, predvsem zaradi
poenostavljanja in zmanjševanja nekaterih komponent. Vir [7] http://www.bmw.de
2. 2 Druge tehnologije za zmanjšanje porabe v vozilih
Zmanjšanje porabe goriva lahko dosežemo ne le z boljšimi motorji, pač pa tudi z energijsko
manj zahtevnim vozilom. Tako na primer:
BMW uporablja tehnologijo za zmanjšanje upora vozila, tako da hladilni zrak za
hlajenje motorja spušča skozi hladilnik samo v primeru potrebe. Če potrebe po
hladilnem zraku ni, avtomobil samodejno (elektromotorno) zapre reže na sprednjem
delu vozila in s tem izboljša aerodinamiko vozila,
nekatera vozila sama predlagajo zamenjavo prestave, s čimer poskrbijo, da motor teče
v optimalnem področju vrtljajev za določen način vožnje,
proizvajalci gum nenehno razvijajo nove gume z zmanjšanim kotalnim uporom,
električno ojačani volan potrebuje za svoje delovanje energijo samo, ko volan
dejansko vrtimo in ne obremenjuje motorja vozila, tako kot ga hidravlična črpalka pri
hidravličnem ojačevalniku volana,
več proizvajalcev v določene modele že vgrajuje start – stop sisteme. Takšna vozila
nekateri imenujejo mehki hibrid (mild hybrid). Pri njih je zaganjalnik motorja veliko
močnejši kot pri klasičnih vozilih in hkrati služi za izredno hiter zagon motorja (zagon
izvede v nekaj desetinkah sekunde) in kot generator za polnjenje akumulatorjev. S
primerno dimenzioniranim sistemom start – stop se lahko motor ugasne, ko ni
potrebno njegovo delovanje, na primer med čakanjem pred semaforjem ali v koloni.
Sistem je sposoben prevzeti tudi nekaj kinetične energije med zaviranjem, jo pretvoriti
in prenesti v akumulator. Ker se akumulator polni med zaviranjem vozila, alternator
med vožnjo manj obremenjuje motor vozila. Vir [8] http://www.bmw.com
8
3 Razvoj motorjev Običajna vozila uporabljajo za pogon motorje z notranjim zgorevanjem fosilnih goriv. To so
največkrat naftni derivati v obliki:
plinskega olja, ki ga porabljajo dizelski motorji,
bencina, ki ga porabljajo bencinski motorji ali
tekočega naftnega plina (TNP), ki je običajno mešanica butana in propana in ga
porabljajo plinski motorji.
Motorji z notranjim zgorevanjem potrebujejo za svoje delovanje zelo čisto gorivo in
materiale, ki prenesejo visoke temperature. V notranjosti valjev zgoreva zmes goriva in zraka
pri visoki temperaturi. Velik del toplote, ki nastaja pri zgorevanju, izgubimo skozi izpušni
sistem, nekaj pa se je preko sten valjev prenese na dele motorja, ki se zato segrevajo. Stene
motorja moramo hladiti, da se motor ne okvari. Del te, sicer izgubljene toplote motorja, lahko
uporabimo za ogrevanje kabine vozila.
Izkoristek motorja z notranjim zgorevanjem je odvisen od več dejavnikov, nanj pa najbolj
vpliva obremenitev. Pri prostem teku je izkoristek motorja za pogon celo nič.
Proizvajalci motorjev trdijo, da se učinkovitost motorjev ves čas izboljšuje, emisije pa se
zmanjšujejo. Kombinacije različnih tehnologij so že prinesle občutno zmanjšanje porabe
goriva in zmanjšanje vplivov na okolje. Motorji z notranjim zgorevanjem se bodo še
izboljševali na področju zmanjšanja porabe goriva in zmanjšanju emisij. Pri bencinskih
motorjih bo verjetno prevladovala strategija zmanjševanja porabe energije, pri dizelskih pa bo
pozornost namenjena zmanjševanju škodljivih emisij, predvsem trdnih delcev.
Razvoj batnih motorjev se nadaljuje. Evropska unija je predpisala največje dovoljene emisije
iz motorjev z notranjim zgorevanjem s tako imenovanimi EURO standardi. Za primer
podajam vsebnost saj v izpušnih plinih osebnih avtomobilov:
EURO 3, sprejeti leta 2000, so dovoljevali 0,05 g saj na km,
EURO 4, sprejeti leta 2005, so dovoljevali 0,025 g saj na km,
EURO 5, ki veljajo od leta 2009, dovoljujejo le 0,005 g saj na km,
EURO 6, ki bodo veljali od leta 2014, ravno tako dovoljujejo 0,005 g saj na km, še
bolj strogo pa omejujejo emisije drugih snovi.
Da bi dosegli dodatne izboljšave v motorni tehnologiji, proizvajalci vozil v povezavi z
rafinerijami intenzivno delajo tudi na izboljšavi goriv. Moderni visoko tehnološki motorji
lahko svoj najvišji potencial dosežejo le z najboljšimi gorivi, kvaliteta goriva pa po svetu
9
precej niha. Neugodna sestava goriva lahko povzroči napake pri delovanju sodobnih
vbrizgalnih sistemov in celo poškoduje motor.
3. 1 Energetsko učinkovita vožnja
Doslej sem opisal ukrepe na motorju in vozilu, ki zmanjšujejo porabo avtomobila. Mnogo pa
lahko naredi tudi voznik. Pri velikem številu vozil se tudi majhni prispevki posameznikov
močno poznajo. V Sloveniji je bilo leta 2007 registriranih 1014122 osebnih vozil. Vir [9] http://www.stat.si
Če z avtomobilom povprečno prevozimo 20.000 km letno, znaša letna poraba goriva ob
povprečni porabi 7 litrov goriva na 100 km, 1400 litrov za eno vozilo. Po trenutnih cenah
stane samo gorivo za eno leto več kot 1400 evrov. Ta znesek je zelo odvisen od uporabnika,
avtomobila, vrste pogonskega goriva in drugih dejavnikov.
Prvi, ki izvajajo ukrepe za znižanje porabe, so proizvajalci, ki skušajo to dosegati z:
razvojem novih tehnologij,
zmanjšanjem mase vozila,
izboljšanjem aerodinamike,
vračanjem energije zaviranja,
večanjem prestavnega razmerja (peta in šesta prestava),
določanjem primernega tlaka v zračnicah,
znižanjem porabe ostalih bremen (klime, ventilatorja, …),
zniževanjem porabe luči z uporabo LED diod in drugimi ukrepi.
Voznik in njegov način vožnje prav gotovo močno vpliva na porabo, nima pa neposrednega
vpliva na gostoto in smer prometa, stanje cest, semaforje in klimatske razmere. Kultura
vožnje lahko kljub slabim cestnim razmeram močno zmanjša skupno porabo goriva, s tem pa
tudi onesnaževanje.
Bistveni dejavniki, ki vplivajo na porabo, so:
masa vozila (veliki in težki avtomobili porabijo več kot majhni in lahki),
delovna prostornina motorja (motor z večjo prostornino običajno porabi več),
vrsta goriva (dizelski motorji običajno porabijo manj goriva kot bencinski motorji) in
način vožnje; kulturna vožnja, s striktnim upoštevanjem prometnih pravil in načel
varčne vožnje lahko porabo goriva močno zniža.
10
Za posameznika je zelo koristno, da pred nakupom izbere sebi primerno vozilo. Uporabnik
mora vedeti, kakšno vozilo bo zanj najprimernejše. Potrebuje lahko majhen športni avto,
veliko terensko ali potovalno vozilo večje zmogljivosti in višjega standardnega razreda ali
majhno in lahko vozilo za prevoz na delo in običajne vsakodnevne potrebe.
Na količino porabljenega goriva lahko vplivamo tudi z načinom vožnje in vzdrževanjem
vozila. Pretirana obraba ali zastarelost delov vozila lahko poviša porabo goriva. Celo prehitra
vožnja čez robnik lahko spremeni geometrijo podvozja, kar se kasneje pozna pri porabi
goriva.
Z zaviranjem kinetično energijo avtomobila spreminjamo v toploto, ki jo v okolico oddajajo
segreti zavorni koluti, bobni, čeljusti. Najmanjša možna mera pospeševanja in zaviranja za še
vedno tekočo in varno vožnjo pri tem pomeni manjšo porabo goriva.
Poraba goriva (v litrih na 100 km) je zelo velika pri majhnih hitrostih, pri srednjih hitrostih je
optimalna, pri višjih hitrostih pa se zopet viša. Še najmanj gospodarno je voziti neenakomerno
oziroma sunkovito, s pogostim zaviranjem in pospeševanjem.
Voznik lahko vpliva pri vožnji na optimalno delovanje motorja in s tem na porabo tudi s
primernim prestavljanjem. Motor ima najmanjšo specifično porabo goriva v določenem
območju vrtljajev, ki se običajno ujema s področjem največjega navora.
Ko avto stoji, ne potrebuje nobene moči oziroma pogona, vendar vseeno potrebuje gorivo za
delovanje motorja. Pri avtomobilu srednjega razreda je poraba motorja v prostem teku
običajno nekaj manj od enega litra na uro. Če to upoštevamo pri vožnji po mestni gneči, kjer
je veliko semaforjev in stanja v kolonah, lahko to pomeni precej višjo porabo goriva, saj je
povprečna hitrost majhna. Avtomobil je pri daljšem čakanju pametno ugasniti. V zadnjem
času vozniki puščajo motor teči tudi zaradi delovanja klimatske naprave, kar lahko poveča
porabo goriva za pol do enega litra goriva na uro.
SKLEP: Motorji z notranjim izgorevanjem se še vedno izboljšujejo predvsem na področju
manjše porabe goriva in manjšega onesnaževanja okolja. Na porabo goriva lahko vpliva
voznik avtomobila s primerno izbiro vozila pri nakupu in s primernim načinom vožnje.
11
4 Goriva 4. 1 Fosilna goriva
Fosilna goriva nastajajo več milijonov let iz zakopane organske snovi in so sestavljena
predvsem iz ogljika in vodika. Ogljikovodiki z več kot 20 atomi ogljika so trdni (premogi),
tisti s štirimi do dvajsetimi atomi so tekoči (nafta), ogljikovodiki z manj kot štirimi
ogljikovimi atomi pa so plinasti (metan, etan, propan, butan).
V vozilih fosilna goriva v obliki naftnih derivatov uporabljamo predvsem za zgorevanje v
motorjih z notranjim zgorevanjem. Pri tem se gorivo spoji s kisikom (običajno iz zraka) v
produkte. Reakcija je eksotermna, pri njej pa nastaja ogljikov dioksid in vodna para. Zaradi
nepopolnega zgorevanja in nečistoč v gorivu (žveplo, mineralne snovi) ter povišane
temperature v zgorevalnem prostoru pa nastajajo še drugi produkti, npr.:
ogljikov monoksid,
žveplov dioksid,
dušikovi oksidi,
saje in trdni delci,
druge spojine (ogljikovodiki).
Onesnaževanje zmanjšujemo s:
primerno izbiro goriv, ki jih že pred tem očistijo v rafinerijah,
tehnologijo zgorevanja,
katalitičnimi pretvorniki, ki naj dokončajo reakcije tako, da dobimo na izpuhu H2O,
CO2 ter N2.
Naftne derivate dobimo iz surove nafte v rafinerijah kot produkt frakcionarne destilacije.
Tako dobimo bencin, kerozin, plinsko olje, lahko in ekstra kurilno olje, mazut in druge snovi
(mineralna olja, bitumen), ki pa jih ne štejemo več med goriva. Naftni derivati imajo zelo
veliko kurilnost v primerjavi z drugimi snovmi. V fosilnih gorivih je nakopičena energija, ki
se v dani obliki obdrži skoraj poljubno dolgo, zato je zelo uporabna. Fosilne snovi
uporabljamo tudi v petrokemični industriji kot surovino za trdne, tekoče in plinaste umetne
mase, npr. barve, lake, PVC, polietilen, za zdravila, tekstil, celo hrano lahko izdelamo iz njih.
Fosilna goriva so neobnovljivi vir, kar pomeni, da se v času človeškega življenja ne obnovijo.
Njihova količina se zmanjšuje. Predvsem nas skrbi količina surove nafte. Fosilna goriva bodo
12
vedno dražja tudi zaradi cene, ki jo bodo morali porabniki plačati zaradi škode, povzročene
ljudem in okolju.
4. 2 Alternativna goriva
Alternativna goriva, ki jih lahko uporabljamo v klasičnih motorjih z notranjim zgorevanjem,
so predvsem tako imenovana BTL (Biomas to Liquid) goriva. Biomaso lahko uporabimo za
izdelavo različnih goriv. V vozilih uporabljamo predvsem bioetanol, biometanol ter biodizel.
Pri zgorevanju biogoriv se sprošča le CO2, ki ga rastline pridobijo iz ozračja med rastjo. Zato
so ta goriva skoraj CO2 nevtralna, atmosfere pa ne obremenjujemo z dodatnim ogljikovim
dioksidom. Nekaj ogljikovega dioksida vseeno izpuščamo v ozračje ob izdelavi gnojil in
pridelavi rastlin ter predelavi v biogoriva. Nekatera biogoriva dodajamo klasičnim gorivom
do določene koncentracije, druga pa lahko uporabljamo tudi samostojno.
Pri proizvodnji biogoriv je potrebna določena količina energije za obdelavo njiv (traktorji),
pobiranje pridelka, obdelavo rastlin in druge dejavnosti, ki so del proizvodnje. Energijsko
število nam pove razmerje med energijo pridobljenega goriva in energijo, ki smo jo vložili v
pridelavo in predelavo rastlin.
Za pridelavo pridelkov, iz katerih izdelujemo biogoriva, potrebujemo kmetijske površine.
Velik del teh kmetijskih površin je trenutno namenjen pridelavi hrane. Proizvodnja biogoriv
lahko zato pomeni težave pri proizvodnji hrane. Poleg tega rastline za proizvodnjo biogoriv
med rastjo ščitimo pred škodljivci s kemičnimi pripravki. S tem negativno vplivamo na
okolje.
Če v biogoriva predelamo le organske odpadke iz obstoječe proizvodnje in predelave, na
okolje ne vplivamo negativno.
4.2.1 Vodik
Vodik pravzaprav ni gorivo, ampak samo nosilec energije, saj ga v naravi ne najdemo v prosti
obliki. Vodik je plin brez barve, vonja in okusa. Pri gorenju ima zelo vroč plamen. Vodik
lahko neposredno zgoreva v plinskih batnih motorjih. Vodik je najredkejši poznani plin.
Njegova gostota pri temperaturi 0 ºC in tlaku 1,013 bar je 0,089 kg/m3. V kemijski reakciji se
s kisikom spoji v vodo. En kubični meter vodika ima pri normalnih pogojih kurilno vrednost 3
kWh. Za primerjavo, en kubični meter bencina ima kurilno vrednost skoraj 9000 kWh. Pri
vodiku je težavna velika prostornina rezervoarjev za shranjevanje, če je v plinasti obliki pri
normalnem tlaku. Trenutno se zato uporablja:
13
shranjevanje plinastega vodika v tlačnih posodah pod velikim tlakom (100 do 700
barov), vendar pa so takšne posode zaradi debelih in močnih sten težke,
shranjevanje plinastega vodika v nizkotlačnih posodah (do 10 bar), ki pa imajo
preveliko prostornino za uporabo v prometu,
shranjevanje vodika v trdni obliki; pri tem vodik reagira z določeno kovinsko zlitino
in z njo tvori zlitino, ki ji rečemo hidrid. Uporabne so na primer zlitine železa in titana
(FeTi) s katero z dodatkom vodika dobimo FeTiH2 ali pa zlitine magnezija in niklja
(MgNi), kjer kot produkt reakcije z vodikom dobimo Mg2NiH4. Hidride shranjujemo v
nerjavečih ceveh. Hidridi sproščajo vodik, če jih segrejemo nad 80 ºC.
shranjevanje vodika v tekoči obliki; ohlajanje vodika do njegovega tališča, ki pa je pri
temperaturi 13,81 K (–253 ºC), zato morajo biti rezervoarji primerno izolirani. To
dosežemo z vakuumsko izolacijo s sevalnimi ovirami. Tako zmanjšamo prostornino
vodika za 800-krat. Zanimivo je, da je v litru vode več vodika kot v litru
utekočinjenega vodika.
Vodik trenutno proizvajajo v velikih količinah iz zemeljskega plina (metana) in vodne pare
pri visoki temperaturi (1500 ºC) in prisotnosti katalizatorja iz niklja. Ta proces ni ekološko nič
boljši kot neposredno zgorevanje metana v motorjih, saj se v ozračje ravno tako sprošča CO2.
Vodik pa se da pridobivati tudi iz obnovljivih virov, in sicer s pomočjo elektrolize ali pa s
toplotno disociacijo molekul vode. Elektriko, potrebno za elektrolizo, lahko pridobimo tudi iz
obnovljivih virov energije. Toplotna disociacija je razpad molekule vode pri visokih
temperaturah (nad 2000 stopinj Celzija) na vodik in na kisik. Visoke temperature lahko
dosežemo tudi s koncentratorji sončnega sevanja. Vir: Hanžič [10]
SKLEP: Vodik nastopa v naravi samo v vezani obliki, zato ga ne štejemo h gorivom. Lahko
pa nadomesti nekatera goriva, na primer naftne derivate v prometu. Vodik lahko pripomore
tudi k povišanju izkoristkov energetskih procesov na račun popolnejše tehnologije
pretvarjanja primarne energije v sekundarno.
Trenutno prototipni avtomobili z batnim motorjem na vodik ogrevajo kabino z odvzemanjem
odvečne toplote motorju.
14
5 Alternativni pogoni
Alternativni pogoni so pogoni, ki v svetu še niso splošno uveljavljeni, lahko pa bi pomagali
pri premagovanju energetske krize. Za pogon vozil lahko uporabljamo neposredno ali
posredno tudi obnovljive vire energije.
Vsak pogon naj bi zadostil določenim zahtevam, da ga lahko uporabimo v serijski
proizvodnji. Če tem zahtevam ne more zadostiti, bo verjetno ostal le prototip ali pa bo odšel,
kot rečemo, na smetišče zgodovine. Včasih za vedno, včasih pa le za določen čas, do odkritja
novih materialov za njegovo izdelavo ali do drugačnih okoliščin.
5. 1 Klasični motorji
Z manjšimi spremembami lahko klasični motorji (Otto, Diesel) delujejo tudi z alternativnimi
gorivi, kot so bioetanol, biometanol, biodizel ali vodik.
5. 2 Stirlingov motor.
Motorji, ki za delovanje izkoriščajo Stirlingov proces, so v bistvu batni motorji z zunanjim
zgorevanjem. Za svoje delovanje lahko porabljajo zelo različna goriva: plinasta, tekoča, v
nekaterih izvedbah pa tudi trdna goriva ali kakšen drug vir toplote. Poleg tega je njegova
prednost tudi relativno tiho delovanje. Njegove pomanjkljivosti so zahtevna izdelava
mehanizma, relativno dolg čas ogrevanja pred delovanjem (nekaj minut) in relativno visoka
cena zaradi nekaterih temperaturno močno obremenjenih delov.
Stirlingov motor bo uporaben predvsem v posebnih primerih. S tem motorjem bi lahko
izrabili odpadno toploto, ki jo z drugimi toplotnimi stroji ne moremo. Delovanje tega motorja
je mogoče tudi, če en del motorja hladimo, npr. s tekočim dušikom, drugega pa ogrevamo s
toploto iz okolice. Zaenkrat ga uporabljajo največkrat tako, da uporablja fosilna goriva.
Izkoristek Stirlingovega motorja običajno ne presega 40 %. Za ogrevanje vozil s tem
motorjem bi bilo na razpolago dovolj odpadne toplote.
5. 3 Plinske mikroturbine V zadnjem času intenzivno razvijajo majhne plinske turbine, imenovane "mikroturbine",
pogosto z električnim menjalnikom, ki bi se jih dalo uporabiti tudi v hibridnih vrstah pogona.
Kot primer navajam mikroturbino na plin z električno močjo 30 kW, ki jo proizvaja družba
Capstoneturbine. Ta mikroturbina z nazivom C 30 proizvaja elektriko z izkoristkom 26 %.
Izpušni plini te turbine imajo še vedno temperaturo 275 °C. Pri uporabi takšne turbine v
15
avtomobilu bi bilo odpadne toplote za ogrevanje dovolj. Konstruktorji se že trudijo z
razvijanjem mikroturbin, ki bi dosegale izkoristek 40 %. Vir [11] http://www.microturbine.com
SKLEP: S stališča ogrevanja kabine vozila vsi zgoraj našteti pogoni ali goriva ne pomenijo
bistvene spremembe. Do pretvorbe kemične energije v mehansko delo še vedno pride v
motorju z notranjim ali zunanjim zgorevanjem. Izkoristek je omejen s temperaturami, zato je
nizek. Odvečne toplote je dovolj, tako da je lahko ogrevanje rešeno na klasičen način z
odvzemanjem odvečne toplote motorju.
5. 4 Drugi alternativni pogoni 5.4.1 Akumulacija energije v ultrakondenzatorjih
Ultra kondenzatorji so kondenzatorji z zelo veliko energijsko gostoto. Uporabljamo jih za
skladiščenje električne energije, podobno kot akumulatorje ali baterije. Njihova energijska
gostota je manjša od energijske gostote akumulatorjev, saj je le okoli 5 Wh/kg (litijevi
akumulatorji do 200 Wh/kg), se pa odlikujejo po izredno veliki specifični moči, ki je preko 15
kW/kg (akumulatorji do 2 kW/kg). Odlikuje jih tudi dolga življenjska doba, trenutno do
1.000.000 ciklov (akumulatorji do 2.000 ciklov). Ti kondenzatorji imajo majhno notranjo
upornost, zato lahko zelo hitro sprejemajo ali oddajajo veliko količino energije. Ena od
možnosti uporabe je shranjevanje in ponovna uporabo kinetične energije pri zaviranju. Pri
običajnih zavorah se kinetična energija v zavorah pretvori v toploto, ki se prenese na okoliški
zrak, vozilo pa za ponovno pospeševanje potrebuje novo gorivo.
Za primer poglejmo, kolikšno kinetično energijo ima manjši avtomobil z maso 1000 kg pri
hitrosti 54 km/h ali 15 m/s. Kinetično energijo izračunamo po enačbi:
2
2vmWk
(1)
in tako dobimo rezultat 31 Wh. Če bi to energijo uskladiščili v akumulator, bi zadoščala za
napajanje vseh električnih porabnikov v avtomobilu (z močjo 200 W) za deset minut.
To je energija, ki jo sprosti zgorevanje 0,003 litra plinskega olja, če upoštevamo še izkoristek
motorja (25 %), pa za toliko energije potrebujemo 0,012 litra goriva. Če se postopek večkrat
ponovi, recimo 20-krat na uro, povprečna hitrost vožnje pa je 30 km/h, samo pospeševanje in
zaviranje povečata porabo goriva za 0,8 litra na 100 km.
Če bi lahko energijo pri zaviranju na določen način shranili za kasnejšo ponovno uporabo, bi
to težavo znatno zmanjšali. In prav to nam ponujajo ultrakondenzatorji, seveda v povezavi z
16
generatorjem in dodatnim pogonskim elektromotorjem. Vendar pa celoten sistem zajema
energije in njene ponovne uporabe nima popolnega izkoristka.
Pri bolj agresivni vožnji z močnim pospeševanjem in pogostim zaviranjem se poraba goriva
še poveča. Še posebej je to izraženo pri višjih hitrostih, saj se kinetična energija povečuje s
kvadratom hitrosti.
5.4.2 Vozila na stisnjeni zrak
Energijo stisnjenega zraka uporabljamo v različnih pnevmatskih orodjih in napravah.
Energijo, ki jo ima stisnjeni zrak, lahko uporabimo tudi za pogon avtomobila. Stisnjeni zrak
ima tlačno energijo. Energijo, ki jo ima v hranilniku prostornine V1 na tlak p1 stisnjeni zrak
izračunamo po enačbi:
kWhJJ
mmN
pp
VpWz
25,14105137,51090
300ln3,010300ln
55
32
5
0
111
(2) Vir: Strnad [12]
kjer simboli pomenijo:
Wz – energija zraka v joulih
p1- začetni tlak v paskalih
p2 – končni tlak v paskalih
V1 – začetna prostornina v kubičnih metrih
ln - naravni logaritem
V enem od prototipov avtomobila na zrak je v rezervoarju iz ogljikovih vlaken s prostornino
300 litrov zrak, stisnjen na tlak 300 barov. Izračun pokaže, da takšen rezervoar vsebuje 14
kWh energije, kar ob upoštevanju izkoristka motorja na zrak in izkoristka dizelskega motorja
pomeni ekvivalent nekaj litrov goriva. Pri ekspanziji zraka se njegova temperatura zniža, zato
je zrak na izpuhu tega vozila ohlajen do –15 °C, tako da ga lahko porabimo za hlajenje
notranjosti vozila. Ogrevanje prototipa so rešili z dodatnim grelnikom na fosilno gorivo.
V začetku februarja leta 2007 sta skupina MDI in indijska tovarna Tata Motors podpisala
sporazum o skupnem razvoju in izdelavi vozil s pogonom na stisnjeni zrak. V začetku leta
2008 so na spletni strani tovarne Tata zapisali, da do redne proizvodnje manjka še nekaj
raziskav. Natančnega datuma prodaje niso napovedali. Prototip AirPod so predstavili na
avtomobilskem sejmu v Ženevi marca 2009. Vir [13] http://www.mdi.lu
17
5.4.3 Sončne celice
Sončne celice so naprave, ki pretvarjajo energijo svetlobe v električno energijo. Poznamo več
vrst sončnih celic, ki se razlikujejo po načinu izdelave, ceni, trajnosti in drugih lastnostih.
Izkoristek komercialno dostopnih sončnih celic je od 5 % do okoli 15 % .
Če upoštevamo, da je jakost sončnega sevanja ob sončnem dnevu 1 kW/m2 in je avtomobil
pokrit s 4 m2 velikim panelom sončnih celic (z izkoristkom 10 %), ugotovimo, da je skupna
električna moč sončnih celic komaj 400 W, kar je za običajno vožnjo premalo. Še sploh, če
upoštevamo, da nebo ni ves čas jasno. Zato pa so zanimive dirke posebno konstruiranih vozil
s pogonom na sončne celice.
Sončne celice za neposredni pogon vozila torej niso primerne. Uporabne pa so kot izvir
električne energije, ki jo uporabimo bodisi za elektrolizo vode, s katero pridobivamo vodik, ki
ga uporabimo za pogon vozil, ali pa za polnjenje akumulatorjev v vozilu.
5.4.4 Shranjevanje energije z vztrajnikom
V vztrajniku shranjena energija je odvisna od uporabljenega materiala. Največja možna
shranjena energija je tako za kvalitetno jeklo okoli 30 Wh/kg, za polimer ojačan z ogljikovimi
vlakni pa celo 220 Wh/kg. Sistem, ki uporablja vztrajnik iz kompozitnih materialov z maso
110 kg in hitrostjo vrtenja od 18.000 do 37.800 vrtljajev na minuto, lahko shrani 3 kWh (27
Wh/kg) energije in deluje z največjo močjo 250 kW (2,3 kW/kg). Če upoštevamo maso
celotnega sistema (prenosa, ohišja, nosilcev), so te številke nekaj manjše. Shranjevanje je po
navedbah proizvajalca možno ponoviti od 100.000 do 10.000.000 krat. Vztrajnik pospešujejo
in zavirajo preko brezstopenjskega menjalnika, ki omogoča uskladitev hitrosti vrtenja
vztrajnika s hitrostjo koles. Izkoristek regeneracije energije zaviranja s sistemom vztrajnika je
po podatkih poročila vsaj 65 %. Vir [14] Storage technology report st.6: flywheel
SKLEP: Sistemi s shranjevanjem energije z vztrajnikom bodo uporabni za shranjevanje
energije zaviranja in ponovno uporabo te energije za pospeševanje. Pri tem bodo ti sistemi
konkurirali akumulatorskim hibridnim vozilom.
5. 5 Hibridna vozila
Hibridno vozilo za pogon uporablja vsaj dva različna vira energije in je opremljeno z dvema
agregatoma (npr. elektromotorjem in bencinskim motorjem) ter z dvema shranjevalnikoma za
18
energijo (npr. akumulatorjem in posodo za bencin). Poznamo zaporedne, vzporedne, mešane
hibride in tako imenovane mehke hibride (mild hybrid).
Pri zaporednih hibridih motor z notranjim zgorevanjem poganja generator. Elektrika napaja
akumulator ali neposredno pogonski elektromotor (primer: dizelska lokomotiva). Moč pogona
določa pogonski elektromotor.
O vzporednem hibridu govorimo, kadar motorju z notranjim zgorevanjem pri pogonu vozila,
predvsem pri pospeševanju pri nižjih hitrostih, pomaga elektromotor. Isti elektromotor lahko
služi tudi kot generator pri zaviranju. Kadar se takšno vozilo giblje, mora delovati tudi motor
z notranjim zgorevanjem.
Uporaba hibridov je najbolj gospodarna v mestih, saj so hitrosti nizke in za premikanje vozila
ni potrebna velika moč. Rezultat je tiho premikanje vozila, majhna poraba goriva in majhne
emisije. Dobra lastnost hibridov je tudi regenerativno zaviranje.
Posebej primerna je uporaba hibridne tehnologije v luksuznih in terenskih vozilih, kjer je,
zaradi velike mase in zahtev po dobrih zmogljivostih, problem obremenitve okolja in porabe
še večji. Zanimiva možnost, ki jo ponuja hibridna zasnova, je štirikolesni pogon brez težkih
mehanskih prenosov. Električni in bencinski motor lahko delujeta na različnih oseh in ob
ustreznem krmiljenju poganjajo vozilo po potrebi vsa štiri kolesa.
Hibridna vozila imajo tudi pomanjkljivosti. Njihova zgradba je bolj zapletena od zgradbe
klasičnih vozil. Z večjim številom sestavnih delov se poveča masa vozila. Cena teh vozil je
višja od cene klasičnih. Na tržišču dostopna vozila imajo majhen akcijski radij vožnje s
pogonom na elektromotor. Poraba goriva je primerljiva s porabo podobnih vozil z dizelskim
motorjem. Hibridna vozila še vedno porabljajo naftne derivate.
V primeru uporabe tehnologije »plug in«, bo mogoče avtomobil napolniti iz primerne
električne vtičnice. V tem primeru bodo takšna vozila porabila manj fosilnih goriv, elektrarne
pa bodo morale dobaviti večje količine elektrike za polnjenje teh vozil. Ker večino elektrike
trenutno pridobivamo iz naravi neprijaznih virov, bi se onesnaževanje okolja samo
premaknilo na druge lokacije.
O hibridnih avtomobilih se pogovarjajo tudi gasilci in reševalci. Do hibridnih vozil,
udeleženih v prometnih nesrečah, bodo morali pristopati drugače kot do klasičnih, zaradi
možnosti poškodb z električnim tokom.
5.5.1 Toyota Prius
Kot primer hibridnega vozila bi podrobneje opisal Toyoto Prius, ki je bil prvi sodoben
velikoserijski hibridni avtomobil na tržišču. Opis je za to nalogo pomemben predvsem s
stališča razumevanja načina ogrevanja hibridnega avtomobila.
19
Prius je hibridni avtomobil srednjega razreda za pet oseb. Poraba goriva je nekaj nižja od
primerljivih bencinskih avtomobilov tega razreda. Nižja poraba goriva je posledica ne samo
hibridne tehnologije, ampak tudi posebno aerodinamične oblike vozila in manjših voznih
uporov.
Priusov pogonski sklop sestavljajo naslednji elementi:
bencinski motor z močjo 73 kW,
električni motor z močjo 60 kW, ki ob zaviranju služi kot generator,
generator, ki presežek energije pretvarja v elektriko, ki se shrani v NiMH
akumulatorsko baterijo. Generator služi tudi kot zaganjač za bencinski motor,
NiMH akumulatorska baterija, ki lahko shrani 1,3 kWh energije.
računalniški sistem, ki krmili pogonski sklop in usklajuje pogonski sklop, zavore,
varnostne in druge sisteme.
