Equilibrando Comodidad y Energía en Autobuses Eléctricos

Los autobuses eléctricos se están usando más en las ciudades para reducir la contaminación y el ruido. Son más ecológicos en comparación con los autobuses diésel, sobre todo cuando utilizan energía limpia. Sin embargo, los autobuses eléctricos pueden tener problemas con el uso de energía, especialmente porque sus sistemas de calefacción y refrigeración consumen mucha potencia. Esto puede limitar cuán lejos pueden viajar con una sola carga. Este artículo analiza cómo equilibrar el uso de energía y la comodidad de los pasajeros en los autobuses eléctricos.

Nuestro objetivo es crear un modelo simple que muestre cómo funcionan los sistemas de calefacción y refrigeración en un autobús. Este modelo ayudará a mejorar cómo se utilizan estos sistemas a lo largo del año. Presentamos una manera de ajustar rápidamente la calefacción y refrigeración para diferentes momentos y condiciones, usando datos del mundo real para informar nuestro modelo.

#Uso de energía y comodidad

El sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) en un autobús eléctrico es crucial para mantener cómodos a los pasajeros. Sin embargo, puede usar mucha energía. Necesitamos encontrar una forma de reducir el uso de energía mientras seguimos manteniendo el autobús cómodo para los pasajeros. Este desafío es importante porque muchas personas dependen del transporte público, y su experiencia puede afectar cómo se sienten al usar estos servicios.

Uno de los problemas principales es que los autobuses eléctricos no tienen una fuente de calor incorporada como los autobuses diésel. Esto significa que deben depender de sus baterías eléctricas para calentar o enfriar la cabina. Durante los meses más fríos, esto puede duplicar el uso total de energía del autobús, lo que puede reducir su autonomía. Esto crea un dilema: ¿cómo podemos mantener cómodos a los pasajeros sin usar demasiada energía?

La mayoría de los estudios se centran en mejores diseños o un mejor control de los sistemas HVAC. Sin embargo, el diseño y control de los sistemas de calefacción y refrigeración para autobuses son diferentes de los coches o edificios. Los coches a menudo solo necesitan ser calefaccionados o refrigerados para viajes cortos, mientras que los autobuses están en funcionamiento por períodos más largos. Esto significa que necesitamos un enfoque diferente para mejorar los sistemas de calefacción y refrigeración en los autobuses.

#Revisión de la literatura

Una variedad de estudios han analizado cómo mejorar los sistemas HVAC en el transporte público. Muchos de estos estudios se enfocan en coches, donde los viajes cortos y cambios rápidos de temperatura son comunes. En cambio, los autobuses operan por períodos más largos, lo que significa que no necesitan enfriarse o calentarse tan rápido. La duración más larga de los viajes en autobús permite una temperatura constante, lo que hace posible usar modelos más simples para optimizar el uso de energía.

La mayoría de las investigaciones utilizan modelos dinámicos para simulación y optimización, pero estos pueden ser complicados y llevar mucho tiempo evaluar. Algunos estudios han sugerido usar modelos en estado estacionario, que requieren menos esfuerzo computacional y pueden evaluar el rendimiento durante todo el año más fácilmente.

Los modelos dinámicos a menudo tienen problemas para evaluar los sistemas HVAC durante un año completo porque requieren simulaciones detalladas para cada escenario. Por otro lado, los modelos en estado estacionario permiten a los investigadores analizar cómo funciona el Consumo de energía bajo diferentes condiciones sin necesitar cálculos complejos.

#Declaración de investigación

Aunque algunos han sugerido usar modelos en estado estacionario para analizar sistemas HVAC en autobuses, aún no ha habido un estudio exhaustivo que compare estos modelos con modelos dinámicos. Nuestra investigación busca llenar este vacío analizando qué tan bien un modelo en estado estacionario puede predecir el rendimiento de los sistemas HVAC mientras todavía se considera la comodidad térmica para los pasajeros.

#Modelado del sistema

En esta sección, presentamos nuestro modelo térmico para la cabina de pasajeros y el sistema HVAC de un autobús urbano. Este modelo nos ayudará a entender cómo interactúan la temperatura y la calefacción en un entorno de autobús.

#Modelo térmico dinámico

Primero analizamos cómo se mueve el calor dentro y fuera del autobús. Nuestro modelo térmico considera varios factores: el aire dentro del autobús, los materiales que componen el autobús y las condiciones climáticas externas. También miramos cómo los pasajeros generan calor y cómo esto afecta la temperatura general.

El autobús tiene varios componentes, incluyendo el aire de la cabina, las superficies interiores y la carcasa exterior. Cada parte puede ganar o perder calor a través de procesos como la convección (transferencia a través del aire), conducción (transferencia a través de materiales) y radiación (transferencia a través del calor infrarrojo). Necesitamos considerar todos estos intercambios de calor para crear una imagen precisa de la dinámica térmica del autobús.

