Ventilation strategies for improving the indoor environment quality in vehicles

La prédiction des conditions thermiques confortables à l'intérieur d'une cabine de véhicule reste un défi en raison du comportement transitoire de cet environnement. Le développement des modèles d'écoulement reste toujours une préoccupation pour les chercheurs en raison de la géométrie complexe de la cabine et de la complexité du système de ventilation (débit, emplacement et géométrie des diffuseurs d'air). Le confort thermique a été largement étudié dans le bâtiment, alors que le confort thermique dans les véhicules est un sujet relativement nouveau, avec peu d'études qui y sont dédiées. La norme actuellement disponible destinée à l'évaluation de l'environnement thermique du véhicule, EN ISO 14505, propose des modèles d'évaluation des bâtiments, qui ne répondent pas aux exigences de l'évaluation de l'environnement cabine. Contrairement à l'environnement intérieur des bâtiments, le climat de la cabine de véhicule est dominé par des conditions transitoires thermiques: environnement thermique fortement non uniforme associé aux vitesses élevées de l'air localisé, des niveaux plus élevés d'humidité relative, le flux de chaleur solaire et le flux de chaleur radiatif des surfaces intérieures, l'intensité solaire et sa diffusion sur les différents types de matériaux et niches de surface de la cabine, les angles d'incidence du rayonnement solaire, etc. En l'absence de modèles d'évaluation adaptés à cet environnement, la littérature disponible est dispersée autour des articles traitant des conditions environnementales dans le véhicule susceptible d'affecter le confort thermique de l'homme ainsi que de celles concernant la réaction de l'homme et la perception de son interaction avec l'environnement. Dans ce contexte, nous avons décidé d'orienter le sujet de la thèse autour de la problématique complexe de l'environnement thermique de la cabine et de ses effets sur l'état thermique du conducteur et du passager. Le manuscrit présente des études numériques et expérimentales des effets de différentes grilles passives sur le confort thermique des passagers. Ainsi, les objectifs généraux du projet de recherche doctorale pourraient être résumés comme suit: approfondir les connaissances et comprendre les phénomènes thermiques qui se produisent dans l'environnement thermique de la cabine; développer un mannequin thermique avancé capable d'évaluer le confort thermique de la cabine; développer et valider un modèle numérique complexe afin de mieux comprendre les phénomènes complexes précédemment évoqués. Ces trois objectifs généraux visaient à soutenir l'objectif principal de la recherche doctorale, à savoir: l'amélioration de la sensation thermique des occupants du véhicule, par la mise en œuvre de diffuseurs d'air innovants. À cette fin, nous avons orienté nos recherches vers des diffuseurs à géométrie spéciale permettant des mécanismes de contrôle du débit et permettant d'améliorer le mélange entre l'alimentation en air par le système de ventilation et l'air ambiant dans la cabine. Au cours de la quête complexe, nous pourrions avoir l'opportunité de nous familiariser avec les phénomènes thermiques, afin d'analyser le rôle réel joué par les paramètres d'environnement transitoires, dans la perception du confort thermique et dans son estimation. Pendant toute cette quête, nous avons essayé de rester sur une ligne qui permettrait finalement de répondre à un ensemble de questions fondamentales, à savoir: dans quelle mesure ce type de paramètres peut affecter la perception du confort, ainsi que les conséquences d'une évaluation "incomplète" proposée par les modèles existants ? Dans ce contexte, comment la conception de la ventilation et de la climatisation est-elle affectée par l'utilisation des modèles actuels pour pré-évaluer le bon fonctionnement des systèmes CVC - en particulier pour les véhicules – et un environnement acceptable pour ses utilisateurs ?Prediction of comfortable thermal conditions inside a vehicle cabin is still a challenge due to the transient behavior of this environment. Understanding flow patterns is still difficult nowadays for researchers due to the complexity of the interior cabin geometry and of the ventilation system (flow rate, location and geometry of the air diffusers). Thermal comfort has been widely studied in build environments, while thermal comfort in vehicles is a relatively new subject, with fairly few extensive studies that are exploring all possibilities of investigation in this direction. The currently available standard intended for the evaluation of vehicle thermal environment, EN ISO 14505, propose models extensively used for buildings, which do not seem to be entirely adapted for the vehicular space. Unlike the indoor environment from buildings, the vehicular cabin climate is dominated by thermal transient conditions: the strongly non-uniform temperature distributions, both in air and on the surfaces, associated with the high localized air speeds, the relatively higher levels of relative humidity compared to the buildings, the solar radiation intensity, and the radiative heat exchange from the interior surfaces, the angles of incidence of the solar radiation etc. In the absence of the evaluation models adapted to this environment, the available literature is dispersed around those papers dealing with environmental conditions inside the vehicle that might affect the human thermal comfort and those concerning the human’s response and perception of its interaction with the environment. In this context, we decided to orient the research work in this thesis around the complex problematic of cabin thermal environment and its effect on driver’s and passenger’s thermal state. The thesis presents numerical and experimental studies of the effects of an improved set of dashboard air diffusers over passengers’ thermal comfort. The general objectives of the doctoral research project could be summarized as following: to deepen the knowledge and to understand thermal phenomena that occur in cabin thermal environment; to develop and validate a complex numerical model in order to get insight into the complex phenomena previously evoked. These three general objectives were intended to sustain the main goal of the doctoral research that is: improvement of thermal sensation of vehicle occupants, by implementation of innovative air diffusers. To this end we oriented our research towards diffusers with a special geometry that allows flow control mechanisms resulting in the improvement of mixing between air supply by the ventilation system and the ambient air in the cabin. During the complex quest, we could have the opportunity to become familiar to the intricate thermal phenomena, to analyze the real role played by transient environment parameters perceiving thermal comfort and in its estimation. During all this quest we tried to stay on a line that would ultimately allow to respond to a set of fundamental questions, namely: To what extent this kind of parameters can affect the perceiving of comfort, and also the consequences of an "incomplete" assessment proposed by the existing evaluation models ? How is, in this context, affected the ventilation and air conditioning design due to the use of current models for pre-evaluating a good functioning of the HVAC systems – in particular for vehicles - and an acceptable environment for their users