Nutzerzentrierter Ansatz zur Klimatisierung von Fahrzeuginnenräumen

Hirn, Thomas; Müller, Dirk; Eckstein, Lutz

doi:10.18154/RWTH-2025-06917

Nutzerzentrierter Ansatz zur Klimatisierung von Fahrzeuginnenräumen = User-centered approach to vehicle cabin climatization

Hirn, Thomas^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Hirn

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheSchriftenreihe Automobiltechnik

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06917
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1016418/files/1016418.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Kraftfahrzeuge (ika) (414110)

Projekte

GRK 1856 - GRK 1856: Integrierte Energieversorgungsmodule für straßengebundene Elektromobilität (210731724) (210731724)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Effizienz (frei) ; Klimatisierung (frei) ; Pkw (frei) ; Thermomanagement (frei) ; climatization (frei) ; nutzerzentriert (frei) ; user-centered (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenwärtig lassen sich bei Fahrzeugen und insbesondere Personenkraftwagen (Pkw) zwei große technische Umbrüche erkennen. Erstens kommen alternative Antriebe verbreitet zum Einsatz. Dies verändert das Energie- und besonders das Wärmeangebot im Fahrzeug. Zweitens werden große Fortschritte im automatisierten Fahren erzielt, sodass perspektivisch gänzlich neue Fahrzeugkonzepte möglich werden. Die bisherige Umsetzung der Fahrzeugklimatisierung ist mit diesen beiden Entwicklungen zunehmend inkompatibel. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Klimatisierung zukünftiger Fahrzeuginnenräume, und insbesondere Pkw-Innenräume, erarbeitet. Dazu wird ein iterativer, nutzerzentrierter Entwicklungszyklus mit fünf methodischen Schritten vorgestellt, welcher die Klimatisierungsentwicklung an den Fahrzeugnutzern und ihren Bedürfnissen ausrichtet. Erstens werden zukünftige Nutzer der Fahrzeugklimatisierung identifiziert. Zweitens werden im Nutzerkontext konkrete Nutzer mit ihren Zielen, Aufgaben und klimatisierungsspezifischen Anforderungen beschrieben. Drittens setzt sich die Nutzungsanalyse intensiv mit der Beziehung Mensch - Fahrzeug - Umwelt auseinander und analysiert die sich daraus ergebenden Klimatisierungsbedürfnisse unter Berücksichtigung der fahrzeugseitigen Ressourcen. Mit diesen Ergebnissen erfolgt viertens die technische Gestaltung der Klimatisierung. Fünftens wird die erarbeitete Gestaltungslösung anhand der zuvor ermittelten Anforderungen evaluiert. Die vorgeschlagene Methode wird beispielhaft für ein Forschungsfahrzeug und vier repräsentative Nutzer angewandt. Als Gestaltungsvorschlag wird eine körpernahe Klimatisierungslösung erarbeitet, die unter anderem konvektiv gekühlte und geheizte Sitzflächen, einen luftdurchströmten Sicherheitsgurt sowie Strahlungsheizflächen im Fußraum vorsieht. Zur Erfüllung der lokalen Klimatisierungsanforderungen werden dezentrale Klimamodule auf Basis thermoelektrischer Wärmepumpen vorgeschlagen und ausgelegt. Diese Gestaltungslösung stellt eine mögliche Ausprägung zukünftiger Fahrzeugklimatisierungen dar und wird für die weitere Untersuchung prototypisch umgesetzt. Die erarbeitete nutzernahe Klimatisierungslösung wird anhand von neun identifizierten Anforderungskategorien (thermischer Komfort, Sicherheit, Kosten, Luftqualität, Akustik, Nutzerinteraktion, Umweltfreundlichkeit, Fahrzeugintegration, Energie) bewertet. Hier übertrifft die neue Gestaltungslösung bereits in einer prototypischen Umsetzung den Stand der Technik. Dabei ist besonders der energetische Aspekt hervorzuheben: In den untersuchten Fällen wird der elektrische Energiebedarf mit der neuen Klimatisierungslösung um 58% bis über 90% verringert. Auch in weiteren funktionalen Anforderungskategorien, unter anderem Luftqualität, Akustik und Interaktion, bietet das neue Klimatisierungssystem Vorteile. Das verbleibende Kostenoptimierungspotenzial sowie zu erwartende physikalische Fortschritte im Gebiet der Thermoelektrik machen die neue Gestaltungslösung perspektivisch erfolgversprechend. Im Ergebnis trägt diese Arbeit dazu bei, nutzergerechte und für zukünftige Fahrzeugkonzepte geeignete Klimatisierungslösungen anbieten zu können.

The field of vehicle engineering, and in particular automotive engineering, currently faces two major transformations. Firstly, alternative propulsion is being widely adopted. This fundamentally changes the energy supply (electricity, heat) within the vehicle. Secondly, automated driving makes significant advancements. This will soon allow for entirely new vehicle concepts. Available vehicle climatization systems are becoming increasingly incompatible with these two developments. This work presents a new approach to vehicle cabin climatization, especially for future automotive interiors. An iterative, user-centered development method aligns the development of climatization systems with vehicle users and their needs. In a first step, users are identified. Secondly, within the user context, specific users and their goals, tasks and requirements are described. Thirdly, the interdependence between humans, vehicles and the environment is investigated. Thereby, concrete climatization demands as well as vehicle resources available for the climatization are derived. Based on these results, as a fourth step the novel climatization system is developed. The fifth step evaluates the new design against the previously identified requirements. The proposed development method is applied to a research vehicle and four representative users. The derived technical solution consists of a climatization system located close to the users. It comprises components such as an active seat air-conditioning, a heated and cooled safety belt and radiant heating surfaces in the footwell. To locally heat and cool the users, decentralized climate modules based on thermoelectric heat pumps are implemented. This novel design represents a potential form of future vehicle cabin climatization. It is prototypically implemented into the research vehicle. The new, user-centered climatization system is evaluated with regard to nine requirement categories: thermal comfort, safety, cost, air quality, acoustics, user interaction, environmental impact, vehicle integration and energy. The prototypical implementation of the new design slightly outperforms state-of-the-art air conditioning. Most noteworthy is the energy aspect: in the experiments the novel cabin climate control system decreased the electrical energy demand by 58% to 90%. The new climatization system also offers benefits in other functional aspects, including air quality, acoustics and usability. Challenges include the cost, size and mass of the prototypical design. The potential for cost optimization as well as expected advances in thermoelectricity make the novel climatization system a promising concept. Overall, this work contributes to user-centered climatization solutions for tomorrow’s vehicle concepts.

OpenAccess:
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