Разработка имитационной модели процесса отопления в пассажирском салоне транспортного средства в условиях низких температур

Введение. Отличительной особенностью условий труда на арктических территориях является продолжительный период воздействия низких температур. Пассажирские перевозки автомобильным транспортом становятся одним из ключевых аспектов обеспечения непрерывности производственного процесса. Задачу доставки работающих к месту производства работ, перемещения их между рабочими зонами в течение рабочей смены решают применением колесных транспортных средств различных категорий. Одним из наиболее широко распространенных типов колесных транспортных средств, используемых для транспортирования работающих, являются колесные транспортных средств категории М3 вместимостью не более 22 пассажиров. Обеспечение теплового комфорта пассажиров транспортных средств представляется актуальным, т.к. обеспечение биофизической совместимости минимизирует риски получения работающими холодовых травм и сохраняет высокий уровень работоспособности.
Материалы и методы. Представлены результаты анализа российских и зарубежных исследований в направлении обеспечения теплового комфорта и биофизической совместимости в замкнутых объемах. Приведены результаты компьютерного моделирования динамики параметров микроклимата в пассажирском салоне колесного транспортного средства категории М3 вместимостью не более 22 пассажиров.
Результаты. В работе представлены результаты теоретических исследований, параметров микро- климата в пассажирском салоне транспортных средств с учетом дыхания пассажиров и изменения газового состава выдыхаемого воздуха. Были проведены теоретические исследования работы системы отопления пассажирского салона с учетом уточненной модели дыхания пассажиров. Получены распределения параметров микроклимата в сечении пассажирского салона при использовании системы отопления с одним отопителем, произведена оценка влияния дыхания пассажиров на параметры микроклимата в пассажирском салоне.
Обсуждение и заключение. На основе численного решения системы уравнений теплообмена сформулированы направления дальнейших исследований и рекомендации, позволяющие обеспечить тепловой комфорт в пассажирском салоне колесного транспортного средства в условиях пониженных температур. Материалы работы могут представлять интерес для специалистов, занимающихся проектированием и эргономикой колесных транспортных средств, охраной труда.

1. Берестнева О.Г., Жаркова О.С., Шевелев Г.Е., Уразаев А.М. Методика анализа адаптационных процессов при вахтовом режиме труда рабочих-нефтяников // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 4. 212 с.

2. Cui, Weilin& Cao, Guoguang& Park, Jung & Ouyang, Qin & Zhu, Yingxin. (2013). Influence of indoor air temperature on human thermal comfort, motivation and performance.Building and Environment. 68. 114-122. 10.1016/j.buildenv.2013.06.012.

3. Croitoru, C., et al. Numerical and experimental modeling of airflow and heat transfer of a human body. inRoomvent 2011. 2011. Trondheim, Norway

4. Aliahmadipour, Mohammad &Abdolzadeh, Morteza&Lari, Khosro. (2017). Air flow simulation of HVAC system in compartment of a passenger coach.Applied Thermal Engineering.123. 10.1016/j.applthermaleng.2017.05.086.

5. Bosbach, Johannes & Lange, Sven &Dehne, Tobias &Lauenroth, Gerrit&Hesselbach, Florian &Allzeit, Michael. (2013). Alternative Ventilation Concepts for Aircraft Cabins.CEAS Aeronautical Journal. 4. 301–313. 10.1007/s13272-013-0074-z..

6. Canbolat, Ahmet &Türkan, Burak&Etemoglu, A. & Can, M..(2016). Numerical investigation into thermal comfort conditions in a midibus.The Journal of MacroTrends in Applied Science. 4. 13-23

7. Ivanescu, M.; Neacsu, C. A.; Tabacu, I. Studies of the Thermal Comfort Inside of the Passenger Compartment Using the Numerical Simulation. In: International Congress Motor Vehicles & Motors 2010, Kragujevac, Out. 7-9. 2010

8. Aleshkov, Denis &Banket, Mikhail &Sukovin, Mikhail &Pogulyaeva, Irina &Yanchij, Svetlana. (2020). Theoretical studies of the heating system in the vehicle compartment during passenger transportation taking into account breathing under conditions of low temperatures. Journal of Applied Engineering Science. 18. 346-354. 10.5937/jaes18-27264.

