A modular thermal simulation tool for computing energy consumption of HVAC units in rail vehicles

Abstract

Eine Methode und ihre Umsetzung für die Berechnung des Energieverbrauchs der Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlage (HKL) eines Stadtbahnfahrzeugs wird vorgestellt. Um den Energieverbrauch der HKL zu simulieren wird ein modular strukturiertes Simulationsmodell generiert, das Zugang zu den wichtigsten HKL Parametern bietet. Die Simulation kombiniert das HKL System mit einem dynamischen, thermischen Fahrzeugmodell und berücksichtigt Betriebs- und Wetterdaten als Eingänge. Das Fahrzeugmodell wird mittels der datenbasierten Systemidentifikation aus Daten von Klimawindkanal Experimenten erlangt. Aufgrund eines "Gray-Box" Modellierungsansatzes können die Parameter des thermischen Fahrzeugmodells physikalisch interpretiert werden. Wegen der kleinen Abtastzeit (Ts = 10s) können Effekte von transienten Schaltvorgängen beobachtet werden. Das ganzheitliche thermische Simulationsmodell ist in ein benutzerfreundliches Tool mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) integriert. Das Tool ermöglicht eine effiziente Verarbeitung von Simulationsdatensätzen, Visualisierung von Zeitbereichsergebnissen und die Berechnung des Jahresenergieverbrauchs des HKL-Systems. Eine Straßenbahnlinie in Wien wurde verwendet um reale Messdaten für die Validierung des Simulationsmodells zu erhalten. Sowohl die Ergebnisse von Kurzzeit- als auch Langzeitsimulationen liefern realistische Aussagen.

A method and its implementation for computing the energy consumption of the heating, ventilation and air conditioning (HVAC) unit of a light rail vehicle is presented. In order to simulate the energy consumption of the HVAC a modular structured simulation model is generated which provides access to the essential HVAC parameters. The simulation combines the HVAC system with a dynamic thermal vehicle model and includes operational and weather inputs. The vehicle model is obtained by a data-based system identification utilizing data from climatic wind tunnel experiments. Due to a gray-box modeling approach its parameters can be physically interpreted. Because of the small sampling time (Ts = 10s) effects of transient switching operations can be observed. The holistic thermal simulation model is integrated in a user-friendly tool with graphical user interface (GUI). The tool enables an efficient processing of simulation data sets, visualization of time-domain results and computation of the annual energy consumption of the HVAC system. A tram line in Vienna was used to obtain real measurements for validation of the simulation model. The results of both short-time and long-time simulations yield realistic statements.