Diseño de un sistema de aire acondicionado de baja demanda de energía para autobuses de largo recorrido

Abstract

La transmisión mecánica entre el motor de combustión interna y el compresor del aire acondicionado en vehículos de largo recorrido es responsable de un gran aumento en el consumo de combustible, dificulta el confort de los usuarios, es energéticamente ineficiente y impacta de forma negativa el ambiente. En búsqueda de dar solución a dicha problemática este trabajo explora nuevas alternativas y realiza un diseño de un nuevo sistema de aire acondicionado para buses donde el funcionamiento del compresor y el motor del automóvil sean independientes. El primer paso fue establecer las restricciones de potencia, espacio y peso que podía ofrecer el vehículo, de ahí evaluar las alternativas propuestas y dimensionar el sistema. Este sistema cuenta con un banco de baterías de 28.8 kWh de 12 módulos que alimenta a 3 compresores eléctricos DC de 4.5 kW nominales que a la vez son controlados por un sistema de control ON/OFF en cascada y el sistema es capaz de operar durante 1.5 horas autónomas. Del mismo modo se emplea un motor de imán permanente, donde anteriormente se ubicaba el compresor, que cumpla el papel de generador de corriente para la carga de las baterías. Con este nuevo sistema, se logró reducir el consumo de combustible entre 230 y 280 galones por año y el 12.5% de los costos asociados a la operación del sistema de aire acondicionado del vehículo. Así como también, el nuevo sistema resulta ser aproximadamente 30% más eficiente en cuanto a rendimiento respecto al equipo anterior. Sin embargo, los nuevos equipos empleados tienen altos costos de fabricación y aumentan considerablemente los costos operacionales. De igual forma, el nuevo sistema implementado representa un riesgo al proyecto tanto físico como normativo debido a la implementación de baterías de litio-ion en el vehículo. Y, por último, como aspecto secundario, el A/C diseñado es más amigable con el medio ambiente y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.

The mechanical transmission, belt driven, between the combustion engine and the compressor of the A/C in long-distance buses is responsible for a large increase in fuel consumption, hinders user comfort, is energy inefficient and has a negative impact on the environment. There are still no buses in the region that operate with an electric air conditioning system or any other type of energy that offers advantages over traditional vehicles. In search of a solution to this problem, this work explores some alternatives and designs a new air conditioning system for buses where the operation of the compressor and the car engine are independent. The first step was to establish the power, space and weight restrictions that the vehicle could offer, then evaluate the proposed alternatives and size the system. This system has a 28.8 kWh battery bank of 12 modules that feeds three 4.5 kW DC electric compressors that are controlled by a cascade ON/OFF control system and is capable of operating for 1.5 hours autonomously. In the same way, a permanent magnet motor is used, where the compressor was previously located, to play the role of current generator for charging the batteries. With this newly designed system, fuel consumption was reduced by 230 to 280 gallons per year, as well as 12.5% of the costs associated with running the vehicle's air conditioning system during idling. The new system is also approximately 30% more efficient in terms of air conditioning performace than the previous equipment. However, the new equipment used has high manufacturing costs and significantly increases operational costs. Likewise, the new system implemented represents a physical and regulatory risks to the project due to the implementation of lithium-Ion batteries in the vehicle. And finally, as a secondary benefict, the designed A/C is more environmentally friendly and reduces the GHG into the environment.