Vir: [15] http://www.toyota.com
Avtomobil spelje s pomočjo elektromotorja, šele pri določeni hitrosti se zažene bencinski
motor. Bencinski motor zato v začetku vožnje in pred vožnjo ne deluje, zato tudi ni odpadne
toplote, ki bi jo lahko uporabili za ogrevanje kabine. Pri vožnji bencinski motor vedno deluje
v najbolj gospodarnem območju vrtljajev. Njegova moč se prenaša na kolesa hkrati po
mehanski in po električni poti (generator, elektromotor) v določenem razmerju. Presežek
energije se porabi za polnjenje akumulatorja. Voznik lahko ročno izbere način vožnje samo z
elektromotorjem, ki pa je lahko le kratkotrajen (2 do 3 km s hitrostjo do 50 km/h) in pri zelo
umirjeni vožnji, saj se baterije v tem režimu delovanja hitro izpraznijo.
Ob zaviranju se velik del energije pretvori v električno, ki se kasneje uporabi za pospeševanje.
Ko računalnik zazna, da je baterija skoraj prazna, se zažene bencinski motor, ki preko
generatorja napolni akumulator, zato avtomobila ni potrebno (ali možno) priključiti na
električno omrežje. Avtomobil je opremljen s sistemom stop-start, ki vozilo pri ustavljanju
samodejno ugasne in ponovno zažene motor, ko je to potrebno.
Za vsebino te naloge je pomemben tudi naslednji podatek.
Na področju udobja za potnike je posebnost avtomobila električni kompresor klimatske
naprave, ki deluje neodvisno od bencinskega motorja, torej tudi med mirovanjem vozila. Prius
ogreva kabino potniškega prostora, tako kot vsa ostala običajna vozila, torej s toploto, ki jo
dobi od bencinskega motorja. Zato bencinski motor teče toliko časa, da se kabina vozila
segreje. Pri hitrejšem ogrevanju notranjosti vozila pomagajo še dodatni električni grelniki, ki
so vgrajeni v prezračevalni kanal, skozi katerega prihaja topel zrak v kabino. Med
20
mirovanjem vozila vozilo ogrevajo električni grelniki, ki se napajajo iz akumulatorja. Ko se
akumulator sprazni pod določeno mejo, se samodejno požene bencinski motor, ki preko
generatorja zopet napolni akumulator.
5.5.2 Honda Civic hibrid
Za obravnavo ogrevanja kabine avtomobila je zanimiv še drug koncept hibridnega
avtomobila, katerega predstavnik je Honda Civic hibrid, ki jo poganja 1,3-litrski i-VTEC
bencinski motor s tehnologijo IMA (Integrated Motor Assistance). Bencinskemu motorju z
močjo 80 kW pomaga elektromotor z močjo 15 kW.
Pri speljevanju ali pospeševanju hkrati delujeta elektromotor in bencinski motor. Med
enakomerno vožnjo pri hitrosti med 20 km/h in 50 km/h lahko deluje samo elektromotor,
bencinski motor pa preide v način izključenega vžiga, delovanja z odprtimi ventili in majhnim
uporom. Energijo zagotavlja akumulator. Med zaviranjem elektromotor deluje kot generator,
ki polni akumulator. Med mirovanjem vozila se motor izključi in se ponovno zažene ob
pritisku na plin.
Način ogrevanja pri tem avtomobilu je klasičen, saj bencinski motor deluje večino časa
vožnje avtomobila. Vir [16] http://automobiles.honda.com
SKLEP: Hibridna vozila trenutno ogrevajo kabino potniškega prostora tako kot vsa ostala
običajna vozila, torej s toploto, ki jo dobijo od bencinskega motorja. Bencinski motor zato
teče toliko časa, da se kabina vozila segreje. Pri hitrejšem ogrevanju notranjosti hibridnim
vozilom pomagajo še dodatni električni grelniki, ki energijo dobijo iz akumulatorjev. Zato
dodatno ogrevanje vozila vpliva na doseg in na porabo hibridnih vozil.
21
5. 6 Električna akumulatorska vozila
Električna akumulatorska vozila so vozila s pogonom na elektromotor, ki dobiva električno
energijo iz akumulatorjev. Veliko takšnih vozil vozi predvsem na krajše proge, na primer
vozički za prevoz prtljage na železniških postajah, vozila za prevoz v zaprtih prostorih
(jamske lokomotive v rudnikih, premogovnikih, itd.), pa tudi invalidski vozički, industrijski
viličarji, vozički na golf igriščih in druge naprave (čolni na jezerih). Pri delovanju so zelo tiha
in v okolje lokalno ne oddajajo škodljivih snovi (zero emmision), za delovanje pa tudi ne
potrebujejo kisika (podmornice).
Obstajajo tudi že osebni avtomobili, ki sodijo v skupino električnih akumulatorskih vozil.
Poglavitna težava teh vozil je v avtonomnosti delovanja in v ceni. Akumulatorji danes še ne
dosegajo zadostne kapacitete, da bi ta vozila lahko resno konkurirala vozilom s pogonom na
fosilna goriva, razen v posebnih pogojih delovanja (mestna središča, jezera, prostori, kjer je
prepovedano onesnaževanje). Tam pa so dobrodošla alternativa vozilom s pogonom na fosilna
goriva.
Akumulator je v principu galvanski člen, ki ga sestavljata dve različni kovini, potopljeni v
elektrolit. Zaradi ionskega toka se med obema elektrodama pojavi razlika napetostnih
potencialov. Glede na zahtevano kapaciteto se s kombinacijo pozitivnih in negativnih plošč
naredi stavek. Med pozitivnimi in negativnimi ploščami je izolacija. Pri polnjenju
akumulatorja teče na ploščah akumulatorja določena reakcija, ki je odvisna od vrste
akumulatorja. Pri praznjenju akumulatorja teče reakcija v nasprotni smeri.
Pri litij ionskih akumulatorjih je anoda običajno grafitna, katoda pa je iz litij kobaltovega
oksida (LiCoO2), liitij manganovega oksida (LiMn2O4), litij nikljevega oksida (LiNiO2), litij
železovega fosfata (LiFePO4 ) ali magnezij aluminijevega oksida (MgAl2O4). Elektrolit je
litijeva sol raztopljena v organskem topilu, največkrat v etru.
Slika 4: Sestava Li- ion baterijskega člena
Viri: [17] http://us.sanyo.com/Batteries
22
Vse vrste električnih akumulatorjev je potrebno napolniti, to pa lahko storimo z elektriko,
pridobljeno iz termoelektrarn, jedrskih elektrarn ali hidroelektrarn. Drugih elektrarn, ki
izkoriščajo obnovljive vire energije, je trenutno še zanemarljivo malo. Dokler ne bomo
elektrike začeli pridobivati iz čistejših in obnovljivih virov energije, električno akumulatorsko
vozilo ne pomeni rešitve globalnih problemov, ampak samo zmanjšanje lokalnih problemov z
onesnaževanjem.
Poznamo več vrst akumulatorjev, od katerih se v električnih vozilih največkrat uporabljajo:
svinčevi Pb/PbO2,
nikelj kadmijev NiCd,
natrij žveplov NaS,
kovinsko hidridni NiMH,
Litij- ionski in Litij-polimerni.
Najbolj problematična je masa akumulatorjev glede na vsebnost energije, ki je tudi pri
novejših Litij-polimernih akumulatorjih do 50-krat večja kot pri bencinu. Zato so avtomobili
na akumulatorski pogon težki, kar zmanjšuje koristno obremenitev vozila in manjša
zmogljivosti (pospeški, doseg vozila). Akumulatorji zasedajo tudi veliko prostornino, kar
zmanjšuje koristni prostor v vozilu.
Težavo predstavlja tudi kratka življenjska doba akumulatorjev. Akumulatorje lahko običajno
napolnimo od 500 do 1500-krat, kar pri normalni uporabi vozila pomeni, da jih moramo
zamenjati vsakih 2 do 5 let. Določen odstotek snovi v akumulatorjih je mogoče reciklirati,
vsega pa ne. V tabeli je prikazana primerjava med bencinom in akumulatorjem glede na
nekatere lastnosti.
Tabela 1: Primerjava pogona z akumulatorjem in bencinskim motorjem s stališča shranjevanja
energije in uporabnosti.
Vrsta
hranilnika
Specifična
energija
[Wh/kg]
Specifična
moč [W/kg]
Izkoristek (generator ali polnilec,
polnjenje, praznjenje, regulator,
elektromotor)
število
ciklov
Bencin 12500 nekaj tisoč 15 do 35 % neomejeno
Pb do 50 do 500 do 60 % 500 do 1000
Li- Po do 200 do 2000 do 70 % do 1500
Viri: [18] http://kokamamerica.com/
[19] http://www.mastervolt.com
23
Cena električne energije, potrebna za polnjenje akumulatorjev, je pri nas trenutno dokaj
ugodna, še posebno, če upoštevamo visok izkoristek sklopa akumulatorja in elektromotorja v
primerjavi z izkoristkom bencinskega motorja. Razmerje bi bilo lahko drugačno, če bi
električno energijo, ki bi jo uporabili za polnjenje akumulatorjev, obremenili s cestnimi in
ekološkimi dajatvami.
Za ogrevanje akumulatorskih vozil so pomembni naslednji podatki.
Akumulatorske baterije zmogljivejših električnih avtomobilov so tekočinsko hlajene, za
zimske razmere pa so baterije lahko opremljene tudi z električnim grelnikom. Ogrevanje
električnih avtomobilov je električno z grelnikom zraka, ob tem pa zaradi varčevanja z
energijo in boljše opaznosti v zadnjih in sprednjih lučeh uporabljajo LED diode.
Z vidika ogrevanja vozila je zanimiv avtomobil Think City, ki ga še ne proizvajajo serijsko.
To je mali mestni avto za štiri osebe. Ogrevanje avtomobila je električno. Obstaja možnost
dokupa električno ogrevanih sprednjih sedežev in časovne nastavitve začetka ogrevanja.
Proizvajalec kot dodatno opremo ponuja tudi ogrevano vetrobransko steklo.
Z letnimi gumami in z izključeno klimatsko napravo lahko ta avtomobil prevozi 180
kilometrov. Z zimskimi gumami in ves čas vključenim grelnikom z močjo 4 kW pa lahko
prevozi samo še 90 km. Vir [20] http://www.think.no
SKLEP: Ponudnikov električnih avtomobilov v svetu je zaenkrat malo. Največja težava teh
vozil je v avtonomnosti delovanja in v ceni. Pri električnih vozilih je ogrevanje zaenkrat
električno, zato je treba ceno ogrevalne toplote prišteti k ceni za pogon vozil, kar ni
gospodarno. Obstoječi električni avtomobili uporabljajo za ogrevanje kabine električne
grelnike in dodatne grelnike sedežev, stekel in drugih delov avtomobila. Nekateri v zimskih
razmerah pri nizkih temperaturah akumulatorje pred vožnjo ogrevajo na delovno temperaturo
z električnimi grelniki, priključenimi na omrežje. Izkoristek elektromotorjev in krmilne
elektronike je okoli 90 %. Ogrevanje električnega avtomobila močno skrajša doseg
avtomobila.
24
5. 7 Vozila z gorivnimi celicami
Vozilo s pogonom na gorivne celice je električno vozilo, ki uporablja vodik v gorivnih celicah
za proizvodnjo elektrike. V gorivno celico se gorivo in oksidant dovajata iz zunanjega vira,
zato je delovanje gorivne celice časovno načeloma neomejeno. Gorivna celica je element, ki s
pomočjo katalizatorja omogoča hladno spajanje vodika s kisikom (običajno iz zraka), pri
čemer se sprošča nekaj toplote in električno delo. Ker vodik oksidira brez zgorevanja,
izkoristek ni omejen s Carnotovim številom, zato je lahko višji od izkoristka toplotnih strojev.
5.7.1 Delovanje gorivne celice
Vodik iz tlačnega rezervoarja vodimo do gorivne celice, kjer se spaja s kisikom iz zraka. Zrak
dovajamo v celico s puhalom. Elektroda, ki je prevlečena s katalizatorjem, razdeli vodik na
elektrone in protone. Protoni (vodikovi ioni) potujejo skozi elektrolit proti katodi, medtem ko
elektron ne more skozi elektrolit, zato potuje po zunanjem električnem krogu, ki se zaključi
na katodi gorivne celice. Na katodi se elektroni združijo z vodikovimi ioni in kisikom v vodo.
Gibanje elektronov po zunanjem električnem krogu je električni tok, ki ga preko elektronske
regulacije vodimo skozi elektromotor, ki poganja vozilo. Edini produkt tega procesa je voda.
Gorivne celice bi načeloma lahko delovale s katerimkoli gorivom v tekoči ali plinasti obliki,
torej tudi z ogljikovodiki, vendar pa ima pri nizkih temperaturah (do 300 °C) dovolj veliko
elektrokemično aktivnost samo čisti vodik. Drugi ogljikovodiki pri temperaturah pod 300 °C
tvorijo ogljikove spojine, ki gorivnim celicam krajšajo življenjsko dobo.
Poznamo več vrst gorivnih celic. V prevoznih sredstvih največkrat uporabljajo PEM (Proton
Exchange Membrane) gorivne celice. Te celice najbolje delujejo pri temperaturah okoli 80
°C in tlaku med 3 in 5 barov. Praktični izkoristek teh celic je do 60 %, moči pa do 250 kW.
Teoretični izkoristek je do 83 % pri temperaturi okolice 25 °C. Gorivo je čisti vodik, oksidant
pa kisik ali zrak. Sklop PEM gorivnih celic je sestavljen iz zaporedno vezanih posameznih
PEM gorivnih celic. Zaradi sproščanja toplote med reakcijo je potrebno sklop hladiti, zato na
vsakih nekaj gorivnih celic namestijo hladilni element. Reakcija pri izredno nizkih
temperaturah ne steče, zato je potrebno celoten sklop pred uporabo segreti. Zaradi enostavne
zgradbe in nizke temperature delovanja so primerne za uporabo v transportu.
Dobre lastnosti gorivnih celic so visok izkoristek, tiho delovanje, možnost delovanja brez
emisij škodljivih plinov, hiter zagon (nekaj sekund) pri primerni temperaturi ter možnost
povezovanja v module večjih moči.
25
Slabe lastnosti gorivnih celic so visoka cena, visoki investicijski stroški (drag razvoj in draga
gradiva za elektrode in katalizatorje), za svoje delovanje potrebujejo vodik, ki ga je potrebno
pridobiti in skladiščiti ter težave z začetkom delovanja pri nizkih temperaturah. Vir [21] http://www.eere.energy.gov
5.7.2 Ogrevanje vozil z gorivnimi celicami
V letu 2008 še ni bilo avtomobilov s pogonom na gorivne celice v prosti prodaji, čeprav po
cestah po vsem svetu že vozi nekaj sto razvojnih vozil različnih proizvajalcev. Na tem mestu
bi predstavil nekaj podatkov prototipnega vozila Honda FCX Clarity, ki so pomembni za
razumevanje načina ogrevanja avtomobilov z gorivnimi celicami.
FCX Clarity je vozilo s pogonom na elektriko, ki jo zagotavljajo gorivne celice. Avtomobil
je opremljen z gorivnimi celicami z močjo 100 kW in 60% izkoristkom. Deluje že pri
zunanjih temperaturah nad –30 ºC. Kot pomožni vir energije uporablja litij-ionsko
akumulatorsko baterijo. Avtomobil z enim polnjenjem prevozi do 450 km in doseže najvišjo
hitrost 160 km/h. Vodik je shranjen v rezervoarju s prostornino 170 litrov pod tlakom 350
barov.
Avtomobil ima dvopodročno klimatsko napravo. Poleg tega ima vsak sedež svoje ogrevanje
ali hlajenje s pomočjo zraka, ki ga vpihujejo z ventilatorji skozi posebne kanale v sedežih in
površino sedežev. Zrak pred vpihavanjem skozi sedeže segrevajo ali ohlajajo s pomočjo
termoelektričnih naprav. Vir [22] http://automobiles.honda.com
Vozila s pogonom na gorivne celice bi se lahko ogrevala z odpadno toploto gorivnih celic,
katerih izkoristek pa si prizadevajo še izboljšati. Odpadne toplote bo sčasoma premalo,
oziroma bo na prenizkem temperaturnem nivoju. Pri nizkih temperaturah okolice bo toplote, v
določenih režimih vožnje, premalo.
Tekoči vodik iz rezervoarja je potrebno najprej upliniti. Za to potrebujemo toploto, ki jo
dobimo bodisi v okolici bodisi v sami gorivni celici. Tudi pri zagotavljanju vodika iz
visokotlačnega rezervoarja bo potrebno zagotoviti toploto iz okolice. Vodik, ki se mu zmanjša
tlak, se ohladi. Da se ne bi ohladil preveč, ga bo potrebno pred vstopom v gorivno celico na
nek način ogreti.
Ker mi natančni tehnični podatki o izkoristkih pri določenih močeh, zunanjih temperaturah,
delovnih temperaturah celice in pretokih vodika in vode niso bili dosegljivi, izhajam iz
naslednjih znanih dejstev. Honda trdi, da jim je že uspelo zagnati gorivne celice pri
temperaturi –30° C. Optimalna temperatura PEF gorivnih celic je okoli 80 °C. Pri nizkih
26
zunanjih temperaturah bo odpadne toplote iz gorivne celice izredno malo, saj bo celica toploto
porabila za doseganje in vzdrževanje svoje lastne optimalne delovne temperature. Ker je
odpadni produkt gorivne celice voda, je potrebno celotni sklop gorivnih celic čim prej ogreti
vsaj na temperaturo nad lediščem. To je potrebno storiti celo pred samim začetkom delovanja
gorivnih celic, saj v nasprotnem primeru lahko pride do zaustavljanja pretoka vode s plastjo
ledu. Verjetno te težave že rešujejo z dodatnimi električnimi grelniki, ki jih napajajo litij-
ionski akumulatorji, ki so vgrajene v Hondo FCX, natančnejši podatki mi niso bili dostopni.
Koliko toplote potrebujemo za ogrevanje plinov pred vstopom v gorivno celico? Oceno lahko
izvedemo z naslednjo analizo. V gorivni celici se spajata vodik iz rezervoarja in zrak iz
okolice. Iz gorivne celice izhajajo produkti reakcije. Gorivna celica ima v svoji sestavi
posebne hladilne kanale. Skozi hladilne kanale kroži hladilna tekočina, ki lahko toploto iz
gorivne celice odnaša v grelnik kabine. Kolikšna je temperatura zraka, ki ga vpihujemo skozi
šobe v kabino avtomobila? Izmeril sem temperaturo zraka, ki prihaja skozi šobe
prezračevalnega sistema v kabino dizelskega avtomobila Renault Clio. Temperatura zraka za
ogrevanje kabine je bila do 70 °C, seveda šele po tem, ko se je motor avtomobila že segrel na
delovno temperaturo in pri nastavljeni najmočnejši stopnji ogrevanja. Običajno je bila ta
temperatura nižja.
Gorivna celica nam tolikšno temperaturo zraka lahko zagotovi, saj je njena optimalna
temperatura delovanja okoli 80°C. Gorivno celico bi torej začeli hladiti (in s to toploto
ogrevati kabino), ko bi dosegla temperaturo 80 °C.
Tudi produkti, ki izstopajo iz gorivne celice, imajo vsaj tolikšno temperaturo. Temperatura
plinov, ki vstopajo v celico, je enaka temperaturi okolice.
Primer ogrevanja avtomobila na magistralni cesti. Avtomobil vozi s hitrostjo 90 km/h,
temperatura okolice pa je –10 °C.
S podatki o avtomobilu, ki so mi bili dostopni (masa, koeficient kotalnega upora, sprednja
ploščina vozila, koeficient zračnega upora) sem izračunal, da pri hitrosti avtomobila 90 km/h
potrebujemo mehansko moč okoli 10 kW. Z upoštevanjem 60% izkoristka (podatek s
Hondine internetne strani) ugotovimo, da bo celotna moč gorivne celice pri tej hitrosti skoraj
16,7 kW, izgube na elektromotorju in regulatorju (90 % izkoristek) pa 1,1 kW. Izgube gorivne
celice so tako 5,6 kW.
Vhodna moč gorivne celice je skoraj 17 kW. Vsak kilogram vodika ima energijo 33,4 kWh. V
eni uri se mora v kemijski reakciji v vodo pretvoriti 0,5 kg vodika.
27
Z uporabo osnovnih kemijskih enačb in poznavanjem molskih mas snovi ugotovimo, da mora
v gorivno celico vstopati vsako uro 0,5 kg vodika in 4 kg kisika oziroma 17,4 kg zraka.
Z upoštevanjem podatkov za maso vodika, specifično toploto vodika in povišanja temperature
za 90 K izračunamo, da za ogrevanje vodika potrebujemo 180 W toplotnega toka. Z
upoštevanjem podatkov za zrak izračunamo, da za ogrevanje zraka potrebujemo 440 W
toplotnega toka.
Izgub na gorivni celici je 5,6 kW, od tega potrebujemo 0,6 kW za ogrevanje vhodnih snovi.
Preostane nam 5 kW toplotnega toka, ki bi ga lahko uporabili za ogrevanje kabine, vendar se
mora najprej do delovne temperature segreti sama gorivna celica.
Masa sklopa gorivnih celic pri Hondi FCX je 67 kg. Natančne sestave gorivne celice pri tem
vozilu ne poznam, zato sem za specifično toploto uporabil podatek iz dostopne literature, to je
700 J/kgK. Gorivna celica naj se segreje na optimalno temperaturo (80 °C) preden ji začnemo
odvzemati toploto. Z zgornjimi podatki lahko izračunamo, da bo gorivna celica lahko začela
oddajati toploto in segrevati kabino po približno petnajstih minutah.
Nekaj odpadne toplote bi morda lahko dobili tudi iz elektronskega vezja za napajanje
elektromotorja in iz elektromotorja samega, vendar pa je izkoristek teh dveh naprav zelo
visok. Elektromotor in regulacijsko vezje skupaj imata ob zgornjih pogojih 1,1 kW izgub. Ta
toplota bi nam bila na voljo za ogrevanje kabine po daljšem času, ko bi oba (elektromotor in
regulacijsko vezje) dosegla temperaturo višjo od temperature kabine. Predpostavljamo tudi,
da sta oba idealno izolirana, torej, da je razpoložljiva vsa toplota, ki jo oddajata. Izračunamo
lahko, po kolikšnem času bo motor dovolj segret, da bo lahko s svojo (odpadno) toploto
segreval še kabino. Uporabimo enačbo:
PTcm
PQt (3)
Mase (m) motorja opisanega vozila Honda ne podaja, zato sem za to analizo uporabil podatek
za motor Tesla Roadster, katerega masa je 60 kilogramov, povprečna specifična toplota (c)
večine snovi (Al, Cu, Fe) iz katerih je narejen motor pa je okoli 450 J/kgK. Za začetno
temperaturo motorja upoštevamo –10 ºC. Temperatura motorja ne vpliva bistveno na njegov
izkoristek, zato mu lahko toploto odvzemamo že, ko je segret na primer na 35 ºC. Ko
dodamo še prej izračunani toplotni tok (P), ugotovimo, da bo tudi elektromotor pričel
oddajati toploto po petnajstih minutah in to pri nizki temperaturi.
Tehnično precej zahtevno bo to toploto zajeti. Verjetno bi težavo najlažje rešili z uporabo
tekočinsko hlajenega elektromotorja in električnega vezja.
28
Pri opisanih pogojih bo po približno petnajstih minutah na voljo dovolj toplote (6 kW) za
ogrevanje kabine. Pri nižji hitrosti (po mestu ali v koloni), bo čas ogrevanja daljši, pri višjih
hitrostih (močeh) pa krajši. Na čas do začetka ogrevanja kabine močno vpliva tudi zunanja
temperatura oziroma začetna temperatura gorivne celice in elektromotorja.
Elektromotor in gorivna celica bosta toploto za ogrevanje kabine začela oddajati veliko
kasneje, kot je na voljo v klasičnih avtomobilih na fosilna goriva. To bo težava, saj smo sedaj
navajeni na večje udobje in hitrejše ogrevanje kabine.
V spodnjem grafu sem prikazal čas DO ZAČETKA ogrevanja kabine pri različnih začetnih
temperaturah gorivnih celic in motorja in pri različnih hitrostih vožnje (močeh agregata).
Podatke sem dobil z lastnimi izračuni (opisanimi zgoraj) z upoštevanjem voznih uporov pri
enakomerni vožnji. Pri izračunih sem uporabil podatke za vozilo srednje velikosti z maso
1300 kg, za podatke gorivne celice pa podatke dosegljive na Hondini spletni strani.
Čas do začetka ogrevanja
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
-30 -20 -10 0 10 20zunanja temperatura [st.C]
čas
[min
] 50 km/h90 km/h130 km/h
Vir: avtor
Slika 5: Čas do začetka ogrevanja pri avtomobilu s pogonom na gorivno celico v odvisnosti
od zunanje temperature pri različnih hitrostih avtomobila
S sistemom enačb, ki sem ga izpeljal za vozilo običajne velikosti in je obrazložen v desetem
poglavju, sem izračunal čas za ogrevanje avtomobila od začetne temperature do primerne
udobne temperature notranjosti avtomobila (22 ºC). Upošteval sem, da je celotno vozilo
ohlajeno na začetno (zunanjo) temperaturo. Pri večjih hitrostih vožnje je na voljo večja
količina odpadne toplote, večji pa je tudi toplotni tok, potreben za ogrevanje vozila. V
spodnjem grafu je prikazan celoten čas za ogrevanje vozila od zagona gorivnih celic do
dosega udobne temperature notranjosti kabine (22 ºC), če sta v avtomobilu dve osebi, ki jima
29
dovajamo po 20 m3 zraka na uro. Toplota, ki jo oddajajo voznik in potniki pri zunanji
temperaturi 20 ºC, zelo hitro ogreje kabino do nastavljene temperature tudi brez toplote iz
grelnika.
Čas od začetka vožnje do ogrete kabine
0
10
20
30
40
50
60
70
-30 -20 -10 0 10 20zunanja temperatura [st.C]
čas
[min
]
90 km/h130 km/h50 km/h
Vir: avtor
Slika 6: Graf časa od začetka vožnje do ogrete kabine avtomobila s pogonom na vodik v
odvisnosti od zunanje temperature pri različnih hitrostih avtomobila.
Po daljšem času vožnje in dovolj veliki hitrosti vožnje bo kljub visokemu izkoristku goriva
odpadne toplote dovolj pri skoraj katerikoli zunanji temperaturi. Težava se bodo pojavile
predvsem v začetnem času ogrevanja. Prvih deset do petnajst minut vožnje bo odpadne
toplote zagotovo premalo, pri nižji zunanji temperaturi pa se ta čas lahko še podaljša.
Pri majhnih hitrostih vožnje (mestna vožnja), ko je za premikanje vozila potrebna majhna
moč agregata, bo tudi odpadne toplote premalo za učinkovito ogrevanje kabine.
V Hondinem razvojnem oddelku se teh težav zavedajo. Zrak v Hondi FCX tudi zato hladijo in
segrevajo s pomočjo termoelektričnih naprav, torej s pomočjo elektrike. Klimatiziran zrak
dovajajo v neposredno bližino potnikov skozi kanale v sedežih. Vir [23] http://www.nytimes.com
SKLEP: Avtomobili s pogonom na vodik z gorivno celico bodo imeli težave pri ogrevanju
kabine predvsem pri nizkih hitrostih (do 50 km/h) in nizkih zunanjih temperaturah. Pri višjih
hitrostih bo po določenem času toplote za ogrevanje dovolj, težava pa bo dolg čas od začetka
vožnje do začetka ogrevanja kabine. Potrebno bo tudi rešiti tehnične težave, povezane z
zajemom odpadne toplote iz gorivne celice, elektromotorja in krmilne elektronike.
30
Proizvajalci bodo verjetno pomanjkanje toplote za ogrevanje pri majhnih hitrostih in v
začetku ogrevanja reševali z vgradnjo dodatnih električnih grelnikov, lahko pa bi uporabili
tudi toplotno črpalko.
5. 8 Primerjava izkoristka primarne energije različnih načinov pogona
Različne možnosti pogona lahko primerjamo po izkoristku primarne energije, za samo
ogrevanje kabine avtomobila pa je morda še pomembnejši izkoristek vozila »od črpalke do
koles.«
Primerjal sem naslednje avtomobile:
Renault Clio 1.5 DCI, predstavnik dizelskih avtomobilov,
Renault Clio 1.2 TCE, predstavnik bencinskih avtomobilov,
Tesla Roadster, predstavnik električnih avtomobilov,
Toyota Prius, predstavnik hibridnih avtomobilov,
Honda FCX, predstavnik avtomobilov z gorivno celico s pogonom na vodik,
MDI AIR POD, predstavnik avtomobilov na stisnjeni zrak, je šele v fazi testiranj
prototipa.
V literaturi sem dobil podatek, da je izkoristek pridobivanja dizelskega goriva od vrtine do
črpalke 90 %, bencina pa 82 %. Vodik danes pridobivamo največkrat iz zemeljskega plina.
Izkoristek tega procesa skupaj s stiskanjem vodika do tlaka 300 barov je 61 %. Vir: L. Wald [24]
Vir [25] http://www.veva.bc.ca
Oba zgoraj navedena vira navajata skoraj enake podatke o izkoristkih vozil od črpalke do
kolesa, zato sem v spodnjem grafu uporabil srednjo vrednost obeh virov.
Podatek za izkoristek zračnega motorja sem dobil iz članka, ki obravnava večstopenjsko
kompresijo zraka z vmesnim hlajenjem in kasneje večstopenjsko ekspanzijo v zračnem
motorju z vmesnim ogrevanjem.
Pri štiristopenjski kompresiji z vmesnim hlajenjem zraka avtor navaja izračunani, v praksi
možni, termodinamični izkoristek 48 %. V izračunu je upoštevan tlak zraka 300 bar.
Pri štiristopenjski ekspanziji zraka z vmesnim ogrevanjem zraka avtor navaja izračunani, v
praksi možni termodinamični izkoristek 84 %.
Skupni izračunani termodinamični izkoristek pri polnjenju in praznjenju rezervoarja s
stisnjenim zrakom je okoli 40 %. Vir: U. Bossel [26]
31
Večino kompresorjev poganjajo elektromotorji, zato je za izkoristek avtomobila »od vira do
kolesa« potrebno upoštevati še povprečni izkoristek pridobivanja in prenosa elektrike, ki je v
Sloveniji okoli 45 %. Tudi elektromotor za pogon kompresorja ima svoj izkoristek, v izračunu
sem upošteval 95 %. V izračunu sem upošteval še 95 % mehanski izkoristek kompresorja in
enak mehanski izkoristek zračnega motorja.
Izkoristek avtomobila na zračni pogon od »črpalke (električne vtičnice) do koles« je tako 35
%, celotni izkoristek od »vrtine do koles« pa 16 %.
Izkoristek primarne energije od vrtine do kolesa
0102030405060708090
100
TeslaRoadster
Toyota Prius Renault Clio1.5 dci
Honda FCX Renault Clio1.2 TCE
MDI AIR POD
tip vozila
izko
riste
k [%
]
od vrtine do črpalkeod črpalke do kolesaod vrtine do kolesa
Slika 7: Izkoristek primarne energije različnih načinov pogona avtomobilov
Vir: L. Wald [24]
Vir [25] http://www.veva.bc.ca
Vir [26] U. Bossel
SKLEP: Električni avto ima zelo dober izkoristek energije, ki je shranjena v njegovih
akumulatorjih. Med vožnjo je ta izkoristek višji od 80 %. Tudi celotni izkoristek je pri
električnem avtomobilu najvišji.
Avtomobil na stisnjeni zrak ima po tem, ko so njegovi rezervoarji že napolnjeni, med vožnjo
zelo dober izkoristek, okoli 80 %.
Dokaj dober izkoristek ima tudi vozilo na gorivne celice, potem, ko je vodik že stisnjen v
rezervoarjih.
Pri vseh treh avtomobilih bo zaradi visokega izkoristka »goriva« med vožnjo za ogrevanje
kabine, v določenih režimih vožnje, premalo toplote. Največja bo težava z ogrevanjem pri
avtomobilu s pogonom na stisnjeni zrak, saj se zrak ob delovanju motorja (ekspanziji) ohladi.
32
6 Analiza obstoječega stanja ogrevanja
Običajna vozila uporabljajo za pogon motorje z notranjim zgorevanjem naftnih derivatov.
Velik del toplote, ki se sprosti pri zgorevanju goriv, izgubimo skozi izpušni sistem, nekaj pa
se je preko sten valjev prenese na dele motorja, ki se zato segrevajo. Stene motorja moramo
hladiti, da motorju omogočimo optimalne delovne razmere. Del te, sicer izgubljene toplote
motorja, lahko uporabimo za ogrevanje notranjosti vozila.
