Влияние цвета окраски кабин на нагрузку системы климат-контроля в период отдыха водителей дальнемагистральных грузовиков

Кондиционирование кабины водителя грузовика со спальным местом является одной из основных причин работы главного двигателя дальнемагистрального грузовика во время отдыха водителя. На холостом ходу (т.е. в условиях работы с нулевой эффективностью перевозки) эти грузовики в США потребляют примерно 6,8% всего топлива.

Большая часть холостого хода проводится для обеспечения контроля за климатом в кабине. Для снижения этих затрат Национальная лаборатория по возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL) исследовала оболочку кабины грузовика, защищающую от солнечных лучей, токопроводящие пути и управление объёмом кондиционированного воздуха в кабине.

Для этого году NREL заключила партнёрские отношения с автокомпаниями Volvo Trucks, PPG Industries и Dometic Environmental Corporation, чтобы исследовать влияние цвета окраски кабины на нагрузку системы климат-контроля на дальнобойных грузовиках.

Учитывая колебания цен на дизельное топливо, холостой ход составляет одну из самых больших статей затрат на перевозки в расчёте на милю и равен 35% общего объёма затрат. Следовательно, стоимость затрат и изменчивость цен на топливо обеспечивает значительный финансовый стимул для сокращения расхода топлива. Недавние федеральные законы, правовые нормы штатов и городов, нацеленные на ограничение холостого хода автомобилей, дают дополнительные стимулы для снижения таких затрат. Одним из примеров является кредит (зачёт затрат) на применение технологий по уменьшению холостого хода в ужесточённых стандартах на выбросы парниковых газов, применяемые с 2014 года. Благодаря новым технологиям экономия топлива обеспечивает период окупаемости затрат от одного до трёх лет, соответственно владельцы автопарков будут экономически мотивированы на внедрение новых технологий.

Таким образом, финансовый стимул способствует быстрому принятию эффективных решений по снижению тепловой нагрузки и холостого хода.

Чтобы уменьшить тепловые и возникающие в результате холостые нагрузки у дальнемагистральных грузовиков, в качестве основных областей для потенциальных технологий (снижения холостого хода) NREL выделила управление объёмом воздуха кабины, токопроводящие пути и оболочку, нагреваемую солнцем. Предыдущее исследование, опубликованное нашей группой, было посвящено влиянию пакетов изоляции на холостые нагрузки по охлаждению нагрева кабин.

Ранее Rugh et al. показали возможность теоретического снижения максимальной температуры воздуха в кабине на 28% путём нанесения алюминиевой фольги на внешние непрозрачные поверхности. Levinson et al. доказали снижение температуры воздуха в салоне на 4-6 градуса на машине серебристого цвета по сравнению с машиной чёрного цвета.

Более высокое соотношение непрозрачной и остеклённой поверхности длинномерных спальных кабин по сравнению с лёгкими транспортными средствами предполагает потенциально более высокую зависимость тепловых нагрузок от обработки непрозрачной поверхности.

Первые эксперименты по контрольному наблюдению с использованием инструмента быстрой оценки нагрузки HVAC (ОВК - отопление, вентиляция и кондиционирование) от CoolCaIc показали многообещающее снижение нагрузки по кондиционированию воздуха благодаря выбору цвета окраски кабины.

Испытания, проведённые на Средстве тестирования и интеграции транспортных средств NREL с использованием макетов секций кабины дальнемагистральных грузовиков показали возможность максимального снижения температуры воздуха внутри кабины на 31,1% и снижения суточного потребления электроэнергии в системах кондиционирования на 20,8% путём последовательного изменения окраски кабин от чёрного до белого цвета. Экономия электроэнергии соответствует уменьшению ёмкости батареи кондиционера на 16,7% и снижению веса на 22 кг (48 фунтов) по сравнению со стандартной батареей.

Кроме того, переход от синей окраски к усовершенствованной синей окраске, отражающей солнечные лучи, позволили снизить ежедневное потребление энергии для кондиционирования воздуха в погодных условиях, испытанных в Голден, штат Колорадо, на 7,3%.

Результаты моделирования на национальном уровне с использованием данных о погоде в крупных городах США показали, что увеличение тепловых нагрузок при использовании более светлых цветов краски намного меньше, чем снижение нагрузок на охлаждение. Это уменьшение потребления ежедневной электрической энергии эквивалентно уменьшению ёмкости батареи на 9,4% и массы батареи на 12,4 кг (27,3 фунта).

Выбор белой краски на новом транспортном средстве не добавляет затрат и немедленно окупится. Когда выбор цвета окраски кабины имеет решающее значение для узнаваемости бренда автокомпании и в эстетических целях, снижение нагрузки достигается за счёт использования улучшенных красок, отражающих солнечные лучи. 

Была разработана и подтверждена математическая модель CoolCalc для кабины грузовиков Volvo, которая показала хорошее совпадение с данными испытаний. За 3 дня проверки максимальная разница между экспериментальной и модельной средней температурой воздуха для спального места в часы максимальной солнечной нагрузки (с 11:00 до 13:00 по Гринвичу) составила 0,89 0 C. Также модель хорошо предсказывала влияние цветов краски, согласуясь, как с тенденциями, так и с максимально возможным снижением температуры окружающей среды. Затем эта модель была использована для проведения национального исследования воздействия окраски с использованием данных о погоде для 144 крупных городов США. Было подтверждено, что краски с более высокой отражательной способностью к солнечным лучам значительно снижают тепловые нагрузки в условиях охлаждения и практически не оказывают вредного воздействия на тепловые нагрузки, что демонстрируют возможность снижения работы кондиционера за счёт выбора цвета окраски.

Работая в тесном сотрудничестве с отраслевыми партнёрами, NREL применила экспериментальные и моделирующие инструменты, чтобы показать, как систематическое сочетание технологий управления температурным режимом транспортного средства и снижения оборотов холостого хода может снизить нагрузку систем климат-контроля, необходимую для длительных периодов простоя грузового автомобиля. 

Результаты и методы, разработанные для этого опыта, будут использованы для проведения более детального исследования воздействия на национальном уровне. Этот эксперимент будет применён для понимания и разработки эффективных подходов по снижению полной тепловой нагрузки для транспортного средства, которые сочетают в себе решения для защитной оболочки от солнечных лучей, токопроводящих путей и управления объёмом кондиционированного воздуха, чтобы снизить нагрузку ОВК и, как следствие, уменьшить объёмы использованного топлива, соответственно, срок окупаемости затрат на эти цели и повысить экономическую мотивацию владельцев парка и операторов.