Bilanciare Comfort ed Energia negli Autobus Elettrici

I bus elettrici vengono usati sempre di più nelle città per ridurre inquinamento e rumore. Sono più ecologici rispetto ai bus a diesel, soprattutto quando usano energia pulita. Tuttavia, i bus elettrici possono avere problemi con il Consumo Energetico, specialmente perché i sistemi di riscaldamento e raffreddamento usano molta energia. Questo può limitare la distanza che possono percorrere con una singola ricarica. Questo articolo esplora come bilanciare il consumo di energia e il comfort dei passeggeri nei bus elettrici.

Il nostro obiettivo è creare un modello semplice che mostri come funzionano i sistemi di riscaldamento e raffreddamento in un bus. Questo modello aiuterà a migliorare l'uso di questi sistemi durante tutto l'anno. Introduciamo un modo per regolare rapidamente il riscaldamento e il raffreddamento per diversi momenti e condizioni, usando dati reali per informare il nostro modello.

#Consumo Energetico e Comfort

Il sistema di riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC) in un bus elettrico è fondamentale per mantenere i passeggeri comodi. Tuttavia, può consumare molta energia. Dobbiamo trovare un modo per ridurre il consumo energetico pur mantenendo il bus confortevole per i passeggeri. Questa sfida è importante perché molte persone dipendono dal trasporto pubblico, e la loro esperienza può influenzare il loro parere su questi servizi.

Uno dei problemi principali è che i bus elettrici non hanno una fonte di calore incorporata come i bus a diesel. Questo significa che devono fare affidamento sulle loro batterie elettriche per riscaldare o raffreddare la cabina. Durante i mesi più freddi, questo può raddoppiare il consumo energetico complessivo del bus, riducendone l'autonomia. Questo crea un dilemma: come possiamo tenere i passeggeri comodi senza usare troppa energia?

La maggior parte degli studi si concentra su design migliori o su un controllo migliore dei sistemi HVAC. Tuttavia, il design e il controllo dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento per i bus sono diversi da quelli delle auto o degli edifici. Le auto devono essere riscaldate o raffreddate solo per brevi tragitti, mentre i bus sono in funzione per periodi più lunghi. Questo significa che abbiamo bisogno di un approccio diverso per migliorare i sistemi di riscaldamento e raffreddamento nei bus.

#Rassegna della Letteratura

Una varietà di studi ha esaminato come migliorare i sistemi HVAC nel trasporto pubblico. Molti di questi studi si concentrano sulle auto, dove i viaggi brevi e i cambiamenti di temperatura rapidi sono comuni. Al contrario, i bus operano per periodi più lunghi, il che significa che non è necessario raffreddarli o riscaldarli rapidamente. La durata più lunga delle corse in bus consente una temperatura costante, rendendo possibile l'uso di modelli più semplici per ottimizzare il consumo energetico.

La maggior parte delle ricerche utilizza modelli dinamici per simulazione e ottimizzazione, ma questi possono essere complicati e richiedere tempo per la valutazione. Alcuni studi hanno suggerito di utilizzare modelli in stato stazionario, che richiedono meno sforzo computazionale e possono valutare più facilmente le prestazioni durante tutto l'anno.

I modelli dinamici spesso hanno difficoltà a valutare i sistemi HVAC per tutto l'anno perché richiedono simulazioni dettagliate per ogni scenario. D'altra parte, i modelli in stato stazionario consentono ai ricercatori di analizzare come funziona il consumo energetico in diverse condizioni senza bisogno di calcoli complessi.

#Dichiarazione di Ricerca

Mentre alcuni hanno suggerito di utilizzare modelli in stato stazionario per analizzare i sistemi HVAC nei bus, non c'è ancora stato uno studio completo che confronti questi modelli con i modelli dinamici. La nostra ricerca mira a colmare questa lacuna esaminando quanto bene un Modello in stato stazionario può prevedere le prestazioni dei sistemi HVAC tenendo conto del Comfort Termico per i passeggeri.

#Modellazione del Sistema

In questa sezione, introduciamo il nostro modello termico per la cabina passeggeri e il sistema HVAC di un bus urbano. Questo modello ci aiuterà a capire come la temperatura e il riscaldamento interagiscono in un contesto di bus.

#Modello Termico Dinamico

Iniziamo a esaminare come si muove il calore dentro e fuori dal bus. Il nostro modello termico considera diversi fattori: l'aria all'interno del bus, i materiali che compongono il bus e le condizioni meteorologiche esterne. Guardiamo anche a come i passeggeri generano calore e come questo influisce sulla temperatura generale.

Il bus ha diversi componenti, tra cui l'aria della cabina, le superfici interne e la scocca esterna. Ogni parte può guadagnare o perdere calore attraverso processi come convezione (trasferimento attraverso l'aria), conduzione (trasferimento attraverso i materiali) e irraggiamento (trasferimento attraverso calore infrarosso). Dobbiamo considerare tutti questi scambi di calore per creare un quadro accurato della dinamica termica del bus.

