Ermittlung des Potentials zur Steigerung der Energieeffizienz eines Metro-Schienenfahrzeuges durch Optimierung der Wärmedämmungseigenschaften des Wagenkastens

Abstract

Metrosysteme spielen im urbanen Nahverkehr eine zentrale Rolle.<br />Aufgrund ihrer hohen Beförderungskapazitäten stellen sie die Stütze des öffentlichen Personennahverkehrs im innerstädtischen Bereich dar.<br />Schon jetzt sind Metrosysteme äußerst leistungsfähige und effiziente Beförderungsmittel.<br />Aufgrund der fortlaufenden Rohstoffverknappung und steigender Energiepreise gilt es aber, das System Metro in Hinblick auf seine Energieeffizienz zu prüfen und weiter zu optimieren.<br />Vorhergehende Untersuchungen der Energieeffizienz am Beispiel der Metro Oslo zeigten, dass während des Fahrgastbetriebs ein Drittel der am Fahrzeug auftretenden Energieverluste zufolge Wärmeverluste im Heiz- und Kühlbetrieb resultieren.<br />Als potentielles Handlungsfeld zur Steigerung der Energieeffizienz wurde die Optimierung der Wagenkastenwärmedämmung erkannt.<br />Ziel dieser Arbeit war es, an Metrofahrzeug - Wagenkästen und hinsichtlich ihres Potentials der Energieeffizienzsteigerung zu untersuchen und Maßnahmen zur effektiven Wärmedämmung zu finden.<br />Dazu wurden die Bauweisen nach Stand der Technik im Metrofahrzeugbau auf ihre Eigenschaften hinsichtlich Energieeffizienz untersucht. Auf Grundlage der Bauweisen mit dem höchsten Potential wurden Maßnahmen der Wagenkastenmodifikation gesucht, die zu einer Reduktion der Wärmeverluste führen. Die gefundenen Maßnahmen wurden anhand von Wagenkasten- Konzeptlösungen hinsichtlich ihres Potentials zur Steigerung der Energieeffizienz hin untersucht.<br />Auf der Suche nach Potentialen zur Senkung der Wärmeverluste der Wagenkastenkonstruktion bieten sich zahlreiche Ansätze. Von Seiten des Rohbaues her, kann die Wärmedämmung durch die Anwendung alternativer Dämmstoffe verbessert werden. Der Einfluss von Wärmebrücken innerhalb der metallischen Struktur kann durch geeignete Maßnahmen der Profilgestaltung minimiert werden.<br />Die Ausführung der Seitenwandverkleidung des Fahrgastraums als Sandwichbauteil ermöglicht die Abschirmung von rohbauseitigen Wärmebrücken.<br />Die Anwendung von Doppelverglasung der Fahrgastraumfenster ermöglicht die Herabsetzung des Wärmedurchgangs jener Bereiche erhöhter Energieverluste.<br />Die Betrachtung und Modifikation der Fahrgastraumtüren, als Zonen großer Wärmeverluste, stellt ebenfalls einen Handlungsaspekt großen Potentials dar. Auf Grundlage der Verbesserungsansätze erstellte Konzeptlösungen, zeigen mögliche Potentiale der Senkung des Wärmedurchgangs am Wagenkasten in der Höhe von etwa 30%, ausgedrückt durch den k-Wert des Wärmedurchgangs.<br />Diese Verbesserung der Wagenkastenwärmedämmung weist jedoch unter Berücksichtigung ihres Anteils am Gesamtverlust für Heizen und Kühlen, der sich neben den Verlusten des Wagenkastens aus weiteren Verlusten zufolge Luftumwälzung, Luftaustausch beim Fahrgastwechsel und Leckverlusten zusammensetzt, lediglich ein Potential von unter 1% Energieeinsparung am Gesamtfahrzeug auf.<br />Daraus lässt sich ableiten, dass alleinige Modifikationen am Wagenkasten, für sich betrachtet unter den Betriebsbedingungen des Metrofahrzeugs ein sehr begrenztes Handlungsfeld zur Steigerung der Energieeffizienz darstellen.<br />In Kombination mit Maßnahmen zur Senkung der Wärmeverluste der anderen genannten Verlustquellen, wie beispielsweise der Verlust der Abwärme durch Luftumwälzung, stellen die vorgestellten Maßnahmen am Rohbau jedoch eine weiterhin überprüfenswerte Ergänzung zur Optimierung der Energieeffizienz des Gesamtfahrzeugs dar.<br />

Metro Systems play a central part in the urban public transportation. Due to their huge passenger capacity they represent the cornerstone in metropolitan mass transit.<br />In sate of the art metro systems still represent means of transport on a high efficient level.<br />In virtue of the proceeding scarcity of resources and increase of energy prices, there is still a requirement of improvement and optimisation of the metro system's energy efficiency.<br />Investigation of the metro Oslo showed that about one third of the occurring energy loss on a metro vehicle in service results in heat leakage at heating and cooling the vehicle.<br />As a prospective field of activity to optimize energy efficiency the improvement of the thermal car body insulation has been detected.<br />The objective of this thesis was to find methods to improve the car body's energy efficiency due to reduction of heat loss.<br />Along this the common construction methods for metro vehicles has been investigated due to their energy efficiency properties. The best solution was applied to find measures of heat loss reduction of the car body structure. The developed measures were discussed and investigated on car body concepts concerning their potential of energy saving efforts due to heat loss reduction.<br />The request of potentials for heat loss improvement of the car body construction shows several approaches of activities.<br />Concerning the car body structure the use of alternative thermal insulation material enables the achievement of better heat insulation.<br />The effect of thermal bridges within the metallic body shell structure can be minimized by the adapted configuration of the structure profiles.<br />The side wall panels of the passenger saloon designed as sandwich elements are able to achieve the protection from car body's thermal bridge zones.<br />The application of double-glazed side wall windows allows the reduction of heat transmission on those areas of increased heat loss.<br />The mention and modification of the passenger saloon doors as a zone of high heat loss represents an aspect of high potential on improvement.<br />The investigation of improved reference-construction concepts shows a potential of reducing the heat loss through the car body, shown by the k-value of heat transmission, by about 30%.<br />Mentioning the amount of overall heat losses besides car body loss mainly consisting of losses due to air circulation, temperate air transfer at passenger exchange with the environment climate and leakage, the overall impact of car body improvements can be quantified at values below 1% of energy savings.<br />This leads to the point of view that the separate modification of the car body heat transfer characteristics appears to provide only a limited degree of the energy saving.<br />In combination with the improvement of the other mentioned sources of heat loss also the modification can be considered as a worth addition to the overall concept of energy savings.