9. Mao, Yiyi& Wang, Ji & Li, Jun-Ming. (2018). Experimental and numerical study of air flow and temperature variations in an electric vehicle cabin during cooling and heating.Applied Thermal Engineering.137. 10.1016/j.applthermaleng.2018.03.099.

10. Zhang, Huajun& Dai, Lan & Xu, Guoquan& Li, Yong & Chen, Wei & Tao, Wen-Quan. (2009). Studies of air-flow and temperature fields inside a passenger compartment for improving thermal comfort and saving energy. Part I: Test/numerical model and validation. Applied Thermal Engineering. 29. 2022-2027. 0.1016/j.applthermaleng.2008.10.005.

11. Ünal, Şaban. (2017). An Experimental Study on a Bus Air Conditioner to Determine its Conformity to Design and Comfort Conditions.Journal of Thermal Engineering. 3. 1089-1101. 10.18186/thermal.277288.

12. Zhou, Xiaojie& Lai, Dayi & Chen, Qingyan. (2018). Experimental investigation of thermal comfort in a passenger car under driving conditions.Building and Environment.149. 10.1016/j.buildenv.2018.12.022.

13. Paul Alexandru, Danca&Nastase, Ilinca& Bode, Florin &Croitoru, Cristiana & Angel, Dogeanu&Meslem, Amina. (2019). Evaluation of the thermal comfort for its occupants inside a vehicle during summer. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 595. 012027. 10.1088/1757-899X/595/1/012027.

14. Khaiwal, Ravindra& Agarwal, Neha &Mor, Suman. (2020). Assessment of thermal comfort parameters in various car models and mitigation strategies for extreme heat-health risks in the tropical climate.Journal of Environmental Management. 267.110655. 10.1016/j.jenvman.2020.110655.

15. He, Yansong& Yang, Jie& Ling, Jing& Du, Yafei& Zhang, Zhifei. (2020). Predictive modeling for overall thermal sensation of vehicle occupants based on local thermal sensation when warming up. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 095440702090256.10.1177/0954407020902564.

16. Lange, Pascal & Schmeling, Daniel &Hoermann, Hans & Volkmann, André. (2019). Comparison of local equivalent temperatures and subjective thermal comfort ratings with regard to passenger comfort in a train compartment. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 609. 032042. 10.1088/1757-899X/609/3/032042.

17. Foda, Ehab&Almesri, Issa&Awbi, H.B &Sirén, Kai. (2011). Models of human thermoregulation and the prediction of local and overall thermal sensations. Building and Environment. 46. 2023-2032. 10.1016/j.buildenv.2011.04.010.

18. A model of human physiology and comfort for assessing complex thermal environments Charlie Huizenga Zhang Hui, Edward Arens Building and Environment 36 (2001) 691–699

19. Foda E, Sirén K (2011) A new approach using the pierce two-node model for different body parts. Int J Biometeorol 55:519–532.

20. Alahmer, Ali &Abdelhamid, Mahmoud & Omar, Mohammed. (2012). Design for thermal sensation and comfort states in vehicles cabins. Applied Thermal Engineering. 36. 126–140. 10.1016/j.applthermaleng.2011.11.056.

21. Paul Alexandru, Danca&Vartires, Andreea& Angel, Dogeanu. (2016). An Overview of Current Methods for Thermal Comfort Assessment in Vehicle Cabin. Energy Procedia. 85. 162-169. 10.1016/j.egypro.2015.12.322.

22. Yang, C.-J.; Yang, T.-C.; Chen, P.-T.; Huang, K.D. An Innovative Design of Regional Air Conditioning to Increase Automobile Cabin Energy Efficiency. Energies 2019, 12, 2352.

23. Croitoru C., Nastase I., Bode F., Meslem A., Dogeanu A., Thermal comfort models for indoor spaces and vehicles—Current capabilities and future perspectives, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 44 (2015) 304-318.

24. Paul Alexandru, Danca& Bode, Florin &Nastase, Ilinca&Meslem, Amina. (2018). CFD simulation of a cabin thermal environment with and without human body – thermal comfort evaluation.E3S Web of Conferences. 32. 01018. 10.1051/e3sconf/20183201018.

25. Kristanto, D.; Leephakpreeda, T. Sensitivity analysis of energy conversion for effective energy consumption, thermal comfort, and air quality within car cabin. Energy Procedia 2017, 138, 552–557.