Sodobni turbodizelski avtomobili imajo dokaj velik izkoristek in majhno porabo, zato je
odpadne toplote malo. Sam vozim Renault Clio 1,5 dCi, zato vem, koliko časa potrebuje
avtomobil, da začne delovati ogrevanje kabine. S tem avtomobilom sem opravil tudi vse
meritve, ki so opisane v naslednjih poglavjih. Moj avtomobil je parkiran zunaj, zato se preko
noči ohladi. Od doma do službe vsak dan prevozim razdaljo 10 km, večinoma po magistralni
cesti. Za to razdaljo običajno potrebujem 10 minut s povprečno hitrostjo 60 km/h. Pozimi, ko
se zunanja temperatura spusti pod –5 ºC, se tudi notranjost avtomobila ter motor preko noči
ohladita na podobno temperaturo. Avtomobilski motor za svoje ogrevanje potrebuje nekaj
minut. Po dveh do treh kilometrih vožnje avtomatska klimatska naprava zazna, da je hladilna
tekočina dovolj ogreta in začne ogrevati notranjost vozila. To ogrevanje je relativno počasno,
tako da se kabina mojega avtomobila na poti 10 km ravno ogreje do neke normalne
temperature. Ker ima podobne težave z ogrevanjem vozil več lastnikov avtomobilov, se
avtomobilske tovarne odločajo za vgradnjo dodatnih sistemov za ogrevanje kabin vozil.
6. 1 Sistemi za dodatno ogrevanje kabine
Nekateri proizvajalci avtomobilov v prezračevalni kanal vgradijo dodatne električne grelnike,
s katerimi dosežejo hitrejše ogrevanje notranjosti vozila. Ti grelniki delujejo takrat, ko deluje
tudi motor, saj dobijo elektriko za delovanje od delujočega alternatorja. Če bi delovali ob
mirujočem motorju, bi zelo hitro izpraznili akumulator. Ogrevanje z električnimi grelniki
povečuje porabo goriva. Podoben princip uporabljajo tudi hibridni avtomobili. Ta vozila
ogrevajo kabino z električnimi grelniki tudi, če motor ne deluje, dokler je akumulator dovolj
poln.
Za dodatno (hitrejše) ogrevanje proizvajalci ponujajo tudi dodatne grelnike na bencin ali
plinsko olje kot del serijske ali dodatne opreme. Ti grelniki lahko ogrevajo kabino ali pa
kabino in motor. S tem omogočijo hitrejši in lažji zagon motorja, manjšo obrabo sestavnih
delov in manjše onesnaževanje okolja. To je posledica boljšega zgorevanja in hitrejšega
33
začetka delovanja katalitičnega pretvornika. Tudi ti grelniki za svoje delovanje potrebujejo
gorivo, kar povečuje skupno porabo goriva.
Kot del dodatne opreme lahko kupimo tudi električne grelnike, vgrajene v blok motorja, ki jih
priključimo na javno omrežje in vključimo (s časovnikom, ročno ali z daljinskim
upravljalnikom) približno pol do ene ure pred vožnjo. Ti grelniki ponujajo vse dobre lastnosti
zgoraj opisanih, hkrati pa ne povečujejo porabe goriva. Seveda pa je za njihovo delovanje
potreben priklop na električno omrežje, iz katerega dobijo energijo, zato je povečana tudi
poraba elektrike.
Proizvajalci vozil ponujajo tudi električno ogrevanje:
vzvratnih ogledal,
sedežev,
zadnjega stekla,
v zadnjem času tudi vetrobranskega stekla, ki je izvedeno s tankimi grelnimi žičkami,
vdelanimi v vetrobransko steklo (Ford, BMW, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Rover
Mini, VW, …),
volanskega obroča, ki je izvedeno s tankimi grelnimi žičkami, ki so vdelane v volanski
obroč, tik pod usnjeno prevleko (Toyota, Opel, Audi, BMW, Cadillac, Infiniti, Jaguar,
Mercedes-Benz, Nissan, Porsche, …).
Vir [27] http://www.trw.com
Slika 8: Slika ogrevanega volanskega obroča v IR spektru
Tovarna avtomobilov BMW je nekaj časa v določenih modelih ponujala tudi sisteme
ogrevanja, ki so izkoriščali fazno spremembo snovi iz tekočega v trdno agregatno stanje in
nazaj. V takšnem sistemu se del odvečne toplote ogretega motorja med vožnjo porabi za
34
"polnjenje" sistema, ki uporablja latentno toploto. Ko se avtomobil zaustavi, je vsa ali večina
snovi v sistemu v tekočem agregatnem stanju. Ko toploto spet potrebujemo, se snov v
hranilniku toplote spreminja nazaj v trdno agregatno stanje in pri tem oddaja toploto. Dobra
lastnost takšnega sistema je v tem, da je potrebna za shranjevanje toplote veliko manjša masa
snovi, kot če bi segrevali na primer veliko količino vode, ki bi jo hranili v izolirani posodi.
Takšen sistem s termos posodo za kratkotrajno hranjenje toplote (do ene ure) uporablja
Toyota Prius.
Po besedah serviserjev in prodajalcev, s katerimi sem govoril, je BMW sistem shranjevanja
toplote s pomočjo fazne spremembe opustil, po njihovih besedah zaradi visoke cene razvoja
in izdelave, tehničnih težav in okoljevarstvenih zahtev (snov v sistemu bi bila ob izpustu
lahko okolju nevarna). Tudi sicer je bil sistem namenjen ohranjanju primerne temperature
motorja le kratek čas (nekaj ur). Podrobnejših informacij o tem sistemu nisem našel.
SKLEP: Sistemi za dodatno, hitrejše ogrevanje kabine in drugih delov avtomobila za svoje
delovanje potrebujejo energijo. Cena za povečano udobje je višja poraba goriva.
35
7 Ogrevanje v prihodnosti
Pri vozilih z različnim pogonom, ki sem jih opisal, bo tudi način ogrevanja različen. Pri
bencinskih, dizelskih in drugih motorjih z notranjim zgorevanjem bo način ogrevanja verjetno
ostal enak. Proizvajalci bodo poskrbeli za povečanje udobja in hitrejše ogrevanje kabine in
stekel (hitrejše odstranjevanje vlage, snega, ledu) na podobne načine kot do sedaj. Pri tem
najverjetneje ne bo najpomembnejše varčevanje z energijo in povečanje izkoristka, ampak
ekonomski faktor in varnost. Avtomobilska stekla je potrebno čim prej ogreti, da se ne
meglijo. Na ta način se poveča varnost, saj »Vidnost pomeni varnost«. Vendar pa lahko že
sedaj premažemo stekla s posebnimi premazi proti megljenju. Še boljše rezultate nam obeta
nanotehnologija, s pomočjo katere bodo na voljo stekla ali premazi, ki bodo ne samo odbijali
vlago ali vodo ampak tudi umazanijo ali led.
Drugače pa bo verjetno pri hibridnih vozilih. Trenutno ta vozila ogrevajo kabino potniškega
prostora tako kot vsa ostala vozila, torej s toploto, ki jo dobijo od bencinskega motorja. Zato
bencinski motor teče toliko časa, da se kabina vozila segreje. Pri hitrejšem ogrevanju
notranjosti vozila pomagajo še dodatni električni grelci, ki so vgrajeni v prezračevalni kanal,
skozi katerega prihaja topel zrak v vozilo. Med mirovanjem vozilo ogrevajo električni
grelniki, ki se napajajo iz akumulatorja. Ko se akumulator sprazni pod določeno mejo, se
samodejno požene bencinski motor, ki preko generatorja zopet napolni akumulator.
7. 1 Lastne izkušnje in dilema o porabi energije za ogrevanje
Da bi pridobil dodatne podatke, sem šel na testne vožnje z več hibridnimi vozili. Z
avtomobilom Lexus RX 400h sem se peljal poleti in pozimi. Poleti je avtomobil speljal s
pomočjo elektromotorja navzgor v rahel klanec dolžine približno 300 m. Šele po prihodu na
širšo cesto in močnejšem pritisku na stopalko plina se je vključil bencinski motor. Med
vožnjo po mestnih ulicah se je bencinski motor večkrat ugasnil ter na ta način varčeval z
gorivom.
Enak avtomobil sem vozil tudi pozimi. Ko sem se usedel v avtomobil in obrnil ključ, se je
bencinski motor zagnal. Avtomobil je stal na mestu, motor pa je tekel toliko časa, da je ogrel
sebe in kabino vozila (nekaj minut). Potem se je samodejno ugasnil. Takoj, ko sem speljal, se
je motor zopet zagnal. Med vožnjo se je izklapljal le med zaviranjem. Na ravni cesti mi ni
uspelo, da bi se peljal samo z elektromotorjem. Razlika med obema vožnjama je bila tolikšna,
da sem vprašal prodajalca, ki je sedel z mano v avtomobilu, če je z avtomobilom kaj narobe.
36
Ugotovila sva, da je razlika zgolj v zunanji temperaturi. Elektronika samodejne klimatske
naprave je pogosteje zaznavala, da je potrebno avtomobil ogreti, zato je bencinski motor
deloval veliko dlje, kot bi to bilo potrebno za sam pogon. Določeno količino električne
energije sta porabila tudi oba grelnika sprednjih sedežev in druge električne naprave v
avtomobilu. To električno energijo bi sicer lahko porabil elektromotor za premikanje.
TOREJ JE POZIMI PORABA GORIVA VEČJA TUDI ZARADI ZAGOTAVLJANJA
UDOBJA POTNIKOV.
Obnašanje vseh hibridnih avtomobilov je podobno. Avtomobili so narejeni tako, da najprej
ogrejejo svoj motor in kabino vozila, ne glede na (dodatno) porabo goriva, šele potem se
izključijo in čakajo na ukaze voznika. To je udobno, žal pa tudi energijsko potratno.
Več avtomobilskih proizvajalcev zatrjuje, da bodo v kratkem naredili in poslali na tržišče
(hibridne) avtomobile, ki jim bo možno napolniti akumulatorje z elektriko iz omrežja. S temi
vozili naj bi samo z energijo, shranjeno v akumulatorjih, prevozili nekaj deset kilometrov. Bo
potem bencinski motor tekel le zato, da bo segrel kabino vozila, tako kot v sedanjih hibridnih
vozilih? Ali bodo vozila porabljala električno energijo, shranjeno v akumulatorjih za
ogrevanje kabine? S tem se bo zmanjšal doseg vozil. Z isto težavo se že sedaj soočajo vsa
električna vozila, ki uporabljajo električno energijo za ogrevanje kabine. Avtomobil Think
City brez ogrevanja prevozi 180 km, z zimskimi gumami in vključenim ogrevanjem pa samo
še 90 km.
Pri vozilih s pogonom na gorivno celico bo težava morda nekaj manjša zaradi odvečne toplote
gorivnih celic, vendar pa bo izkoristek vozil z gorivno celico še naraščal in odvečne toplote
bo vse manj. V prejšnjem poglavju sem pokazal, da bo odvečna toplota sistema gorivne celice
in elektromotorja na voljo šele po relativno dolgem času vožnje, predvsem pri nižjih
temperaturah okolice.
Še večje težave bodo imela vozila s pogonom na stisnjeni zrak. Trenutno rešujejo ogrevanje z
dodatnim grelnikom na fosilna goriva, s čimer seveda povečajo porabo. Voznik, ki bi sicer
lahko ves čas vozil samo na stisnjeni zrak (krajše dnevne razdalje), bo še vedno potreboval
fosilno gorivo za ogrevanje vozila. Tovrstna vozila bi se morda lahko ogrevala električno, če
bi vgradili dovolj akumulatorjev.
Idealne rešitve te težave z ogrevanjem ne poznam, poznam pa napravo, ki potrebuje veliko
manj električnega ali mehanskega dela, kot pa odda toplote za ogrevanje. Ta naprava se
imenuje toplotna črpalka. Trenutno jo uporablja večina sodobnih vozil za hlajenje notranjosti
vozila. ZAKAJ JE NE BI UPORABILI TUDI ZA OGREVANJE?
37
8 Toplotna črpalka Toplotna črpalka je naprava, s katero z dodajanjem energije črpamo toploto z nižje na višjo
temperaturo. Dodana energija za pogon toplotne črpalke je lahko v obliki mehanskega dela ali
pa v obliki toplote vira z visoko temperaturo. Razmerje med pridobljeno toploto (Q) in
vloženo energijo (W) imenujemo grelno število ali COP (coefficient of performance):
WQCOP (4)
Vrednost grelnega števila je odvisna od vrste toplotne črpalke in od temperatur vira toplote in
temperature ogrevanega medija in je običajno med 2 in 5.
8. 1 Kompresorske toplotne črpalke
Kompresorske toplotne črpalke so trenutno najbolj običajna in največkrat uporabljena vrsta
toplotnih črpalk. Kompresorsko toplotno črpalko sestavljajo štiri osnovne komponente:
kompresor, kondenzator, dušilni organ (ekspanzijski ventil) in uparjalnik. Znotraj teh
elementov in povezav je hladilo, ki ga poganja kompresor.
Vir: Testen [28]
Slika 9: Delovanje kompresorske toplotne črpalke
Hladilo, ki kroži po zaključnem tokokrogu, v uparjalniku odvzame toploto okoliškemu mediju
(zraku, vodi ali zemlji) in se upari. Uparjeno hladilo nato potuje skozi kompresor, ki mu zviša
tlak in temperaturo. Hladilo v kondenzatorju odda toploto mediju. Običajno je medij voda, ki
kroži skozi radiatorje v stanovanju ali pa zrak, ki neposredno ogreva prostor. Pri tem se
uparjeno hladilo spremeni v kapljevino. Ohlajeno hladilo nato potuje skozi dušilni
(ekspanzijski) ventil, kjer ekspandira na nižji tlak.
smer
hladila
smer
hladila
spre
jem
anje
topl
ote
odda
janj
e to
plot
e
ekspanzijski
ventil
kompresor ko
nden
zato
r
upar
jaln
ik
38
Krožni proces se ponavlja, dokler deluje toplotna črpalka. Toplotna črpalka potrebuje
mehansko delo za delovanje kompresorja. Kompresor običajno poganja elektromotor, včasih
pa tudi plinski ali dizelski motor. Kompresorjev je več vrst, in sicer:
batni kompresorji,
vijačni kompresorji,
turbo kompresorji,
rotacijski kompresorji,
spiralni (Scroll) kompresorji,
Teslov kompresor.
8.1.1 Hladila
Hladila so tekočine ali snovi, ki v toplotnih črpalkah prenašajo toploto iz hladnejšega
uparjalnika do toplejšega kondenzatorja. Njihova skupna lastnost je, da zelo lahko
spreminjajo svoje agregatno stanje ob ustreznem dovodu ali odvodu toplote in ustrezni
temperaturi ter tlaku. Pri tem tlaki v napravi ne smejo biti previsoki (do 30 bar). Hladilo mora
biti kemično neaktivno in stabilno v vseh pogojih, ne sme biti strupeno, neprijetnega vonja,
vnetljivo ali eksplozivno in ne sme reagirati z mazalnim oljem. Imeti mora dobre
termodinamične lastnosti in po možnosti mora biti poceni. Idealnega hladila ne poznamo,
vsako ima določene pomanjkljivosti. Ločimo organska in anorganska hladila.
Anorganska hladila so predvsem:
amoniak NH3
ogljikov dioksid CO2
zrak in drugi plini
Organska hladila so predvsem halogenirani ogljikovodiki, to so spojine na osnovi metana in
etana, pri katerih so atomi vodika zamenjani z atomi fluora ali klora.
Množična uporaba CFC-jev (ogljikovodikovih spojin s fluorom in klorom) se je začela po
letu 1950. Svetovna poraba je naraščala do poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja, do
odkritja njihovega vpliva na povečanje ozonske luknje oziroma sprejetja Montrealskega
sporazuma. Montrealski sporazum so sprejeli leta 1987, do decembra leta 1996 pa ga je
ratificiralo že 161 držav. Sporazum prepoveduje ali narekuje zmanjšanje količine določenih
CFC-jev, ki imajo velik vpliv na pojav ozonske luknje. Vir: Testen [28]
39
V novejših toplotnih črpalkah sedaj uporabljamo novejše HFC-je (spojine vodika, fluora in
ogljika brez klora). Hladilo v toplotnih črpalkah je sedaj običajno R 404a, R 410a, R 407c ali
R 134a. Ta hladila so ekološko bolj sprejemljiva, saj nimajo vpliva na tanjšanje ozonske
plasti (ODP – Ozon Depleting Potential), vseeno pa imajo določen vpliv na učinek tople
grede (GWP – Global Warming Potential). V prihodnje lahko pričakujemo tudi toplotne
črpalke, ki bodo uporabljala naravna hladila, med njimi tudi ogljikov dioksid. Vir: Halozan [29]
8. 2 Absorpcijske in druge toplotne črpalke Absorpcijske toplotne črpalke se uporabljajo predvsem v industriji in pri klimatizaciji
velikih stavb, blagovnic ali javnih prostorov. Te naprave služijo za hlajenje ali ogrevanje za
velike porabnike toplote ali hladu. Kot medij najpogosteje uporabljajo raztopino amoniaka in
vode ali pa vode in litijevega bromida. Namesto mehanskega kompresorja imajo tako
imenovani toplotni kompresor. Za pogonsko energijo izkoriščajo toploto pri visoki
temperaturi, ki jo lahko pridobimo iz različnih virov. Običajno jih poganja zgorevanje
zemeljskega plina. Naprava je brez gibajočih se delov (razen črpalke). Ponudnikov manjših
absorpcijskih toplotnih črpalk, ki bi bili primerni za ogrevanje manjših prostorov, še ni na
tržišču. Prednost absorpcijskih naprav je, da lahko dosegamo zelo visoke izkoristke pri
ogrevanju stavb, pomanjkljivost pa je predvsem višja cena.
V avtomobilu bi lahko odpadno toploto avtomobilskega motorja uporabili kot vir energije za
pogon absorpcijske klimatske naprave za ohlajanje avtomobilske kabine.
Druge toplotne črpalke so:
plinske kompresorske toplotne črpalke, ki jih poganjajo plinski motorji z notranjim
zgorevanjem. Pridobljena toplota je seštevek toplote iz toplotne črpalke in odpadne
toplote, ki jo pridobimo s hlajenjem motorja in izpušnih plinov.
Stirlingove toplotne črpalke, ki imajo trenutno omejeno uporabo. Več podatkov lahko
najdemo o Stirlingovih hladilnikih, ki se uporabljajo za utekočinjanje zraka in za
doseganje zelo nizkih temperatur.
Vuilleumierjeva toplotna črpalka, ki jo poganja toplota. Ta stroj potrebuje le malo
mehanskega dela za premikanje premikalnega bata.
Magnetno termična toplotna črpalka, katere delovanje temelji na dejstvu, da se
paramagnetnim snovem spremeni temperatura, če se magnetno polje v njihovi okolici
spremeni. Magnetna toplotna črpalka izkorišča to dejstvo za črpanje toplote iz
hladnejšega na toplejše mesto. V ta namen največkrat uporabljajo gadolinij, ki spada v
skupino lantanidov.
40
Peltierov člen, ki je sestavljen iz dveh polprevodniških rezin. Peltierov člen na eni
strani hladi, na drugi pa greje. Moči Peltierovih hladilnikov in grelnikov so majhne,
redko dosegajo 1 kW. Običajno se uporabljajo za ohlajanje ali ogrevanje prenosnih
naprav, kot so prenosne hladilno-grelne torbe, ali za hlajenje procesorjev v
računalnikih in podobno. Grelno število Peltierovih elementov je nizko in dosega od 5
do 10 % teoretično največjega grelnega števila. Viri: Testen [28],
Brodowicz [31],
Hargreaves [32],
[33] http://www.coolchips.gi
8.2.1 Viri toplote za toplotno črpalko
S toplotno črpalko lahko izkoriščamo tudi vire toplote, ki jih zaradi prenizke temperature z
drugimi napravami ne moremo uporabiti, na primer zunanji zrak, podtalnico, površinsko vodo
ali okoliško zemljo.
V avtomobilu bo od naštetega praktično uporabna le notranja energija zunanjega zraka.
Njegova slaba stran je, da ima pozimi, ko je potreba po ogrevanju največja, najnižjo
temperaturo. Novejše toplotne črpalke lahko notranjo energijo zunanjega zraka izkoriščajo do
–25 °C, vendar je njihovo obratovanje pod +5 °C manj ekonomično. Pri približno +5 °C se
začne ob večji zračni vlagi na uparjalniku nabirati led, zato je treba urediti avtomatsko
odtaljevanje. Zrak do uparjalnika dovajamo z ventilatorjem, kar zmanjša potrebne dimenzije
uparjalnika, hkrati pa poveča šumnost delovanja naprave in zmanjša njen izkoristek.
Toplotne črpalke zrak/zrak pridobivajo toploto iz zunanjega zraka, ki ga ohladijo. S
pridobljeno toploto segrevajo neposredno zrak v prostoru. Uporabljamo jih lahko tudi za
hlajenje. Nekatere (inverterske) toplotne črpalke tega tipa delujejo s spremenljivim številom
vrtljajev, s čimer povečajo hitrost ogrevanja in izkoristek. Trenutno so na tržišču le takšne za
manjše moči (do 10 kW). Običajno so sestavljene iz ene notranje in ene zunanje enote.
Ogrevalna temperatura v prostoru je do maksimalno 35 °C, iz česar izhaja visoko grelno
število in dober izkoristek. Običajno je grelno število od 2 do 5, hladilno pa okoli 3. Toplotne
črpalke zrak/zrak so med najcenejšimi (okoli 1000 €), so ekonomične in nekatere imajo
večnamensko uporabnost (ogrevanje, hlajenje ali prezračevanje z rekuperacijo).
Hibridni in električni, pa tudi nekateri klasični avtomobili imajo že sedaj električno gnane
kompresorje klimatskih naprav za hlajenje vozila med vožnjo ali med postanki. Tudi
proizvajalci avtodomov in tovornjakov ponujajo električno gnane klimatske naprave za
hlajenje kabin na postajališčih.
41
8.2.2 Načrtovanje vgradnje toplotne črpalke.
Pri načrtovanju vgradnje toplotne črpalke je ključnega pomena vir toplote na hladni strani.
Grelno število toplotne črpalke je močno odvisno od temperature, pri kateri črpamo toploto.
Pri tem je potrebno upoštevati še temperaturni režim ogrevanja, letne energetske potrebe
ogrevanega prostora in zahtevan odstotek kritja energetskih potreb s toplotno črpalko. Čim
manjša je temperatura ogrevalnega sredstva, tem boljši je izkoristek toplotne črpalke. Zato je
za uporabo toplotne črpalke najprimernejše nizkotemperaturno ogrevanje.
Glede na obratovanje poznamo dva načina obratovanja toplotnih črpalk, in sicer bivalentno
obratovanje ter monovalentno obratovanje. Kadar je toplotna črpalka za ogrevanje dodana k
drugemu sistemu ogrevanja, imenujemo tak način obratovanja bivalenten. Pri monovalentnem
načinu obratovanja toplotna črpalka samostojno pokrije celotne zahteve po toplotni energiji
skozi celotno ogrevalno sezono.
8.2.3 Primerjava realnega in izračunanega grelnega števila pri ogrevanju
Grelna števila, ki sem jih dobil v katalogih proizvajalcev hišnih toplotnih črpalk, sem
primerjal z izračunanim grelnim številom.
Teoretično največje grelno število za toplotno črpalko pri ogrevanju izračunamo po enačbi:
TTCOP k
, (5)
pri čemer:
COP pomeni teoretično izračunano grelno število,
Tk temperaturo kondenzacije oz. temperaturo, pri kateri toplotna črpalka oddaja
toploto, to je temperatura tople strani,
ΔT pa razliko med višjo in nižjo temperaturo.
Vse temperature se v enačbo vpišejo v Kelvinih.
V spodnji tabeli sem primerjal največja teoretično izračunana grelna števila s podatki, ki sem
jih dobil v tehničnih podatkih toplotne črpalke Idesta Polar tipa zrak/voda. V tabeli so vse
temperature vpisane v stopinjah Celzija.
42
Tabela 2: Grelna števila Idesta Polar zrak/voda in razmerje med realnim in izračunanim
največjim grelnim številom
zunanja
temperatura
notranja
temperatura
izračunani
COP
COP podatek
proizvajalca
razmerje med realno in
izračunano vrednostjo
–20 50 4,3 2,2 47 %
–10 50 5,4 2,5 46 %
0 50 6,5 3 46 %
10 50 8,1 3,3 41 %
Vir [34] http://www.knut.si
Zunanji zrak, ki ogreva uparjalnik, se na njem ohladi, zato se na uparjalniku izloča voda, ki
zaradi nizke temperature zmrzuje. To se dogaja že pri temperaturah zunanjega zraka nekaj
stopinj Celzija nad ničlo, ker so površine uparjalnika hladnejše. Po določenem času moramo
uparjalnik odtaliti, sicer bi srež onemogočil pretok zraka. Uparjalnik odtalimo s toploto
hladila, tako da obrnemo smer toka hladila ali pa s posebnimi električnimi grelniki (manj
pogosto). Proces taljenja zahteva določeno količino energije, zato izkoristek pade. Čas taljenja
pri temperaturi –25 °C je okoli 10 % celotnega časa delovanja.
Spodnji graf prikazuje odvisnost grelnega števila od zunanje temperature. V grafu sem
prikazal teoretično izračunano grelno število in podatke proizvajalca.
Teoretična karakteristika toplotne črpalke in podatek proizvajalca
01
23
45
67
89
-20 -10 0 10 Zunanja temperatura [ C]
Gre
lno
štev
ilo C
OP
COP teoretični
COP podatek proizvajalca
Vir [34] http://www.knut.si
Slika 10: Grelno število v odvisnosti od temperature zunanjega zraka. Temperatura ogrevalne
vode na topli strani je 50 °C.
43
Sedanje najsodobnejše naprave dosegajo manj kot polovico teoretično možnega izkoristka.
Kljub temu je realni COP na tržišču dostopnih toplotnih črpalk celo pri zunanji temperaturi
–25 °C še vedno vsaj 2.
V zadnjih letih skoraj vsi proizvajalci manjših klimatskih naprav in toplotnih črpalk
uporabljajo tudi invertersko tehniko. Gre za elektronsko nadzorovanje delovanja klimatske
naprave. Pri tem spreminjamo vrtilne hitrosti kompresorja in se s tem približamo idealnim
pogojem za delovanje klimatske naprave ali toplotne črpalke.
Pogosta je tudi uporaba spiralnega (scroll) kompresorja, katerega delovanje je skoraj
brezšumno, saj nima ventilov, tok hladila pa je zvezen, zato je tudi njegova življenjska doba
zelo visoka (okoli 20 let). Proizvajalci so veliko naredili tudi na področju hladil, ki so sedaj
veliko manj škodljiva za okolje. Veliko število člankov in objavljenih patentov kaže, da se
raziskovalci intenzivno ukvarjajo z raziskovanjem vseh vrst toplotnih črpalk.
S toplotnimi črpalkami lahko učinkovito zmanjšamo porabo drugih oblik energije.
Investicijski stroški toplotnih črpalk so višji v primerjavi z drugimi načini ogrevanja, prednost
toplotnih črpalk pa je v manjši porabi električne energije ter posredno v manjših emisijah
ogljikovega dioksida.
Ogrevanje avtomobilov je trenutno nizkotemperaturno toplozračno. Takšen način ogrevanja
toplotni črpalki zelo ustreza, saj nižja temperatura ogrevanega prostora poveča njen
izkoristek. Visoke temperature zraka niso zaželene tudi zaradi higienskih vzrokov, saj ima
zelo segret zrak majhno relativno vlago, poleg tega pa pri višji temperaturi prihaja do
razpadanja prahu, kar povzroča neprijetne vonjave. Zaradi omejenega prostora v avtomobilu
in velike potrebe po ogrevalni moči predvsem v začetku vožnje se bo verjetno najbolje
obnesel bivalentni sistem z dodatnim ogrevanjem. Pri električnih in hibridnih avtomobilih bo
dodatno ogrevanje verjetno električno.
SKLEP: Toplotna črpalka je naprava, s katero lahko ogrevamo prostor, na primer kabino
avtomobila. Obstaja več vrst toplotnih črpalk. Za ogrevanje električnega avtomobila bo
najprimernejša kompresorska toplotna črpalka tipa zrak/zrak. Takšna toplotna črpalka za
svoje delovanje potrebuje električno energijo iz akumulatorjev. Prednost toplotne črpalke pred
ogrevanjem z električnim grelnikom je v višjem grelnem številu. Dodatni električni grelniki
lahko zagotovijo hitrejše začetno ogrevanje kabine in zmanjšajo potrebno nazivno moč,
velikost in ceno toplotne črpalke.
44
9 Toplotno ugodje
Avtomobilska kabina mora biti ogreta na tolikšno temperaturo, da je občutek za človeka v njej
prijeten. Občutenje temperature je odvisno od naslednjih dejavnikov:
temperature zraka v kabini,
temperature površin, ki toploto človeku pretežno oddajajo s sevanjem (armaturne
plošče, oblog vrat, stropa),
temperature površin, ki so s človekom v neposrednem stiku (površina volana, sedežev
in prestavne ročice, naslona za roke itd.) in njihove toplotne prevodnosti,
direktnega in difuznega sončnega sevanja, ki prihaja skozi avtomobilska stekla na
potnike,
hitrosti gibanja zraka znotraj kabine,
vlažnosti zraka in drugih dejavnikov.
Temperature in količine zraka na delovnem mestu deloma določa Pravilnik o zahtevah za
zagotavljanje varnosti in zdravja delavcev na delovnih mestih, ki:
v 21. členu določa, da prezračevalna ali klimatska naprava v prostor, kjer ni drugih
onesnaževalcev razen prisotnih oseb, dovaja 20 do 40 m3/h zraka na delavca, ki
opravlja delo pretežno sede;
v 25. členu zahteva, da temperatura zraka v delovnih prostorih med delovnim časom
ustreza fiziološkim potrebam delavcev glede na naravo dela in fizične obremenitve
delavcev pri delu, pri čemer je potrebno upoštevati standarde za toplotno udobje.
Temperatura zraka v delovnih prostorih ne sme presegati +28 °C in temperatura v
pomožnih prostorih v ogrevalni sezoni ne sme biti nižja od 21 °C (priloga pravilniku).
v 27. členu pa zahteva, da so stenska in strešna okna ter steklene pregrade izvedene in
opremljene tako, da na delovna mesta prepuščajo le določeno količino sončnih žarkov,
ki ne poslabša toplotnega okolja v delovnih prostorih.
Verjetno bi nekaj podobnega lahko pričakovali tudi za delovno mesto v vozilu, ki pa ima prav
gotovo svoje posebnosti. Predpisov, ki bi predpisovali pogoje mikroklime v avtomobilu,
nisem zasledil. Vir [35] http://www.uradni-list.si
45
9. 1 Toplotne obremenitve človeka
Toplotno okolje v določenem prostoru sestavljajo vsi dejavniki, ki usmerjajo izmenjavo
toplote med okolico in človeškim telesom. Človek vzdržuje stalno temperaturo s pomočjo
fizikalne in kemijske termoregulacije. Celična presnova je uravnana na stalno telesno
temperaturo, ki znaša v jedru človeškega telesa okoli 37 °C, na površini kože pa približno 32
°C. Če človeški organizem s termoregulacijo ne more vzdrževati temperature na ustreznem
nivoju, prihaja do različnih motenj, neprijetnega počutja ali celo obolenj.
Toplota, ki nastane s presnovo, je odvisna od fizične aktivnosti. Povprečni človek z maso 70
kg, višino 175 cm in površino telesa 1,83 m2 proizvede v mirovanju (spanje, bazalni
metabolizem) okoli 270 kJ toplote na uro (75 W). Če te toplote ne bi oddajal v okolje, bi se
mu notranja temperatura povečevala za:
hC
kJkghKkgkJ
cmQT
2,13,370
270 (6)
Človek bi v nekaj urah presegel 42 °C in umrl. Pri tem izračunu sem upošteval povprečno
specifično toploto človeškega telesa (cp) 3,3 kJ/kgK. Odvajanje toplote iz telesa je zelo
pomembno, saj se v nasprotnem primeru povečuje temperatura notranjosti telesa, kar
neugodno vpliva na delovno storilnost, zbranost in koncentracijo ali povzroča druge reakcije.
