基于Excel電子表格的客車空調(diào)制冷量計算

王應(yīng)奇， 壽青松

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司 紹興分公司， 浙江 紹興 312030)

客車安裝空調(diào)后，能降低車廂溫度，提高乘員舒適性。但是，安裝制冷量過大的空調(diào)，將增加客車制造成本，增加客車重量，增加燃油消耗和動力消耗；安裝制冷量過小的空調(diào)，將無法達到預(yù)期的空調(diào)效果。因此，在客車空調(diào)系統(tǒng)匹配設(shè)計中，必須精確計算客車空調(diào)制冷量。

客車空調(diào)制冷量計算方法很多，總的可分為穩(wěn)態(tài)算法和非穩(wěn)態(tài)算法[1]，實際工作中常用的有乘員數(shù)估算法、車型估算法、由理論計算簡化的半經(jīng)驗估算法[2]、按法規(guī)要求計算[3-4]、按車身熱負荷計算[5]等。本文認為，估算法、經(jīng)驗法或者半經(jīng)驗法、按法規(guī)要求計算等雖然都可以快速、簡便地計算空調(diào)制冷量，但脫離了車輛實際情況，如保溫性能、密封性能、氣候條件等，無法準確計算某特定客車產(chǎn)品的空調(diào)制冷量，不具備產(chǎn)品開發(fā)的嚴謹性。而文獻[5]介紹的按車身熱負荷計算，雖然可以比較科學地計算客車空調(diào)制冷量，但在實際計算中，因參數(shù)龐雜、取值困難、公式繁瑣、計算量大等原因，不方便直接使用。

鑒于Excel電子表格可編輯公式、可靈活修改、可快速計算、可統(tǒng)一格式等優(yōu)點，本文以某11 m公路客車為例，介紹利用Excel電子表格按車身熱負荷計算法確定空調(diào)制冷量的計算方法，并詳細給出基于Excel電子表格計算所需參數(shù)及取值和計算公式。

1 計算參數(shù)設(shè)置

1.1 通用參數(shù)設(shè)置

按圖1樣式建立通用參數(shù)設(shè)置的Excel電子表格，該部分其余的通用參數(shù)還有：車廂內(nèi)空氣溫度Tb，車廂內(nèi)空氣相對濕度φb，車廂內(nèi)空氣流動速度Vb，常用車速V0，駕乘人員數(shù)N，以及制冷量儲備系數(shù)a0。

ABCD1通用參數(shù)設(shè)置2代號說明值單位3Lat當?shù)鼐暥?4.46°4n日期序號200-5Th當?shù)丨h(huán)境溫度35℃6?h環(huán)境相對濕度65%?????

圖1 通用參數(shù)設(shè)置樣式

本文中Lat按廈門所在緯度24.46°設(shè)置；n為一年中的日期序號，定義1月1日的序號n=0,則7月20日n=200。這兩個參數(shù)用來計算當?shù)禺斎照缣栞椛鋸姸取?/p>

在以往計算中，車廂內(nèi)空氣溫度Tb一般取27 ℃。美國人認為，夏季車內(nèi)溫度22～25 ℃比較理想；法國Diavia公司研究結(jié)果認為，夏季車內(nèi)最舒適環(huán)境為相對濕度35%～65%，溫度23～27 ℃，空氣流速不大于0.25 m/s；日本研究者表明，夏季上半身氣流速度為0.6～0.9 m/s，下半身氣流速度為0.2 ～0.3 m/s，溫度為24～26 ℃時人體感到最舒適。a0主要與座椅等內(nèi)飾件的潛熱、環(huán)境溫度的波動、計算工況與空調(diào)標定工況的偏差等因素有關(guān)，文獻推薦取 1.1～1.2。綜合考慮，本文建議Tb=25 ℃，φb=60%，Vb=0.35 m/s，a0=1.15。

1.2 壁面熱負荷計算參數(shù)設(shè)置

按圖1樣式建立壁面熱負荷計算參數(shù)設(shè)置的 Excel 續(xù)表。本部分參數(shù)有：壁面面積包括頂蓋St、側(cè)圍(含前后圍)Ss、地板Sf、發(fā)動機艙地板Se，以及它們對應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)熱阻RD,t、RD,s、RD,f、RD,e，還有發(fā)動機艙溫度Te及風速Ve，壁面、地板傳熱修正系數(shù)a1、a1f及車身表面輻射吸收系數(shù)R。

