Systèmes HVAC : créer votre zone de confort
L'été a été marqué par les extrêmes. Nous avons subi des incendies de forêt à Hawaï et en Sibérie, des tempêtes de grêle en Allemagne et en Italie, et des inondations en Europe centrale, en Turquie et en Libye. Les phénomènes météorologiques extrêmes sont de plus en plus nombreux et touchent toutes les régions du monde.
Selon l'Organisation météorologique mondiale, l'été 2023 a été le plus chaud jamais enregistré. Les trois mois de juin, juillet et août 2023 ont été nettement plus chauds que n'importe quelle autre période de trois mois sur Terre.
Comment rester au frais à plus de 40 °Celsius (ou 100 °Fahrenheit) ? Ou au chaud lorsqu'une réalité glaciale vous frappe ? Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC) peuvent-ils contribuer à améliorer le confort des personnes ?
L'essor des véhicules électriques
Il s'agit d'une tendance irréversible : les moteurs à combustion interne (ICE) à essence des voitures, des camions et des bus, et même des tracteurs agricoles, sont remplacés par diverses combinaisons de moteurs hybrides et alimentés par des batteries. Nous n'en sommes qu'au début de la courbe de remplacement. Pourtant, les forces du gouvernement (l'interdiction en Californie de la vente de nouvelles voitures à essence, de SUV et de camions légers d'ici 2035, par exemple), de l'industrie et de la demande des consommateurs représentent un effort collectif pour mettre fin à la domination de l'essence dans toutes les formes de transport. Il faudra encore des décennies avant que les moteurs à essence et les moteurs diesel ne soient officiellement éteints (de la même manière que les voiles, puis les bateaux à vapeur, ont été remplacés par des navires fonctionnant au pétrole), mais le jour où tout le monde conduira un véhicule électrique arrivera clairement dans le courant de ce siècle.
L'un des plus grands défis techniques actuels à l'adoption du marché des véhicules électriques est la réalité de l'autonomie. L'autonomie actuelle des véhicules électriques est bien en deçà de ce que vous attendez d'un véhicule à essence moyen. À moins que vous ne vous trouviez dans une région vraiment isolée et que vous ayez ignoré la jauge de carburant, vous pouvez vous attendre à trouver des possibilités de ravitaillement à une distance convenable. De l'autre côté, il y a l'angoisse de l'autonomie, un obstacle réel et bien documenté à l'adoption des véhicules électriques. L'anxiété liée à l'autonomie est basée sur la peur/l'inquiétude de tomber en panne et de se retrouver bloqué sans possibilité de recharger la batterie.
Dans cette vidéo, l'Associated Press décrit les défis de l'autonomie des véhicules électriques par temps froid. En raison de l'environnement thermique extrême, l'autobus scolaire électrique de la vidéo s'est avéré trop coûteux. La simulation de la gestion de l'énergie peut réduire les coûts, même par temps froid. Siemens travaille avec des équipementiers automobiles et des fournisseurs de batteries dans le monde entier pour améliorer la gestion énergétique et thermique des batteries et des véhicules afin d'améliorer l'autonomie et le confort des passagers tout en réduisant le coût global.
Confort thermique dans les véhicules électriques
L'autonomie des véhicules électriques est affectée par divers facteurs, notamment la topologie. Elle est également influencée par notre désir fondamental d'être aussi confortable que possible, en particulier lorsque nous conduisons.
Les défis du système HVAC d'un véhicule électrique par rapport à un véhicule à moteur à combustion interne
L'autonomie des véhicules électriques est considérablement influencée par un défi que les ingénieurs des véhicules électriques tentent résolument de résoudre : le confort thermique de l'habitacle. Les défis liés au chauffage, à la ventilation et à la climatisation (HVAC), qui consistent à s'assurer que les habitacles des véhicules sont confortablement chaudes ou fraîches, sont totalement différents pour les concepteurs de véhicules électriques par rapport à leurs homologues à moteur à combustion interne. Les différences sont notables :
1. Les conditions météorologiques extrêmes affectent les batteries des véhicules électriques
Les réactions chimiques et physiques dans les batteries des véhicules électriques sont affectées par la température. Le taux de réactions chimiques augmente à mesure que les températures augmentent. Plus la température est élevée, plus les réactions sont rapides et la quantité d'énergie produite importante. À mesure que le thermomètre baisse, les réactions physiques et chimiques dans la batterie du véhicule électrique ralentissent, ce qui réduit sa puissance. Les jours de grand froid, la batterie puise pour chauffer l'intérieur, dépassant l'énergie nécessaire pour déplacer l'autobus le long de son parcours.