V okolici človeka moramo zagotoviti pogoje, ki omogočajo primerno odvajanje toplote v
okolico. Vir: Matjašič [36]
Celotni metabolizem je seštevek bazalnega metabolizma (ob mirovanju) in delovnega
metabolizma, ki je odvisen predvsem od vrste in časa dejavnosti, faz dela in počitka. S
poskusi in meritvami so ugotovili, da je srednja vrednost delovnega metabolizma voznika
osebnega vozila okoli 80 W/m2, voznika avtobusa pa okoli 100 W/m2. Če upoštevamo še
površino telesa 1,83 m2, in bazalni metabolizem 75 W, dobimo za skupni povprečni
metabolizem voznika osebnega vozila 220 W, za voznika avtobusa pa 260 W. Vir: Polajnar [37]
SKLEP: Avtomobil, ki ga "ogrevajo" voznik in štirje potniki, prejema okoli 1000 W
toplotnega toka, ki pozimi pomaga ogrevati kabino, poleti pa je potrebno toliko večji toplotni
tok odvajati iz kabine.
46
10 Izračun toplote za ogrevanje kabine vozila
Na toploto za ogrevanje kabine avtomobila vpliva veliko dejavnikov. Vsak od dejavnikov se
lahko spreminja. Praktično nemogoče je, da bi za vse možne kombinacije dejavnikov lahko
naredili meritve v praksi.
Izpeljane enačbe za ogrevanje avtomobila sem iskal v obstoječi literaturi in pri proizvajalcih
avtomobilov, vendar nisem našel že izpeljanih enačb, ki bi jih lahko neposredno uporabil.
Odločil sem se, da bom enačbe za določanje toplotnega toka in izračun ter potek notranjih
temperatur izpeljal sam. Rezultate teh izračunov sem v nadaljevanju preizkusil in potrdil s
praktičnimi preizkusi. Izračun temelji na nizu enačb, v katerih se upoštevajo vplivni faktorji
za izračun notranje temperature. Enačbe sem zapisal v programu Excel, ki omogoča
spreminjanje posameznih parametrov in s tem izračun toplote za različna vozila pri različnih
pogojih. Rezultat izračunov je časovni potek temperature v kabini vozila. S spreminjanjem
parametrov lahko ugotovimo, od česa in kako je odvisna temperatura notranjosti avtomobila.
Na temperaturo v notranjosti avtomobila vpliva mnogo dejavnikov:
ogrevanje z grelnikom, katerega moč lahko spreminjamo,
vpliv sončnega sevanja,
ogrevanje avtomobila z oddano toploto potnikov. Vsak potnik v avtomobilu oddaja
povprečno 200 W toplotnega toka. Obravnavamo ga lahko kot prispevek k toploti, ki
jo oddaja grelnik,
število potnikov,
prostornina svežega zraka, ki jo moramo dovajati potnikom za zagotovitev primerne
mikroklime,
zgradba avtomobila (pločevina, izolacija, steklo ...),
različne toplotne prevodnosti in debeline materialov, iz katerih je izdelan avtomobil,
hitrost avtomobila,
hitrost gibanja zraka v notranjosti vozila,
različni faktorji prestopa, prevoda in prehoda toplote,
količina zraka in drugih snovi v kabini ter specifična toplota teh snovi,
površina sten avtomobila,
zunanja temperatura,
razlika med zunanjo in notranjo temperaturo ter drugi dejavniki.
47
Toplotni tok za ogrevanje avtomobila je močno odvisen od zunanje temperature. Projektanti si
pri izračunu ogrevalnih sistemov za stavbe pomagajo tudi s predvidenimi temperaturami na
določenem območju. V Sloveniji je temperatura, za katero projektirajo določen ogrevalni
sistem za stavbe določena v pravilniku o toplotni zaščiti in učinkoviti rabi energije v stavbah.
Iz karte območij projektne zunanje temperature za Slovenijo preberemo najnižjo projektno
temperaturo -19 °C. Za to temperaturo je smiselno projektirati tudi ogrevalni sistem
avtomobila, namenjenega za Slovenijo.
Slika 11: Karta območij projektne zunanje temperature za Slovenijo
Vir [38] http://www.mop.gov.si
10. 1 Toplotni tok
Toplotni tok v stacionarnem stanju definiramo kot razmerje med množino toplote in časom v
katerem se ta toplota prenese.
tQP
(7)
kjer Q pomeni v času preneseno toploto. Enota toplotnega toka je vat.
10.1.1 Prevod toplote
Toplotni tok lahko izračunamo z enačbo
dTAAjP
, kjer: (8)
j pomeni gostota toplotnega toka v enotah vat na kvadratni meter,
A pomeni ploščino stene, skozi katero prehaja toplota. Merimo jo v kvadratnih metrih,
λ pomeni toplotno prevodnost, ki jo merimo v vatih na meter kelvin,
48
ΔT pomeni razliko temperatur, ki jo merimo v kelvinih,
d pomeni debelino stene, ki jo merimo v metrih.
Če po tej enačbi izračunamo, na primer, prevajanje toplote skozi stekla avtomobila, dobimo
glede na meritve prevelik rezultat. Da bi dobili pravi rezultat, moramo upoštevati še prestop
toplote, kar izračunani toplotni tok močno zmanjša.
10.1.2 Prestop toplote in prestopnost
Toplotni tok pri prestopu skozi steno je premo sorazmeren z velikostjo ploščine, skozi katero
teče toplotni tok in s temperaturno razliko med temperaturo medija na eni in temperaturo
medija na drugi strani stene dovolj daleč stran od stene (običajno zadostuje že nekaj
centimetrov).
TAP , (9)
Simbol α v tej enačbi pomeni koeficient toplotne prestopnosti ali krajše toplotna prestopnost.
Enota toplotne prestopnosti je W/m2K. Koeficienta toplotne prestopnosti ni enostavno
določiti. V tehniki se toplotna prestopnost giblje med 2 in 20000 W/m2K in je odvisna od več
dejavnikov:
pretočne hitrosti v,
karakteristične velikosti pretočnega prereza ali obravnavane površine de,
kinematične viskoznosti ν,
težnega pospeška g,
temperature medija Tm,
tlaka medija p,
temperature stene Ts,
prostorninske temperaturne razteznosti β,
toplotne prevodnosti medija λm ,
gostote medija ρ,
specifične toplote medija ob konstantnem tlaku cp,
značaja toka medija (laminarno ali turbulentno),
smeri toplotnega toka (od stene na medij ali obratno),
lege površine (vodoravno, navpično, pod kotom),
49
ukrivljenosti površine glede na smer toka,
hrapavosti površine,
oddaljenosti od točke spremembe smeri toka ali hitrosti toka,
pulziranja hitrosti toka (odvisnost od frekvence in amplitude pulzov),
faznih sprememb v mediju (vrenje, kondenzacija, ...),
ali je medij ena sama snov ali je zmes več komponent (olje, nafta, emulzija, ...),
v posebnih pogojih (zgorevanje, vakuum, emulzije) lahko na prestop toplote vplivajo
tudi električno in magnetno polje, razlike v koncentraciji, termoelektrični efekt,
površinska napetost in drugo,
vzrok gibanja (naraven ali vsiljen). Viri:
Kraut [39],
Herr [40],
Zgonik [41]
Kljub zelo obširnemu raziskovalnemu delu je toplotno prestopnost še vedno največkrat
najlažje izmeriti, za vsak določen primer posebej, saj se da izračunati samo v nekaterih
preprostih primerih. Nusseltova podobnostna teorija je sicer omogočila določanje toplotne
prestopnosti s preizkusi na (geometrično) podobnih modelih, pri katerih veljajo nekatera
brezdimenzijska števila, na primer:
Reynoldsovo število Re = v de / ν (laminarni ali turbulentni tok) (10)
Prandtlovo število Pr = ρ cp ν / λ (turbulentni tok kapljevin, smer topl. toka) (11)
Pectletovo število Pe = v de ρ cp / λ = Re Pr (prisilni tok plinov) (12)
Grasshofovo število Gr = de3g ΔT β/ ν2 (naravni tok tekočin, naravna konvekcija) (13)
Nusseltovo število Nu = α de/ λ in druga. (14)
Iz Nusseltovega števila določimo koeficient toplotne prestopnosti z enačbo:
α = Nu λ /de (15) Vir: Kraut [39]
Koeficient toplotne prestopnosti močno vpliva na toplotni tok za ogrevanje avtomobila, zato
je pomembno določiti njegovo vrednost. Za določanje koeficienta toplotne prestopnosti
avtomobila sem upošteval izmerjene dimenzije avtomobila in druge podatke iz priročnikov. V
literaturi (Kraut, 1994 str. 209, Zgonik, 2002) najdemo izraz za prisilni tok plinov vzdolž
ravne ploskve in za prisilni tok plinov pravokotno na okroglo cev. Ker ploskve avtomobila
50
niso niti popolnoma vodoravne niti pravokotne na tok zraka, vzamemo srednjo vrednost
konstante v enačbi.
75,0085,0 PeNu (16)
pe cdv
Pe
(17)
Vir: Kraut [39]
Karakteristično dimenzijo de dobimo po enačbi
AVd e
6 , (18)
Vir: Zgonik [41]
ki velja za ne preveč vitka telesa v odprtem okolju. Prestopnost izračunamo po enačbi:
edNu
(19)
Vir: Kraut [39]
Zgornje enačbe odpovejo pri zelo majhnih hitrostih in tudi sicer niso izpeljane in preizkušene
posebej za osebni avtomobil.
Za določene naloge lahko uporabimo tudi izkustvene vrednosti za določanje toplotne
prestopnosti. Tako lahko za toplotno prestopnost za mirujoči zrak vzamemo vrednosti od 2 do
14 W/m2K, za gibajoči se zrak pa toplotno prestopnost izračunamo po enačbi:
v 122 (20) Vir: Herr [40]
To empirično enačbo sem uporabil tudi v svojih enačbah za izračun ogrevanja avtomobila, saj
je dovolj enostavna za uporabo v programu za izračun.
Z uporabo iste enačbe lahko izračunamo tudi toplotno prestopnost α iz zraka v notranjosti na
vetrobransko steklo. Ventilator potiska zrak ob vetrobransko steklo skozi 1,1 m dolgo in 1,5
cm široko šobo, ki je nameščena na armaturni plošči in usmerjena proti vetrobranskemu
steklu. Hitrost zraka ob vetrobranskem steklu sem izmeril na sredini te šobe, na razdalji 5 cm
od odprtine šobe. Na tem mestu sem izmeril največjo hitrost zraka 3 m/s, čemur ustreza
toplotna prestopnost 23 W/m2K. Pri tej meritvi so bile vse ostale šobe zaprte. Običajno
ventilator v notranjosti ne deluje s polno hitrostjo, zato je hitrost zraka ob vetrobranskem
steklu običajno okoli 1 m/s, izračunana toplotna prestopnost pa 14 W/m2K. Za natančnejšo
51
analizo bi moral izmeriti hitrosti zraka v avtomobilu na več različnih mestih ob več hitrostih
ventilatorja in za vsako hitrost avtomobila posebej, ter posebej za vsako stanje odprtosti ali
zaprtosti vsake od šob v avtomobilu.
Opravil sem primerjavo toplotnih prestopnosti, izračunanih z metodo brezdimenzijskih števil
(Nusseltovo število, Pectletovo število, karakteristična dimenzija) in toplotne prestopnosti
izračunane po empirični enačbi. V spodnjem grafu so prikazane razlike med vrednostmi,
izračunanih po obeh postopkih.
Primerjava toplotne prestopnosti izračunane z različnimi metodami
0
20
40
60
80
100
120
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130hitrost [km/h]
koef
icie
nt to
plot
ne
pres
topn
osti
[W/m
2K]
toplotna prestopnost empirično
toplotna prestopnost brezdimenzijsko
Vir: avtor
Slika 12: Primerjava toplotnih prestopnosti
10.1.3 Prehod toplote skozi avtomobilska stekla
Avtomobilsko steklo je sestavljeno iz dveh plasti stekla, med katerima je posebna folija iz
umetne snovi imenovane PVB. Pri prehodu toplote iz kabine moramo zato upoštevati štiri
dejavnike, to so:
prestop toplote iz notranjega zraka na steklo,
prevod toplote skozi steklo,
prevod toplote skozi PVB folijo in
prestop toplote iz steklo na zunanji zrak.
Vsak od teh dejavnikov se obnaša kot toplotni upor plasti R, ki ga merimo v enotah m2K/W.
Skupni toplotni upor lahko izračunamo kot seštevek toplotnih uporov zaporednih plasti, skozi
katere prehaja toplota:
52
2121
11
folije
folije
stekla
steklafolijestekla
ddRRRRR (21)
Obratna vrednost skupnega toplotnega upora se imenuje toplotna prehodnost. Označimo jo s
simbolom U in merimo v enotah W/m2K. Enačba za izračun toplotne prehodnosti je:
RU 1
(22)
Pri avtomobilu je toplotna prehodnost močno odvisna od hitrosti gibanja avtomobila in od
hitrosti gibanja zraka znotraj avtomobila, saj se pri tem močno spremeni toplotna prestopnost.
Učinek dodatnega upora zaradi toplotne prestopnosti se še posebej močno pozna pri stenah, ki
imajo same po sebi majhen toplotni upor, kot so na primer avtomobilska stekla.
Zato je pri steklenih površinah zelo pomembno doseči čim manjšo konvekcijo in s tem
majhen koeficient toplotne prestopnosti. Običajno imajo okna, ki jih uporabljamo v stavbah,
toplotno prehodnost od 6 W/m2K za enojno steklo, do 0,5 W/m2K za posebna stekla z
dvojnimi ali trojnimi stekli, ki so premazana s posebnimi nizkoemisijskimi nanosi, prostor
med stekli pa je napolnjen z žlahtnimi plini, običajno z argonom.
Uporabe sestavljenih stekel v avtomobilih še nisem zasledil, uporabljajo pa se pri stranskih
steklih avtobusov. Osebni avtomobil Renault Clio ima vetrobransko steklo skupne debeline 6
mm. To steklo je sestavljeno iz dveh plasti stekla, med katerima je zalepljena PVB folija
debeline 1 mm. Spodnji graf prikazuje izračunano odvisnost toplotne prehodnosti od hitrosti
za to steklo.
Toplotna prehodnost stekla
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130hitrost avtomobila [km/h]
U [W
/m2K
]
U pri notranjihitrosti 3 m/s
U pri notranjihitrosti 2 m/s
U pri notranjihitrosti 1 m/s
U pri notranjihitrosti 0 m/s
Vir: avtor
Slika 13: Toplotna prehodnost avtomobilskega stekla v odvisnosti od hitrosti avtomobila.
53
10.1.4 Prehod toplote skozi ostali del avtomobila
Na podoben način kot za avtomobilsko steklo je mogoče izračunati tudi toplotno prehodnost
za ostali del avtomobila. Večji del avtomobila je sestavljen iz pločevine, izolacije in umetne
snovi v notranjosti kabine (armaturna plošča, notranji deli vrat, tla, strop). Toplotni upor tega
dela avtomobila je večji zaradi večje debeline in manjše toplotne prevodnosti večine teh
snovi. Hitrost avtomobila zato manj vpliva na spremembo toplotne prehodnosti teh snovi.
Toplotna prehodnost izolirane pločevine je nekajkrat manjša od toplotne prehodnosti stekla.
Toplotna prehodnost izolirane pločevine
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130hitrost avtomobila [km/h]
U [W
/m2K
]
U pri notranjihitrosti 3 m/s
U pri notranjihitrosti 2 m/s
U pri notranjihitrosti 1 m/s
U pri notranjihitrosti 0 m/s
Vir: avtor
Slika 14: Toplotna prehodnost izolirane pločevine v odvisnosti od hitrosti avtomobila.
10.1.5 Prehod toplote skozi celotno steno avtomobila
Toplotno prehodnost celotnega avtomobila ni preprosto seštevek obeh prehodnosti. Razlog je
v tem, da je površina stekel manjša od površine izolirane pločevine. Zato toplotna prestopnost
izolirane pločevine bolj vpliva na prestopnost avtomobila kot stekleni del avtomobila. Celotno
toplotno prestopnost izračunamo po enačbi:
celote
pločizolpločizolsteklastekla
AAUAU
U .... (23)
Tudi celotna toplotna prestopnost avtomobila je odvisna od hitrosti na notranji in na zunanji
strani avtomobila, kar prikazuje spodnji graf. Toplotna prestopnost obravnavanega avtomobila
se spreminja od 3 do 6 W/m2K.
54
Toplotna prehodnost celotnega avtomobila
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130hitrost avtomobila [km/h]
U [W
/m2K
]U pri notranjihitrosti 3 m/s
U pri notranjihitrosti 2 m/s
U pri notranjihitrosti 1 m/s
U pri notranjihitrosti 0 m/s
Vir: avtor
Slika 15: Toplotna prehodnost celotnega avtomobila v odvisnosti od hitrosti avtomobila.
10.1.6 Meritve dimenzij in lastnosti kabine avtomobila
Da bi lahko sestavil enačbe za izračun toplotnega toka za ogrevanje avtomobila, sem izmeril
notranjo površino kabine osebnega avtomobila Renault Clio II in določil lastnosti materialov,
iz katerih je kabina izdelana. Kabina avtomobila je zelo kompleksna, neravnih linij in
sestavljena iz različnih materialov, zato je natančno sestavo in dimenzije zelo težko določiti.
Meritve dolžin sem opravil s tračnim metrom, debeline materialov pa s pomičnim merilom.
Izhajal sem iz naslednjih meritev in podatkov:
Stena kabine je sestavljena iz izolirane pločevine, obložene z umetno maso in iz
stekla.
Povprečna debelina prevleke iz umetne mase je 5 mm, njena toplotna prevodnost je
0,126 W/m K.
Povprečna debelina izolacije je 10 mm, njena toplotna prevodnost je 0,055 W/m K.
Povprečno debelino pločevine je težko določiti, saj je na vsakem delu karoserije
drugačna. Določeni deli so sestavljeni iz dveh, treh ali celo štirih plasti pločevine ali
pa so ojačani z dodatnimi ojačitvami iz drugih materialov. V izračunu sem privzel
povprečno debelino pločevine 1,5 mm, njena toplotna prevodnost je 50 W/m K.
Debelina vetrobranskega stekla je 6 mm. Steklo je lepljeno iz dveh plasti stekla, med
katerima je PVB folija debeline 1 mm. Toplotna prevodnost stekla je 0,76 W/m K,
PVB folije pa 0,21 W/m K.
55
Debelina ostalih stekel je 5 mm. Steklo je lepljeno iz dveh plasti stekla, med katerima
je PVB folija debeline 0,8 mm. Toplotna prevodnost stekla je 0,76 W/m K, PVB folije
pa 0,21 W/m K. Vir: Kraut [39],
Koškin [42]
Kabini, ki ni v obliki kvadra, sem izmeril dimenzije. Spodnja skica prikazuje obliko kabine
pri pogledu od strani. Spodaj sem zapisal povprečne izmerjene dimenzije notranjosti kabine.
Vir: avtor
Slika 16: Skica kabine osebnega avtomobila Renault Clio II pri pogledu s strani.
Dolžina ogrevanega dela je 2,5 m, širina 1,3 m, višina 1,2 m. Ploščina strehe je 2 m2, ploščina
dna kabine je 3 m2, ploščina obeh stranskih sten skupaj je 5 m2, ploščina sprednje stene 1,6
m2 in ploščina zadnje stene 1,4 m2. Skupna ploščina vseh sten je 13 m2, od tega 2,6 m2
steklenih površin. Ploščina vetrobranskega stekla je 0,9 m2, prostornina kabine pa 3 m3.
10.1.7 Potek izračuna
V namen izpeljave enačb privzamemo naslednje predpostavke:
Grelnik oddaja konstantni toplotni tok (Pgrelnika), katerega vrednost pa lahko
nastavimo.
Vsaka oseba v avtomobilu oddaja 200 W toplotnega toka (Ppotnikov).
Svež zrak, ki ga moramo dovajati potnikom, moramo ogreti na primerno temperaturo,
zato potrebujemo določeno količino toplote. Toplotni tok za ogrevanje zraka (Pzraka)
izračunamo po enačbi:
1,9 m
1,2
m
2,5 m
56
tTcm
P pzraka
(24)
pri čemer ΔT pomeni razliko med temperaturo v kabini in zunanjo temperaturo, m pomeni
maso zraka, cp pa specifično toploto zraka. Izrabljeni (segreti) zrak po določenem času
odvajamo v okolico. S tem iz kabine teče tudi toplota, ki smo jo porabili za ogrevanje svežega
(hladnega) zraka.
Skozi stene vozila prehaja iz notranjosti vozila v zunanji zrak toplotni tok (Pskozi_stene),
ki je produkt toplotne prehodnosti (U), skupne ploščine sten avtomobila (A) in razlike
med notranjo in zunanjo temperaturo (ΔT). Ta toplotni tok izračunamo z enačbo:
TAUP steneskozi _ (25)
V notranjosti kabine se nahajajo predmeti in snovi, ki jih je potrebno segreti. To so
predvsem zrak, sedeži, volan, prestavna ročica idr. Ti predmeti in snovi imajo
določeno maso in se segrevajo s toploto, ki ostaja v avtomobilu.
V avtomobil vstopa predvsem toplotni tok grelnika in toplotni tok potnikov. Iz avtomobila
izstopa toplotni tok, ki skozi stene prehaja v zunanji zrak in toplotni tok, ki ga iz kabine
odnaša izrabljeni zrak. Razlika med toplotnimi tokovi, ki v avtomobil vstopajo, in toplotnimi
tokovi, ki iz avtomobila izstopajo, ostaja v kabini avtomobila in se kaže v povečanju notranje
energije snovi v kabini. Predmeti in snovi v kabini avtomobila se segrevajo.
Topotni tok, ki segreva notranjost kabine avtomobila (Pza ogrevanje) izračunamo po enačbi:
tTcm
PPPPP psteneskozizrakapotnikovikagresegrevanjeza
_ln_ (26)
Enačbo preuredimo in dobimo
p
segrevanjeza
cmP
tT
_, (27)
pri čemer je ΔT sprememba temperature snovi v kabini v določenem času (t).
57
Ko se temperatura znotraj kabine vozila povečuje, se povečuje tudi toplotni tok, ki prehaja
skozi stene navzven. Povečuje se tudi toplotni tok za ogrevanje svežega zraka.
V dovolj kratkem časovnem intervalu lahko vzamemo razmere kot stacionarne in iz začetnih
pogojev izračunamo spremembo temperature v tem času.
Temperaturo notranjosti kabine dobimo tako, da seštejemo začetno temperaturo notranjosti z
izračunano spremembo temperature. Novo temperaturo notranjosti ponovno vstavimo v
enačbe in dobimo nov rezultat. Postopek ponavljamo do želene temperature ali do želenega
časa. Rezultat najlažje dobimo z numeričnim reševanjem sistema enačb, na primer v
programu Excel.
V izračunih sem upošteval, da je v avtomobilu 4 kg zraka s povprečno specifično toploto
1005 J/kgK. Poleg zraka je v avtomobilu potrebno ogreti še sedeže, armaturno ploščo,
notranje obloge pločevinastih delov iz umetnih snovi, prestavno ročico, volan, preproge in
druge dele notranjosti kabine. Določene dele avtomobila sem pri tem stehtal, pri določenih
delih pa to ni bilo mogoče, zato sem predpostavil, da je skupna masa vseh snovi, ki jih
moramo ogrevati znotraj avtomobila, 120 kg. Specifične toplote vseh predmetov v kabini
zaradi njihove sestave nisem mogel natančno določiti, zato sem privzel povprečno vrednost
1000 J/kg K.
V izračunih sem privzel tudi, da je ves zrak v notranjosti na enako temperaturo segret
istočasno. V resnici pride pri tem do odstopanj. Običajno je sprednji del kabine segret pred
zadnjim delom. Občutna je tudi razlika med toplejšim zgornjim in hladnejšim spodnjim
delom kabine. Proizvajalci avtomobilov to težavo rešujejo s povečanjem števila šob na
različnih delih avtomobilske kabine.
58
11 Meritve Z meritvami sem želel potrditi rezultate izračunov. Vse meritve, opisane v nadaljevanju, sem
opravil v osebnem avtomobilu Renault Clio 1,5 dCi letnik 2002, kovinsko modre barve. Vse
meritve sem izvajal v jesenskem in zimskem času zjutraj in dopoldan od 5:00 do 9:00. S tem
sem zagotovil stabilno zunanjo temperaturo in se izognil sončnemu obsevanju.
11. 1 Meritev ogrevanja mirujočega avtomobila ogrevanega s kaloriferjem
Pri meritvi ogrevanja mirujočega avtomobila je bila začetna temperatura v notranjosti
avtomobila 10 °C. Zunanja temperatura je bila ves čas poskusa 8 °C in se med poskusom ni
spreminjala. Relativna vlažnost zunanjega zraka je bila okoli 90 %. Eksperiment sem izvedel
v brezvetrju, hitrost vetra je bila od 0 do 1 m/s. Meritve sem izvajal v zavetju med dvema
hišama. Avtomobil je bil približno 5 metrov oddaljen od vsake od njiju. Kabino sem ogreval z
običajnim toplozračnim ventilatorskim grelnikom zraka (kaloriferjem) z močjo 2 kW. Grelnik
je bil postavljen na dno vozila pred zadnjo klop, tako da je bil zračni tok usmerjen med obema
sprednjima sedežema proti sprednjemu delu vozila (proti ročni zavori in prestavni ročici).
Temperaturo v notranjosti kabine sem meril s tremi merilniki. Uporabil sem digitalne
termometre z natančnostjo ±0,1 °C . Tipalo prvega termometra je bilo nameščeno nekaj cm
pod volanom, tipalo drugega termometra nekaj cm nad sredino voznikovega sedeža, tipalo
tretjega termometra pa nekaj centimetrov nad sredino zadnje klopi. Mesto postavitve tipal je
prikazano na spodnji skici.
Vir: avtor
Slika 17: Postavitev termometrov in toplozračnega grelnika
59
Temperature sem odčital vsako minuto. V štirih urah sem zbral 720 meritev temperature
notranjosti. Po treh urah meritev je notranja temperatura naraščala zelo počasi. Po štirih urah
sem meritev prekinil. Meritve sem obdelal v programu Excel. Narisal sem grafe vseh treh
merjenih temperatur in povprečne temperature. Vidna je razlika temperatur glede na mesto
merjenja. Grafi temperatur so prikazani na spodnji sliki.
Ogrevanje avtomobila z grelnikom
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[ C
]
T pod volanom
T nad sprednjim sedežem
T nad zadnjim sedežem
T povprečna
Vir: avtor
Slika 18: Izmerjene temperature notranjosti kabine pri ogrevanju avtomobila z grelnikom z
močjo 2000 W in zunanjo temperaturo 8 °C.
11.1.1 Primerjava meritev in izračunanih vrednosti
Povprečno izmerjeno temperaturo sem primerjal z izračunano temperaturo. V izračunih sem
upošteval izmerjeno zunanjo temperaturo in hitrost vetra. Na spodnji sliki je prikazan graf
temperatur meritve ogrevanja avtomobila in graf, narisan s podatki izračuna.
Izračunana najvišja temperatura se dobro ujema z najvišjo izmerjeno temperaturo. V poteku
temperatur pride do večjih odstopanj, ki so posledica različnih dejavnikov, na primer napak
pri meritvi, neenakomerne razporeditve temperatur zraka v kabini, notranjega prestopa in
prevoda med notranjimi predmeti. Podrobne konstrukcije in podrobnosti vseh snovnih in
geometrijskih lastnosti predmetov, ki se nahajajo znotraj kabine, ne poznam. Do podrobnejših
podatkov bi se dalo priti z zelo poglobljeno analizo razmer na velikem številu točk in z
velikim številom meritev.
Notranji prestop in prevod sem kljub nepopolnim podatkom ovrednotil z naslednjim
razmislekom.
60
Notranja temperatura zraka v odvisnosti od časa
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[ C
]
T izmerjena povprečna
T izračunana
Vir: avtor
Slika 19: Primerjava izmerjene temperature notranjosti pri ogrevanju avtomobila z izračunano
temperaturo
Ob začetku ogrevanja se najprej (v prvih sekundah) ogreje notranji zrak. Toplota zatem
prestopa na stene predmetov, ki so v stiku s tem zrakom. Toplotni tok, ki nato prehaja v
notranje predmete (stene, sedeže, prestavno ročico, volan …), je produkt razlike temperatur
ΔT (med elementi in zrakom), ploščine (kjer sta v stiku notranji zrak in stena elementov) in
toplotne prehodnosti predmeta. Toplotni tok izračunamo z enačbo:
TAUP kabineznotraj _ (28)
Zaradi toplotnega toka, ki vstopa v predmet (na primer sedež), se ta predmet segreva. Toplotni
tok za ogrevanje zraka v kabini pa je zaradi toplotnega toka, ki vstopa v predmete v kabini,
sedaj manjši. Enačbo, ki je bila že zapisana v prejšnjem poglavju, dopolnimo z zadnjim
členom:
kabineznotrajsteneskozizrakasvežegapotnikovikagrezrakasegrevanjeza PPPPPP ___ln__ (29)
V izračunih lahko sedaj posebej upoštevamo maso zraka in posebej maso drugih predmetov.
Temperatura predmetov v kabini se povečuje. Povečanje lahko izračunamo po enačbi:
p
kabineznotraj
cmP
tT
_ (30)
61
Po dovolj dolgem času se predmeti v kabini segrejejo do temperature zraka, tako da na
končno doseženo temperaturo notranji toplotni tokovi ne vplivajo. Vplivajo pa na potek
temperature. Na spodnji sliki sta prikazana poteka temperatur, dobljena z merjenjem, ter
potek temperatur, izračunan s popravkom zaradi notranjih toplotnih tokov. Pri tem sem
upošteval maso ogrevanih delov 120 kg, prestopni koeficient 6 W/m2K, in površino notranjih
delov kabine 15 m2.
Notranja temperatura zraka v odvisnosti od časa
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
T izmerjena povprečna
T izračunana s popravkom
Vir: avtor
Slika 20: Primerjava izmerjene temperature notranjosti pri ogrevanju avtomobila z izračunano
temperaturo s popravkom zaradi notranjega prestopa toplote
Meril sem temperaturo zraka v kabini, nisem pa meril temperature predmetov, na primer
temperature sedežev v različnih globinah. Rezultate izračunov sem preveril z različnimi
močmi grelnika pri različnih zunanjih temperaturah. Ugotovil sem, da je izračun uporaben pri
določanju temperaturnega odziva pri različnih zunanjih temperaturah in pri različnih močeh
ogrevanja.
SKLEP:
Z izpeljanim sistemom enačb lahko predvidimo temperaturni odziv notranjosti kabine pri
različnih zunanjih temperaturah in različnih toplotnih tokovih ogrevanja pri mirovanju vozila.
62
11. 2 Meritev ogrevanja gibajočega se avtomobila, ogrevanega s kaloriferjem
Hitrost gibanja avtomobila je eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na ogrevanje
notranjosti kabine. Toplotni tok za ogrevanje avtomobila v gibanju je večji od toplotnega toka
v mirovanju zaradi povečanja toplotne prestopnosti na zunanji strani vozila.
Rezultate izračunov sem potrdil tudi z merjenjem. Postavilo se je vprašanje, kako izmeriti
toplotni tok, ki vstopa v vozilo pri ogrevanju. Težavo sem rešil z merilnikom električnega
dela, na katerega sem priključil toplozračni električni grelnik (kalorifer). Električno delo sem
zagotovil z električnim agregatom na bencinski pogon. Električni agregat sem postavil na
avtomobilsko prikolico, ki sem jo vlekel za avtomobilom. Postavitev je prikazana na spodnji
sliki. Na sliki so vidni tudi toplozračni grelnik, digitalni merilnik temperature, pripadajoči
senzorji ter merilnik električne moči in dela.
Vir: avtor
Slika 21: Slika prikolice, električnega agregata in druge opreme.
Za merjenje temperatur sem uporabil elektronski digitalni termometer Voltkraft K204
Datalogger. Ta naprava ima štiri vhode in s tem možnost merjenja štirih temperatur hkrati.
Vsako od temperatur lahko meri v nastavljivem časovnem intervalu. Nastavil sem časovni
interval 20 sekund, tako da sem v eni uri zbral 720 meritev z vsakega vhoda. Ker je merilnik
popolnoma avtomatiziran, med vožnjo ne zahteva dodatne pozornosti voznika. Med vožnjo
sem se zato lahko osredotočil na varno vožnjo. Merilnik ima priložen računalniški program, s
katerim sem podatke kasneje prenesel na računalnik. Podatke sem nato obdelal in narisal
ustrezne grafe v programu Excel.
