Herkömmliche transiente CFD-Simulationen liefern detaillierte Strömungs- und Temperaturfelder, sind jedoch aufgrund hoher Rechenzeiten für frühe Konzeptphasen ungeeignet. Das MultiLuftzonen-Modell in der Software Theseus-FE der ARRK Engineering GmbH bietet hier einen neuartigen Ansatz, dargestellt in Abb. 1: Es unterteilt das Kabinenvolumen in diskrete Luftzonen und verknüpft diese mit Daten, die dem Modell über eine KI-gestützte Ventilationsmatrix zeitabhängige Luftaustauschgrößen zu Verfügung stellt. Zur Erstellung dieser Matrix werden zunächst die relevanten Betriebszustände in der Kabine identifiziert. Anschließend werden für diese Zustände stationäre CFD-Berechnungen im Umfang von einigen Dutzend bis hin zu wenigen hundert Simulationen durchgeführt. Auf diese Weise bleiben die dominanten physikalischen Mechanismen erhalten, während Wechsel der Belüftungssituation der Kabine ohne erneute CFD-Berechnung simuliert werden können und die Rechenzeiten für die Untersuchungen drastisch sinken.

Das Modell bildet Temperatur, Feuchte und Luftaustausch zwischen Zonen ab und ermöglicht so eine prädiktive Bewertung des thermischen Komforts. Validierungen zeigen Abweichungen von unter 1 K in den meisten Körperregionen der Insassen – eine Genauigkeit, die für Konzeptstudien optimal ist. In schwach belüfteten Zonen, in denen tendenziell größere Inhomogenitäten und Temperaturabweichungen auftreten können, können diese gezielt durch eine feinere Modellierung berücksichtigt werden.

Schnelle Klimastrategie-Entwicklung statt CFD-Marathon

Die Entwicklung effizienter Klimaregelstrategien steht im Spannungsfeld zwischen Komfort, Sicherheitsanforderungen wie der Frontscheibenenteisung und Energiebedarf. In frühen Entwicklungsphasen fehlen jedoch häufig reale Prototypen, während vollgekoppelte CFD/FE-Modelle mehrere Tage bis Wochen Rechenzeit beanspruchen können, wodurch iterative Optimierungen nur eingeschränkt möglich sind.

Das vorgestellte MultiLuftzonen-Modell bietet hier entscheidende Vorteile:

• automatische oder manuelle Zonierung für relevante Bereiche
• CFD-basierte Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion
• KI-gestützte Ventilationsmatrix für wechselnde Betriebszustände
• Kopplung mit einem thermophysiologischen Menschmodell nach Fiala

Dieses Zusammenspiel ermöglicht echtzeitnahe Simulationen des thermischen Innenraumverhaltens bei gleichzeitig hoher physikalischer Validität. Typische Szenarien wie Defrosting, schnelle Aufheizstrategien oder Komfortvergleiche lassen sich innerhalb etwa einer Stunde simulieren – anstelle mehrerer Tage bei herkömmlichen Ansätzen.

Validierung: Hohe Genauigkeit bei drastisch reduzierter Rechenzeit

Ein beispielhafter Defrost-Betriebsfall über 30 Minuten mit dynamischem Verlauf von Luftmenge, -verteilung und -temperatur zeigt die Leistungsfähigkeit des Modells. Zur Validierung wurden ein Kabinen-Mockup mit Klimagerät und 21 Thermoelementen sowie der ARRK Komfort-Dummy eingesetzt. Die zeitlichen Verläufe der Lufttemperaturen an den Messpunkten des Komfort-Dummys (siehe Abb. 2) stimmen in den meisten Körperregionen sehr gut mit den Simulationsergebnissen überein:

• 1 K Abweichung im Kopf- und Oberkörperbereich
• bis 2,8 K Abweichung im Fußraum aufgrund lokaler Inhomogenitäten
• realistische Komfortreaktion des Fiala-Modells für verschiedene Körpersegmente

Das Komfortmodell zeigt eine schnelle thermische Entlastung im Kopfbereich, während Unterkörperregionen verzögert reagieren, wobei die Ergebnisgüte hier aktuell noch optimiert wird. Die Kombination aus MultiLuftzonen-Modell und thermophysiologischer Berechnung ermöglicht eine belastbare Bewertung des Innenraumklimas und der Behaglichkeit. Die hohe Übereinstimmung belegt, dass die physikalische Konsistenz erhalten bleibt, obwohl die Rechenzeiten gegenüber vollgekoppelten CFD/FE-Simulationen um Größenordnungen geringer sind.

Zusammenfassung

Das echtzeitfähige MultiLuftzonen-Klimamodell in Theseus-FE ermöglicht erstmals eine schnelle, physikalisch fundierte Bewertung des Innenraumklimas bereits in frühen Fahrzeugentwicklungsphasen. Durch die Kombination aus zonaler Modellierung, CFD-basierter Parametrisierung, KI-gestützter Ventilationsmatrix und thermophysiologischer Komfortbewertung lassen sich Klimastrategien effizient auslegen, ohne auf reale Prototypen angewiesen zu sein. Die drastische Reduzierung der Rechenzeiten, die hohe Modellgenauigkeit und die Möglichkeit, Varianten schnell zu analysieren, führen zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen. Dadurch steigt nicht nur die Effizienz des Entwicklungsprozesses – Unternehmen gewinnen zugleich eine spürbar höhere Wettbewerbsfähigkeit auf dem internationalen Markt.