Further development of measurement methods for the robust determination of climatic conditions in rail vehicles under consideration of the occurring environmental influences

Abstract

Der Schienenverkehr in Europa, insbesondere in Österreich, wird in den kommenden Jahren eine zentrale Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrssektors einnehmen. Um diesem Wandel gerecht zu werden, ist eine Erweiterung des Schienenangebots sowie die Indienststellung neuer Schienenfahrzeuge erforderlich. Bei der Abnahme von Schienenfahrzeugen durch die Betreiber spielt der thermische Komfort der Fahrgäste durch die HVAC Systeme eine entscheidende Rolle. Dieser wird unter möglichst realitätsnahen Bedingungen im Klima-Windkanal des Rail Tec Arsenal überprüft. Zur Erfassung der Behaglichkeitsparameter kommen Sensoren zur Messung der Lufttemperatur, der Oberflächentemperatur, der relativen Luftfeuchte, des CO2-Gehalts sowie der Strömungsgeschwindigkeiten zum Einsatz, welche den selben klimatischen Bedingungen wie die Fahrgäste ausgesetzt sind. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der potenziellen Auswirkungen dieser klimatischen Bedingungen auf die verwendeten Sensoren. Dazu werden die relevanten Normen zur Festlegung der Testbedingungen für Schienenfahrzeuge im Fernverkehr (EN 13129) sowie für die Messung physikalischer Größen im Umgebungsklima (ISO 7726) hinsichtlich spezifischer Vorgaben zur Minderung von Umgebungseinflüssen auf die Sensorik analysiert. Durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und CFD-Simulationen konnte ein deutlicher Einfluss der solaren Strahlung auf die Temperatursensoren nachgewiesen werden. Infolgedessen wurden neue Sensorkonzepte entwickelt und im Klima-Windkanal an Schienenfahrzeugen auf ihre Wirksamkeit hin überprüft. Weitere Untersuchungen zeigten einen signifikanten Einfluss der solaren Strahlung auf die Feuchtesensoren. Zur Reduktion dieses Effekts wurde ein Strahlungsschutz entworfen, der die Störeinflüsse minimiert, jedoch keine anderen unerwünschten Nebeneffekte hat. Im Gegensatz dazu konnte kein Einfluss der solaren Strahlung auf die Messung des CO2-Gehalts der Luft festgestellt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss von Temperatursensoren in der Nähe eines Strömungsanemometers auf die Geschwindigkeitsmessung untersucht. Der Unterschied verschieden großer Sensoren konnte nachgewiesen werden. Ein Einfluss der Temperatur auf die Messung der Strömungsgeschwindigkeit konnte teilweise nachgewiesen werden. Diese Arbeit zeigt, welche konkreten Maßnahmen zur Verringerung der klimatischen Einflüsse auf die Messsensoren gemacht werden können. Abschließend werden weitere potenzielle Ansätze zur Untersuchung vorgeschlagen.

Rail transport in Europe, particularly in Austria, will play a central role in the decarbonization of the transportation sector in the coming years. To facilitate this transition, an expansion of rail services and the commissioning of new railway vehicles are necessary. During the acceptance process of railway vehicles by operators, the thermal comfort of passengers, which is largely influenced by HVAC systems, is a crucial factor. This comfort is assessed under conditions that closely replicate real-world scenarios in the climatic wind tunnel of the Rail Tec Arsenal. To determine comfort parameters, sensors are used to measure air temperature, surface temperature, relative humidity, CO2 concentration, and airflow velocities, which are subjected to the same climatic conditions as passengers.This thesis focuses on investigating the potential impact of these climatic conditions on the sensors used. Relevant standards governing the test conditions for long-distance railway vehicles (EN 13129) and the measurement of physical parameters in ambient environments (ISO 7726) are analysed regarding specific requirements for minimizing environmental influences on sensor performance.A combination of experimental investigations and CFD simulations showed a significant impact of solar radiation on temperature sensors. As a result, new sensor designs were developed and tested for their effectiveness on railway vehicles in the climatic wind tunnel.Further investigations revealed a substantial influence of solar radiation on humidity sensors. To mitigate this effect, a radiation shield was designed that minimizes the effect without introducing unwanted side effects. In contrast, no influence of solar radiation on the measurement of CO2 concentration in the air could be detected.Additionally, the effect of temperature sensors placed near an anemometer on velocity measurements was investigated. The impact of different sensor sizes was confirmed.A partial influence of temperature on the measurement of airflow velocity was observed.This thesis outlines specific measures that can be implemented to reduce climatic influences on measurement sensors. Finally, further potential investigations are proposed.