63
11. 3 Meritev ogrevanja avtomobila s stalno hitrostjo ogrevanega s kaloriferjem
Poskus z merjenjem notranje temperature pri ogrevanju avtomobila sem izvedel pri stalni
hitrosti 80 km/h. Vozil sem po ljubljanski obvoznici. Poskuse sem izvajal v zgodnjih jutranjih
urah. S tem sem zagotovil dovolj stalno zunanjo temperatura, saj sem s poskusi končal, še
preden se je začelo ozračje zaznavno ogrevati. Postavitev kaloriferja je bila enaka kot pri
merjenju mirujočega avtomobila. V kabino dovedeno električno moč sem meril z
elektronskim merilnikom moči in dela Conrad Energy Monitor 3000. Ta naprava samodejno
shranjuje podatke in jih prikazuje na zaslonu. Med vožnjo ne potrebuje posebne pozornosti,
zato v prometu ne predstavlja dodatne motnje pozornosti voznika. Temperaturo sem meril s
štirimi merilniki. Tri merilnike sem namestil v kabini, enega pa v zunanjosti avtomobila,
približno deset centimetrov od sovoznikovega stekla. Merilniki v notranjosti avtomobila so
prikazani na spodnjih slikah, iz katerih se vidi tudi njihov položaj.
Vir: avtor
Slika 22: Slika merjenja notranjosti vozila s tremi merilniki.
Ob začetku vožnje je bila temperatura notranjosti 5 °C, zunanja pa 1 °C. Med vožnjo se je
zunanja temperatura malo spreminjala. Najvišja zunanja temperatura je bila 3 °C. Zunanji
dotok zraka v kabino sem zaprl. Fizično sem zaprl vse šobe in odprtine, skozi katere običajno
prihaja zrak v kabino, ugasnil ventilator in avtomatsko klimatsko napravo. Med vožnjo sem
po dvajsetih minutah vožnje opazil sledove vlage na steklih. Po pol ure vožnje je bilo
nabiranje vlage izrazito po vseh steklih. Na vetrobranskem steklu je bilo vlage več na robovih,
na sredini pa kondenzirane vlage ni bilo. V avtomobil je kljub zaprtim šobam nekaj zraka
prihajalo skozi tesnila pri vratih, oknih in skozi druge netesne dele kabine. V izračunu sem
upošteval, da je v avtomobil prihajalo 15 m3 zraka na uro.
64
Vožnjo sem začel z ogrevanjem s toplotnim tokom 1800 W. Spodnji graf prikazuje
neenakomerno spreminjanje temperature zraka, ki je bila odvisna tudi od mesta merjenja.
Najvišja izmerjena temperatura je bila v višini sovoznikovega trebuha. Najnižja izmerjena
temperatura je bila spredaj, približno v točki sovoznikovih kolen. Nekaj centimetrov nad
sredino zadnjega sedeža je bila izmerjena temperatura srednja. Razlika temperatur med
najhladnejšo in najtoplejšo izmerjeno točko je dosegala 5 °C. Pri ogrevanju avtomobila je
potrebno poskrbeti za enakomerno ogrevanje vseh točk kabine avtomobila, zato so običajno
avtomobili opremljeni z velikim številom zračnih šob, ki dovajajo topel zrak na prava mesta.
Ob ogrevanju s toplotnim tokom 1800 W se je povprečna temperatura povišala do 22 °C v
devetnajstih minutah. Po sedeminštiridesetih minutah je povprečna temperatura v avtomobilu
dosegla že 27 °C. V avtomobilu je bilo vroče, zato sem zmanjšal toplotni tok na 900 W.
Temperatura se je hitro zniževala, po približno eni uri vožnje pa se je vzpostavilo ravnovesje
pri temperaturi 21 °C. Opisani rezultati so razvidni iz spodnje slike .
V grafu je jasno viden čas preklopa na manjšo moč ogrevanja. Grelnik je prvih 47 minut
deloval z močjo 1800 W, naslednjih 33 minut pa z močjo 900 W. Skupaj je električni grelnik
v 80 minutah oddal 1,9 kWh toplote s povprečnim toplotni tokom 1400 W.
Ogrevanje vozila med vožnjo
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80čas [min]
tem
pera
tura
[C]
zunanja temperatura spredaj pri sovoznikovih kolenih v višini sovoznikovega trebuha nad zadnjim sedežem povprečna temperatura v kabini
ogrevanje s toplotnim tokom 900 W
ogrevanje s toplotnim tokom 1800 W
Vir: avtor
Slika 23: Graf temperatur ogrevanega avtomobila med vožnjo
V izračune sem vnesel tudi izmerjeno zunanjo temperaturo, ki se sicer med poskusom ni
močno spreminjala, na rezultate pa je vseeno vplivala. Na spodnji sliki sta graf povprečne
izmerjene temperature ter graf izračunanih temperatur.
65
Primerjava meritve in izračunanih temperatur
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80čas [min]
tem
pera
tura
[C]
izmerjena povprečna temperatura
izračunana temperatura
zunanja temperatura
Vir: avtor
Slika 24: Primerjava v poskusu izmerjene temperature s temperaturo izračunano z enačbami
Grafa se dovolj dobro ujemata. Z izpeljanim sistemom enačb lahko izračunamo potek
temperatur v kabini avtomobila med mirovanjem ali med gibanjem avtomobila.
SKLEP:
S izpeljanim sistemom enačb lahko izračunamo temperaturni odziv notranjosti kabine pri
različnih zunanjih temperaturah, različnih toplotnih tokovih ogrevanja, pri mirovanju vozila
ali pri različnih hitrostih vožnje. V enačbe je potrebno vpisati več parametrov, ki jih dobimo z
meritvami vozila.
66
12 Rezultati izračunov 12. 1 Vzdrževanje tople kabine
V tem poglavju izraz topla kabina pomeni, da poskušamo z ogrevanjem zagotoviti
temperaturo kabine 22 °C.
V primeru, da je kabina avtomobila že ogreta, moramo avtomobil ogrevati s stalnim toplotnim
tokom, ki pokriva toplotne izgube. V avtomobilu želimo stalno temperaturo 22 °C pri
različnih zunanjih temperaturah, hitrostih avtomobila ali številu potnikov.
Potniki vplivajo na temperaturo v notranjosti na dva načina. Vsak potnik oddaja približno 200
W toplotnega toka, za udobno bivanje pa potrebuje svež zrak.
Zrak v kabini moramo zaradi zagotavljanja svežega zraka menjati. Pravilnik o zahtevah za
zagotavljanje varnosti in zdravja delavcev na delovnih mestih iz leta 1999 v 21. členu pravi,
da je treba delavcu, ki opravlja delo pretežno sede, dovajati od 20 do 40 kubičnih metrov
svežega zraka na uro. Ta zrak je potrebno ogreti ali ohladiti na primerno temperaturo. V
izračunih sem upošteval toploto potrebno za ogrevanje ali ohlajanje 20 m3 svežega zraka na
uro na osebo.
Vsaka oseba v avtomobilu oddaja okoli 200 W toplotnega toka. Torej voznik in štirje potniki
v osebnem avtomobilu skupaj oddajajo okoli 1000 W toplotnega toka. Ta toplotni tok pozimi
pomaga ogrevati avtomobil, poleti pa je to toplotni tok, ki ga je potrebno dodatno odvesti iz
vozila. Tudi ta prispevek sem upošteval v izračunih. Skupne rezultate vseh prispevkov za
nekatere hitrosti sem prikazal v spodnji tabeli.
Tabela 3: Toplotni tok za zagotavljanje temperature notranjosti avtomobila 22 °C v
odvisnosti od hitrosti avtomobila in števila potnikov pri zunanji temperaturi 0 °C
število oseb 0 1 2 5
hitrost
[km/h]
toplotni
tok [W]
toplotni
tok [W]
toplotni
tok [W]
toplotni
tok [W]
0 947 900 853 708
10 1182 1135 1088 946
50 1333 1286 1239 1097
130 1402 1355 1308 1166 Vir: avtor
67
Pri razliki med notranjo in zunanjo temperatur 24 °C vsak potnik odda toliko toplote, kot je
potrebuje za ogrevanje lastnega svežega zraka. Pri tolikšni temperaturni razliki število
potnikov ne vpliva opazno na toplotni tok, potreben za zagotavljanje stalne temperature
kabine.
Pri nižjih zunanjih temperaturah potrebujemo za ogrevanje svežega zraka več toplote kot jo
odda posamezni potnik. Zato večanje števila potnikov zahteva tudi večji toplotni tok za
ogrevanje svežega zraka. Več oseb potrebuje več zraka, ki ga moramo ogreti.
Pri zunanji temperaturi –20 °C, hitrosti 130 km/h in eni osebi v avtomobilu potrebujemo 2700
W, pri petih osebah pa kar 3200 W toplotnega toka. Številka se dobro ujema tudi s podatkom
za moč grelnika električnega avtomobila Think City družbe Think Nordic ASA, ki sem ga
opisal v poglavju o električnih avtomobilih.
Pri dovolj visoki zunanji temperaturi za ohranjanje tople kabine zadostuje že samo toplota, ki
jo oddajajo potniki. Pri mirovanju avtomobila in eni osebi v avtomobilu se že pri zunanji
temperaturi 17 °C vzpostavi ravnovesje v kabini pri temperaturi 22 °C brez dodatnega
ogrevanja. Če je v avtomobilu pet oseb, samo toplota potnikov segreva avto (do 22 °C) že pri
zunanji temperaturi 9 °C, pri vožnji s hitrostjo 130 km/h pa pri zunanji temperaturi 12 °C.
Na toplotni tok za ogrevanje ima velik vpliv tudi hitrost vozila. Spodnji graf predstavlja
toplotni tok, ki ga potrebujemo za vzdrževanje primerne temperature v kabini v odvisnosti od
hitrosti. V kabini avtomobila sta dva potnika.
Toplotni tok ogrevanja v odvisnosti od hitrosti
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
hitrost [km/h]
topl
otni
tok
[W]
Vir: avtor
Slika 25: Toplotni tok za zagotavljanje temperature notranjosti 22 °C pri zunanji temperaturi
0 °C za avtomobil z voznikom in enim potnikom
68
Največji vpliv na toplotni tok za ohranjanje temperature znotraj kabine ima zunanja
temperatura.
Na spodnji sliki so prikazani toplotni tokovi za ohranjanje temperature znotraj kabine. V
kabini je samo voznik. Slika prikazuje odvisnost med toplotnimi tokovi in zunanjo
temperaturo za štiri značilne hitrosti. Pri zunanji temperaturi, višji od 17 °C, se temperatura
notranjosti poviša preko 22 °C, zato je za zagotavljanje primerne notranje temperature
potrebno hlajenje.
Toplotni tok v odvisnosti od zunanje temperature in hitrosti
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25zunanja temperatura [ C]
topl
otni
tok
[ W ]
0 km/h10 km/h50 km/h130 km/h
OGREVANJE
HLAJENJE
Vir: avtor
Slika 26: Graf toplotnega toka za ohranjanje temperature notranjosti 22 °C pri različnih
zunanjih temperaturah in hitrostih avtomobila. V kabini je samo voznik.
SKLEP: Na toplotni tok za vzdrževanje primerne temperature notranjosti vplivajo predvsem
zunanja temperatura, hitrost avtomobila in število potnikov. Toplotni tok za vzdrževanje
primerne temperature notranjosti avtomobila je večji pri nižji zunanji temperaturi ali pri večji
hitrosti. Vpliv števila potnikov na toplotni tok za ogrevanje kabine je odvisen od zunanje
temperature.
12. 2 Ogrevanje hladnega mirujočega avtomobila
V prejšnjem poglavju sem predstavil rezultate izračunov za ohranjanje primerne temperature
v vozilu. Za doseganje te temperature je potreben določen čas, saj je potrebno vse mase
notranjosti vozila segreti od začetne temperature do želene temperature.
69
Rezultate izračunov, ki prikazujejo potek temperatur v kabini pri ogrevanju od začetne
temperature, sem prikazal v grafih.
Spodnja slika prikazuje izračunane temperature v notranjosti mirujočega avtomobilu pri
zunanji temperaturi 0 °C. Vozila ne ogrevamo, kljub temu pa se temperatura notranjosti
povečuje zaradi oddane toplote voznika in potnikov. Vsak oseba v avtu oddaja 200 W
toplotnega toka in potrebuje 20 m3 svežega zraka na uro.
Notranja temperatura pri mirovanju brez dodatnega ogrevanja
0
5
10
15
20
25
0 30 60 90 120 150 180čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
pet oseb samo voznik
Vir: avtor
Slika 27: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu brez dodatnega ogrevanja pri zunanji
temperaturi 0 °C
Temperatura se v treh urah dvigne skoraj do 5 °C. Pet oseb v avtomobilu temperaturo v
avtomobilu poviša do 14 °C, vendar so dosežene temperature še vedno prenizke, zato
avtomobil dodatno ogrevamo.
Spodnja slika prikazuje potek temperature pri mirujočem avtomobilu in zunanji temperaturi 0
°C. V avtomobilu je voznik. Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi.
Temperaturo 22 °C dosežemo pri ogrevanju s toplotnim tokom 1000 W po 90 minutah, pri
ogrevanju s toplotnim tokom 2000 W po 14 minutah in pri ogrevanju s toplotnim tokom
3000 W že po 4 minutah.
70
Notranja temperatura pri mirovanju z ogrevanjem
0
10
20
30
40
50
60
70
0 30 60 90 120 150 180čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C] voznik + 3000 W
voznik + 2000 Wvoznik + 1000 W
Vir: avtor
Slika 28: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu in zunanji temperaturi 0 °C.
Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi.
Če bi avtomobil ogrevali še naprej z enakim toplotnim tokom, bi se temperatura še naprej
dvigala do neke (visoke) ravnovesne vrednosti. Voznik običajno ročno ali s pomočjo
avtomatike zmanjša dovedeni toplotni tok potem ko v vozilu doseže želeno temperaturo. Pri
zunanji temperaturi 0 °C in mirovanju avtomobila za vzdrževanje primerne temperature
zadostuje že toplotni tok 900 W. Potek temperatur opisanega dogajanja je prikazan na spodnji
sliki.
Notranja temperatura pri mirovanju z ogrevanjem
0
5
10
15
20
25
0 15 30 45 60 75 90 105 120čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
voznik + 3000 Wvoznik + 2000 Wvoznik + 1000 W
voznik + 900W
Vir: avtor
Slika 29: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu in zunanji temperaturi 0 °C.
Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. V avtu je samo voznik.
71
V realnosti pride zaradi različnih vzrokov do odstopanja od želene temperature. Pri ročnem
nastavljanju toplotnega toka pride do nihanja temperature okoli idealne. Novejše avtomatske
klimatske naprave samodejno zaznavajo povišanje ali znižanje temperature in temu primerno
regulirajo količino toplote, ki priteka v kabino.
12. 3 Ogrevanje hladnega avtomobila v gibanju
Pri gibanju vozila se poveča prestopni koeficient, zato je za ogrevanje vozila potreben večji
toplotni tok. Spodnji slika prikazuje izračunani potek temperature v notranjosti kabine pri
zunanji temperaturi 0 °C. V vozilu je voznik, hitrost vozila pa je 90 km/h. Slika prikazuje
ogrevanje kabine s različnimi toplotnimi tokovi.
Temperature 22 °C pri ogrevanju s toplotnim tokom 1000 W pri teh pogojih sploh ne
dosežemo, pri ogrevanju s toplotnim tokom 2000 W jo dosežemo po 35 minutah in pri
ogrevanju s toplotnim tokom 3000 W po 5 minutah. Pri teh pogojih za vzdrževanje primerne
temperature zadostuje toplotni tok 1300 W. Potek temperatur opisanega dogajanja je prikazan
na spodnji sliki.
Notranja temperatura pri vožnji s hitrostjo 90 km/h z ogrevanjem
0
5
10
15
20
25
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
voznik + 3000 Wvoznik + 2000 Wvoznik + 1000 W
voznik + 1300 W
Vir: avtor
Slika 30: Graf temperature pri avtomobilu s hitrostjo 90 km/h in ogrevanjem z različnimi
toplotnimi tokovi. Zunanja temperatura je 0 °C. V avtu je samo voznik.
Vožnja z različnimi hitrostmi razmer ne spremeni bistveno. Razmere pa se močno spremenijo,
če je zunanja temperatura nižja. Spodnji graf prikazuje spreminjanje temperature v kabini pri
zunanji temperaturi –20 °C in hitrosti avtomobila 90 km/h. V kabini je samo voznik, kabino
72
pa ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. Temperaturo 22 °C pri teh pogojih dosežemo
šele s toplotnim tokom 3000 W in to po skoraj dveh urah ali pa s toplotnim tokom 4000 W po
nekaj več kot pol ure. Za vzdrževanje te temperature potrebujemo 2700 W toplotnega toka.
Notranja temperatura pri vožnji s hitrostjo 90 km/h z ogrevanjem
-20-15
-10-5
05
1015
2025
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
voznik + 4000 Wvoznik + 3000 Wvoznik + 2000 W
voznik + 2700 W
Vir: avtor
Slika 31: Graf temperature pri avtomobilu s hitrostjo 90 km/h in ogrevanjem z različnimi
toplotnimi tokovi. Zunanja temperatura je –20 °C. V avtu je samo voznik.
Še večji toplotni tok potrebujemo, če je ob zelo nizkih zunanjih temperaturah v vozilu več
oseb. Za ogrevanje svežega zraka potrebujemo veliko toplote. Toplotni tok za ogrevanje
svežega zraka do temperature 22 °C prikazuje spodnja slika.
Toplotni tok za ogrevanje svežega zraka
0
300
600
900
1200
1500
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20zunanja temperatura [C]
topl
otni
tok
[W]
pet osebdve osebisamo voznik
Vir: avtor
Slika 32: Toplotni tok za ogrevanje svežega zraka od zunanje temperature do notranje
temperature 22 °C. Vsakemu potniku zagotavljamo 20 m3 svežega zraka.
73
Potrebe po toploti za ogrevanje svežega zraka lahko zmanjšamo z uporabo toplotnega
izmenjevalnika, s katerim toploto prenesemo s toplega odpadnega zraka na svež zrak, ki
vstopa v vozilo.
Na spodnji sliki je prikazana razlika med ogrevanjem vozila s toplotnim izmenjevalnikom z
izkoristkom 50 % in vozila brez toplotnega izmenjevalnika. Obe vozili vozita s hitrostjo 90
km/h. V obeh vozilih je pet oseb. Zunanja temperatura je –20 °C. S toplotnim tokom 3000 W
bi s pomočjo toplotnega izmenjevalnika za sveži zrak segreli kabino do 22 °C v nekaj več kot
eni uri, brez toplotnega izmenjevalnika pa te temperature sploh ne bi dosegli. Spodnji graf
prikazuje opisane razmere.
Primerjava ogrevanja z in brez toplotnega izmenjevalnika
-20
-10
0
10
20
30
0 30 60 90 120 150 180 210 240čas [min]
notra
nja
tem
pera
tura
[C]
pet oseb, toplotni tok 3000 Wz izmenjevalnikom toplotepet oseb, toplotni tok 3000 Wbrez izmenjevalnika toplote
Vir: avtor
Slika 33: Ogrevanje vozila s toplotnim izmenjevalnikom z izkoristkom 50 % in brez
toplotnega izmenjevalnika. Hitrost vozil je 90 km/h. Zunanja temperatura je –20 °C.
.
SKLEP: Toplotni tok 3000 W bo za ogrevanje avtomobila največkrat zadoščal. Po dosegu
primerne temperature v notranjosti bo potrebni toplotni tok še manjši.
Pri višjih temperaturah okolice je za ogrevanje vozila potreben manjši toplotni tok. Toplotni
tok, večji od 3000 W, je potreben pri zelo nizkih temperaturah (pod –20 °C) in želenem
hitrem ogrevanju vozila.
Pri varčevanju s toploto za ogrevanje je pomembno tudi vračanje toplote odpadnega zraka
svežemu zraku z izmenjevalnikom toplote, še posebej pri nižjih zunanjih temperaturah in
večjem številu oseb v avtomobilu.
74
13 Meritev moči in toplotnih tokov
V prejšnjem poglavju sem opisal, koliko toplote in kolikšne toplotne tokove potrebujemo za
ogrevanje kabine avtomobila. Zanimalo me je, kateri so možni viri toplote v avtomobilu in na
katerih mestih v avtomobilu se pojavljajo. Za to nalogo je pomembno tudi razmerje med
toploto za ogrevanje kabine in energijo, potrebno za premikanje avtomobila.
13. 1 Merjenje moči in dela za vožnjo avtomobila
V tem poglavju opisujem poskus, pri katerem sem v realnih razmerah v prometu meril delo in
moč, potrebno za premikanje avtomobila po obvoznici, po magistralni cesti in po mestu.
Poleg tega sem z izmerjenimi podatki izračunal povprečne izkoristke pretvorbe energije
goriva v delo, potrebno za premikanje avtomobila na posameznih odsekih in na celotni poti.
Meritve sem opravil z vozilom nižjega srednjega razreda znamke Renault Clio (povprečen
avtomobil, kakršnih je na evropskih cestah veliko).
Podatke med vožnjo po posameznih cestnih odsekih sem snemal z merilnikom, ki mi ga je
posodil dr. Frančišek Bizjan s Fakultete za strojništvo v Ljubljani. Merilnik ima vgrajen GPS
modul in merilnik pospeškov. Merilniku je priložen računalniški program, ki omogoča
izračun in prikaz podatkov, kot so:
čas,
vzdolžni pospešek, prečni pospešek in celotni pospešek,
hitrost,
moč, ki je potrebna za premikanje avtomobila in
pozicija avtomobila v vsakem trenutku.
V program je potrebno vpisati določene podatke, kot so masa avtomobila, ploščina sprednjega
dela avtomobila, koeficient zračnega upora, temperatura zraka in druge podatke. Program je
potrebno med meritvijo umeriti. Umerjanje se izvede tako, da se med vožnjo z nizko hitrostjo
po ravnem delu cestišča za določen čas stisne sklopka. Avtomobilu se pri tem zmanjšuje
hitrost predvsem zaradi trenja. Program na ta način določi koeficient trenja, ki je potreben za
nadaljnje izračune. Drugi del umerjanja se izvede pri višji hitrosti na isti način, torej s stiskom
sklopke. Pri tem se avtomobil ustavlja zaradi trenja in upora. Program na ta način določi še
koeficient zračnega upora.
75
Ker je merilnik podatke izmeril desetkrat na sekundo, nam tudi merilniku priloženi program
izračuna moč vsako desetinko sekunde. Delo, ki je potrebno za vožnjo avtomobila, sem dobil
z množenjem moči s časom. Celotno delo dobimo tako, da seštejemo delo v celotnem času
vožnje.
Porabo goriva za posamezen odsek sem dobil z zapisom podatkov potovalnega računalnika.
Podatek o kurilnosti plinskega olja, ki je okoli 9,9 kWh na liter, so mi na prošnjo posredovali
s Petrola in OMV-ja.
S temi podatki sem izračunal razmerje med delom, potrebnim za vožnjo avtomobila, in
energijo goriva ter tako dobil povprečni izkoristek pri določenem režimu vožnje.
Merjenje sem izvedel po posameznih odsekih z vmesnimi krajšimi prekinitvami. Med
posameznimi meritvami sem zapisal porabo goriva in ponovno nastavil merilnik na novo
snemanje podatkov. Prekinitve so bile krajše od ene minute. Meritve sem opravil v realni
prometni situaciji v popoldanskih urah delovnega dne. Pot, ki sem jo prevozil med meritvami,
prikazuje spodnja slika. Celotna pot je razdeljena na tri odseke, ki sem jih barvno označil, in
sicer na:
ljubljansko obvoznico (označena modro),
magistralno cesto (označeno rdeče) in
mesto Ljubljana (označeno vijolično).
Vir: avtor
Slika 34: Prikaz poti, na kateri je bilo izvedeno merjenje moči in dela pri vožnji avtomobila v
realnih razmerah
V naslednjih slikah je prikazana moč in hitrost v odvisnosti od časa na različnih odsekih
celotne poti. Prvi je prikaz vožnje na severni ljubljanski obvoznici od priključka Vič do
76
izstopa v Šentjakobu (smer Zasavje). Iz grafa hitrosti je vidno, da sta bili točki, kjer je
avtomobil miroval, samo dve, in sicer na začetku in na koncu te poti. Povprečna hitrost na tem
odseku je bila 104 km/h. Povprečna moč vožnje na obvoznici je bila 16 kW. S takšnim
načinom vožnje bi po mestu za 100 km poti s tem avtomobilom potrebovali 15,4 kWh
energije.
Iz grafa hitrosti se vidi prestavljanje ob pospeševanju na začetku in večkratno zaviranje zaradi
različnih ovir na cesti. Zanimiv je tudi graf moči, ki se ob zaviranju pogosto zmanjša do nič.
Značilno je tudi zaviranje na koncu tega odseka (označeno s svetlo modro barvo), ki je trajalo
skoraj eno minuto. V začetku tega zaviranja se je hitrost avtomobila zmanjševala zaradi
trenja, upora in zaviranja motorja. Motor na tem delu poti (900 m) ni opravljal dela. V
zadnjem delu zaviranja se strmina grafa poveča. Ta del prikazuje dodatno zaviranje z
zavorami. Zavore pretvarjajo kinetično energijo avtomobila v notranjo energijo. Hibridni
avtomobili lahko ta del energije pretvorijo, shranijo in kasneje ponovno uporabijo, vendar ne
s popolnim izkoristkom.
Moč in hitrost v odvisnosti od časa na obvoznici
0102030405060708090
100110120130140150
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10čas [min]
hitrost [km/h]moč [kW]
Vir: avtor
Slika 35: Prikaz moči in hitrosti v odvisnosti od časa na ljubljanski severni obvoznici
Naslednji graf prikazuje moč in hitrost med vožnjo po magistralni cesti od Šentjakoba proti
Zasavju do krožišča v Dolskem in nazaj do Šentjakoba. Povprečna hitrost na tem delu je bila
62 km/h. Graf hitrosti in graf moči kažeta pogostejše in močnejše spreminjanje. Moč motorja
je bila pogosteje nič, saj je bilo tudi zaviranje pogostejše. Zanimiv je del grafa malo pred
osmo minuto, ko sem po vožnji skozi krožišče v Dolskem v tretji prestavi močno pospešil. V
tem delu je moč motorja za nekaj sekund presegla 30 kW in celo dosegla nazivno vrednost.
77
Povprečna moč na magistralni cesti je bila sicer 6 kW. S takšnim načinom vožnje bi za 100
km poti s tem avtomobilom potrebovali malo manj kot 10 kWh energije.
Moč in hitrost v odvisnosti od časa na magistralni cesti
0102030405060708090
100110
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13čas [min]
hitrost [km/h]
moč [kW]
Vir: avtor
Slika 36: Prikaz moči in hitrosti pri vožnji avtomobila na magistralni cesti
Zadnji graf prikazuje moč in hitrost med vožnjo po Ljubljani od Šentjakoba, po Šmartinski
cesti, skozi center Ljubljane mimo glavne avtobusne postaje, po Dunajski cesti, do Fakultete
za strojništvo na Tržaški cesti.
Moč in hitrost v odvisnosti od časa v mestu
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25čas [min]
hitrost [km/h]
moč [kW]
Vir: avtor
Slika 37: Prikaz moči in hitrosti pri vožnji avtomobila v mestu
Povprečna hitrost v mestu je bila 26 km/h. Graf hitrosti in graf moči kažeta zelo pogosto in
močno spreminjanje. Moč motorja je bila pogosto nič, saj je bilo tudi zaviranje pogostejše.
Povprečna moč vožnje v mestu je bila 2,3 kW. S takšnim načinom vožnje bi po mestu za 100
km poti s tem avtomobilom, potrebovali 8,8 kWh energije.
Zanimivi so deli grafa, ki prikazujejo mirovanje avtomobila v križiščih ali v koloni. Posebej
zanimivo je dogajanje okoli dvajsete minute. Avtomobil je takrat stal v koloni pred
78
semaforjem. Kolona se je premaknila za nekaj metrov, nato pa se je zopet prižgala rdeča luč.
Motor je ves čas mirovanja tekel. Ta avtomobil v prostem teku porabi okoli 0,6 litra goriva
na uro. V času vožnje po mestu je motor avtomobila več kot polovico časa tekel »v prazno«.
Izračuni pokažejo, da bi z doslednim ugašanjem motorja vsak trenutek, ko ne potrebujemo
moči za pogon avtomobila, prihranili približno 25 % goriva pri vožnji po mestu, 8 % pri
vožnji po magistralni cesti in 2 % pri vožnji po obvoznici.
Sisteme ugašanja motorja med mirovanjem avtomobila in ponovnega zagona pred vožnjo
proizvajalci že ponujajo tudi v povezavi s klasičnimi bencinskimi in dizelskimi motorji kot
del dodatne opreme nekaterih vozil. Najbolj pa takšen način delovanja izrabljajo hibridna
vozila, ki bencinski motor ugasnejo že, ko deluje z zmanjšano močjo, saj lahko majhno moč
učinkoviteje zagotavlja elektromotor. Hibridna vozila imajo zato prednost pred klasičnimi
ravno v mestu, kjer je veliko pospeševanja in zaviranja ter vmes večkrat razmeroma dolg čas
mirovanja. Na obvoznicah in avtocestah hibridna vozila nimajo izrazitih prednosti pred
klasičnimi avtomobili.
Spodnji graf prikazuje razmerje med časom, ko je motor opravljal delo z določeno močjo, in
časom celotne vožnje. Graf pokaže, da celotno moč motorja (za katero plačamo ob nakupu
avtomobila in ob vsakoletnem plačilu zavarovalne premije) izkoristimo izredno redko, v
mestu praktično nikoli. V mestu je vožnja tekoča že z močmi motorja do 20 kW, na
magistralni cesti bi zadostovala že moč do 30 kW, nekaj večja moč motorja je potrebna le za
tekočo vožnjo na obvoznici ali avtocesti.
Razmerje časa moči in celotnega časa vožnje
0%
20%
40%
60%
80%
100%
nad 0 nad 10 nad 20 nad 30 nad 40 nad 50moč [kW]
razm
erje
obvoznicamagistralna cestamesto
Vir: avtor
Slika 38: Razmerje časa moči in celotnega časa vožnje za različne vozne režime
V spodnji tabeli sem prikazal nekatere rezultate meritev in kasnejših izračunov moči, dela,
porabe goriva in izkoristka avtomobila pri vožnji v različnih prometnih režimih. Za nadaljnjo
79
obravnavo teme te naloge so predvsem pomembni podatki o delu, ki je potrebno za
premikanje vozila. To delo je odvisno od režima vožnje in je za testirani avtomobil od 9 kWh
do 16 kWh na 100 km. Na prevoženi progi je bilo povprečno delo za premikanje tega
avtomobila 12 kWh za 100 km. Zanimiv podatek je še izkoristek, ki sega od 18 % v mestu do
32 % na obvoznici, povprečen izkoristek te vožnje pa je bil 27 %.
Tabela 4: Zbrani rezultati meritev
obvoznica magistralna cesta mesto celotna pot
Pot [km] 18.1 14.0 11.2 43.3
Čas [min] 10.4 13.5 25.7 49.6
Povprečna hitrost [km/h] 104 62 26 52
Delo za 100 km takšne vožnje [kWh] 15.4 9.4 8.8 12
Povprečna moč [kW] 16 5.8 2.3 6
Poraba goriva [l/100 km] 4.8 3.4 4.9 4.4
Izračunani izkoristek 32.4 % 27.9 % 18.2 % 27.2 %
Energija zaviranja na 100 km [kWh] 1.4 1.8 3.8 2.1
Razmerje energije zaviranja in dela
za vožnjo 9 % 19 % 43 % 18 %
Povprečna moč zaviranja [kW] 1.4 1.1 1.0 1.1 Vir: avtor
Moč, ki je potrebna za vožnjo avtomobila, je odvisna od izbranega režima vožnje. Motor
testiranega avtomobila je na celotni poti deloval s povprečno močjo 6 kW, kar je komaj 10 %
nazivne moči motorja.
Zanimiv je še pogled na podatke o zaviranju, ki sem jih dobil iz meritev sprememb hitrosti in
trenja ter izračunov upora. Na prvi pogled je energije zaviranja veliko, v mestu na primer celo
43 % celotne energije za premikanje avtomobila. V resnici je delo samih zavor precej manjše.
Meritve sem opravljal z dizelskim avtomobilom. Vsakič, ko sem spustil plin, je avtomobil
zaviral tudi zaradi zaviranja motorja. Kadar je bilo potrebno dodatno zaviranje, sem uporabil
zavore, ki so povečale silo trenja.
