magistrsko delo

UNIVERZA V LJUBLJANI

FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET

MAGISTRSKO DELO

Damjan Grobljar

Portorož, oktober 2009



MAGISTRSKO DELO

Damjan Grobljar

Ogrevanje hibridnih in električnih vozil


Mentor:

prof. dr. Miran Zgonik

Somentor:

doc. dr. Frančišek Bizjan

Poročevalca:

prof. dr. Sašo Medved

prof. dr. Marko Topič



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


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.

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

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




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


U [W

/m2K

]





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


U [W

/m2K

]U pri notranjihitrosti 3 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


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


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 + 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 + 2700 W

Vir: avtor


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


dose

g av

tom

obila

[km

]


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


dose

g av

tom

obila

[km

]


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


dose

g av

tom

obila

[km

]


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


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


dose

g av

tom

obila

[km

]


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


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


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


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&section=

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


temperaturo.......................................................................................................................... 60


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


Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. ........................................................... 70


Avtomobil ogrevamo z različnimi toplotnimi tokovi. V avtu je samo voznik........................ 70


toplotnimi tokovi. Zunanja temperatura je 0 °C. V avtu je samo voznik. .............................. 71


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

magistrsko delo

Documents