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MULTIFUNCTIONAL HEATED AUTOREGULATED PTC RADIANT PANEL

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Innovative effizientere Heizpaneele für Flugzeuge

In der Luftfahrt ist Gewichtseinsparung besonders wichtig, was auch für Heizelemente in Passagierkabinen gilt. Neue Versionen sollen nun leichter sein und weniger Strom verbrauchen.

Klimawandel und Umwelt
Energie

Passagierflugzeuge fliegen in Höhen von 30 000 bis 40 000 Fuß (9 bis 12 km), wo die Luft relativ stabil und ruhiges, komfortables Flugverhalten gewährleistet ist. Dort herrschen aber auch gefährlich kalte Temperaturen von -40 bis -60 °C. In Verkehrsflugzeugen kommen im Passagierraum verschiedene Arten von Heizungen zum Einsatz. Gängig sind vor allem Kompressoren, die von den Strahltriebwerken angetrieben werden. Allerdings sind diese und andere – z. B. elektrische – Heiztechnologien relativ veraltet und energieintensiv. Klimaanlagen in Flugzeugen (Environmental Control System, ECS) verbrauchen im Reiseflug mehr Strom als alle anderen Systeme. Neuere Alternativen sind energieeffizienter und leichter. Das EU-finanzierte Projekt RADIANT PANEL entwickelte eine neue, thermoeffiziente Heizplatte für Flugzeuge und optimierte die Heizleistung in der Passagierkabine, jedoch mit geringerem Energieverbrauch als bei herkömmlichen Technologien. Zudem ist die Konstruktion platzsparend, da sie sich zwischen Außenhaut und innerer Seitenwand des Flugzeugs befindet. Obwohl die Platten bislang für Flugzeuge des Typs Airbus A330 konzipiert wurden, sind sie auch an alle anderen Passagierflugzeuge anpassbar. Das Projekt übernahm die Konstruktion, Fertigung, Testung und Prüfung von Demonstrationssystemen.

Neue Thermostatkonstruktion

Ein Faktor, der die Effizienz der Heizplatte wesentlich verbessert, ist ein neues System zur Voreinstellung der Temperatur, das wie ein Thermostat funktioniert, aber auf dem Prinzip des sogenannten positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) beruht. Projektkoordinator Dr. Baptiste Voillequin erklärt: „Bei einem Temperaturanstieg kann so der Joule-Effekt verringert werden. Ist die Abschalttemperatur erreicht, bei der kein Joule-Effekt mehr auftritt, steigt die Temperatur nicht weiter an.“ Der Joule-Effekt beschreibt, wie Wärme entsteht, wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Das PTC-System vereinfacht und optimiert die Temperaturregelung, ohne dass weitere Elektronik oder Leistungsregler benötigt werden.

Einfach integrierbare Strahlungsheizung

Der innovative Aspekt der Heizplatte ist, dass sie in eine Strahlungsheizung integriert werden kann. „Dies addiert zur empfundenen Wärme in der Kabine die Strahlungswärme hinzu“, ergänzt Voillequin. Bei den meisten Heizsystemen wird die Wärme mittels Konvektion übertragen, d. h., es entsteht Zugluft. Obwohl die Konvektionswärme im Flugzeug nicht vollständig durch Strahlungswärme ersetzt wird, fühlt sich die Luft in der Kabine bei niedrigeren Temperaturen wärmer an. Mithilfe von Simulationen bestimmten die Forschenden den effektiven Mindestabdeckungsbereich und die optimale Lage der Heizelemente für ein effizientes Heizverhalten. Abgesehen vom geringeren Energieverbrauch ist das System auch leichter und weniger komplex als bisherige Heizsysteme. Auch die Heizelemente sind innovativ und bestehen aus PTC-Folie, einer leitfähigen Carbonfaser, die aus Zellulose hergestellt wird. Über Verbindungselemente in den PTC-Folien können die Heizplatten an die Flugzeugelektronik angeschlossen werden. Bisher hat die Arbeitsgruppe eine Flugzeugkabinensimulation am Boden als funktionierenden Demonstrator getestet und geprüft. Das bereits bei Kraftfahrzeugen angewandte PMV-Modell (Predicted Mean Vote bzw. „erwartete durchschnittliche Empfindung“) wurde im Projekt nun erstmals für die Luft- und Raumfahrt realisiert. Die Technologie soll weiter optimiert und u. a. für den Flugmodus und andere potenzielle Anwendungen (Wasserleitungen, Bodenplatten und Transportwagen) validiert werden. Die Heizplatten sind nun bereit für den Vertrieb an Fluggesellschaften und die einfache Nachrüstung in Flugzeugen. Das Ergebnis wird eine energieeffizientere Flugzeugheizung sein, die Betriebskosten und Kraftstoffverbrauch senkt. Radiant Panel wurde im Rahmen der gemeinsamen Initiative CleanSky2 finanziert, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zur Entwicklung innovativer Technologien, um Treibhausgas- und Lärmemissionen in der Zivilluftfahrt zu senken.

Schlüsselbegriffe

RADIANT PANEL, Flugzeuge, Heizung, Heizplatte, Strahlung, Joule-Effekt, positiver Temperaturkoeffizient, PMV

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29 September 2021