Ker motor zavira vozilo vsakič, ko spustimo plin, je energija, ki jo dejansko prejmejo zavore,
manjša od prikazane. Motor najmočneje zavira v mestu, kjer običajno vozimo v nizkih
prestavah. Motorna elektronika novejših avtomobilov v režimu, ko motor brez plina zavira
avtomobil, motorju zapre gorivo, zato je poraba goriva v tem režimu enaka nič ali zelo
80
majhna. Hibridni in električni avtomobili lahko del te energije pretvorijo, shranijo in
uporabijo kasneje. Lahko bi dejali, da je zaradi takšnega načina delovanja poraba goriva
hibridnih in električnih vozil v tem režimu celo negativna. Zato bi električno ali hibridno
vozilo podobne mase in oblike za premikanje v celoti potrebovalo manj dela. Seveda pa
noben sistem ne zmore energije zaviranja pretvoriti, shraniti in ponovno uporabiti s popolnim
izkoristkom.
SKLEP:
Za vožnjo avtomobila nižjega srednjega razreda v realnem prometu potrebujemo od 9 do 16
kWh energije za vsakih 100 km prevožene razdalje. Potrebna energija je odvisna od režima
vožnje. Rezultati te meritve kažejo, da za 100 kilometrov vožnje v mestu potrebujemo 8,8
kWh energije ob povprečni hitrosti 26 km/h, na magistralni cesti 9,4 kWh energije ob
povprečni hitrosti 62 km/h, na obvoznici pa 15,4 kWh energije ob povprečni hitrosti 104
km/h. Tudi hibridni ali električni avtomobili srednjega razreda za premikanje potrebujejo
podobno količino energije.
Moč za pogon avtomobila le redko doseže nazivno moč motorja. Izmerjena povprečna moč
motorja pri vožnji v mestu je 2,3 kW, na magistralni cesti 5,8 kW in na obvoznici 16 kW.
13. 2 Meritve porabe goriva pri enakomerni vožnji
V sedmih letih vožnje z avtomobilom Renault Clio 1,5 dCi sem večkrat meril porabo goriva
pri enakomerni vožnji z različnimi hitrostmi. Povprečne porabe, ki jih je pokazal potovalni
računalnik, sem si zapisoval. Vedno sem daljši čas vozil z enakomerno hitrostjo. Z meritvijo
sem vedno začel, tako da sem resetiral računalnik, potem ko je avtomobil že imel določeno
hitrost, ki sem jo nato vzdrževal vsaj še 1 km. Avtomobil je bil vedno ogret, v avtomobilu je
bil med meritvijo vedno samo voznik. Avtomatska klimatska naprava je bila vedno
nastavljena na 22 °C. Upošteval sem povprečne vrednosti več kot desetih meritev za vsako
hitrost. V spodnjem grafu lahko vidimo izmerjeno porabo goriva v odvisnosti od hitrosti.
Poraba goriva pri nizkih hitrostih je zelo velika. Pri hitrosti od 40 do 90 km/h je poraba
optimalna in je manj kot 4 l/ 100 km, nato pa poraba zopet raste. Poraba pri 130 km/h je tako
že več kot 6 l/100 km in pri večjih hitrostih še narašča.
81
Poraba goriva v odvisnosti od hitrosti
0
2
4
6
8
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150hitrost [km/h]
pora
ba [l
/ 10
0 km
]
Vir: avtor
Slika 39: Graf porabe goriva v odvisnosti od hitrosti
13. 3 Meritev temperatur delov avtomobila med vožnjo.
Koliko časa potrebuje avtomobil za ogrevanje določenih delov in kolikšne temperature ti deli
dosežejo? Koliko toplote bi bilo možno dobiti z ohlajanjem izpušnih plinov in po kolikšnem
času je ta toplota na voljo pri običajni vožnji? Pri običajnem avtomobilu ogrevamo kabino s
toploto, ki jo odvzemamo motorju. Ali ta odvzem toplote bistveno vpliva na ogrevanje
motorja samega ali na druge temperature? Koliko energije med zaviranjem prevzemajo
zavore? Bi lahko to energijo uporabili za ogrevanje kabine posredno ali neposredno?
Da bi odgovoril na ta vprašanja, sem opravil dva poskusa. Pri prvem poskusu sem kabino
normalno ogreval. Pri drugem poskusu sem gretje izključil.
Temperature vozila sem meril na štirih točkah. Notranjo temperaturo sem meril nekaj
centimetrov nad sediščem sovoznikovega sedeža, saj sem pri prejšnjih merjenjih ugotovil, da
je tam temperatura najbližje povprečni temperaturi vozila. Zunanjo temperaturo sem meril s
termoelementom, ki je bil nameščen približno deset centimetrov od sovoznikovega stranskega
stekla. Temperaturo motornega olja sem meril s termoelementom, ki sem ga namestil na
konec merilne palice za preverjanje nivoja motornega olja. Ta senzor je bil neposredno v
motornem olju. Termoelement za merjenje temperature izpušnih plinov sem namestil na
izpušno cev nekaj centimetrov za katalitični pretvornik in ga ovil s plastjo steklene volne in
aluminijaste folije. S predhodnimi poskusi sem ugotovil, da zrak, ki teče ob vozilu, sicer zelo
močno vpliva na merilne rezultate – ohladi senzor na izpušni cevi, ki zato kaže napačne
rezultate. Z izolacijo termoelementa sem te vplive zmanjšal. Bolje bi bilo meriti neposredno
temperaturo izpušnih plinov v cevi, vendar bi moral v ta namen izvrtati luknjo v izpušni
sistem in jo potem kasneje spet zapreti. Z merjenjem neposredno v izpušni cevi bi dobil
mesto
(do 60 km/h)
magistralne
ceste
(do 90 km/h)
obvoznice in
avtoceste
82
hitrejše odzive na spremenjene pogoje vožnje, pa tudi končne temperature bi bile nekaj višje.
Na levi spodnji sliki je prikazan merilnik temperature, ki je pritrjen na izpušno cev. Na desni
sliki je merilnik že ovit s stekleno volno. Aluminijasta folija na slikah še ni vidna.
Vir: avtor
Slika 40: Način pritrditve termočlena na izpušno cev
Z merjenjem sem začel v Kresnicah, peljal preko mostu čez Savo na magistralno cesto, po
kateri sem peljal do Ljubljane skozi nekaj krožišč. Mestni odsek poti je vodil skozi Šentjakob
in naselje Šmartno pri Ljubljani. Po Šmartinski cesti sem peljal mimo Kolinske, mimo glavne
avtobusne postaje, mimo hotela Lev in mimo bivše Tobačne tovarne na Tržaško cesto. Na
koncu Tržaške ceste sem zavil na južno obvoznico, po kateri sem pripeljal do izvoza
Šentjakob, nato pa zopet po magistralni cesti nazaj do Kresnic. Spodnja slika prikazuje
prevoženo pot.
Vir: avtor
Slika 41: Prikaz krožne poti, na kateri je bilo izvedeno merjenje temperatur in toplotnih tokov
v avtomobilu.
Merjenje sem izvedel dvakrat. Prvič sem kabino ogreval, drugič pa ne. V obeh primerih se
prevozil 66 km in ob povprečni porabi 4,4 l /100 km porabil 2,9 litra goriva. Ogrevanje
mesto
(do 60
km/h)
do 130
km/h
obvoznica
magistrala(do 90 km/h)
83
kabine ni vplivalo na porabo goriva. Zunanja temperatura v obeh merjenjih se je le malo
razlikovala. V grafu vidimo hitro naraščanje temperature izpušnega sistema zaradi povprečne
hitrosti in povprečne moči motorja, ki vpliva na temperaturo izpušnih plinov (modra in
vijolična črta).
Meritve sem začel v Kresnicah. Prvi dve minuti sem vozil po naselju s hitrostjo do 40 km/h.
Naslednjih 13 minut sem vozil po magistralni cesti s hitrostjo do 90 km/h. Nato sem 20 minut
vozil po Ljubljani s hitrostjo do 60 km/h. Naslednjih 22 minut sem vozil po južni ljubljanski
obvoznici s hitrostjo do 130 km/h in nato še 13 minut po magistralni cesti s hitrostjo do 90
km/h. Zadnji dve minuti sem zopet vozil skozi naselje s hitrostjo do 40 km/h.
Posebej zanimiva je primerjava temperature izpušnih plinov, označene z modro črto, ki se do
petdesete minute lepo ujema z vijolično, nato pa začne odstopati. V prvem primeru (vijolična
črta) sem vozil po magistralni cesti s hitrostjo 90 km/h, v drugem primeru pa v koloni s
hitrostjo do 70 km/h. Počasnejše vozilo pred mano sem prehitel v oseminpetdeseti minuti, kar
se v grafu kaže kot dvig temperature izpušnih plinov. Oba grafa kažeta močno padanje
temperature izpušnih plinov pri vožnji po naselju. Po dvainšestdesetih minutah vožnje sem
ugasnil motor in zaključil z vožnjo. Značilen je padec notranje temperature (rumena črta), ko
sem odprl vrata vozila.
Primerjava temperatur pri krožni vožnji
-101030
507090
110130
150170190210
230250270
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65čas [min]
tem
pera
tura
[ C
]
zunanja z ogrevanjem vozila notranja z ogrevanjem vozilaolje z ogrevanjem vozila izpuh z ogrevanjem vozilazunanja brez ogrevanja vozila notranja brez ogrevanja vozilaolje brez ogrevanja vozila izpuh brez ogrevanja vozila
Vir: avtor
Slika 42: Graf temperatur pri krožni vožnji
magistrala
(do 90 km/h)
mesto (do 60
km/h)
obvoznica
(do 130
km/h)
magistrala
(do 90 km/h)
naselje
(do 40
km/h)
84
Viri toplote v avtomobilu so predvsem izpušni plini, hladilna tekočina ter motorno olje. Iz
grafa lahko preberemo, koliko časa potrebuje avtomobil za ogrevanje določenih delov in
kolikšne temperature ti deli dosežejo.
Ohlajanje izpušnih plinov nam ponuja dodatno, hitrejšo možnost ogrevanja vozila. Pri tem bi
zadostoval že razmeroma enostaven izmenjevalnik toplote, nameščen na izpušni sistem za
katalitičnim pretvornikom. Takšen grelnik bi pomagal pri ogrevanju notranjosti vozila, takoj
ko bi temperatura izpušnih plinov presegla temperaturo notranjosti vozila. Z enostavnim
izračunom lahko približno določimo toplotni tok, ki bi ga takšen grelnik zagotavljal. Izhajal
sem iz podatkov, ki sem jih dobil z merjenjem med vožnjo mojega avtomobila. Temperatura
izpušnih plinov je naraščala tako, kot prikazuje spodnja tabela. V tabeli je prikazan tudi
največji možen toplotni tok, ki bi ga lahko uporabili za ogrevanje kabine. Toplotni tok za
ogrevanje kabine s toploto izpušnih plinov lahko izračunamo po enačbi:
TcmtTcm
tQP
. (31)
Pri tem sem za razliko temperatur vzel vrednosti iz spodnje tabele, za specifično toploto
plinov 1050 J/kgK (običajno je od 1030 do 1100 J/kg K), masni pretok izpušnih plinov pa
sem izmeril in izračunal.
Tabela 5: Temperatura izpušnih plinov in njihov toplotni tok
Čas
[min]
Notranja temperatura
[°C]
Temperatura izpušne
cevi [°C]
Razlika temperatur
[°C]
toplotni
tok [W]
0 6,6 6,6 0 0
1 7 10 3 120
2 8 28 20 800
3 9 60 51 2000
4 12 105 93 3800
5 14 150 136 5500
6 18 180 162 6500
7 18 195 177 7100
8 18 200 182 7300
9 18 205 187 7500
10 19 208 189 7600 Vir: avtor
85
Avtomobil običajno vozim tako, da je število vrtljajev okoli 2000/min. Pri izmerjenih pogojih
je šlo skozi motor in izpušni sistem približno 0,04 kg izpušnih plinov na sekundo. S temi
podatki sem izračunal toplotni tok, ki ga lahko odvzemamo izpušnim plinom. Notranja
temperatura je naraščala zaradi ogrevanja kabine na klasičen način. V zgornji tabeli so
rezultati meritev in izračunov.
Temperatura izpušnih plinov se povečuje hitreje kot temperatura izpušne cevi, vendar je
nisem neposredno meril. Z uporabo izmenjevalca primerne mase, dimenzij in konstrukcije za
vgradnjo v avtomobil bi avtomobil lahko segrevali hitreje, kot ga sedaj s toploto, ki jo
odvzemamo hladilni tekočini. Izpušni plini bi preko izmenjevalca dodatno segrevali zrak v
kabini. V praksi zaradi korozije izpušnega lonca in izpušnih cevi izpušnih plinov ne želimo
ohlajati do rosišča.
Toploto izpušnih plinov bi lahko izkoristili tudi drugače. V poglavju o izkoristkih motorjev
sem omenil prototip parnega motorja tovarne BMW, ki bo pomagal obstoječemu
bencinskemu motorju. Za svoje delovanje bo izkoriščal toploto izpušnih plinov in odvečno
toploto hladilnega sistema. Omenil sem tudi turbino, ki bo toploto izpušnih plinov izkoriščala
za proizvodnjo elektrike. Uporabili bi lahko tudi baterijo termočlenov, ki bi služila za dodatno
polnjenje akumulatorja v vozilu. Takšen prototip so že razvili pri GM. Del notranje energije
izpušnih plinov bi lahko izkoristili tudi z uporabo Stirlingovega motorja. Tukaj proizvajalce
vozil gotovo čaka še nekaj dela in priložnosti, saj trenutno večina vozil dobesedno meče
energijo skozi izpušno cev.
Zgornji graf sem spodaj prikazal še enkrat, tokrat brez temperatur izpušnih plinov. Iz grafa
temperatur motornega olja vidimo, da odvzem toplote iz hladilnega sistema ne vpliva bistveno
na doseganje delovne temperature motorja. Odpadne toplote je bilo v tej vožnji dovolj, tako
da je termostat uravnaval najvišjo temperaturo hladilne tekočine in olja.
86
Primerjava temperatur pri krožni vožnji
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65čas [min]
tem
pera
tura
[ C
] zunanja z ogrevanjem vozilanotranja z ogrevanjem vozilaolje z ogrevanjem vozilazunanja brez ogrevanja vozilanotranja brez ogrevanja vozilaolje brez ogrevanja vozila
Vir: avtor
Slika 43: Graf temperatur pri krožni vožnji
Koliko energije med zaviranjem prevzemajo zavore in ali bi lahko to energijo uporabili za
ogrevanje kabine posredno ali neposredno?
Med zgoraj opisano testno vožnjo sem vozil tako, kot vozim običajno. Prevozil sem 66 km v
62 minutah. Povprečna hitrost vožnje je bila tako približno 63 km/h. Vse spremembe hitrosti
in vsa zaviranja sem sproti beležil na diktafon. Kasneje sem jih zapisal kot opombe v
poročilo. Iz zapisanih podatkov sem izračunal energijo, ki so jo prejele zavore med celotno
vožnjo kot vsoto vseh razlik kinetične energije pred in po zaviranju po enačbi:
)(2
21
22 vvmWk (32)
Na 66 km dolgi poti sem štirinajstkrat uporabil zavore, in sicer sem trikrat zmanjševal hitrost
od 60 do 40 km/h, desetkrat sem z uporabo zavor zmanjšal hitrost od 40 km/h do zaustavitve
in enkrat od hitrosti 20 km/h do zaustavitve. Povprečno sem zavoro uporabil vsake štiri
kilometre. Izračunal sem, da so zavore na celotni poti prejele energijo 0,24 kWh. Na celotni
poti je avto porabil 2,9 litra goriva.
87
Tabela 6: Zaviranje na poti Kresnice – Ljubljana – Kresnice
število
zaviranj
začetna
hitrost
končna
hitrost
začetna energija
[kJ]
končna
energija [kJ]
razlika energij
(kWh)
trikrat 60 40 139 62 0,064
desetkrat 40 0 62 0 0,172
enkrat 20 0 15 0 0,004
vsota vseh zaviranj 0,24 Vir: avtor
Z upoštevanjem izkoristka motorja in energijske vrednosti goriva sem izračunal, da je
avtomobil porabil za celotno vožnjo 7,5 kWh mehanskega dela ali 11,4 kWh za 100 km
takšne vožnje. Energija zaviranja je predstavljala približno 3 % celotne energije za vožnjo.
Povprečna moč zaviranja je bila 230 W. Velik del zaviranja med vožnjo sta opravila trenje in
upor ter zaviranje z motorjem. Trenutne moči zaviranje so lahko veliko večje, vendar trajajo
kratek čas. Pri hibridnih in električnih vozilih so zavore obremenjene še manj, saj se velik del
kinetične energije vozila med zaviranjem shrani v obliki električne energije v akumulatorju.
Meritve zaviranja sem nekajkrat ponovil tudi na magistralni cesti na razdalji deset kilometrov.
Rezultati so bili odvisni od načina vožnje in prometa, v katerem sem vozil. Izmeril sem
spremembe hitrosti pri posameznem zaviranju. S časom vožnje sem lahko izračunal
povprečne moči zaviranja na celotni razdalji. Najmanjša povprečna moč zaviranja ob izjemno
pazljivi vožnji je bila okoli 100 W, največja povprečna moč ob hitri vožnji s zelo pogostim in
močnim zaviranjem pa je bila okoli 600 W.
Pri običajni vožnji z upoštevanjem prometnih predpisov ter načel varčne in varne vožnje je
bila povprečna moč zaviranja okoli 300 W. Energija zaviranja je predstavljala približno 5 %
celotne energije za vožnjo.
Trenutna moč zavor je lahko veliko večja. Pri mojem avtomobilu je (na suhi cesti) največja
zavorna sila 7000 N. Izračunal sem, da je pri hitrosti 100 km/h največja (trenutna) moč
zaviranja 200 kW. Običajno ne zaviramo z največjo zavorno močjo.
SKLEP:
Zavorni sistem ne ponuja večjih virov toplote za ogrevanje vozila niti neposredno niti
posredno. Pri tem se pojavi še težava, kako toploto, ki se sprosti ob zaviranju, učinkovito
prenesti do odjemalca. Načini za shranjevanje kinetične energije pri zaviranju se še razvijajo.
V avtomobilski tehnologiji bodo verjetno prevladovali sistemi za shranjevanje v obliki
88
električne energije ali s pomočjo vztrajnikov, ki sem jih že opisal. Avtobusi in tovornjaki pa
že uporabljajo tako imenovane retarderje, ki kinetično energijo vozila med zaviranjem
pretvorijo v notranjo energijo sredstva, običajno motornega olja ali hladilne tekočine. S tem
toplotno in mehansko razbremenijo zavorni sistem.
13. 4 Ogrevanje avtomobila v mirovanju z običajnim grelnim sistemom
Meril sem temperature pri ogrevanju hladne kabine s segretim motorjem v prostem teku.
Motor je bil ogret na delovno temperaturo z daljšo vožnjo, v kateri nisem ogreval kabine. Po
eni minuti mirovanja na parkirišču sem vključil ogrevanje kabine. Ogrevanje sem nastavil na
najvišjo temperaturo in največji pretok zraka. Motor je ves čas poskusa tekel v prostem teku.
Rezultati so razvidni iz grafa, kjer je dobro viden začetek ogrevanja po eni minuti merjenja.
Temperature avtomobila v mirovanju
0102030405060708090
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30čas [min]
tem
pera
tura
[C]
temperatura oljanotranja temperaturatemperatura izpuhazunanja temperatura
Vir: avtor
Slika 44: Temperature pri ogrevanju hladne kabine s segretim motorjem v prostem teku v
mirovanju
Iz poteka temperature v notranjosti avtomobila in s pomočjo izpeljanih enačb ogrevanja sem
določil moč ogrevanja avtomobila. V sistemu enačb sem toplotni tok spreminjal tako, da so se
teoretični rezultati najbolje ujemali z izmerjenimi temperaturami. Pri tem sta se obe krivulji
pokrili. V izračunih sem upošteval, da je potrebno vsako uro segreti 100 m3 svežega zraka, saj
je ventilator med ogrevanjem deloval z največjo možno hitrostjo. Pretok zraka pri različnih
hitrostih ventilatorja sem pred tem izmeril z merjenjem časa za napolnitev vreče z znano
89
prostornino. Temperatura motornega olja je med poskusom padala od 80 do 63 °C.
Temperature hladilne tekočine nisem meril, iz položaja kazalca indikatorja temperature
hladilne tekočine pa je bilo vidno, da je med poskusom njena temperatura močno padala.
Ujemanje izmerjene in izračunane temperature ter ustrezni toplotni tok
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30čas [min]
tem
pera
tura
[C]
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
topl
otni
tok
[W]
izračunana temperatura sspreminjanjem toplotnih tokov
izmerjena temperatura vnotranjosti avtomobila
toplotni tok [W]
Vir: avtor
Slika 45: Primerjava meritve temperature notranjosti pri ogrevanju kabine na parkirišču
Največji toplotni tok na začetku ogrevanja je bil 2500 W, nato pa se je zmanjšal do 1800 W,
saj se je tudi hladilna tekočina ohladila, kar je pokazal vgrajeni termometer hladilne tekočine.
Ob koncu poskusa je bila izmerjena temperatura zraka, ki je prihajal iz šob, komaj 35 °C.
Hladilna tekočina je imela verjetno nekaj višjo temperaturo.
Ogrevanje notranjosti avtomobila od temperature 4 ºC do temperature 22 ºC je trajalo 12
minut. Motor je bil že ogret do delovne temperature pred ogrevanjem kabine.
SKLEP:
Grelnik kabine v mojem avtomobilu je v tem poskusu oddajal največji toplotni tok 2500 W.
Motor je bi popolnoma ogret. Toplotni tok se je s časom zmanjševal, saj se je hladilna
tekočina ohlajala zaradi delovanja motorja v prostem teku. Najvišja dosežena temperatura v
kabini po polurnem ogrevanju je bila 24 ºC.
90
13. 5 Primerjava različnih načinov ogrevanja
Na spodnji sliki je prikazan potek temperature pri MERITVAH ogrevanja kabine avtomobila
na različne načine. V vseh primerih so bile zunanje temperature okoli 0 ºC. Začetne
temperature v kabini so bile ravno tako podobne in so bile v vseh primerih okoli 4 ºC.
Modra črta označuje temperaturo v kabini, ki sem jo izmeril pri ogrevanju avtomobila z
ogretim motorjem (opisano zgoraj).
Oranžna črta označuje potek temperature v kabini med vožnjo po lokalni cesti, kjer sem vozil
s stalno hitrostjo 15 km/h. Avtomobil je bil ves čas v drugi prestavi, plina pa med vožnjo
nisem dodajal. Klimatska naprava je bila nastavljena na najvišjo temperaturo ogrevanja,
hitrost ventilatorja in ostale nastavitve pa sem prepustil avtomatiki klimatske naprave.
Zelena črta označuje povprečno temperaturo pri ogrevanju avtomobila s toplozračnim
grelnikom (kaloriferjem), ki je oddajal toplotni tok 1800 W. Ves čas meritve sem vozil s
hitrostjo 80 km/h.
Svetlo modra črta predstavlja IZRAČUNAN potek temperature v avtomobilu. Vsi ostali
pogoji (toplotni tok grelnika, hitrost, zunanja temperatura, število potnikov, …) so enaki kot
pri grafu označenem z zeleno barvo.
Primerjava izmerjenih temperatur pri ogrevanju kabine
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33čas [min]
tem
pera
tura
[C]
magistralna cesta do 90 km/h ogrevanje na parkirišču, začetek z ogretim motorjem ogrevanje s toplotnim tokom 1800 W med vožnjo s hitrostjo 80 km/hIZRAČUN ogrevanja s toplotnim tokom 1800 W, vožnja s hitrostjo 80 km/h ogrevanje pri enakomerni vožnji s hitrostjo 15 km/h v drugi prestavi brez plina
Vir: avtor
Slika 46: Primerjava izmerjenih temperatur notranjosti kabine pri zunanji temperaturi 0 ºC
91
Naklon grafa nam pove hitrost ogrevanja kabine avtomobila, posredno pa do neke mere kaže
tudi na toplotni tok ogrevanja. Največji naklon ima graf, ki prikazuje ogrevanje kabine
avtomobila na parkirišču s predhodno ogretim motorjem. Največji (izračunani) toplotni tok
pri tej meritvi je bil 2500 W. Sledi naklon grafa pri ogrevanju avtomobila s toplozračnim
grelnikom. Izmerjeni toplotni tok pri tem merjenju je bil 1800 W. Zelo podoben je tudi naklon
grafa pri ogrevanju avtomobila z vožnjo na magistralni cesti. Izračunal sem, da je toplotni tok
pri tem dosegel največjo vrednost 2000 W.
Toplotni tok ogrevanja avtomobila, ki je vozil z majhno hitrostjo z nizkimi obrati motorja
brez dodanega plina, je bil najmanjši. S pomočjo sistema enačb sem izračunal, da se je
toplotni tok pri tej meritvi povečeval od 0 W na začetku do 1400 W ob koncu meritve.
Zgornji grafi ogrevanja kabine s toploto motorja (vijolična in oranžna črta) pojasnijo, zakaj
proizvajalci vgrajujejo dodatno ogrevanje kabine z električnimi ali drugimi grelniki. Prvih
nekaj minut ogrevanje v vozilu ne deluje, saj se morajo najprej ogreti valji motorja, blok
motorja, sama hladilna tekočina in ostali deli sistema za ogrevanje kabine. Avtomatska
klimatska naprava, ki je vgrajena v moj avtomobil, v avtomatskem načinu samodejno določa,
kdaj se bo kabina začela ogrevati. Pri tem najprej poskrbi, da se na določeno temperaturo
ogreje hladilna tekočina in motor, šele potem začne z ogrevanjem kabine.
Iz grafa ogrevanja kabine na magistralni cesti (vijolična barva) lahko odčitamo, da se
konkretno ogrevanje kabine pri zunanji temperaturi 0 °C začne šele po dveh minutah. Kabina
doseže temperaturo 15 °C po šestih minutah, temperaturo 20 °C pa po petnajstih minutah. Z
uporabo električnega grelnika bi pri enakih pogojih (zunanja temperatura, hitrost) z uporabo
grelnika z močjo 1800 W dosegli približno enake rezultate, začetno ogrevanje pa bi bilo nekaj
hitrejše.
SKLEP: Merjenje temperatur in toplotnih tokov pri mirovanju in gibanju avtomobila kaže, da
je grelnik obravnavanega avtomobila oddajal največji toplotni tok 2500 W v primeru, ko je bil
motor že ogret na delovno temperaturo. Ogrevanje avtomobila s hladnim motorjem je
dolgotrajno, saj se mora najprej segreti grelni sistem, preden začne učinkovito ogrevati kabino
avtomobila. Pri zunanji temperaturi 0 °C bi za podobno ali še hitrejše ogrevanje zadostoval
električni grelnik z močjo 2000 W. Izračuni, opisani v poglavju 12.3 kažejo, da bo pri nižjih
zunanjih temperaturah za ogrevanje kabine bolj ustrezen toplotni tok 3000 W.
92
14 Primerjava mehanskega dela za vožnjo in toplote za ogrevanje kabine pri električnem avtomobilu
Za potrditev hipoteze tega dela sem moral čim bolj realno ugotoviti, koliko toplote
potrebujemo za ogrevanje vozila med vožnjo in kolikšen delež celotne uporabljene energije
predstavlja toplota za ogrevanje. Pri električnem vozilu tako elektromotor za premikanje
vozila kot tudi električni grelnik dobivata energijo iz istega akumulatorja. Če za ogrevanje
porabimo manj energije, je več ostane za premikanje vozila. Poleg tega električni grelnik
potrebuje za delovanje energijo, ki jo je, za razliko od odpadne toplote klasičnega pogona,
potrebno plačati. Mehansko delo za premikanje vozila ni bistveno odvisno od zunanje
temperature.
Z merjenjem dela in moči za premikanje avtomobila, ki sem ga opisal v poglavju 13.1, sem
ugotovil, da avtomobil spodnjega srednjega razreda za premikanje porabi povprečno okoli 12
kWh energije za vsakih 100 km prevožene razdalje.
Za nadaljnjo analizo sem upošteval:
pri vožnji v mestu je povprečna moč motorja 2 kW, hitrost pa 25 km/h,
pri vožnji na magistralni cesti je povprečna moč motorja 6 kW, hitrost pa 60 km/h
pri vožnji na obvoznici je povprečna moč motorja 16 kW, hitrost pa 105 km/h,
izkoristek elektromotorja električnega avta je zelo dober, tipično okoli 90 %.
Pri delu, potrebnem za vožnjo, sem upošteval čas vožnje, povprečno moč motorja ter
izkoristek elektromotorja. Poleg dela za samo premikanje vozila sem upošteval tudi električno
delo, ki je potrebno za delovanje električnih porabnikov v avtomobilu, kot so luči, radijski
sprejemnik, ventilatorji in drugi porabniki. Izmerjena povprečna električna moč teh
porabnikov v avtomobilu Renault Clio je okoli 200 W.
Za primerjavo toplote in mehanskega dela potrebujemo še količino toplote, ki jo vozilo
potrebuje za ogrevanje kabine med vožnjo. Na količino toplote za ogrevanje notranjosti
avtomobila vpliva več dejavnikov. Najbolj vplivni so zunanja temperatura, začetna
temperatura v kabini, želena notranja temperatura in hitrost vozila. Pomembna je tudi količina
svežega zraka, ki ga moramo pred vpihovanjem v kabino ogreti. Ta del toplote lahko
zmanjšamo z izmenjevalcem toplote, ki del toplote za ogrevanje svežega zraka prenese z
odpadnega zraka, ki zapušča kabino avtomobila.
93
Analiziral sem več možnosti. Iz meritev temperatur kabine in izračunov opisanih v poglavju
12.3 sem ugotovil, da bo za ogrevanje kabine avtomobila srednjega razreda najprimernejši
grelnik z močjo 3000 W. V izračunih toplote sem upošteval, da bo po dosegu temperature 22
°C sistem to temperaturo vzdrževal do konca vožnje. Izračuni so narejeni za voznika (ena
oseba) v avtomobilu, ki mu dovajamo 20 m3 svežega zraka v eni uri. Takšno energijsko
bilanco bi imeli klasični avtomobili. V spodnji preglednici sem prikazal samo en primer za
izračunano toploto in njen delež v celotni energijski bilanci avtomobila. Avtomobil bi
ogrevali z električnim grelnikom. Spodnji podatki veljajo za vožnjo avtomobila v mestu.
Tabela 7: Toplota za ogrevanje avtomobila in njen delež v celotni energijski bilanci vožnje po
mestu s povprečno hitrostjo 25 km/h in povprečno močjo motorja 2 kW.
zunanja
temperatura
trajanje
celotne poti
–20 °C –10 °C 0 °C +10 °C
5 min Delo za vožnjo 202 Wh
toplota
dosežena temp.
delež toplote
255 Wh
7 °C
56 %
255 Wh
17 °C
56 %
227 Wh
22 °C po 3 min.
53 %
128 Wh
22 °C po 1 min.
39 %
20 minut Delo za vožnjo 808 Wh
toplota
dosežena temp.
delež toplote
970 Wh
22 °C po 15 min.
55 %
790 Wh
22 °C po 7 min.
50 %
550 Wh
22 °C po 3 min.
41 %
280 Wh
22 °C po 1 min.
26 %
60 minut Delo za vožnjo 2420 Wh
toplota
dosežena temp.
delež toplote
2650 Wh
22 °C po 15 min.
52 %
2037 Wh
22 °C po 7 min.
46 %
1370 Wh
22 °C po 3 min.
36 %
665 Wh
22 °C po 1 min.
22 %
Vir: avtor
Pri najnižji obravnavani temperaturi (–20 °C) z grelnikom z močjo 3000 W dosežemo želeno
temperaturo (22 °C) šele po 15 minutah. Pri tej temperaturi je delež toplote za ogrevanje
vozila malo nad 50 % in je skoraj neodvisen od trajanja vožnje. Neogrevani avtomobil bi
prevozil več kot DVAKRAT DALJŠO POT kot ogrevani.
94
Z grelnikom z močjo 6000 W bi dosegli temperaturo 22 °C že po treh minutah. Pri vožnji, ki
bi trajala pet minut, bi delež toplotnega toka dosegel kar 70 %. Neogrevani avtomobil bi
prevozil TRIKRAT DALJŠO POT kot avtomobil z ogrevanjem. Poleg tega bi grelnik z močjo
6000 W dodatno obremenil akumulatorje. Pri električnem avtomobilu bodo akumulatorji
dimenzionirani tudi za večje moči, pri hibridnih avtomobilih pa bi tolikšna moč lahko že
predstavljala težavo.
