Two factors are prominent in the design of vehicle air conditioning systems: thermal comfort and energy efficiency. Conventional air conditioning systems tend to temperature-control the whole cabin by convectional heating or cooling. The air flow is generated centrally in an HVAC (heating ventilation and air conditioning) unit and ducted into the cabin through air outlets directed at the occupant. Air speeds tend to be high, and the horizontal air flow results in the whole cabin being conditioned, rather than just the occupants. The result is less-than-optimal comfort and unnecessary energy consumption losses. The approach in this dissertation is to condition the occupant locally, only where needed and where the most effective thermal wellbeing can be achieved. The focus of this dissertation is on cooling in hot and humid ambient conditions. A concept for vertical interior cabin cooling has been derived based on current research. This concept was designed and installed in the prototype of the fully electric vehicle EVA by TUM CREATE. Cooled air is distributed close to the head in large-area overhead outlets. Air speeds can be kept low to avoid draught. At the same time, built-in fans in the seat surface and the backrest both draw air away from the body to improve the microclimate between occupant and seat. The technical feasibility of such a system was demonstrated on the prototype mentioned above. In a second step, the system was built as a mock-up in a climate chamber. The air speed and temperature parameters at the overhead outlet, the air flow in seat ventilation as well as both the temperature and humidity in the climate chamber could be adapted to create varying thermal scenarios. Data specifying the thermal response to these scenarios was collected from a series of pre-tests and three main experiments with human participants. During the experiments the participants drove the vehicle in a simulated driving environment. They were asked to state their thermal perception, level of thermal discomfort and their thermal preference for the whole body and for selected parts of the body at 5 minute intervals. In the first main experiment, overhead cooling was evaluated in different operational modes as a standalone system at cabin temperatures of 24.1°C, 26.5°C and 28.8°C. In a second experiment the influence of the seat ventilation as a standalone system was evaluated at cabin temperatures of 26.5°C and 28.5°C. In a third and final test, the combined effect of overhead cooling and seat ventilation was evaluated at cabin temperatures of 26.5°C, 28.5°C and 30.5°C. In all three experiments the systems were shown to noticeably improve the thermal comfort of participants. The best results are obtained with the combined system, using which thermal discomfort drops to acceptable limits within 5 – 10 minutes, even at cabin temperatures as high as 30.5°C. The third part of the thesis comprises the calculation of energy consumption for the vertical cooling system. Using the parameters of the experiment and the specification of the prototype EVA, the potential of the vertical cooling system could be shown to reduce energy consumption by up to 25% compared to a conventional system conditioning the whole cabin.     «

Two factors are prominent in the design of vehicle air conditioning systems: thermal comfort and energy efficiency. Conventional air conditioning systems tend to temperature-control the whole cabin by convectional heating or cooling. The air flow is generated centrally in an HVAC (heating ventilation and air conditioning) unit and ducted into the cabin through air outlets directed at the occupant. Air speeds tend to be high, and the horizontal air flow results in the whole cabin being conditione...     »

Zwei Faktoren bestimmen die Entwicklung von Fahrzeug-Klima-Systemen maßgeblich: thermischer Komfort und Verbrauch. Herkömmliche Systeme konditionieren den Innenraum durch konvektives Heizen und Kühlen. Der Luftstrom wird dabei zentral im Klimagerät erzeugt und horizontal, auf den Insassen gerichtet, in den Innenraum geleitet. Luftgeschwindigkeiten sind dabei in der Regel hoch. Des Weiteren bewirkt der horizontale Luftstrom eine Konditionierung des gesamten Fahrgastraumes und nicht nur die des Insassen. Das Ergebnis ist oft ein nicht optimaler Komfort und unnötige Energieverluste. Der Ansatz in dieser Dissertation ist das lokale Konditionieren des Insassen an Stellen, an denen es benötigt wird und an denen optimaler Komfort induziert werden kann. Der Fokus dieser Arbeit ist auf Kühlen in heißen Klimazonen mit hoher Luftfeuchtigkeit gerichtet. Hierfür wurde ein Konzept zur vertikalen Innenraumklimatisierung entwickelt. Dieses Konzept wurde in einem Prototypen, dem elektrischen Taxi EVA von TUM CREATE, realisiert. Kalte Luft wird nahe am Körper über großflächige Überkopfausströmer in die Kabine gebracht. Dadurch kann die Luftgeschwindigkeit niedrig gehalten und Zug vermieden werden. Gleichzeitig wird durch in den Sitzflächen verbaute Ventilatoren Luft vom Körper des Insassen weg gesaugt. Dadurch wird lokale Ansammlung von Hitze und Schweiß vermieden und das Mikroklima zwischen Insasse und Sitz deutlich verbessert. Mit dem Prototypen konnte die Machbarkeit und Funktionalität des Systems gezeigt werden. In einem zweiten Schritt wurde das System in einer Fahrzeugnachbildung für Versuche in einer Klimakammer eingebaut. Verschiedene thermische Szenarien konnten durch Variation der Parameter Luftgeschwindigkeit und Temperatur am Überkopfauslass, Luftstrom der Sitzbelüftung sowie Temperatur und Luftfeuchte der Klimakammer nachgestellt werden. Die thermische Bewertung dieser Szenarien wurde in einer Reihe von Vorversuchen und drei Hauptversuchen anhand von subjektiven Probandenaussagen ermittelt. Während einer im Fahrsimulator nachgestellten Fahrsituation mussten die Probanden in fünfminütigen Abständen ihre thermische Wahrnehmung, die Höhe ihres thermischen Diskomforts und die thermische Präferenz sowohl für den gesamten Körper, als auch für ausgewählte Körperregionen angeben. Die Überkopfbelüftung wurde im ersten Hauptversuch als allein operierendes System bei Kabinentemperaturen von 24.1°C, 26.5°C und 28.8°C untersucht. Im zweiten Versuch wurde die Sitzbelüftung als allein operierendes System bei Kabinentemperaturen von 26.5°C und 28.5°C geprüft. Im dritten und finalen Versuch wurde der gemeinsame Effekt von Überkopfbelüftung und Sitzbelüftung bei Kabinentemperaturen von 26.5°C, 28.5°C und 30.5°C untersucht. In allen drei Versuchen wurde nachgewiesen, dass die Systeme den thermischen Komfort der Insassen deutlich verbessern. Die besten Ergebnisse wurden mit dem kombinierten System erzielt. Hier fiel der thermische Diskomfort selbst bei Kabinentemperaturen von 30.5°C innerhalb von 5 – 10 Minuten auf ein angenehmes Niveau. Im dritten Teil der Arbeit werden die Parameter und Ergebnisse der Versuche und des Systems im Prototypen verwendet um eine Energiebilanz über das Fahrzeug aufzustellen. Im Vergleich zu konventionellen Klimatisierungssystemen, welche den gesamten Innenraum heizen oder kühlen, konnte eine lokal wirkende Vertikalklimatisierung den Energieverbrauch der Klimatisierung bis zu 25% zu senken.     «

Zwei Faktoren bestimmen die Entwicklung von Fahrzeug-Klima-Systemen maßgeblich: thermischer Komfort und Verbrauch. Herkömmliche Systeme konditionieren den Innenraum durch konvektives Heizen und Kühlen. Der Luftstrom wird dabei zentral im Klimagerät erzeugt und horizontal, auf den Insassen gerichtet, in den Innenraum geleitet. Luftgeschwindigkeiten sind dabei in der Regel hoch. Des Weiteren bewirkt der horizontale Luftstrom eine Konditionierung des gesamten Fahrgastraumes und nicht nur die des In...     »