壁面不含玻璃部分，下文將對玻璃熱負荷單獨計算。RD,t、RD,s、RD,f、RD,e按式(1)計算。如本例簡化后的頂蓋多層結(jié)構(gòu)為1.2 mm頂蒙皮、15 mm發(fā)泡層、3 mm三合板，將各層厚度及導熱系數(shù)代入式(1)后即得式(2)。本例RD,t=0.598，RD,s=0.589，RD,f=0.088，RD,e=0.807。

RD，i=∑δi/λi

(1)

RD，t=0.001 2/45+0.015/0.026+0.003/0.25=0.598

(2)

式中：δ為各層材料厚度，m；λ為各層導熱系數(shù),w/(m·℃),可從文獻[5-6]查詢。

a1用于對壁面各部分計算所得的傳熱系數(shù)進行修正，包含熱橋修正因子和簡化計算修正因子。筆者經(jīng)多種算法計算比較，建議取1.9～2.5，本例a1取2.21。地板傳熱系數(shù)單獨以a1f修正，公路及旅游客車因地板下方設(shè)有行李艙，a1f取值一般小于a1，本例a1f取1.21。其中發(fā)動機艙溫度Te及風速Ve可分別取80 ℃和4 m/s。

R與車身表面顏色、粗糙度有關(guān)，可用鐵板涂色測得。車身表面為白漆時，R可取0.47，表面為黑漆時，R可取0.89；當車輛長期使用后，對于白漆表面，R增加至0.9，對于黑漆表面，R增加至0.98。

1.3 玻璃熱負荷計算參數(shù)設(shè)置

按上節(jié)樣式建立玻璃熱負荷計算參數(shù)設(shè)置的Excel續(xù)表。本部分參數(shù)有：玻璃面積包括側(cè)窗Ssg、前擋Sfg，以及它們對應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)熱阻RD，sg、RD，fg，透射率τsg、τfg，遮陽系數(shù)Zsg、Zfg，表面吸收系數(shù)Rsg、Rfg，還有前擋玻璃傾角θ，玻璃傳熱修正系數(shù)a2。后擋玻璃歸入側(cè)窗計算，下同。

RD,sg、RD,fg按式(1)計算。不同玻璃的透射率τsg、τfg及不同窗簾的遮陽系數(shù)Zsg、Zfg可在文獻[5]中查到，前擋無窗簾時Zfg=0。前擋玻璃傾角θ為前擋玻璃與整車Z軸的夾角。玻璃傳熱修正系數(shù)含義參見a1，本例a2取1.56。

1.4 其他熱負荷計算參數(shù)設(shè)置

按上節(jié)樣式建立其他熱負荷計算參數(shù)設(shè)置的Excel續(xù)表。此部分設(shè)置新風負荷、人員散熱負荷、蒸發(fā)風機散熱負荷計算所需參數(shù)：人均新風量V，人均散熱量qp，以及蒸發(fā)風機工作電流I、電壓U、機械效率η。

人均新風量按醫(yī)學角度應(yīng)取16～33 m3/h，按相關(guān)法規(guī)要求應(yīng)取25 m3/h，但考慮到客車經(jīng)常會停車開門，新鮮空氣可以得到補充，及客車空調(diào)的困難性，美國人推薦取11 m3/h[4]。本文建議，公路及旅游客車V取11 m3/h，城市客車適當增加5～8 m3/h。人均散熱量qp取116 W。

2 熱負荷及制冷量計算

2.1 通用參數(shù)計算

按圖2樣式建立通用參數(shù)計算的Excel續(xù)表，其中“值”一欄直接在Excel表中編輯公式計算。

ABCD47通用參數(shù)計算48代號說明值單位49ah外表面換熱系數(shù),ah=2.33+11.61(V0/3.6)0.5=2.33+11.61?(C10/3.6)^0.5W/(m2·℃)50ab內(nèi)表面換熱系數(shù),ab=2.33+11.61(Vb)0.5=2.33+11.61?(C11)^0.5W/(m2·℃)51ae發(fā)動機艙表面換熱系數(shù),ae=2.33+11.61(Ve)0.5=2.33+11.61?(C25)^0.5W/(m2·℃)?????

圖2 通用參數(shù)計算樣式

依次計算如下通用參數(shù)：表面換熱系數(shù)包括外表面ah、內(nèi)表面ab、發(fā)動機艙表面ae，室內(nèi)、外空氣比焓hb、hh，室外空氣密度ρh，以及太陽直射輻射強度包括水平面Ih、垂直面Iv，還有水平面散射輻射強度Is。

若按式(3)定義函數(shù)f(x)，則ah=f(V0/3.6),ab=f(Vb),ae=f(Ve)。圖2中C10、C11、C25分別為V0、Vb、Ve單元格地址，代表各自的值。

f(x)=2.33+11.61x0.5

(3)