El sistema HVAC en el autobús tiene unidades de calefacción y refrigeración que ayudan a mantener la comodidad de los pasajeros. Podemos ajustar cuánta energía utilizan estas unidades y cómo operan para encontrar el mejor equilibrio entre el consumo de energía y la comodidad.

#Reservorios térmicos

El modelo térmico del autobús se descompone en diferentes partes, cada una actuando como un reservorio donde el calor puede ser almacenado o liberado. Esto nos ayuda a entender cómo cambia la temperatura del autobús a lo largo del tiempo y cuán rápido responde a los ajustes de calefacción y refrigeración.

Es necesario calcular la capacidad térmica de cada componente. Esto implica mirar cuán grande es cada parte y cómo responden los materiales al calor. El interior del autobús actúa como una gran área de almacenamiento de calor, mientras que la carcasa exterior y el aire interior cumplen diferentes propósitos para mantener la comodidad.

#Cuantificación de la comodidad térmica

Para evaluar la comodidad de los pasajeros, podemos usar una métrica conocida como la votación media predicha (PMV). Esta puntuación ayuda a indicar cuán cómodos se sienten los pasajeros según varios factores, como la temperatura del aire, la humedad y el funcionamiento del sistema HVAC. Al cuantificar la comodidad de esta manera, podemos ver qué tan bien funcionan nuestros sistemas bajo diferentes condiciones.

#Aproximación en estado estacionario

Usar el Modelo Dinámico para cada situación puede ser complejo. En cambio, presentamos un modelo en estado estacionario que simplifica los cálculos al tomar una visión promedio de los procesos de calefacción y refrigeración. De esta manera, aún podemos tener una buena idea de qué tan bien funcionará el sistema HVAC a lo largo del año sin necesidad de hacer cálculos extensos para cada escenario.

El modelo en estado estacionario asume que ciertas condiciones permanecen consistentes a lo largo del tiempo, lo cual es a menudo cierto para cosas como los cambios de temperatura al aire libre. Al hacerlo, podemos evaluar el consumo de energía y la comodidad térmica más fácilmente.

#Operación óptima del HVAC

Optimizar el sistema HVAC es crucial. El problema implica encontrar la mejor manera de hacer funcionar el sistema con el menor uso de energía mientras se cumplen los requisitos de comodidad. Esto implica establecer límites sobre cuán cómoda debería ser el ambiente y establecer cómo deberían funcionar las unidades de calefacción y refrigeración.

Esta optimización puede formularse de una manera que permita comparar diferentes modos de operación, como calefacción o refrigeración.

#Estudios de caso

Presentamos dos estudios de caso para demostrar cómo nuestro enfoque de modelado en estado estacionario puede ser beneficioso.

#Estudio de caso 1: Evaluación durante todo el año

Este estudio de caso evalúa cómo diferentes sistemas HVAC funcionan a lo largo de un año completo. Al recolectar datos a través de varias condiciones, podemos evaluar qué sistemas son más eficientes en energía mientras aún brindan comodidad a los pasajeros.

Usando nuestro modelo en estado estacionario, comparamos el rendimiento de diferentes diseños de HVAC y establecemos cuán efectivos son basándonos en el uso de energía y los niveles de comodidad. Los resultados muestran que diseños específicos, como aquellos que utilizan bombas de calor, pueden mejorar significativamente la eficiencia energética en comparación con los sistemas tradicionales.

#Estudio de caso 2: Control en línea causal

El segundo estudio de caso muestra cómo podemos utilizar los resultados de nuestras optimizaciones en un entorno de control en tiempo real. Esto significa tomar los ajustes optimizados para calefacción y refrigeración y usarlos en un sistema en vivo para mantener una temperatura cómoda para los pasajeros.

Analizamos cómo se pueden utilizar nuestros puntos de referencia sugeridos en condiciones reales. Al rastrear la temperatura y ajustar según el modelo en estado estacionario, podemos garantizar que los pasajeros se mantengan cómodos incluso cuando cambian las condiciones externas.

#Conclusión

En este artículo, hemos desarrollado un modelo térmico dinámico de un autobús urbano y su sistema HVAC. Al simplificar este modelo en una aproximación en estado estacionario, podemos reducir el tiempo computacional necesario para la optimización y el análisis. Nuestro enfoque proporciona una forma eficiente de evaluar qué tan bien funcionan diferentes sistemas HVAC en varias condiciones a lo largo del año.

A través de nuestros estudios de caso, demostramos que un modelo en estado estacionario puede ser valioso para evaluar el rendimiento de los sistemas HVAC, ayudando a encontrar los mejores diseños para la eficiencia energética y la comodidad de los pasajeros. Aunque nuestro estudio ofrece información importante, se necesita más investigación para verificar y ampliar estos modelos para cubrir factores adicionales de comodidad e investigar otros tipos de vehículos de transporte público.