電動客車空調(diào)排風(fēng)熱回收的設(shè)計與仿真

郎曉玥 胡廣地

摘要：本文利用Amesim平臺搭建了空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，研究了其在環(huán)境溫度變化時的性能，并提出一種回收排風(fēng)熱量的方法。仿真結(jié)果表明，在冬季，熱回收機組的制熱量平均增加0.58kW。進(jìn)一步的仿真分析發(fā)現(xiàn)，排風(fēng)量和排風(fēng)溫度對熱回收機組的性能影響不明顯。

關(guān)鍵詞：電動客車空調(diào);熱回收;仿真分析;Amesim

中圖分類號：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0131-02

汽車是科技技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它的才出現(xiàn)極大地改變了人類社會，汽車工業(yè)至今也仍是許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一^[1]。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的大量使用，帶來了能源危機和環(huán)境污染的問題，不僅影響了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，更是對人體健康造成了很大威脅。為了解決這些問題，發(fā)展新能源汽車勢在必行，隨著國家的政策支持和國內(nèi)電動汽車技術(shù)的不斷提高，純電動客車作為重要的公共交通工具，逐漸取代傳統(tǒng)燃油客車，出現(xiàn)在人們的視野中。

電動空調(diào)系統(tǒng)是電動汽車上能耗最大的輔助子系統(tǒng)，電量消耗可達(dá)整車的30%^[2]，對電動汽車的續(xù)航有很大影響。汽車運行環(huán)境復(fù)雜多變^[2]，電動客車的空調(diào)又多為頂置式獨立空調(diào)，所以其運行工況尤為惡劣，運行效率低。

作為一種常用的建筑空調(diào)技術(shù)，建筑熱回收在一些歐洲國家得到廣泛應(yīng)用，特別是在瑞典和德國等高緯度國家^{[4，5，6]}。近些年來，在我國越來越多的商業(yè)建筑和私人住宅開始從排氣通風(fēng)系統(tǒng)中回收能量^[7，8]，熱回收技術(shù)為新鮮空氣、經(jīng)濟效率和能源效率的平衡提供了最佳解決方案^[8]。因此，針對電動客車空調(diào)在冬季運行過程中制熱慢、能耗高的問題，本文提出一種利用空調(diào)機組新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行排風(fēng)熱回收的方法，來改善空調(diào)機組的性能，并通過模型仿真進(jìn)行驗證。

1 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的建立

針對型號為TX12D-P的冷暖型電動客車空調(diào)（簡稱原機組），基于系統(tǒng)建模仿真平臺LMS Imagine.Lab Amesim建立系統(tǒng)仿真模型建立仿真模型如圖1，并根據(jù)原機組的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，使其在額定工況下，主要性能參數(shù)的仿真值與實驗值基本相同。原機組額定功率4.5kW，額定制熱量為12kW。表1為額定工況下實驗結(jié)果和仿真結(jié)果的對比。

2 環(huán)境溫度對空調(diào)機組性能的影響

本文將通過系統(tǒng)仿真的方法來研究環(huán)境溫度對空調(diào)機組性能的影響。使用原機組的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，改變環(huán)境溫度和壓縮機的輸入功率，記錄不同環(huán)境溫度下空調(diào)制熱量和壓縮機功率等主要參數(shù)。表2即冬季溫度變化時原機組的主要性能參數(shù)?？梢钥闯觯S著環(huán)境溫度下降，制熱量隨之下降，而COP（coefficient of performance）反而上升。在未超過額定制熱工況時，其均能提供額定制熱量。當(dāng)溫度低于6°C時，制熱量一直下降;當(dāng)環(huán)境溫度為-5°C時，制熱量僅有9.7kW，為額定值的70%，此時需要使用 PTC（positive Temperature Coefficient）來補充熱量，這會對車輛續(xù)航造成很大影響。

3 排風(fēng)熱回收對機組性能的影響

3.1 熱回收器設(shè)計

原機組為頂置獨立式電動客車空調(diào)，要適配不同型號的客車，考慮到經(jīng)濟性和可行性，只能改造空調(diào)本身。對原機組的新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在其排風(fēng)口處增加一個熱回收器，使原來直接排向車外的空氣，先流經(jīng)熱回收器進(jìn)行換熱后再排向車外，實現(xiàn)排風(fēng)余熱的回收利用。從經(jīng)濟性考慮，熱回收器主體采用跟冷凝器同樣規(guī)格的平行流換熱器芯體。