Il sistema HVAC nel bus ha unità di riscaldamento e raffreddamento dell'aria che aiutano a mantenere il comfort dei passeggeri. Possiamo regolare quanta energia queste unità usano e come operano per trovare il miglior equilibrio tra consumo energetico e comfort.

#Serbatoi Termici

Il modello termico del bus lo suddivide in diverse parti, ognuna delle quali agisce come un serbatoio dove il calore può essere immagazzinato o rilasciato. Questo ci aiuta a capire come cambia la temperatura del bus nel tempo e quanto velocemente risponde ai regolamenti di riscaldamento e raffreddamento.

La capacità termica di ogni componente deve essere calcolata. Questo implica guardare a quanto è grande ogni parte e come i materiali rispondono al calore. L'interno del bus funge da grande area di stoccaggio del calore, mentre la scocca esterna e l'aria interna servono a scopi diversi per mantenere il comfort.

#Quantificare il Comfort Termico

Per valutare il comfort dei passeggeri, possiamo usare un parametro noto come il voto medio previsto (PMV). Questo punteggio aiuta a indicare quanto si sentono a loro agio i passeggeri in base a diversi fattori, come la temperatura dell'aria, l'umidità e quanto bene funziona il sistema HVAC. Quantificando il comfort in questo modo, possiamo vedere quanto bene i nostri sistemi si comportano in diverse condizioni.

#Approssimazione in Stato Stazionario

Usare il Modello Dinamico per ogni situazione può essere complesso. Invece, introduciamo un modello in stato stazionario che semplifica i calcoli prendendo una visione media dei processi di riscaldamento e raffreddamento. In questo modo possiamo comunque avere un'idea di quanto bene il sistema HVAC funzionerà durante l'anno senza dover effettuare calcoli estesi per ogni scenario.

Il modello in stato stazionario assume che determinate condizioni rimangano costanti nel tempo, il che è spesso vero per cose come i cambiamenti di temperatura esterna. Facendo ciò, possiamo valutare più facilmente il consumo energetico e il comfort termico.

#Ottimizzazione dell'Operazione HVAC

Ottimizzare il sistema HVAC è cruciale. Il problema consiste nel trovare il modo migliore di far funzionare il sistema con il minor consumo energetico possibile mantenendo comunque i requisiti di comfort. Questo comporta impostare limiti su quanto dovrebbe essere confortevole l'ambiente e stabilire come dovrebbero funzionare le unità di riscaldamento e raffreddamento.

Questa ottimizzazione può essere formulata in un modo che consenta confronti tra diversi modi operativi, come riscaldamento o raffreddamento.

#Casi Studio

Presentiamo due casi studio per dimostrare come il nostro approccio di modellazione in stato stazionario può essere utile.

#Caso Studio 1: Valutazione Annuale

Questo caso studio valuta come i diversi sistemi HVAC si comportano nel corso di un intero anno. Raccolta di dati in diverse condizioni, possiamo valutare quali sistemi sono più efficienti dal punto di vista energetico pur fornendo comfort ai passeggeri.

Usando il nostro modello in stato stazionario, confrontiamo le prestazioni di diversi design HVAC e stabiliremo quanto siano efficaci in base al consumo energetico e ai livelli di comfort. I risultati mostrano che alcuni design, come quelli che utilizzano pompe di calore, possono migliorare significativamente l'efficienza energetica rispetto ai sistemi tradizionali.

#Caso Studio 2: Controllo Online Causale

Il secondo caso studio mostra come possiamo utilizzare i risultati delle nostre ottimizzazioni in un contesto di controllo in tempo reale. Questo significa prendere le impostazioni ottimizzate per riscaldamento e raffreddamento e usarle in un sistema live per mantenere una temperatura confortevole per i passeggeri.

Analizziamo come i nostri setpoints suggeriti possono essere usati in condizioni reali. Monitorando la temperatura e regolando in base al modello in stato stazionario, possiamo garantire che i passeggeri rimangano comodi anche quando le condizioni esterne cambiano.

#Conclusione

In questo articolo, abbiamo sviluppato un modello termico dinamico di un bus urbano e del suo sistema HVAC. Semplificando questo modello in un'approssimazione in stato stazionario, possiamo ridurre il tempo computazionale necessario per l'ottimizzazione e l'analisi. Il nostro approccio fornisce un modo efficiente per valutare quanto bene diversi sistemi HVAC funzionano in varie condizioni durante tutto l'anno.

Attraverso i nostri casi studio, dimostriamo che un modello in stato stazionario può essere utile per valutare le prestazioni dei sistemi HVAC, aiutando a trovare i migliori design per efficienza energetica e comfort dei passeggeri. Anche se il nostro studio offre importanti spunti, è necessaria ulteriore ricerca per verificare e ampliare questi modelli per coprire fattori di comfort aggiuntivi e indagare altri tipi di veicoli di trasporto pubblico.