快適空間をつくるHVACシステム

異常気象の夏でした。ハワイやシベリアでは山火事、ドイツやイタリアでは雹の嵐、中央ヨーロッパや、トルコ、リビアでは洪水に見舞われました。異常気象の件数は増加しており、世界の隅々に影響を及ぼしています。

世界気象機関 (WMO) によると、2023年の夏は観測史上最も暑い夏でした。2023年の6月から8月までは、地球上の他のどの3か月間よりも大幅に気温が高かった3か月間でした。

気温が40度を超えたとき、涼しく過ごすにはどうしますか。あるいは、凍えるような寒さに襲われたときに、暖かさを保つにはどうしますか。HVACシステムは、快適性の向上に役立つのでしょうか。

EVの台頭

不可逆的な動向として、自動車、トラック、バス、さらには農業用トラクターに搭載されている内燃機関 (ICE) は、バッテリー駆動エンジンとハイブリッド・エンジンのさまざまな組み合わせに置き換えられています。現在は、この移行期の非常に早い段階にあります。それでも、政府の力 (カリフォルニア州が2035年までにガソリンで駆動する乗用車、SUV、小型トラックの新車販売を禁止するなど)、業界、消費者の要求が一つになって、あらゆる輸送手段で主流だったガソリンを終了しようとする取り組みとなっています。帆船が蒸気船に、そして石油を動力源とする船に取って代わられたのと同じように、ガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンが公式に絶滅したと宣言するまで数十年かかることは明らかですが、誰もがEVを運転する日は確実に今世紀中に訪れるでしょう。

EVの市場への受け入れに際して最大の技術的課題の1つが、航続距離の問題です。現在のEV車の航続距離は、平均的なガソリン車で私たちが思い浮かべる距離に遠く及びません。ガソリン車なら、本当に人里離れた地域にいない限り、燃料計を確認してさえいれば、近くに給油所を見つけられるだろうと安心していられます。一方で、EVの航続距離への不安は、根拠のある真の課題であり、EV導入の障害となっています。 航続距離の不安は、充電が切れ、すぐにバッテリーを再充電できない状態で立ち往生することへの恐怖や心配からきています。

このAP通信によるビデオは、寒冷地での電気自動車の航続距離の課題について伝えています。このビデオで取り上げた電動スクールバスは、きわめて温度が低い環境のため、コストが高くなりすぎていました。エネルギー管理のシミュレーションを活用すれば、寒冷地でもコストを削減できます。シーメンスは、世界中の自動車OEMやバッテリー・サプライヤーと協力して、車両エネルギーとバッテリーパックの熱管理を改善し、航続距離と乗員乗客の快適性を向上させながら、全体的なコストを削減しています。

電気自動車の熱的快適性

EVの航続距離は、トポロジーなど、複数の要因から影響を受けます。また、特に運転中は、できるだけ快適でいたいという人間の基本的な欲求にも影響されます。

ICE車と比較した電気自動車におけるHVACの課題

EVの航続距離は、EVエンジニアが固い決意をもって解決しようとしている課題である車室の熱的快適性によって大きく影響を受けます。EV設計では車内を快適に暖かく、または爽やかに涼しくするための空調システム (HVAC) の課題は、ICE設計の場合とまったく異なり、次のような顕著な違いがあります。

1. 異常気象がEVのバッテリーに影響を与える

EVバッテリーの化学的および物理的反応は、温度の影響を受けます。化学反応の速度は、温度が上昇するにつれて増加します。温度が高いほど、反応が速くなり、生成されるエネルギー量も多くなります。温度が下がると、EVバッテリー内の物理的および化学的反応が遅くなり、EVの電力が減少します。極寒の日には、バッテリーが車内の暖房に消費され、バスがルートに沿って走行するのに必要なエネルギーを超えてしまいます。

2. ICEは自然に大量の熱を発生させる

夏には、ICEから発生した熱が無駄になります。冬には、この熱が簡単に車内の快適さに変わります。

3. EVは使用可能な熱 をほとんど発生させない

通常、EVエンジンから発生する微量の熱は、バッテリーを暖めるために使用されます。何もしなくても車内の暖房に使えるエネルギーはありません。

4. EVの暖房は、ACよりもはるかに多くのエネルギーが必要

EVの車室を暖めるために消費されるバッテリーは、冷房に必要なエネルギーよりもはるかに大きくなります。

5. EVのキャビン快適性はバランスが難しい

EV向けにエネルギー効率の高いHVACシステムを開発することは、エンジニアリングで複数の (しばしば相反する) トレードオフのバランスをとるという難題です。

あらゆる運転条件に対応する、エネルギー効率の高いHVACシステム

幸いなことに、私たちのほとんどは、冬が9月から4月まで続くような厳しい環境で生活していません。大多数の人は、年間を通してはるかに暖かい季節を楽しんでいます。

EV車内の快適性という課題を解決し、エネルギー効率の高いHVACシステムの性能を向上させようとしている企業にとって、シーメンスのシミュレーションおよび解析ソフトウェア・スイートの最近の機能の進歩は検討する価値があります。

設計上の問題を解決する

これらのツールは、時間とコストの削減という重要なROIをすでにもたらし、無数の設計上の問題を解決しています。

HVACシステムのエネルギー使用量の最小化

乗客の快適性と最大限のバッテリー寿命を実現するには、多くの調査が必要です。これらのツールにより、エンジニアは制限なく自由に設計できます。

熱のトレードオフ評価

適切なソフトウェア・ツールを使用すると、制御の開発と設計のトレードオフを実現するために必要な時間を短縮できます。「実時間よりも高速」というと、エンジニアリングのファンタジーのように聞こえるかもしれませんが、これが今日のシーメンスのソフトウェア・スイートで、高度な自動CFDを1Dに組込み、連携させる手法を使用しているエンジニアの現実です。まだの方は、計算の複雑さを軽減しながら、設計と解析のすべての質問に答えられる方法があることを、学んでみる価値はあります。詳細については、以下のブログ記事をお読みください: 3D-CFDをシステム・シミュレーションに組込んでキャビン快適性と制御開発を極める

イノベーションの促進

イノベーションの基盤は反復です。Simcenter STAR-CCM+やSimcenter Amesimなどの解析ソフトウェアは、仮想試験を使用して、ドライバーと同乗者の快適性とエネルギー消費を削減できる新しい革新的なハードウェアを評価することで、企業の進歩を支援しています。対象箇所には、ヒーター付きシート、ステアリング・ホイール、輻射ヒーターを設置したキャビンパネルが含まれます。

シーメンスのソフトウェアがエネルギー効率の高いHVACシステムの研究にどのような影響を与えているかについての詳細は、最近公開されたオンデマンド・ウェビナー『乗員の熱快適性を向上させるエネルギー効率の高いHVACシステムを設計』をご覧ください。