Thermo-physical modeling and analysis of energy-efficient cabin heating solutions for EVs in winter conditions

Zeolite13X has the property of adsorbing the water content of humid air releasing adsorption heat, this capacity makes it suitable for thermal energy storage uses (TES). The implementation of the TES technology in the heating system of electric vehicles (EV) is promising for their climatization in winter periods. It provides additional heat to the air flow, contemporary keeping the humidity in the cabin under control without recurring to ventilation. The purpose of this work is the development of a thermo-physical model able to evaluate the cabin’s air temperature and quality over time, as well as it’s HVAC unit, both with and without the TES technology, in order to evaluate the energy consumption required to obtain the above-mentioned quality. The model was then validated by replicating experimental analysis on the cabin’s temperature data found in literature. The heating system performances have been evaluated in different operative conditions to verify their consistency with the literature. The TES technology is currently under study by Politecnico di Milano, which provided the experimental data used for the validation of its model integration in the cabin. In a final phase, the model was utilized to have a first comparison between the two plant engineering solutions under different environmental conditions. Results have shown that the implementation of the TES technology in the heating system allows for a 60 to 80% reduction in energy consumption linked to climatization, therefore extending the EV driving range. This is achieved mainly by reducing the ventilation load.

La zeolite 13X ha la proprietà di adsorbire il contenuto di acqua dell'aria umida rilasciando calore di adsorbimento; questa capacità la rende adatta per applicazioni di accumulo di energia termica (TES). L'implementazione della tecnologia TES nel sistema di riscaldamento dei veicoli elettrici (EV) è promettente per la climatizzazione durante i periodi invernali. Essa fornisce calore aggiuntivo al flusso d'aria, mantenendo contemporaneamente sotto controllo l'umidità nell'abitacolo senza ricorrere alla ventilazione. Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo di un modello termofisico in grado di valutare la temperatura e la qualità dell'aria nell'abitacolo nel tempo, così come l'unità HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria), sia con che senza la tecnologia TES, al fine di valutare il consumo energetico necessario per ottenere la suddetta qualità. Il modello è stato poi validato replicando l'analisi sperimentale sui dati di temperatura dell'abitacolo trovati in letteratura. Le prestazioni del sistema di riscaldamento sono state valutate in diverse condizioni operative per verificarne la coerenza con la letteratura. La tecnologia TES è attualmente in fase di studio presso il Politecnico di Milano, che ha fornito i dati sperimentali utilizzati per la validazione dell'integrazione del modello nell'abitacolo. Nella fase finale, il modello è stato utilizzato per effettuare un primo confronto tra le due soluzioni impiantistiche in diverse condizioni ambientali. I risultati hanno mostrato che l'implementazione della tecnologia TES nel sistema di riscaldamento consente una riduzione del 60-80% del consumo energetico legato alla climatizzazione, estendendo così l'autonomia di guida del veicolo elettrico. Questo risultato è ottenuto principalmente riducendo il carico di ventilazione.