Alternative solutions in automotive HVAC systems. Comfort, efficiency and sustainability in car cabin temperature control

The vehicles cabin temperature control is essential to car passengers’ health, performance and thermal comfort, providing appropriate conditions all seasons. Taking into consideration that in a hot weather sunny day, due to the higher solar radiation, it is normal every car cabin to suffer from high rise of the indoor heat, which leads to peak in the surface and interior air temperatures. Controlling the thermal comfort with adjustment in temperature, however, is acknowledged to be a difficult task especially when the cabin is a rapidly changing environment, non-uniform with respect to parameters such as air temperature, air velocity and solar load. The current existing Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) mobile system have a main disadvantage – it is a big consumer of energy. Since it needs to achieve the desired thermal comfort temperature as fast as possible, it directly reflects in fuel consumption in the combustion engine cars, but also affects electric vehicles as it could substantially reduce the vehicle’s mileage range. In both cases this requires more frequent charges of petrol or electric power. Additionally the excessive usage of private vehicles nowadays directly leads to an increase in over-consumption of natural resources, producing more CO¬2 and NOX greenhouse gas emissions. This redirects in increasing the natural imbalance and over-pollution. It could be easily seen that the problem, based on the passengers’ microclimate comfort adjustment, reflects directly into economic and ecological problem, which need to be managed. This thesis paper investigates the possibilities of the existing alternative solutions for assisting or improvement of the mobile air-conditioning system performance in hot weather. The focus of the research is directed to private vehicles, which are more affected from the temperature misbalance in the summer since they are left parked up to several times and hours per day under hot solar radiation. Thus the simultaneous prevention of overheating inside the cabin, necessary in moment of entering of passengers, is much harder to be controlled and managed. In the process is researched variety of design solutions for active and passive influence over interior air temperature and heat reduction of the cabin. Based on multiple comparisons of experimental works and literature surveys, the research is exposing effectively ways of preventing the rise in cabin temperature. The installation of such products in mass production cars as a standard or optional feature will significantly help reducing the overall vehicle compartment needs of energy for acclimatization and therefore extend a combustion engine travel mileage or hybrid/ electric vehicle travel distance per charge, reducing the impact of the heat over the HVAC work. High lightening the opportunities for optimization of vehicle cabin physical characteristics and properties from the further research results will be made conclusions and further suggestions for possible directions for future design of heat-preventing solutions and product improvements in reduction of the usage of the HVAC system and increasing its efficiency/performance.

Il controllo della temperatura della cabina dei veicoli è essenziale per la salute, le prestazioni e il comfort termico dei passeggeri, e l’obiettivo é di offrire condizioni appropriate per tutte le stagioni. In una giornata di sole calda, a causa della maggiore radiazione solare, è normale che ogni cabina dell'auto soffra di un aumento elevato del calore interno, che porta a un picco nella superficie e nelle temperature dell’aria interna. Il controllo del comfort termico con la regolazione della temperature in un autoveicolo, tuttavia, è riconosciuto come un compito difficile, perché è un ambiente in continua variazione, non uniforme rispetto a parametri come la temperatura dell'aria, la velocità dell'aria e il carico solare. l sistemi mobili esistenti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (RVCD) presentano un grande svantaggio sono grandi consumatori di energia. Dal momento é necessario raggiungere la temperatura di comfort termica desiderata il più velocemente possibile, questosi riflette direttamente sul consumo di carburante nelle auto dei motori a combustione, ma colpisce anche i veicoli elettrici in quanto potrebbe ridurre sostanzialmente l’autonomia. In entrambi i casi ciò richiede più frequente rufornichento di benzina o energia elettrica. Inoltre, l'uso eccessivo di veicoli privati oggigiorno conduce direttamente a un aumento del consumo di risorse naturali, producendo più emissioni di gas serra CO2 e NOX. Si puó facilmente vedere come il problema, basato sulla regolazione del comfort microclimatico dei passeggeri, si riflette direttamente nel problema economico ed ecologico, che puó e deve essere gestito. Questa tesi di laurea indaga sulle possibili soluzioni alternative esistenti per l'assistenza o il miglioramento delle prestazioni del sistema di climatizzazione mobile nella stagione calda. Il focus della ricerca è rivolto ai veicoli privati, che sono più colpiti dallo sbilanciamento della temperatura in estate poiché sono lasciati parcheggiati fino a diverse volte e per piú ore al giorno sotto la radiazione solare. Pertanto, la prevenzione del surriscaldamento all'interno della cabina, che si riscontra al momento dell'ingresso dei passeggeri, è molto più difficile da controllare e gestire. Nella ricerca sono state studiate una varietà di soluzioni progettuali per l'influenza attiva e passiva sulla temperatura dell'aria interna e sulla riduzione del calore della cabina. Sulla base di confronti multipli di lavori sperimentali e indagini sulla letteratura, la ricerca sta espone in modo efficace per prevenire l'aumento della temperatura della cabina. L'installazione di tali prodotti in auto di serie contribuirà in modo significativo a ridurre le esigenze complessive di energia per l'acclimatazione del veicolo econtribuendo a prolungare l’autonomia del motore a combustione o la distanza percorsa dai veicoli ibridi / elettrici, riducendo l'impatto di il calore sul lavoro RVCD. L'ottimizzazione delle caratteristiche fisiche e delle proprietà della cabina del veicolo sonoi ulteriori risultati della ricerca da cui saranno tratte conclusioni e ulteriori suggerimenti per la progettazione futura di soluzioni di prevenzione del surriscaldamento dell’abitacolo e miglioramenti del prodotto.