Najmanj bo na prevoženo pot vplivalo ogrevanje pri dolgotrajni vožnji in višji zunanji
temperaturi.
14. 1 Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja
Neogrevani električni avtomobil ima večji doseg, vendar je neudoben, v nekaterih primerih
celo nevaren. Neposredno nevarnost predstavljajo zamegljena stekla, ki zmanjšujejo
vidljivost. Posredno nevarnost predstavljajo mikroklimatski dejavniki, ki vplivajo na počutje
in zbranost voznika med vožnjo. Avtomobil je potrebno ogrevati, to zahteva tudi Zakon o
cestnoprometnih predpisih.
V spodnjih grafih sem prikazal zmanjšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja. Neogrevani
avtomobil bi z določeno količino energije iz akumulatorja ob enakih pogojih in režimu vožnje
prevozil 100 km.
Prvi graf prikazuje doseg avtomobila v primeru, da bi posamezne vožnje trajale pet minut,
med vožnjami pa bi kabino avtomobila popolnoma ohladili.
Skrajšanje dosega pri ogrevanju, vožnje trajajo 5 min
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mestomagistralna cesta obvoznica
Vir: avtor
Slika 47: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, posamezne vožnje trajajo pet minut
95
Razmerje med toploto za ogrevanje kabine avtomobila in močjo elektromotorja za premikanje
je enako razmerju toplotnega toka za ogrevanje in moči elektromotorja. Na doseg avtomobila
zato močno vpliva hitrost avtomobila, saj je ob majhni hitrosti moč za premikanje avtomobila
manjša, toplotni tok za ogrevanje avtomobila pa je od hitrosti odvisen zelo malo. Zato se
ogrevanje kabine vozila in njegov vpliv na skrajšanje močno pozna pri vožnji v mestu. Zelo
pomemben dejavnik je tudi zunanja temperatura.
Poseben primer je mirovanje avtomobila, kjer se vsa energija porabi za ogrevanje avtomobila.
Kadar posamezne vožnje trajajo daljši čas, je skrajšanje dosega zaradi ogrevanja manjše.
Hladno kabino nekaj časa ogrevamo z največjim možnim toplotnim tokom, nato pa toplotni
tok zmanjšamo, da ohranimo primerno temperaturo. Povprečni toplotni tok je zato odvisen
tudi od časa vožnje. Spodnji graf prikazuje skrajšanje dosega avtomobila v primeru, da
posamezna vožnja traja 20 minut. Zopet je največje skrajšanje dosega vidno pri vožnji v
mestu.
Skrajšanje dosega pri ogrevanju, vožnje trajajo 20 min
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mestomagistralna cesta obvoznica
Vir: avtor
Slika 48: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, posamezne vožnje trajajo 20 minut
Pri ogrevanju električnega avtomobila lahko izkoristimo še eno možnost. Električnemu
avtomobilu moramo občasno napolniti akumulatorje. Med polnjenjem je avtomobil priključen
na električno omrežje. Avtomobil bi lahko ogreli že pred vožnjo, pri čemer bi uporabili
energijo iz omrežja. Energijo, ki jo dobimo iz omrežja za ogrevanje avtomobila pred vožnjo,
moramo ravno tako plačati, vendar pa v tem primeru za ogrevanje do temperature 22 °C ne
potrebujemo energije iz akumulatorjev. Energijo iz akumulatorjev bi še vedno potrebovali za
ohranjanje temperature v kabini med vožnjo. Ogrevanje v tem primeru pokriva samo izgube
96
toplote med vožnjo. Pri tem čas vožnje na povprečni toplotni tok za ogrevanje ne vpliva, saj je
kabina avtomobila že segreta, za ohranjanje primerne temperature pa potrebujemo stalen
toplotni tok. Spodnji graf prikazuje skrajšanje dosega avtomobila pri opisanem načinu
ogrevanja avtomobila.
Skrajšanje dosega pri ogrevanju, avto je pred vožnjo ogret
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mestomagistralna cesta obvoznica
Vir: avtor
Slika 49: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, avtomobil je pred vožnjo že ogret.
Analiziral sem tudi primer, ko uporabimo več tehnoloških rešitev skupaj. Skupaj bi na primer
lahko uporabili:
ogrevanje kabine avtomobila pred začetkom vožnje,
odpadni toplotni tok elektromotorja in elektronske regulacije, ki predstavlja približno
10 % povprečne moči elektromotorja pri vožnji. Elektromotor bi na določeno
(delovno) temperaturo lahko segreli pred začetkom vožnje, tako da bi lahko toploto
oddajal že takoj po začetku vožnje,
izmenjevalnik toplote za ogrevanje svežega zraka, ki bi del toplote za ogrevanje
svežega zraka dobil iz izrabljenega zraka, ki ga odvajamo iz kabine. V izračunih sem
predpostavil 50 % izkoristek izmenjevalnika. Pri tem bo potrebno poskrbeti za dobro
tesnjenje avtomobila.
Spodnji graf prikazuje skrajšanje dosega pri naštetih ukrepih. Ogrevanje močno vpliva na
doseg pri mestni vožnji, pa tudi na magistralni cesti, saj je odpadne toplote elektromotorja pri
majhnih hitrostih (in majhnih močeh) malo. Na obvoznici ali na avtocesti bo ta odpadna
toplota opazno vplivala na zmanjšanje porabe energije za ogrevanje.
97
Doseg pred vožnjo ogretega avtomobila ogrevanega z električnim grelnikom in odpadno toploto motorja ter zraka
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mestomagistralna cesta obvoznica
Vir: avtor
Slika 50: Skrajšanje dosega električnega avtomobila zaradi ogrevanja, avtomobil je ogret že
pred vožnjo. V kabini avtomobila vzdržujemo temperaturo 22 °C s toploto električnega
grelnika, odpadno toploto elektromotorja in toploto odpadnega zraka
SKLEP:
Neogrevani električni avtomobil ima večji doseg, vendar je vožnja z njim neudobna ali celo
nevarna, zato je avtomobil potrebno ogrevati.
Na delež toplote v energijski bilanci vozila vplivajo zunanja temperatura, čas vožnje in
zahteve po udobju (hitrejše ogrevanje), hitrost vožnje in drugi dejavniki. Manjša hitrost
vožnje zahteva manjšo moč elektromotorja, na topotni tok za ogrevanje vozila pa ne vpliva
bistveno. Ob mirovanju vozila gre za ogrevanje notranjosti vozila vsa porabljena energija.
Večji delež toplote v celotni energijski bilanci pomeni krajši doseg vozila. Najbolj se
skrajšanje dosega pozna pri počasnejši vožnji, to je pri vožnji v mestu. Pri tem se lahko doseg
skrajša tudi za več kot 50 %.
Doseg avtomobila bi lahko povečali z ogrevanjem kabine avtomobila (in elektromotorja) pred
vožnjo z energijo iz električnega omrežja, ki pa jo je potrebno dodatno plačati. Uporabili bi
lahko tudi toplotni izmenjevalnik za ogrevanje svežega zraka s toploto odpadnega zraka.
98
14. 2 Ogrevanje avtomobila s toplotno črpalko
Ena od možnih rešitev velike porabe energije za ogrevanje vozila je uporaba toplotne črpalke
za ogrevanje avtomobila. Prednost toplotne črpalke pred električnimi grelniki je v njenem
večjem izkoristku. Za ogrevanje avtomobila, v katerega bi bila vgrajena, bi potrebovali manj
električnega dela kot če bi ga ogrevali neposredno z električnim grelnikom. Ogrevanje s
toplotno črpalko bi se še posebej izplačalo ob nizkih zunanjih temperaturah, majhnih hitrostih
vožnje in večjem številu potnikov. Ker je ob teh pogojih delež ogrevanja velik, je relativno
večji tudi prispevek toplotne črpalke, čeprav ima toplotna črpalka pri nižjih temperaturah
manjše grelno število.
Toplotni tok toplotne črpalke je pri nižjih zunanjih temperaturah manjši, potreba po toploti pa
je večja. Dimenzije, masa in cena toplotne črpalke, ki bi lahko zagotavljala zelo velik toplotni
tok (na primer 4000 W) tudi pri temperaturi –20 °C, so velike. Lažje bo uporabiti toplotno
črpalko sprejemljive moči, ki bi ji pri hitrem ogrevanju in zelo nizkih temperaturah pomagal
običajen električni grelnik. Za običajen avtomobil bo, glede na pridobljene podatke,
zadostovala toplotna črpalka nazivne grelne moči 4000 W, ki bo tudi ob temperaturi –20 °C, v
kabino še vedno dovajala 2800 W toplotnega toka. Takšna toplotna črpalka je sposobna
samostojno ogrevati avtomobil do zunanje temperature –20 °C. V pomoč bi ji bil električni
grelnik z močjo 1000 W, ki bi zagotavljal hitrejši začetek ogrevanja. Uporaba električnega
grelnika sicer zmanjša grelno število, vendar pa tudi močno zmanjša dimenzije, maso in ceno
toplotne črpalke ter poveča udobje v kabini.
14. 3 Posebnosti ogrevanja s toplotno črpalko
Da bi lahko toplotno črpalko zrak-zrak uporabili v avtomobilu, moramo poznati njeno
karakteristiko. V ta namen sem opazoval delovanje običajne hišne toplotne črpalke (klimatske
naprave) tipa zrak/zrak. Nazivni toplotni tok opazovane toplotne črpalke pri ogrevanju je
4000 W.
Toplotna črpalka začne z ogrevanjem prostora po določenem času, ki je odvisen od zunanje
temperature. Ta čas elektronika izvrši kontrolo sistema, zunanja enota segreje hladilo, vroče
hladilo priteče do notranje enote in šele nato notranja enota začne z ogrevanjem prostora. Po
začetku ogrevanja temperatura zraka iz toplotne črpalke v nekaj sekundah naraste do
temperature 55 °C, kar bo za uporabo v avtomobilu zadoščalo.
Meritve hišne toplotne črpalke tipa zrak/zrak kažejo, da je najkrajši čas zakasnitve pri zunanji
temperaturi 20 °C, ko začne naprava z ogrevanjem že po 40 sekundah, najdaljši čas pa sem
99
izmeril pri zunanji temperaturi –10 °C, ko je ta zakasnitev 3 minute. Pred vsemi meritvami je
toplotna črpalka mirovala vsaj en dan.
Pri zunanji temperaturi okoli 0 °C toplotna črpalka ogreva prostor 80 minut, nato pa se
zaustavi. Sledi taljenje sreža na uparjalniku zunanje enote z vročim hladivom iz notranje
enote. Taljenje traja pet minut, nato pa toplotna črpalka nadaljuje z ogrevanjem prostora. Pri
temperaturi zunanjega zraka okoli ledišča je pogostnost zaustavljanja zunanje enote velika
zaradi relativno velike količine vlage v zraku. Ob nižjih zunanjih temperaturah je prekinitev
delovanja zaradi taljenja sreža na uparjalniku manj, saj hladnejši zrak vsebuje manj vlage, ki
bi lahko kondenzirala na uparjalniku.
14. 4 Vpliv ogrevanja vozila s toplotno črpalko na doseg električnega vozila
Tudi toplotna črpalka za svoje delovanje potrebuje električno energijo iz akumulatorjev.
Prednost toplotne črpalke pred ogrevanjem z električnim grelnikom je v višjem grelnem
številu. Opravil sem izračune in ugotovil, koliko bi ogrevanje s toplotno črpalko skrajšalo
doseg električnega avtomobila. Pri izračunih sem upošteval, da vozniku dovajamo 20 m3
svežega zraka na uro. Grelno število je odvisno od zunanje in notranje temperature. V
izračunih sem za grelno število uporabil podatke proizvajalca, ki sem jih prikazal v tabeli
številka 2 (na strani 42). V izračunih sem uporabil podatke za toplotno črpalko tipa zrak/zrak
električne moči 1250 W in nazivnega toplotnega toka 3800 W. Masa takšne naprave je okoli
45 kg. Toplotna črpalka s temi podatki je sposobna samostojno ogrevati avtomobil s
toplotnim tokom 2750 W tudi pri zunanji temperaturi –20 °C. V izračunih sem upošteval, da
prvi dve minuti kabino ogreva električni grelnik z močjo 1000 W, nato pa ogrevanje
prevzame toplotna črpalka. Hitrost ogrevanja kabine s toplotno črpalko je primerljiva s
hitrostjo ogrevanja z grelnikom moči 3000 W.
V spodnjem grafu je primerjava dosega električnega avtomobila, ki ga ogrevamo z
električnim grelnikom in električnega avtomobila, ki ga ogrevamo z opisano toplotno črpalko
in dodatnim električnim grelnikom moči 1000 W.
100
Primerjava dosega pri ogrevanju s toplotno črpalko in z grelnikom
40
50
60
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mesto s toplotno črpalkomagistralna cesta s toplotno črpalkoobvoznica s toplotno črpalkomesto z grelnikommagistralna cesta z grelnikomobvoznica z grelnikom
Vir: avtor
Slika 51: Primerjava dosega električnega avtomobila pri ogrevanju s toplotno črpalko in z
električnim grelnikom. Vožnja traja eno uro.
V vsakem režimu vožnje bi z neogrevanim avtomobilom prevozili 100 km. Ob ogrevanju
avtomobila se doseg v vseh primerih skrajša. Avtomobil, ki ga ogrevamo s toplotno črpalko,
prevozi manjšo razdaljo kot neogrevani avtomobil in večjo razdaljo kot avtomobil, ki ga
ogrevamo z električnim grelnikom. Ogrevanje s toplotno črpalko se najbolj pozna pri nizkih
hitrostih vožnje in pri relativno nizkih temperaturah. Doseg avtomobila se tako v mestu pri
temperaturah od –20 do 0 °C poveča za 30 do 40 %. Pri višjih temperaturah ali višjih hitrostih
je povečanje dosega relativno manjše, vendar še vedno opazno.
Analiziral sem tudi primer, ko avtomobil ogrejemo pred vožnjo, svež zrak ogrevamo tudi z
izmenjevalnikom toplote z izkoristkom 50 %, uporabimo odpadno toploto elektromotorja (10
% celotne energije za pogon), dodatno pa ogrevamo avtomobil s toplotno črpalko. V
avtomobilu je samo voznik, ki mu dovajamo 20 m3 svežega zraka na uro.
101
Skrajšanje dosega pri ogrevanju s toplotno črpalko, toplotnim izmenjevalnikom in pred vožnjo ogretim avtom
70
80
90
100
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
dose
g av
tom
obila
[km
]
mestomagistralna cesta obvoznica
Vir: avtor
Slika 52: Skrajšanje dosega električnega avtomobila pri ogrevanju s toplotno črpalko,
avtomobil je ogret že pred vožnjo. V kabini avtomobila vzdržujemo temperaturo 22 °C s
toploto toplotne črpalke, odpadno toploto elektromotorja in toploto odpadnega zraka
Spodnji trije grafi kažejo primerjavo izračunane porabe energije električnega avtomobila, ki
prevozi 100 km dolgo pot v mestu, na magistralni cesti in na obvoznici. Pri tem sem primerjal
porabo energije za :
neogrevan avto,
avto, ki ga ogrevamo z običajnim grelnikom brez dodatnih ukrepov,
avto, ki ga ogrevamo s toplotno črpalko, za ogrevanje izrabljamo odpadno toploto
motorja, sveži zrak pa dodatno ogrevamo s toplotnim izmenjevalnikom z izkoristkom
50 %.
avto, ki smo ga dodatno izolirali z izolacijo debeline 5 cm in za zasteklitev uporabili
dvoslojno steklo z vmesno plastjo argona. Tudi ta avto ogrevamo s toplotno črpalko,
za ogrevanje izrabljamo odpadno toploto motorja, sveži zrak pa dodatno ogrevamo s
toplotnim izmenjevalnikom z izkoristkom 50 %.
Prvi graf prikazuje porabo energije v mestu. Povprečna hitrost avtomobila je 25 km/h, zato
avtomobil za razdaljo 100 km potrebuje kar štiri ure. Ves ta čas ga je potrebno tudi ogrevati.
Najmanjšo skupno porabo ima avtomobil, ki ga ne ogrevamo. Z upoštevanjem izkoristka
elektromotorja (90 %) in porabo drugih električnih porabnikov potrebuje takšen avto skoraj
10 kWh energije za 100 km razdalje. Poraba energije ogrevanega avtomobila je pri vseh
načinih ogrevanja največja pri najnižji obravnavani temperaturi. Pri ogrevanju z grelnikom
102
doseže dvakrat večjo porabo, ogrevanje s toplotno črpalko potrebe po energiji za ogrevanje
zmanjša za polovico, dodatna odpadna toplota motorja pa k ogrevanju prispeva zelo malo, saj
je moč motorja pri vožnji v mestu zelo majhna.
Poraba energije za 100 km vožnje v mestu z različnimi načini ogrevanja
0
3
6
9
12
15
18
21
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
ener
gija
[kW
h]
neogrevan avtoavto z dodatno izolacijo, ogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko, brez uporabe odpadne toplote ogrevan z električnim grelnikom moči 3000 W
Vir: avtor
Slika 53: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji v mestu. Kabino avta ogrevamo
na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 25 km/h v štirih urah.
Drugi graf prikazuje porabo energije za pot dolžine 100 km na magistralni cesti. Povprečna
hitrost avtomobila na magistralni cesti je 60 km/h, zato avtomobil za razdaljo 100 km
potrebuje 100 minut. Najmanjšo porabo ima avtomobil, ki ga ne ogrevamo. Z upoštevanjem
izkoristka elektromotorja (90 %) in porabo drugih električnih porabnikov potrebuje takšen
avto 12 kWh energije za 100 km razdalje. Pri ogrevanem avtomobilu dobimo največji
prihranek z uporabo toplotne črpalke. Še manj energije za ogrevanje porabimo, če ogrevamo
avtomobil tudi z odpadno toploto elektromotorja in z vračanjem toplote odpadnega zraka.
Najmanj bi porabil avtomobil, ki bi uporabljal vse naštete ukrepe, poleg tega pa bi bil dodatno
izoliran.
103
Poraba energije za 100 km vožnje na magistralni cesti
0369
12151821
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
ener
gija
[kW
h]
neogrevan avtoavto z dodatno izolacijo, ogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko, brez uporabe odpadne toplote ogrevan z električnim grelnikom
Vir: avtor
Slika 54: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji po magistralni cesti. Kabino avta
ogrevamo na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 60 km/h .
Tretji graf prikazuje porabo energije pri vožnji po obvoznici s hitrostjo 105 km/h. Avtomobil
za razdaljo 100 km potrebuje skoraj eno uro. Z upoštevanjem izkoristka elektromotorja
(90 %) in porabo drugih električnih porabnikov potrebuje takšen avto 18 kWh energije za 100
km razdalje, zato je delež toplote za ogrevanje relativno majhen.
Poraba energije za 100 km vožnje na obvoznici
0
3
6
9
12
15
18
21
-20 -10 0 10 20temperatura [C]
ener
gija
[kW
h]
neogrevan avtoavto z dodatno izolacijo, ogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko in odpadno toplotoogrevan s toplotno črpalko, brez uporabe odpadne toplote ogrevan z električnim grelnikom
Vir: avtor
Slika 55: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji po obvoznici. Kabino avta
ogrevamo na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 105 km/h.
104
Kombinacija novih tehnologij, skrbnega zajema odpadne toplote, pravilnega načrtovanja
sestave in izolacije kabine ter načina ogrevanja lahko prinese veliko zmanjšanje porabe
energije za ogrevanje kabine električnega avtomobila, ne da bi bilo prizadeto bivalno ugodje
voznika ali potnikov. Podobne ugotovitve veljajo tudi za avtomobil na zračni pogon, le da pri
njem ne moremo računati na odpadno toploto motorja.
14. 5 Moč toplotne črpalke in čas segrevanja Z izpeljanim sistemom enačb lahko določimo tudi čas ogrevanja kabine avtomobila do
določene temperature. Izpeljani sistem enačb omogoča spreminjanje več parametrov, kot so
dimenzije in sestava sten vozila, število potnikov, notranja in zunanja temperatura, hitrost
vozila in druge parametre. Na spodnjem grafu so prikazane razlike med časom ogrevanja
kabine avtomobila do temperature 22 °C z različnimi toplotnimi tokovi ogrevanja s toplotno
črpalko, električnim grelnikom in kombinacijo obeh. Na grafu so električne moči, ki jih za
delovanje potrebuje elektromotor toplotne črpalke. Upošteval sem, da se COP pri nižjih
zunanjih temperaturah zmanjša. V tem grafu izmenjevalnika toplote nisem vključil v izračune.
Prikazani so podatki za avtomobil Renault Clio, ki vozi s hitrostjo 90 km/h, v njem pa so štiri
osebe.
Čas segrevanja do temperature 22 C
0102030405060
10 0 -10 -20zunanja temperatura [ C]
čas
segr
evan
ja [
min
] 1500 W (T.Č)
1000 W +1000 W (kombinacija)
3000 W (e. grelnik)
1000 W (T.Č.)
Vir: avtor
Slika 56: Čas, ki ga potrebuje ogrevalni sistem avtomobila, da doseže v kabini temperaturo 22
°C. Prikazana je primerjava ogrevanja s toplotno črpalko, električnim grelnikom in
kombinacijo obeh.
Možnih je več rešitev. Rešitev z električni grelnikom z močjo 3000 W je najcenejša v začetku,
vendar ima slabe lastnosti, ki sem jih že opisal. Druga možnost je monovalentno ogrevanje s
toplotno črpalko priključne električne moči 1500 W ter nazivnim toplotnim tokom 4500 W.
105
Takšna toplotna črpalka je tudi pri –20 °C sposobna ogrevati kabino s toplotnim tokom 3300
W, vendar je nekaj dražja, dimenzijsko večja in ima večjo maso kot spodaj opisana.
Samostojno delujoča toplotna črpalka z električno močjo 1000 W (nazivni toplotni tok 3000
W) pri zunanji temperaturi –20 °C doseže v kabini temperaturo 22 °C šele po eni uri in pol,
zato predlagam kombinacijo takšne toplotne črpalke in električnega grelnika moči 1000 W.
Ta kombinacija ponuja več dobrih lastnosti, kot so manjše dimenzije, manjša masa in cena ter
večja zanesljivost delovanja.
Toplotni tok, ki ga potrebujemo za segrevanje svežega zraka za štiri potnike pri zunanji
temperaturi –20 °C v zgoraj opisanem primeru, je skoraj 1200 W. Primeren toplotni
izmenjevalnik bi lahko velik del tega toplotnega toka pridobil iz odpadnega zraka. Pri
načrtovanju takšnega izmenjevalnika so omejitve predvsem dimenzije, masa in materiali, ki
morajo biti odporni na vremenske razmere na cesti ter zrakotesnost vozila.
106
15 Sklep
Vozila s pogonom na motor z notranjim zgorevanjem trenutno praktično zastonj ogrevajo
kabino vozila z odpadno toploto. Povprečna porabljena moč, s katero delujejo motorji v
prometu, se zaradi različnih vzrokov zmanjšuje ali pa ostaja enaka, čeprav se vgrajena moč
motorjev povečuje. Današnji avtomobili, predvsem tisti z dizelskimi motorji, dolgo ogrevajo
kabino vozila, preden kabina doseže udobno temperaturo. Proizvajalci rešujejo to težavo z
vgradnjo dodatnih grelnikov. Dodatni grelniki uporabljajo električno delo ali pa fosilna
goriva, zato ogrevanje kabine z dodatnimi grelniki povečuje porabo goriva.
Velik del energije goriva se izgubi skozi izpušno cev. Za uporabo toplote izpušnih plinov za
ogrevanje kabine vozila potrebujemo relativno enostaven toplotni izmenjevalnik med
izpušnimi plini in zrakom v kabini. Nekatere ladje in vlaki takšno rešitev že uporabljajo.
Težave z ogrevanjem kabine imajo hibridna vozila, ki uporabljajo klasičen sistem ogrevanja
in dodaten električni grelnik, ki dobi energijo iz akumulatorja. Akumulator se polni z
generatorjem, ki ga poganja bencinski motor. Motor deluje pri teh vozilih v določenih režimih
vožnje samo za ogrevanje vozila. S takšnim načinom ogrevanja plačujemo za ogrevanje tudi
dajatve za ceste, saj je v ceni goriva vključen tudi cestni davek. Poraba goriva za ogrevanje
vozila je odvisna od režima vožnje.
Pri t.i. "plug-in" hibridih, ki bodo z enim polnjenjem akumulatorjev iz omrežja lahko
prevozili razdalje nekaj deset kilometrov, bo način vožnje hibridnih vozil enak načinu vožnje
električnih vozil, zato bo tudi ogrevanje podobno. Hibridna vozila bodo zaradi dodatnega
klasičnega motorja v vozilu težja od električnih avtomobilov, zato bo tudi poraba elektrike za
vožnjo večja.
Električna vozila se ogrevajo z električnimi grelniki, ki dobijo energijo iz akumulatorjev.
Zaradi ogrevanja kabine se največja prevožena pot zmanjša, v nekaterih režimih vožnje celo
na polovico razdalje, ki bi jo prevozil avto brez vključenega ogrevanja.
Vozila na vodikove gorivne celice dosegajo zelo visoke izkoristke energije, zato je odpadne
toplote za ogrevanje kabine v določenih režimih vožnje in pri nižjih zunanjih temperaturah
premalo. Tudi ta vozila se trenutno ogrevajo z električnimi grelniki.
Vozila s pogonom na stisnjeni zrak se trenutno ogrevajo s kurjenjem fosilnih goriv, lahko pa
bi se tudi z električnimi grelniki.
Raziskal sem možnost, da bi kinetično energijo, ki jo zavore pretvorijo v toploto, uporabili za
ogrevanje vozila posredno ali neposredno. Z več poskusi in merjenji, pri katerih sem v realni
prometni situaciji prevozil več sto kilometrov, sem ugotovil, da je te energije premalo, da bi
107
bistveno vplivala na ogrevanje vozila, nekaj več te energije je le v mestni vožnji. Njena
razporeditev v času vožnje ni enakomerna. Električna, hibridna in tudi druga vozila to
energijo že uspešno pretvarjajo v elektriko, ki jo shranijo v akumulatorju. Kasneje električno
delo uporabijo za ponovno pospeševanje.
V delu sem predstavil razvoj in rezultate izračunov ogrevanja avtomobila in jih primerjal z
eksperimentalno pridobljenimi podatki. S tem sem določil toplotni tok za ogrevanje vozila pri
različnih pogojih. Vse meritve sem izvedel v vozilu nižjega srednjega razreda Renault Clio.
Rezultati eksperimentov z ogrevanjem vozila v mirovanju in med vožnjo so, v okviru merskih
napak, skladni z izračunanimi rezultati. Za ogrevanje avtomobila nižjega srednjega razreda z
voznikom in štirimi potniki potrebujemo 3000 W toplotnega toka pri zunanji temperaturi –20
°C, notranji temperaturi 22 °C in hitrosti avtomobila 90 km/h. V tem primeru je toplotni tok
za ogrevanje svežega zraka skoraj tako velik kot toplotni tok, ki uhaja skozi stene. Toplotni
tok za ogrevanje svežega zraka lahko zmanjšamo s toplotnim izmenjevalnikom, ki je
sposoben prenašati toplotni tok 1200 W iz odpadnega zraka na sveži zrak.
Za ohranjanje primerne temperature v vozilu ni potrebe po toplotnih tokovih, večjih od 3000
W, za hitro ogrevanje na začetku pa je zaželen večji toplotni tok. V primeru električnih vozil,
"plug-in" hibridnih vozil in drugih vozil, ki bodo preko noči oziroma med posameznimi
vožnjami parkirana na mestih z dostopom do zunanjega vira energije ali v garažah, bo težava
z doseganjem začetne primerne temperature manjša. Ta vozila se bodo, med dopolnjevanjem
energije v energijskem rezervoarju, lahko že pred vožnjo ogrela do udobne notranje
temperature s pomočjo električnih grelcev ali pa s pomočjo toplotne črpalke. Takšen način
ogrevanja vozil pred vožnjo nekateri proizvajalci ponujajo že danes. Uporabili bi lahko tudi
sodobne sisteme z akumulirano toploto ali latentno toploto, shranjeno pri predhodni vožnji ali
pa napolnjene z energijo iz zunanjega vira.
Primerjal sem energijo za ogrevanje vozila in celotno energijo za ogrevanje in premikanje. Pri
majhnih hitrostih (majhni potrebi po mehanski moči za premikanje) in nižjih temperaturah je
delež toplote v celotni energijski bilanci vozila lahko tudi več kot polovičen. Zaradi ogrevanja
se močno zmanjša prevožena pot vozila.
Z uporabo toplotne črpalke za ogrevanje lahko ta delež zmanjšamo do trikrat. S takšnim
načinom ogrevanja se poraba energije za ogrevanje vozila zmanjša, zato se doseg avtomobila
poveča.
Lažje in kratkoročno ceneje je v dovod zraka vgraditi električni grelnik kot pa tehnično
uporabno, majhno in lahko toplotno črpalko, vendar bi energija za ogrevanje pri električnem
vozilu pomenila nekaj 10 %, v določenih režimih vožnje in pri nizkih temperaturah celo več
kot 50 % celotne energije. Pri tem z uporabo toplotne črpalke ne vplivamo na udobje voznika
108
ali potnikov ali pa ga celo izboljšamo. S predlaganim načinom ogrevanja bi, poleg
podaljšanega dosega, dosegli tudi daljšo življenjsko dobo akumulatorjev in manjše
onesnaževanje okolja.
Delovanje toplotne črpalke je možno tudi pri temperaturah zraka pod 0 °C. Grelno število je
pri tem nižje, vendar po podatkih proizvajalcev še vedno vsaj dvakrat višje kot pri električnem
grelniku celo pri temperaturi –25 °C.
Zaradi zagotavljanja hitrejšega ogrevanja, večjega udobja in zmanjšanja dimenzij, mase in
cene naprave predlagam bivalentno vzporedno ogrevanje. Za ogrevanje avtomobila nižjega
srednjega razreda, načrtovanega za naše podnebje, bo potrebna toplotna črpalka z nazivno
grelno močjo 3000 W, ki jo bo poganjal elektromotor z močjo 1000 W. Takšna toplotna
črpalka bo lahko ogrevala vozilo monovalentno do temperature –20 °C. Dodatno, hitrejše
ogrevanje bo zagotavljal električni grelnik z močjo 1000 W. S takšno kombinacijo dosežemo
hitro ogrevanje notranjosti že od začetka vožnje in ekonomično ogrevanje v nadaljevanju
vožnje. Tudi taljenje sreža na uparjalniku toplotne črpalke po določenem času ne bo težavno,
saj bo toploto za ogrevanje notranjosti v času taljenja sreža zagotavljal električni grelec.
Toplotno število toplotne črpalke lahko še povečamo, če s skrbno zbrano odpadno toploto
električnega pogonskega sistema ogrevamo vstopni zrak v uparjalnik, s čimer povečamo
vstopno temperaturo vsaj za nekaj stopinj.
Velika večina novih vozil ima toplotno črpalko že vgrajeno, vendar jo uporabljajo samo kot
napravo za hlajenje, hišne klimatske naprave pa že delujejo tudi kot grelne naprave.
Toplotni tok za ogrevanje vozila je primerljiv s toplotnim tokom za hlajenje vozila. Pri
ogrevanju vozila je razlika notranje in zunanje temperature večja, vendar klimatsko napravo
za ohlajanje vozila običajno uporabljamo v sončnem vremenu, ko je iz vozila potrebno
odvajati tudi toploto, ki jo v vozilo prinese sončna svetloba.
Načrtovalci in proizvajalci avtomobilov imajo pri ogrevanju možnosti izboljšav na področju
izboljšane izolacije avtomobilov, načinih zatesnitve avtomobila in lastnostih stekel ter načina
ogrevanja.
Smiselnost uporabe toplotne črpalke in drugih tehnologij za manjšo porabe energije za
ogrevanje bi se izplačalo raziskati tudi pri avtobusih, vlakih in potniških plovilih ter drugih
vozilih.
