В жаркие летние дни температура внутри пассажирского салона автомобиля может существенно повышаться, особенно, если машина припаркована на открытом воздухе и подвергается непосредственному воздействию солнечных лучей.

Для того, чтобы стабилизировать температуру внутри автомобиля во время движения автомобиля во многих моделях используют системы кондиционирования; тем не менее, обеспечение мощности, достаточной для охлаждения, требует немалых энергозатрат.

Можно сэкономить энергию, и значительно повысить комфорт в пассажирском салоне автомобиля за счет использования новых текстильных композитов, которые обладают уникальными терморегулирующими свойствами. Такие терморегулирующие свойства обеспечиваются применением материала с обратимыми фазами (РСМ), являющегося высокопроизводительным инструментом сохранения тепловой энергии.

Материал с обратимыми фазами (PCM)
Материал с обратимыми фазами (РСМ) обладает способностью менять свое физическое состояние в рамках определенного температурного диапазона. Когда в процессе нагревания достигается температура плавления, происходит фазовый переход из твердого в жидкое состояние. В ходе процесса плавления РСМ поглощает и сохраняет большое количество скрытой теплоты фазового перехода. Температура РСМ и окружающих его объектов остается почти постоянной на протяжении всего процесса. В ходе обратного процесса охлаждения скрытая теплота, которая сохраняется в РСМ, высвобождается в окружающую среду в пределах определенного температурного диапазона, и происходит обратный фазовый переход из жидкого состояния в твердое. В ходе такого процесса кристаллизации температура РСМ и окружающих его предметов остается постоянной. После того, как фазовый переход, завершится, продолжающийся процесс нагревания /охлаждения приводит к дальнейшему повышению /понижению температуры. Способность к такому поглощению или высвобождению большого количества скрытой теплоты без изменения температуры делает РСМ привлекательным для использовании в качестве подходящего средства хранения теплоты.

Для того, чтобы сопоставить количество скрытой теплоты, поглощаемой РСМ в течение реального фазового перехода, с соответствующим количеством физической теплоты, которая обычно поглощается в ходе стандартного процесса нагревания, будет использоваться для сравнения процесс фазового перехода льда в воду. При расплавлении льда происходит поглощение примерно 335 дж. на г. скрытой теплоты. При последующем нагревании воды она поглощает только 4 дж. на г. физической теплоты, в то время как ее температура повышается на  один градус Цельсия. Таким образом, воду необходимо нагревать с примерно 1 °C до примерно 84° C для того, чтобы обеспечить поглощение того же количества тепла, которое поглощается в ходе процесса плавления льда.

Помимо льда (воды) известно более 500 натуральных и синтетических РСМ, таких как парафины и гидраты солей. Эти материалы отличаются друг от друга диапазонами температур фазового перехода и прочими параметрами сохранения скрытой теплоты.

Подходящие места для применения компонентов из РСМ в пассажирском салоне автомобиля

Для того, чтобы определить, где РСМ будут размещаться в пассажирском салоне автомобиля для осуществления теплового контроля внутри автомобиля, было проведено предварительное исследование развития температурного режима в различных местах пассажирского салона. В результате для применения РСМ были выбраны следующие места:
• Потолок салона
• Приборная панель
• Сидения.

Использование PCM для изготовления потолков автомобилей
При изготовлении потолков используются  не воспламеняющийся РСМ из гидрата солей, который, внедряется в полимерную пленку толщиной в один миллиметр.  Был разработан текстильный полимер, в котором пленка из РСМ располагается между декоративным слоем материала, находящимся в нижней части обивки потолка, и промежуточным пенопластовым слоем. PCM начинает поглощать скрытую теплоту, как только температура поднимается выше 30 °C. PCM, интегрированный в обшивку потолка, обладает способностью поглощать скрытую теплоту примерно в 240 кДж. Такая величина поглощения скрытой теплоты новым, содержащим РСМ потолком, равна величине поглощения теплоты обычным потолком, температура которого повышается примерно на сто градусов Цельсия.

В закрытом пассажирском салоне горячий воздух, который накапливается, в основном, за счет воздействия солнечных лучей, перемещается в верхнюю часть, и нагревает потолок. В результате, температура потолка непрерывно повышается. При нанесении PCM на потолок, он поглощает теплоту без дальнейшего повышения температуры до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления РСМ. За счет поглощения скрытой теплоты РСМ существенно замедляется обычное повышение температуры потолка.

Способность РСМ осуществлять терморегулирование позволяет сохранять температуру внутри пассажирского салона на комфортном уровне без необходимости использования подачи энергии извне. Это особенно выгодно, когда машина припаркована на открытом воздухе, и подвергается воздействию прямых солнечных лучей. В течение всего парковочного периода пассажирский салон, в потолке которого использован РСМ, не перегревается. В результате необходима более низкая мощность охлаждения на стадии начала движения, что особенно способствует энергосбережению.

Были произведены расчеты для автомобиля среднего размера с объемом салона примерно 2.5 м³ и площадью потолка примерно 1.5 м². Кроме того, рассматривалась установка для кондиционирования воздуха с приблизительным потоком 250 кг в час и начальной температурой воздуха примерно 9 °C. На основе этих принятых параметров было вычислено энергосбережение примерно 25%. Тепло, накопленное РСМ, может быть выпущено через крышу в окружающую среду во время движения автомобиля или же в результате его охлаждения в ночное время.