26. Khatoon, Saboora& Kim, Man Hoe. (2020). Thermal Comfort in the Passenger Compartment Using a 3-D Numerical Analysis and Comparison with Fanger’s Comfort Models. Energies. 13. 690. 10.3390/en13030690.

27. Garrett J. Marshall, Colin P. Mahony, Matthew J. Rhodes, Steve R. Daniewicz, Scott M. Thompson Thermal Management of Vehicle Cabins, External Surfaces, and Onboard Electronics: An Overview EngineeringVolume 5, Issue 5October 2019Pages 954-969

28. Chen, Q. Comparison of different k-ε models for indoor air flow computations. Numer.HeatTransf.Part B Fundam. 1995, 28, 353–369.

29. ANSYS/FLUENT User’s Manual, Release Version 14.5, 2012, Ansys Inc. Available online: https://www.ansys.com (accessed on 16 April 2019).

30. Simion, M.; Socaciu, L.; Unguresan, P. Factors which influence the thermal comfort inside of vehicles. Energy Procedia 2016, 85, 472–480. Mao, Y.; Wang, J.; Li, J. Experimental and numerical study of air flow and temperature variations in an electric vehicle cabin during cooling and heating. Appl. Therm. Eng. 2018, 137, 356–367.

31. Almeida, Matheus & Paula Xavier, Antonio &Michaloski, Ariel & Luiz Soares, André. (2020). Thermal Comfort in Bus Cabins: A Review of Parameters and Numerical Investigation. 10.1007/978-3-030-41486-3_54.

32. H. Jung. Modeling CO2 Concentrations in Vehicle Cabin.SAEInt.pp. 1–6. 2013.

33. Bivolarova, Mariya&Kierat, Wojciech&Zavrl, Eva &Zbigniew, Popiolek&Melikov, Arsen. (2017). Effect of airflow interaction in the breathing zone on exposure to bio-effluents.Building and Environment.125. 10.1016/j.buildenv.2017.08.043.

34. Vianello, Alvise& Jensen, Rasmus& Liu, Li &Vollertsen, Jes. (2019). Simulating human exposure to indoor airborne microplastics using a Breathing Thermal Manikin. Scientific Reports. 9. 8670. 10.1038/s41598-019-45054-w.

35. Garrett J.MarshallColinP. MahonyMatthewJ. RhodesSteveR. DaniewiczNicholasTsolasScottM. Thompson (2019) Thermal Management of Vehicle Cabins, External Surfaces, and Onboard Electronics: An Overview. Engineering. Volume 5, Issue 5, October 2019, Pages 954-969

36. Трусов П.В., Зайцева Н.В., Цинкер М.Ю., Бабушкина А.В. Моделирование течения запыленного воздуха в респираторном тракте // Российский журнал биомеханики. 2018. Т. 22. № 3. С. 301–314.

37. Rim, Donghyun&Novoselac, Atila. (2009). Transport of particulate and gaseous pollutants in the vicinity of a human body.Building and Environment.44. 1840-1849. 10.1016/j.buildenv.2008.12.009.

38. Потехина Ю.П., Голованова М.В. Причины изменения локальной температуры тела // Медицинский альманах. 2010. № 2 (11). С. 297–298.

39. Бендерский Б.Я., Петров Р.А. Исследование пространственных процессов отопления салона автобуса // Грузовик. 2017. № 6. С. 3–8.

40. Никифорова О.Ю., Пономарев Ю.Н., Карапузиков А.И. Учет влажности пробы выдыхаемого воздуха при детектировании газов-биомаркеров // Оптика атмосферы и океана, 2013.№4(26). С.336–341.

41. Федорова Э.Р. CFD-моделирование сгустителя красных шламов // Международный научно-исследовательский журнал. .2016. №12(54). С.194–200.

42. Купцов А.И. Экологический мониторинг. CFD-технологии. UDF-функции // Вестник технологического университета. 2015. №20(18). С.203–206.

43. Трусов П.В., Зайцева Н.В., Цинкер М.Ю., Бабушкина А.В. Моделирование течения запыленного воздуха в респираторном тракте // Российский журнал биомеханики. №3(22). 2015. С.301–314.