2. Le moteur à combustion interne crée naturellement beaucoup de chaleur
En été, la chaleur produite par les moteurs à combustion interne est gaspillée. En hiver, elle est facilement transformée en confort pour l'habitacle.
3. Les véhicules électriques créent peu de chaleur utilisable
La petite quantité de chaleur générée par les moteurs de véhicules électriques est généralement utilisée pour chauffer la batterie. Il n'y a pas d'énergie supplémentaire pour le chauffage de l'habitacle.
4. Le chauffage des véhicules électriques nécessite beaucoup plus d'énergie que la climatisation
L'énergie consommée par la batterie pour chauffer l'habitacle d'un véhicule électrique est beaucoup plus importante que l'énergie nécessaire pour le refroidir.
5. Le confort de l'habitacle des véhicules électriques est un exercice d'équilibre
Le développement d'un système HVAC économe en énergie pour un véhicule électrique est un défi d'ingénierie qui doit trouver un équilibre entre plusieurs compromis souvent contradictoires.
Des systèmes HVAC économes en énergie dans toutes les conditions de conduite
Heureusement pour la plupart d'entre nous, nous ne vivons pas dans la dure réalité des hivers de septembre à avril. Nous profitons de saisons beaucoup plus chaudes tout au long du calendrier.
Pour les entreprises qui tentent de résoudre le problème du confort de l'habitacle des véhicules électriques et d'améliorer les performances des systèmes HVAC économes en énergie, les récentes avancées dans les capacités de la suite de logiciels de simulation et d'analyse de Siemens méritent d'être étudiées.
Répondre aux questions de conception
Ces outils ont déjà permis de réaliser d'importantes économies de temps et d'argent et de résoudre une multitude de problèmes de conception :
Minimiser la consommation d'énergie du système HVAC
Assurer le confort des passagers et une durée de vie maximale de la batterie nécessite de nombreuses recherches. Ces outils permettent aux ingénieurs de rêver et de concevoir sans limites.
Évaluer les compromis thermiques
Les outils logiciels appropriés réduisent le temps nécessaire pour permettre le développement des contrôles et les compromis de conception. Si l'expression "plus vite que le temps réel" peut sembler quelque peu fantaisiste, c'est pourtant la réalité des ingénieurs qui utilisent aujourd'hui la suite logicielle de Siemens, grâce aux techniques avancées et automatiques de couplage CFD-1D. Si vous n'en faites pas partie, cela vaut la peine d'apprendre à répondre à toutes vos questions de conception et d'analyse tout en réduisant la complexité informatique. Pour plus d'informations, consultez le blog : Maîtrisez l'art du confort de la cabine avec la 3D-CFD dans les simulations de systèmes et le développement de contrôles.
Favoriser l'innovation
L'innovation repose sur l'itération. Les logiciels d'analyse tels que Simcenter STAR-CCM+ et Simcenter Amesim aident les entreprises à progresser en utilisant des tests virtuels pour évaluer le matériel nouveau et innovant capable d'améliorer le confort du conducteur et des passagers et de réduire la consommation d'énergie. Ces zones comprennent des sièges, volants et panneaux de cabine chauffant intégrant un chauffage par rayonnement.
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Si vous souhaitez en savoir plus sur l'impact des logiciels Siemens sur la recherche en matière de systèmes HVAC écoénergétiques, nous vous invitons à regarder notre récent webinaire à la demande : Concevoir des systèmes HVAC économes en énergie pour améliorer le confort thermique des passagers.