Температурные изменения в потолках с РСМ и без него на протяжении периода парковки в 60 минут и в последующие 60 минут, когда автомобиль находится в движении, даны на рисунке 1.

Рисунок 1: Изменение температуры в нижней части потолка

Еще одним дополнительным преимуществом от вновь разработанного потолка с РСМ, является повышение шумопоглощения. На рисунке 2 представлены результаты испытаний, полученные для потолков с применением и без применения пленки, содержащей РСМ. 

Рисунок 2: Шумопоглощение потолка

Использование PCM для изготовления приборных панелей
При использовании РСМ для изготовления приборных панелей, он вводится в полимерную пленку, которая наносится на обратную сторону материала покрытия из PVC. Выбранный не воспламеняющийся РСМ из гидрата соли поглощает скрытую теплоту, если температура повышается более 35 °C. Из-за более высокой потребности в поглощении скрытой теплоты для изготовления приборных панелей используется значительно большее количество РСМ по сравнению с количеством, используемых для изготовления потолков. Применительно к приборным панелям, теплоаккумулирующая способность PCM составляет, в целом, около 600 кДж.

При использовании в приборных панелях РСМ поглощает тепло, которое проникает в пассажирский салон, преимущественно, через ветровое стекло. В ходе поглощения РСМ скрытой теплоты температура приборной панели остается практически постоянной при сравнительно низком уровне. Благодаря тому, что температура приборной панели постоянно очень низкая, панель выпускает меньше тепла в пассажирский салон, что создает повышенную тепловую комфортность, снижает требования к охлаждению пассажирского салона, и, таким образом, дает энергосбережение.

При использовании РСМ для изготовления приборных досок эффект дополнительного энергосбережения оценивается в примерно 15%. За счет использования РСМ в потолке и в приборной панели можно получить общее энергосбережение до 40%. Более того, за счет снижения колебания температуры значительно замедляется процесс старения материала покрытия приборной панели.

Использование PCM для изготовления сидений
При использовании РСМ для изготовления сидений он вводится во фрагменты полимерной пленки, которые располагаются поверх пенопластовой амортизации сидения. Используемый РСМ поглощает скрытую теплоту, если его температура превышает 30 °C. Теплоаккумулирующая способность РСМ для скрытого тепла составляет примерно 100 кДж.

При использовании PCM при изготовлении сидений автомобиля существенно повышается тепловая комфортность, особенно, в жаркие летние дни. РСМ поглощает избыточное тепло, которое накапливается в покрытии сидения, и которое исходит от тела водителя, как только водитель садится на сидение. Тепло отводится от поверхности сидения, а поглощение тепла РСМ, которое создано внутри сидения, позволяет получить мгновенное падение микроклиматической температуры до того момента, когда будет достигнут комфортный уровень, который можно будет поддерживать. На рисунке 3 показано изменение температуры микроклимата для сидений с использованием РСМ и без него.

Рисунок 3: Изменение температуры в микроклимате сидения

За период парковки в 30 минут в начале испытаний покрытие пустого сидения поглощает значительный объем теплоты, что приводит к повышению микроклиматической температуры. Когда водитель садится на сидение, теплота с материала покрытия обычно передается телу водителя, что первоначально приводит к понижению микроклиматической температуры. После этого микроклиматическая температура остается на некомфортно высоком уровне примерно в 38°C. При использовании РСМ внутри сидения теплота, поглощаемая материалом покрытия, переносится на него, как только водитель садится на сидение. Вес тела водителя уплотняет слой покрытия сидения, что приводит к значительному переносу теплоты на РСМ и ее отводу от тела водителя. Перенос теплоты на РСМ влечет за собой существенное падение микроклиматической температуры. После этого микроклиматическая температура остается на комфортном уровне примерно в 33 °C.

За счет удерживания микроклиматической температуры в рамках комфортного диапазона тело водителя меньше потеет, чем обычно в таких обстоятельствах, что повышает комфорт контакта с сидением в целом. Результаты испытаний микроклиматического содержания влаги даны в общем виде на рисунке 4.

Рисунок 4: Коэффициент трения  (в секторе питания шнека)*

Заключение
Исследования показали, что РСМ дает существенные преимущества при использовании в применениях, связанных с управлением теплом в салоне автомобиля. Использование РСМ при изготовлении потолков и инструментальных панелей является адекватным инструментом управления тепловым режимом в салоне автомобиля без необходимости применения внешнего энергоснабжения. За счет использования термоконтролирующей способности РСМ можно уменьшить мощность охлаждения используемого в настоящее время оборудования кондиционирования воздуха, что позволяет существенно снизить энергозатраты.

Кроме того, использование PCM повышает комфортность теплового режима внутри пассажирского салона, и позволяет замедлить процесс старения материала покрытия приборной панели. При использовании для изготовления сидений РСМ существенно повышает комфортность теплового режима, особенно в жаркие летние дни. Пленка с РСМ, используемая в перечисленных компонентах, износостойка, и не требует материально-технического обслуживания, здесь также не требуется внешнего источника энергии.

Б. Поз, Textile Testing & Innovation, LLC.
www.newchemistry.ru