表3中為增加熱回收器后，空調(diào)機組與原機組在額定工況下的性能對比。從中可以看出在制熱量相近的情況下，熱回收機組相較于原機組COP提高0.04，兩種機組均能滿足設(shè)計需求，熱回收機組熱效率稍高。

3.2 環(huán)境溫度對熱回收機組性能的影響

由前面的仿真結(jié)果可知，在額定工況下兩機組性能差別不大，在這一節(jié)我們討論環(huán)境溫度變化時機組性能的變化。在Amesim平臺中調(diào)用排風(fēng)熱回收機組仿真模型，改變環(huán)境溫度參數(shù)，記錄其主要參數(shù)變化，并與原機組進(jìn)行對比。

圖2為環(huán)境溫度變化時，兩機組COP變化曲線。從中可以看出，熱回收機組在整個環(huán)境溫度范圍內(nèi)，COP值均稍髙于原機組。圖3為制熱量變化曲線，可以看出，在環(huán)境溫度高于額定溫度時，兩組機組均能提供足夠的熱量;隨著溫度低于6°C，原機組制熱量明顯下降，而熱回收機組直到0°C仍保持不錯的制熱能力;在-5°C時，熱回收機組制熱量比原機組髙10%?？梢钥闯?，熱回收機組能提供更多熱量，減少PTC使用，這意味著更低能耗和更長續(xù)航。

3.3 風(fēng)量對熱回收機組性能的影響

本文討論的是電動客車空調(diào)系統(tǒng)，因此對其能耗要求較高。流經(jīng)熱回收器的排風(fēng)量即為新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)量，是影響空調(diào)機組能耗和乘客舒適度的重要因素。不同類型車輛和行駛條件所需的新風(fēng)量不同，因此流經(jīng)熱回收器的排風(fēng)量就不同，所以本節(jié)討論排風(fēng)量變化對熱回收機組性能的影響。

在Amesim平臺中調(diào)用排風(fēng)熱回收機組仿真模型，在額定工況下，得到排風(fēng)量變化時熱回收機組的主要性能參數(shù)如表4。從中可以看出，當(dāng)排風(fēng)量由400/h下降到200m3/h時，機組COP和制熱量變化都很小，即系統(tǒng)性能對排風(fēng)量變化不敏感。

3.4 排風(fēng)溫度對熱回收機組性能的影響

排風(fēng)溫度即車內(nèi)溫度，是影響空調(diào)機組能耗的重要因素，因此本結(jié)討論排風(fēng)溫度變化對熱回收機組性能的影響，主要性能參數(shù)見表5。從表中可以看出，當(dāng)排風(fēng)溫度變化時，空調(diào)系統(tǒng)的主要參數(shù)變化均不大。即排風(fēng)溫度，也就是車室內(nèi)溫度對熱回收空調(diào)機組性能影響不大。因此，在不同的車室溫度下，排風(fēng)熱回收機組均有良好的性能。

4 結(jié)論

本文利用Amesim系統(tǒng)建模仿真平臺，建立了電動客車空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，研究了環(huán)境溫度對其性能的影響，提出了一種通過增加熱回收器提高其性能的方法并進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1） 環(huán)境溫度對空調(diào)機組性能影響很明顯。在冬季時，環(huán)境溫度降低會導(dǎo)致制熱量明顯下降。

2） 增加熱回收器可以有效提升空調(diào)性能。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，排風(fēng)熱回收機組的制熱量平均提高0.58kW，能減少PTC的使用。

3） 排風(fēng)量對熱回收機組性能影響不大。當(dāng)排風(fēng)量由400m3/h降為200m3/h時，COP由3.12變?yōu)?.11，下降了0.3%。

4） 排風(fēng)溫度對熱回收機組性能影響不大。當(dāng)排風(fēng)溫度由10°C降到0°C時，制熱量均能保持在14.0kW左右。