109
16 Literatura: [31] Brodowicz, Kazimierz, Dyakowski, Tomasz: Heat Pumps. Butterworth-Heinemann,
Oxford, 1993 ISBN 0 750606118
[29] Halozan, Herman, Tehnologije toplotnih črpalk, Strojniški vestnik, letnik 46 (2000),
številka 7 ISSN 0039-2480
[10] Hanžič, Andrej. Gorivne celice – pogonsko sredstvo prihodnosti. EGES, 2001, št. 5/2,
str. 108-111. ISSN 1408-2667
[32] Hargreaves, M.Clifford: The Philips Stirling engine. Elsdelvier Science Publishers B.V.,
Amsterdam, 1991 ISBN 0-444-88463-7
[40] Herr, Horst. Nauk o toploti, Ljubljana: Tehniška založba Slovenije, 1997 ISBN 86-385-
0240-3, 1997
[42] Koškin, Nikolaj Ivanovič. Priročnik elementarne fizike. Ljubljana; Tehniška založba
Slovenije, 1990 ISBN 86-365-0065-6, 1990
[39] Kraut, Bojan. Krautov strojniški priročnik. 11. slovenska izdaja Ljubljana: Tehniška
založba Slovenije, 1988 ISBN 86-365-0158-X
[24] L. Wald, Mathew: Question about a Hydrogen Economy: Oil And The Future Of Energy.
The Lyons Press, USA, 2007 ISBN 071599211173
[36] Matjašič - Friš, M. Vpliv tekstilnega materiala in designa oblačila na toplotno udobje
človeka v hladnem okolju - doktorska disertacija, Fakulteta za strojništvo Univerze v
Mariboru, 1998
[37] Polajnar, Andrej, Verhovnik, Vekoslav. Oblikovanje dela in delovnih mest, Fakulteta za
strojništvo Univerze v Mariboru, 2000 ISBN 86-435-0341-X
[12] Strnad, Janez. Fizika,1. del: Mehanika, Toplota. Ljubljana: Društvo matematikov fizikov
in astronomov Slovenije, 1990
[28] Testen, Sebastjan, Toplotne črpalke; diplomsko delo Univerza v Ljubljani, Fakulteta za
pomorstvo in promet, Portorož, 2004
[41] Zgonik, Miran. Prenos toplote, zgorevanja, alternativni viri - gradivo predavanj
2003/2004 za izredne študente PET (skripta). Portorož, januar 2004
110
17 Viri [1] http://www.mandiesel.com/engines/FourStrokeMediumSpeedPropEnginesProgram.asp
[2] http://www.dlg-test.de/pbdocs/4869.pdf
[3] http://www.vw-m.de/fileadmin/PDFs/engine_performance_TDI_100-5_d_m.pdf
[4] Energetska bilanca motorja Steyr M1 izmerjena na FS v Ljubljani, 22.11.2005
[5] http://www.transportation.anl.gov/pdfs/HV/2.pdf
[6] http://facta.junis.ni.ac.rs/me/me2006/me2006-02nn.pdf
[7] http://www.bmw.de/aktuell/innovation/2006/turbosteamer.pdf
[8] http://www.bmw.com/com/en/newvehicles/1series/5door/
2007/allfacts/effdyn/effdyn9_airflap.html
[9] http://www.stat.si/doc/pub/slo_figures_08.pdf
[11] http://www.microturbine.com/_docs/C30%20Oil%20&%20Gas.pdf
[13] http://www.mdi.lu/english/miniflowair.php
[14] Storage technology report st.6: flywheel, dosegljivo na http://www.itpower.co.uk/investire
/pdfs/flywheelrep.pdf
[15] http://www.toyota.com/prius/specs.html
[16] http://automobiles.honda.com/civic-hybrid
[17] http://us.sanyo.com/Batteries
[18] http://kokamamerica.com/kokam_catalog.pdf
[19] http://www.mastervolt.com/view_product.php?lang=2§ion=
marine&prggr_id=1019&prg_id=1189&pro_id=6106
[20] http://www.think.no
[21] http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html
[22] http://automobiles.honda.com/fcx-clarity
[23] http://www.nytimes.com/2007/12/09/automobiles/autoreviews/09HONDA.html
[25] http://www.veva.bc.ca/wtw/Tesla_20060719.pdf
[26] Ulf Bossel; Thermodynamic Analysis of Compressed Air Vehicle Propulsion- prispevek na
konferenci European fuell cell 2008, dosegljivo na http://www.efcf.com/reports/E14.pdf
[27] http://www.trw.com/images/Tech_Info_HeatedSteeringWheel_Eng07.pdf
[33] http://www.coolchips.gi/technology/ccalc.shtml
[34] http://www.knut.si/new/up/other/51Prospekt%20Idesta%20Polar%20SLO.pdf
[35] http://www.uradni-list.si/1/objava.jsp?urlid=199989&stevilka=4280
[38] http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja/prostor/graditev/
toplotna_zascita.pdf
111
18 Seznam slik Slika 1: Energijska bilanca dizelskega motorja Steyr M1 pri polni obremenitvi...................... 4
Slika 2: Izkoristki bencinskega motorja Toyote Prius ............................................................. 5
Slika 3: Diagram izkoristka pri delnih obremenitvah za motor IMR S44/V ............................ 5
Slika 4: Sestava Li- ion baterijskega člena............................................................................ 21
Slika 5: Čas do začetka ogrevanja pri avtomobilu s pogonom na gorivno celico v odvisnosti
od zunanje temperature pri različnih hitrostih avtomobila..................................................... 28
Slika 6: Graf časa od začetka vožnje do ogrete kabine avtomobila s pogonom na vodik v
odvisnosti od zunanje temperature pri različnih hitrostih avtomobila.................................... 29
Slika 7: Izkoristek primarne energije različnih načinov pogona avtomobilov........................ 31
Slika 8: Slika ogrevanega volanskega obroča v IR spektru ................................................... 33
Slika 9: Delovanje kompresorske toplotne črpalke ............................................................... 37
Slika 10: Grelno število v odvisnosti od temperature zunanjega zraka. Temperatura ogrevalne
vode na topli strani je 50 °C. ................................................................................................ 42
Slika 11: Karta območij projektne zunanje temperature za Slovenijo.................................... 47
Slika 12: Primerjava toplotnih prestopnosti .......................................................................... 51
Slika 13: Toplotna prehodnost avtomobilskega stekla v odvisnosti od hitrosti avtomobila.... 52
Slika 14: Toplotna prehodnost izolirane pločevine v odvisnosti od hitrosti avtomobila......... 53
Slika 15: Toplotna prehodnost celotnega avtomobila v odvisnosti od hitrosti avtomobila. .... 54
Slika 16: Skica kabine osebnega avtomobila Renault Clio II pri pogledu s strani.................. 55
Slika 17: Postavitev termometrov in toplozračnega grelnika................................................. 58
Slika 18: Izmerjene temperature notranjosti kabine pri ogrevanju avtomobila z grelnikom z
močjo 2000 W in zunanjo temperaturo 8 °C. ........................................................................ 59
Slika 19: Primerjava izmerjene temperature notranjosti pri ogrevanju avtomobila z izračunano
temperaturo.......................................................................................................................... 60
Slika 20: Primerjava izmerjene temperature notranjosti pri ogrevanju avtomobila z izračunano
temperaturo s popravkom zaradi notranjega prestopa toplote................................................ 61
Slika 21: Slika prikolice, električnega agregata in druge opreme. ......................................... 62
Slika 22: Slika merjenja notranjosti vozila s tremi merilniki. ................................................ 63
Slika 23: Graf temperatur ogrevanega avtomobila med vožnjo ............................................. 64
Slika 24: Primerjava v poskusu izmerjene temperature s temperaturo izračunano z enačbami
............................................................................................................................................ 65
Slika 25: Toplotni tok za zagotavljanje temperature notranjosti 22 °C pri zunanji temperaturi
0 °C za avtomobil z voznikom in enim potnikom................................................................. 67
112
Slika 26: Graf toplotnega toka za ohranjanje temperature notranjosti 22 °C pri različnih
zunanjih temperaturah in hitrostih avtomobila. V kabini je samo voznik. ............................. 68
Slika 27: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu brez dodatnega ogrevanja pri zunanji
temperaturi 0 °C................................................................................................................... 69
Slika 28: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu in zunanji temperaturi 0 °C.
Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. ........................................................... 70
Slika 29: Potek temperature pri mirujočem avtomobilu in zunanji temperaturi 0 °C.
Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. V avtu je samo voznik........................ 70
Slika 30: Graf temperature pri avtomobilu s hitrostjo 90 km/h in ogrevanjem z različnimi
toplotnimi tokovi. Zunanja temperatura je 0 °C. V avtu je samo voznik. .............................. 71
Slika 31: Graf temperature pri avtomobilu s hitrostjo 90 km/h in ogrevanjem z različnimi
toplotnimi tokovi. Zunanja temperatura je –20 °C. V avtu je samo voznik............................ 72
Slika 32: Toplotni tok za ogrevanje svežega zraka od zunanje temperature do notranje
temperature 22 °C. Vsakemu potniku zagotavljamo 20 m3 svežega zraka............................. 72
Slika 33: Ogrevanje vozila s toplotnim izmenjevalnikom z izkoristkom 50 % in brez
toplotnega izmenjevalnika. Hitrost vozil je 90 km/h. Zunanja temperatura je –20 °C........... 73
Slika 34: Prikaz poti, na kateri je bilo izvedeno merjenje moči in dela pri vožnji avtomobila v
realnih razmerah .................................................................................................................. 75
Slika 35: Prikaz moči in hitrosti v odvisnosti od časa na ljubljanski severni obvoznici ......... 76
Slika 36: Prikaz moči in hitrosti pri vožnji avtomobila na magistralni cesti .......................... 77
Slika 37: Prikaz moči in hitrosti pri vožnji avtomobila v mestu ............................................ 77
Slika 38: Razmerje časa moči in celotnega časa vožnje za različne vozne režime ................. 78
Slika 39: Graf porabe goriva v odvisnosti od hitrosti ............................................................ 81
Slika 40: Način pritrditve termočlena na izpušno cev ........................................................... 82
Slika 41: Prikaz krožne poti, na kateri je bilo izvedeno merjenje temperatur in toplotnih tokov
v avtomobilu. ....................................................................................................................... 82
Slika 42: Graf temperatur pri krožni vožnji .......................................................................... 83
Slika 43: Graf temperatur pri krožni vožnji .......................................................................... 86
Slika 44: Temperature pri ogrevanju hladne kabine s segretim motorjem v prostem teku v
mirovanju............................................................................................................................. 88
Slika 45: Primerjava meritve temperature notranjosti pri ogrevanju kabine na parkirišču...... 89
Slika 46: Primerjava izmerjenih temperatur notranjosti kabine pri zunanji temperaturi 0 ºC . 90
Slika 47: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, posamezne vožnje trajajo pet minut
............................................................................................................................................ 94
113
Slika 48: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, posamezne vožnje trajajo 20 minut
............................................................................................................................................ 95
Slika 49: Skrajšanje dosega avtomobila zaradi ogrevanja, avtomobil je pred vožnjo že ogret.
............................................................................................................................................ 96
Slika 50: Skrajšanje dosega električnega avtomobila zaradi ogrevanja, avtomobil je ogret že
pred vožnjo. V kabini avtomobila vzdržujemo temperaturo 22 °C s toploto električnega
grelnika, odpadno toploto elektromotorja in toploto odpadnega zraka .................................. 97
Slika 51: Primerjava dosega električnega avtomobila pri ogrevanju s toplotno črpalko in z
električnim grelnikom. Vožnja traja eno uro....................................................................... 100
Slika 52: Skrajšanje dosega električnega avtomobila pri ogrevanju s toplotno črpalko,
avtomobil je ogret že pred vožnjo. V kabini avtomobila vzdržujemo temperaturo 22 °C s
toploto toplotne črpalke, odpadno toploto elektromotorja in toploto odpadnega zraka ........ 101
Slika 53: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji v mestu. Kabino avta ogrevamo
na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 25 km/h v štirih urah. ........ 102
Slika 54: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji po magistralni cesti. Kabino avta
ogrevamo na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 60 km/h . .......... 103
Slika 55: Poraba energije električnega avtomobila pri vožnji po obvoznici. Kabino avta
ogrevamo na različne načine. Avto prevozi 100 km s povprečno hitrostjo 105 km/h. ......... 103
Slika 56: Čas, ki ga potrebuje ogrevalni sistem avtomobila, da doseže v kabini temperaturo 22
°C. Prikazana je primerjava ogrevanja s toplotno črpalko, električnim grelnikom in
kombinacijo obeh............................................................................................................... 104
114
19 Seznam tabel Tabela 1: Primerjava pogona z akumulatorjem in bencinskim motorjem s stališča shranjevanja
energije in uporabnosti. ........................................................................................................ 22
Tabela 2: Grelna števila Idesta Polar zrak/voda in razmerje med realnim in izračunanim
največjim grelnim številom.................................................................................................. 42
Tabela 3: Toplotni tok za zagotavljanje temperature notranjosti avtomobila 22 °C v
odvisnosti od hitrosti avtomobila in števila potnikov pri zunanji temperaturi 0 °C................ 66
Tabela 4: Zbrani rezultati meritev ........................................................................................ 79
Tabela 5: Temperatura izpušnih plinov in njihov toplotni tok............................................... 84
Tabela 6: Zaviranje na poti Kresnice – Ljubljana – Kresnice ................................................ 87
Tabela 7: Toplota za ogrevanje avtomobila in njen delež v celotni energijski bilanci vožnje po
mestu s povprečno hitrostjo 25 km/h in povprečno močjo motorja 2 kW. ............................. 93
20 Priloge
Na toploto za ogrevanje kabine avtomobila vpliva veliko dejavnikov. Vsak od dejavnikov se lahko spreminja. Praktično nemogoče je, da bi za vse
možne kombinacije dejavnikov lahko naredili meritve v praksi. Zato sem se odločil izpeljati enačbe, katerih rezultat je potek temperature v kabini
avtomobila med ogrevanjem. V prilogi prikazujem primer izračuna temperatur v notranjosti kabine avtomobila. V programu Excel sem zapisal niz
enačb, v katerih se upoštevajo vplivni faktorji za izračun notranje temperature. Program Excel omogoča spreminjanje posameznih parametrov in s tem
izračun toplote za različna vozila pri različnih pogojih. Rezultat izračunov je časovni potek temperature v kabini vozila. S spreminjanjem parametrov
lahko ugotovimo, od česa in kako je odvisna temperatura notranjosti avtomobila.
Niz enačb je zapisan v posameznih stolpcih:
v stolpec A vpišemo moč grelnika v vatih,
v stolpec B vpišemo maso zraka v kabini avtomobila v kilogramih,
v stolpec C vpišemo specifično toploto zraka v avtomobilu cp,
v stolpcu D je zunanja temperatura v stopinjah Celzija,
v stolpcu E se izračuna temperatura notranjosti kabine, tako da se temperaturi iz prejšnjega časovnega intervala doda sprememba temperature v
računanem času, ki jo izračunamo v stolpcu H,
v stolpcu F se izračuna toplotni tok, ki izhaja iz vozila skozi stene kabine po enačbi TAP , pri čemer je:
CXVI
A velikost ploščine, skozi katero teče toplotni tok (pri mojem avtomobilu okoli 13 m2) ΔT pomeni razliko temperatur med temperaturo zraka v kabini in temperaturo zraka v zunanjosti, simbol α v tej enačbi pomeni koeficient toplotne prestopnosti, ki je odvisen od več faktorjev, njegovo določanje pa je podrobneje
opisano v poglavju 10.1.2 do 10.1.5
v stolpcu G se izračuna toplotni tok, ki ostaja v kabini in neposredno segreva zrak v kabini. Ta toplotni tok se izračuna po enačbi
kabineznotrajsteneskozizrakasvežegapotnikovikagrezrakasegrevanjeza PPPPPP ___ln__ , ki je podrobneje razložena v poglavju 11.1.1,
v stolpcu H se izračuna sprememba temperature zraka v kabini v določenem časovnem intervalu po enačbi
p
zrakasegrevanjeza
cmtP
T
__ , pri čemer je:
m masa zraka v kabini (v mojem primeru 4 kg) cp specifična toplota zraka v avtomobilu
v stolpcu I se izračuna toplotni tok P znotraj_kabine, ki v določenem časovnem intervalu segreva sedeže in druge dele notranjosti kabine
TAP , pri čemer je:
A velikost ploščine, skozi katero teče toplotni tok, to je ploščina vseh delov v notranjosti kabine, ki so v dotiku z zrakom v kabini (pri mojem avtomobilu okoli 15 m2)
ΔT pomeni razliko temperatur med temperaturo zraka v kabini in temperaturo predmetov v kabini, na primer sedežev, simbol α v tej enačbi pomeni koeficient toplotne prestopnosti, ki je odvisen od več faktorjev, njegovo določanje pa je podrobneje
opisano v poglavju 11.1.1.
CXVII
v stolpcu J se izračuna sprememba temperature notranjih delov kabine v določenem časovnem intervalu po enačbi
p
kabineznotraj
cmtP
T
_
, pri čemer je:
m masa delov notranjosti kabine (v mojem primeru sem upošteval 130 kg) cp specifična toplota notranjih delov, ki se segrevajo (uporabil sem vrednost 1000 J/kgK),
v stolpcu K se izračuna temperatura notranjih delov kabine, tako da se temperaturi iz prejšnjega časovnega intervala doda sprememba
temperature v računanem času, ki jo izračunamo v stolpcu J,
stolpec L nam pokaže čas od začetka ogrevanja,
v stolpcu M izračunamo toplotni tok potnikov (povprečni toplotni tok potnika 200 W pomnožimo s številom potnikov),
v stolpcu N izračunamo toplotni tok, ki ga potrebujemo za segrevanje svežega zraka po enačbi:
tnTcm
P pzrakasvežega
)1(_
, pri čemer je:
m masa zraka, ki priteka v vozilo in je produkt prostornine in gostote, ΔT pomeni razliko temperatur med temperaturo zraka v kabini in temperaturo zraka v zunanjosti, n pa je izkoristek izmenjevalnika toplote med izrabljenim zrakom in svežim zrakom, ki vstopa v kabino.
CXVIII
A B C D E F G H I J K L M N
P grelnika
[W]
m zraka
[kg]
cp zraka
[J/kgK]
T zunanja
[C]
Tizračunana
[C]
P skozi_stene
[W]
P za_segrevanje_zraka
[W]
sprememba
T zraka [C]
P znotraj kabine
[W]
sprememba
T notranjosti [C]
izračunana
T notranjosti [C]
t
[min]
Ppotnikov
[W]
Psvežega_zraka
[W]
1500 4 1005 -10 -10.0 150.0 2200.0 3.3 150.0 0.1 -10.0 0 1000 0
1500 4 1005 -10 -6.7 174.0 2010.2 3.0 258.5 0.1 -9.9 0.1 1000 57
1500 4 1005 -10 -3.7 333.0 1567.2 2.4 490.1 0.2 -9.8 0.2 1000 110
1500 4 1005 -10 -1.3 457.0 1232.5 1.8 660.1 0.3 -9.6 0.3 1000 150
1500 4 1005 -10 0.5 554.4 979.4 1.5 783.6 0.4 -9.3 0.4 1000 183
1500 4 1005 -10 2.0 631.9 787.8 1.2 872.2 0.4 -8.9 0.5 1000 208
1500 4 1005 -10 3.2 694.2 642.7 1.0 934.6 0.4 -8.5 0.6 1000 229
1500 4 1005 -10 4.1 745.0 532.5 0.8 977.2 0.5 -8.1 0.7 1000 245
1500 4 1005 -10 4.9 787.2 448.7 0.7 1005.0 0.5 -7.6 0.8 1000 259
1500 4 1005 -10 5.6 822.6 384.8 0.6 1021.7 0.5 -7.2 0.9 1000 271
1500 4 1005 -10 6.2 853.1 335.9 0.5 1030.2 0.5 -6.7 1 1000 281
1500 4 1005 -10 6.7 879.6 298.3 0.4 1032.4 0.5 -6.2 1.1 1000 290
1500 4 1005 -10 7.1 903.2 269.3 0.4 1030.1 0.5 -5.7 1.2 1000 297
1500 4 1005 -10 7.5 924.5 246.7 0.4 1024.4 0.5 -5.3 1.3 1000 304
1500 4 1005 -10 7.9 944.0 229.0 0.3 1016.2 0.5 -4.8 1.4 1000 311
1500 4 1005 -10 8.2 962.1 214.9 0.3 1006.1 0.5 -4.3 1.5 1000 317
1500 4 1005 -10 8.6 979.1 203.7 0.3 994.8 0.5 -3.9 1.6 1000 322
1500 4 1005 -10 8.9 995.3 194.6 0.3 982.5 0.5 -3.4 1.7 1000 328
1500 4 1005 -10 9.2 1010.6 187.0 0.3 969.6 0.4 -3.0 1.8 1000 333
1500 4 1005 -10 9.4 1025.4 180.7 0.3 956.2 0.4 -2.5 1.9 1000 338
1500 4 1005 -10 9.7 1039.7 175.3 0.3 942.6 0.4 -2.1 2 1000 342
1500 4 1005 -10 10.0 1053.6 170.7 0.3 928.8 0.4 -1.6 2.1 1000 347
1500 4 1005 -10 10.2 1067.1 166.5 0.2 915.0 0.4 -1.2 2.2 1000 351
1500 4 1005 -10 10.5 1080.3 162.8 0.2 901.2 0.4 -0.8 2.3 1000 356
1500 4 1005 -10 10.7 1093.2 159.4 0.2 887.5 0.4 -0.4 2.4 1000 360
1500 4 1005 -10 11.0 1105.8 156.3 0.2 873.8 0.4 0.0 2.5 1000 364
CXIX
1500 4 1005 -10 11.2 1118.1 153.4 0.2 860.3 0.4 0.5 2.6 1000 368
1500 4 1005 -10 11.4 1130.3 150.6 0.2 847.0 0.4 0.8 2.7 1000 372
1500 4 1005 -10 11.7 1142.2 148.0 0.2 833.8 0.4 1.2 2.8 1000 376
1500 4 1005 -10 11.9 1153.9 145.5 0.2 820.7 0.4 1.6 2.9 1000 380
1500 4 1005 -10 12.1 1165.4 143.0 0.2 807.9 0.4 2.0 3 1000 384
1500 4 1005 -10 12.3 1176.7 140.6 0.2 795.2 0.4 2.4 3.1 1000 387
1500 4 1005 -10 12.5 1187.8 138.3 0.2 782.7 0.4 2.7 3.2 1000 391
1500 4 1005 -10 12.7 1198.8 136.1 0.2 770.4 0.4 3.1 3.3 1000 395
1500 4 1005 -10 12.9 1209.5 133.9 0.2 758.3 0.3 3.5 3.4 1000 398
1500 4 1005 -10 13.1 1220.1 131.8 0.2 746.4 0.3 3.8 3.5 1000 402
1500 4 1005 -10 13.3 1230.5 129.7 0.2 734.6 0.3 4.2 3.6 1000 405
1500 4 1005 -10 13.5 1240.8 127.6 0.2 723.1 0.3 4.5 3.7 1000 409
1500 4 1005 -10 13.7 1250.9 125.6 0.2 711.7 0.3 4.8 3.8 1000 412
1500 4 1005 -10 13.9 1260.8 123.6 0.2 700.5 0.3 5.2 3.9 1000 415
1500 4 1005 -10 14.1 1270.6 121.6 0.2 689.4 0.3 5.5 4 1000 418
1500 4 1005 -10 14.3 1280.2 119.7 0.2 678.6 0.3 5.8 4.1 1000 422
1500 4 1005 -10 14.5 1289.7 117.8 0.2 667.9 0.3 6.1 4.2 1000 425
1500 4 1005 -10 14.6 1299.0 115.9 0.2 657.4 0.3 6.4 4.3 1000 428
1500 4 1005 -10 14.8 1308.2 114.1 0.2 647.0 0.3 6.7 4.4 1000 431
1500 4 1005 -10 15.0 1317.2 112.3 0.2 636.8 0.3 7.0 4.5 1000 434
1500 4 1005 -10 15.1 1326.1 110.5 0.2 626.8 0.3 7.3 4.6 1000 437
1500 4 1005 -10 15.3 1334.8 108.8 0.2 616.9 0.3 7.6 4.7 1000 439
1500 4 1005 -10 15.5 1343.4 107.1 0.2 607.2 0.3 7.9 4.8 1000 442
1500 4 1005 -10 15.6 1351.9 105.4 0.2 597.6 0.3 8.2 4.9 1000 445
1500 4 1005 -10 15.8 1360.2 103.7 0.2 588.2 0.3 8.4 5 1000 448
1500 4 1005 -10 16.0 1368.4 102.1 0.2 578.9 0.3 8.7 5.1 1000 451
1500 4 1005 -10 16.1 1376.5 100.5 0.2 569.8 0.3 9.0 5.2 1000 453
1500 4 1005 -10 16.3 1384.5 98.9 0.1 560.8 0.3 9.2 5.3 1000 456
1500 4 1005 -10 16.4 1392.3 97.3 0.1 552.0 0.3 9.5 5.4 1000 458
1500 4 1005 -10 16.6 1400.0 95.8 0.1 543.3 0.3 9.8 5.5 1000 461
1500 4 1005 -10 16.7 1407.5 94.3 0.1 534.7 0.2 10.0 5.6 1000 463
CXX
1500 4 1005 -10 16.8 1415.0 92.8 0.1 526.3 0.2 10.3 5.7 1000 466
1500 4 1005 -10 17.0 1422.3 91.3 0.1 518.0 0.2 10.5 5.8 1000 468
1500 4 1005 -10 17.1 1429.6 89.9 0.1 509.8 0.2 10.7 5.9 1000 471
1500 4 1005 -10 17.2 1436.7 88.5 0.1 501.8 0.2 11.0 6 1000 473
1500 4 1005 -10 17.4 1443.7 87.1 0.1 493.9 0.2 11.2 6.1 1000 475
1500 4 1005 -10 17.5 1450.6 85.7 0.1 486.1 0.2 11.4 6.2 1000 478
1500 4 1005 -10 17.6 1457.4 84.4 0.1 478.4 0.2 11.7 6.3 1000 480
1500 4 1005 -10 17.8 1464.0 83.0 0.1 470.9 0.2 11.9 6.4 1000 482
1500 4 1005 -10 17.9 1470.6 81.7 0.1 463.5 0.2 12.1 6.5 1000 484
1500 4 1005 -10 18.0 1477.1 80.4 0.1 456.2 0.2 12.3 6.6 1000 486
1500 4 1005 -10 18.1 1483.4 79.2 0.1 449.0 0.2 12.5 6.7 1000 488
1500 4 1005 -10 18.3 1489.7 77.9 0.1 441.9 0.2 12.7 6.8 1000 490
1500 4 1005 -10 18.4 1495.8 76.7 0.1 434.9 0.2 12.9 6.9 1000 493
1500 4 1005 -10 18.5 1501.9 75.5 0.1 428.1 0.2 13.1 7 1000 495
1500 4 1005 -10 18.6 1507.9 74.3 0.1 421.3 0.2 13.3 7.1 1000 496
1500 4 1005 -10 18.7 1513.8 73.1 0.1 414.7 0.2 13.5 7.2 1000 498
1500 4 1005 -10 18.8 1519.5 72.0 0.1 408.2 0.2 13.7 7.3 1000 500
1500 4 1005 -10 18.9 1525.2 70.8 0.1 401.7 0.2 13.9 7.4 1000 502
1500 4 1005 -10 19.0 1530.8 69.7 0.1 395.4 0.2 14.1 7.5 1000 504
1500 4 1005 -10 19.1 1536.4 68.6 0.1 389.2 0.2 14.3 7.6 1000 506
1500 4 1005 -10 19.2 1541.8 67.5 0.1 383.0 0.2 14.5 7.7 1000 508
1500 4 1005 -10 19.3 1547.1 66.5 0.1 377.0 0.2 14.6 7.8 1000 509
1500 4 1005 -10 19.4 1552.4 65.4 0.1 371.1 0.2 14.8 7.9 1000 511
1500 4 1005 -10 19.5 1557.6 64.4 0.1 365.2 0.2 15.0 8 1000 513
1500 4 1005 -10 19.6 1562.7 63.4 0.1 359.4 0.2 15.1 8.1 1000 515
1500 4 1005 -10 19.7 1567.7 62.4 0.1 353.8 0.2 15.3 8.2 1000 516
1500 4 1005 -10 19.8 1572.6 61.4 0.1 348.2 0.2 15.5 8.3 1000 518
1500 4 1005 -10 19.9 1577.5 60.4 0.1 342.7 0.2 15.6 8.4 1000 519
1500 4 1005 -10 20.0 1582.2 59.5 0.1 337.3 0.2 15.8 8.5 1000 521
1500 4 1005 -10 20.1 1586.9 58.5 0.1 332.0 0.2 15.9 8.6 1000 523
1500 4 1005 -10 20.2 1591.6 57.6 0.1 326.8 0.2 16.1 8.7 1000 524
CXXI
1500 4 1000 -10 20.3 1596.1 56.7 0.1 321.6 0.1 16.3 8.8 1000 526
1500 4 1000 -10 20.4 1600.6 55.8 0.1 316.5 0.1 16.4 8.9 1000 527
1500 4 1000 -10 20.4 1605.0 54.9 0.1 311.6 0.1 16.5 9 1000 528
1500 4 1000 -10 20.5 1609.4 54.1 0.1 306.6 0.1 16.7 9.1 1000 530
1500 4 1000 -10 20.6 1613.7 53.2 0.1 301.8 0.1 16.8 9.2 1000 531
1500 4 1000 -10 20.7 1617.9 52.4 0.1 297.1 0.1 17.0 9.3 1000 533
1500 4 1000 -10 20.8 1622.0 51.6 0.1 292.4 0.1 17.1 9.4 1000 534
1500 4 1000 -10 20.8 1626.1 50.7 0.1 287.8 0.1 17.2 9.5 1000 535
1500 4 1000 -10 20.9 1630.1 49.9 0.1 283.2 0.1 17.4 9.6 1000 537
1500 4 1000 -10 21.0 1634.1 49.2 0.1 278.8 0.1 17.5 9.7 1000 538
1500 4 1000 -10 21.1 1637.9 48.4 0.1 274.4 0.1 17.6 9.8 1000 539
1500 4 1000 -10 21.1 1641.8 47.6 0.1 270.0 0.1 17.8 9.9 1000 541
1500 4 1000 -10 21.2 1645.5 46.9 0.1 265.8 0.1 17.9 10 1000 542
1500 4 1000 -10 21.3 1649.2 46.1 0.1 261.6 0.1 18.0 10.1 1000 543
1500 4 1000 -10 21.3 1652.9 45.4 0.1 257.5 0.1 18.1 10.2 1000 544
1500 4 1000 -10 21.4 1656.5 44.7 0.1 253.4 0.1 18.2 10.3 1000 545
1500 4 1000 -10 21.5 1660.0 44.0 0.1 249.4 0.1 18.4 10.4 1000 547
1500 4 1000 -10 21.5 1663.5 43.3 0.1 245.5 0.1 18.5 10.5 1000 548
1500 4 1000 -10 21.6 1666.9 42.6 0.1 241.6 0.1 18.6 10.6 1000 549
1500 4 1000 -10 21.7 1670.3 41.9 0.1 237.8 0.1 18.7 10.7 1000 550
1500 4 1000 -10 21.7 1673.6 41.3 0.1 234.1 0.1 18.8 10.8 1000 551
1500 4 1000 -10 21.8 1676.9 40.6 0.1 230.4 0.1 18.9 10.9 1000 552
1500 4 1000 -10 21.9 1680.1 40.0 0.1 226.8 0.1 19.0 11 1000 553
1500 4 1000 -10 21.9 1683.2 39.4 0.1 223.2 0.1 19.1 11.1 1000 554
1500 4 1000 -10 22.0 1686.4 38.7 0.1 219.7 0.1 19.2 11.2 1000 555
1500 4 1000 -10 22.0 1689.4 38.1 0.1 216.2 0.1 19.3 11.3 1000 556
1500 4 1000 -10 22.1 1692.4 37.5 0.1 212.8 0.1 19.4 11.4 1000 557
1500 4 1000 -10 22.2 1695.4 36.9 0.1 209.4 0.1 19.5 11.5 1000 558
1500 4 1000 -10 22.2 1698.3 36.4 0.1 206.1 0.1 19.6 11.6 1000 559
1500 4 1000 -10 22.3 1701.2 35.8 0.1 202.9 0.1 19.7 11.7 1000 560
1500 4 1000 -10 22.3 1704.0 35.2 0.1 199.7 0.1 19.8 11.8 1000 561
S svojo častjo potrjujem, da sem to magistrsko delo izdelal popolnoma
samostojno s pomočjo navedene literature in pod vodstvom mentorjev
ter soglašam z njegovo objavo na spletni strani UL FPP.
Portorož, 1. 10. 2009 Damjan Grobljar