濕空氣狀態(tài)參數(shù)hh、hb、ρh按文獻[7]介紹的經(jīng)驗公式在Excel表中計算。太陽輻射強度Ih、Iv、Is按文獻[8-9]介紹的公式在Excel表中計算。

2.2 壁面熱負荷計算

按圖2樣式建立壁面熱負荷計算的Excel續(xù)表，依次計算傳熱系數(shù)，包括頂蓋Kt、側(cè)圍Ks、地板Kf、發(fā)動機艙地板Ke，綜合溫度包括頂蓋Tc,t、側(cè)圍Tc,s、地板Tc,f，以及他們的熱負荷包括頂蓋Qt、側(cè)圍Qs、地板Qf、發(fā)動機艙地板Qe。

若按式(4)定義函數(shù)g(x，y)，則Kt=g(RD,t，a1)，Ks=g(RD,s，a1)，Kf=g(RD,f，a1f)。

(4)

發(fā)動機艙地板傳熱系數(shù)Ke按式(5)計算。

(5)

綜合溫度是環(huán)境溫度與輻射吸熱升溫的疊加，Tc,t、Tc,s、Tc,f按式(6)～(8)計算。

Tc,t=R(Ih+Is)/ah+Th

(6)

Tc,s=R(Iv+0.5Is)/2ah+Th

(7)

Tc,f=Th+2

(8)

Q(S,K,T)=S·K·(T-Tb)

(9)

若按式(9)定義函數(shù)Q(S,K,T)，則Qt=Q(St,Kt,Tc,t),Qs=Q(Ss,Ks,Tc,s),Qf=Q(Sf,Kf,Tc,f)，Qe=Q(Se,Ke,Te)。例如Qt=St·Kt·(Tc,t-Tb)。

2.3 玻璃熱負荷計算

按上節(jié)樣式建立玻璃熱負荷計算的Excel續(xù)表，依次計算玻璃傳熱系數(shù)，包括側(cè)窗Ksg、前擋Kfg，玻璃綜合溫度包括側(cè)窗Tc,sg、前擋Tc,fg，以及他們的熱負荷包括側(cè)窗Qsg、前擋Qfg。

根據(jù)式(4)對函數(shù)g(x，y)的定義，Ksg=g(RD,sg，a2)、Kfg=g(RD,fg，a2)。

側(cè)窗玻璃綜合溫度Tc,sg按式(10)計算，前擋玻璃綜合溫度Tc,fg按式(11)計算。

(10)

(11)

側(cè)窗玻璃熱負荷Qsg按式(12)計算，前擋玻璃熱負荷Qfg按式(13)計算。

Qsg=SsgKsg(Tc,sg-Tb)+0.5Ssgτsg(Iv+0.5Is)(1-Zsg)

(12)

Qfg=SfgKfg(Tc,fg-Tb)+Sfgτfg(1-Zfg)[(Iv+0.5Is)cosθ+(Ih+Is)sinθ]

(13)

需要說明的是，式(12)及式(13)中，前一項均為玻璃傳導得熱，后一項均為玻璃輻射得熱，需要時可單獨計算。

2.4 其他熱負荷計算

按上節(jié)樣式建立其他熱負荷計算的Excel續(xù)表，按式(14)計算新風熱負荷Qv，按式(15)計算人員散熱負荷Qp，按式(16)計算蒸發(fā)風機散熱負荷QM。

Qv=NVρh(hh-hb)/3.6

(14)

Qp=qpN

(15)

QM=UI(1-η)

(16)

2.5 車身熱負荷及空調(diào)制冷量計算

按上節(jié)樣式建立車身熱負荷及空調(diào)制冷量計算的Excel續(xù)表，車身熱負荷Qb即上述各項熱負荷之總和，按式(17)計算?？照{(diào)制冷量Q按式(18)計算。

Qb=Qt+Qs+Qf+Qe+Qsg+Qfg+Qv+Qp+QM

(17)

Q=a0Qb

(18)

2.6 實例計算

某48座11 m公路客車按此法計算，結(jié)果為車身熱負荷22.1 kW，空調(diào)制冷量25.4 kW，各項熱負荷明細見表1。

表1 車身熱負荷明細

計算表明，該車型各項熱負荷中，新風熱負荷占比最高，占30%；其次是人員散熱負荷，占25.2%；再次是側(cè)窗玻璃熱負荷，占14%。因此，在設(shè)計及運營中要特別注意：

1) 嚴格控制新風量。除需控制新風設(shè)備外，還需控制門窗漏風及門窗開啟情況。

2) 滿員或接近滿員時測試空調(diào)效果。非滿員狀態(tài)不能準確反映車身熱負荷。

3) 炎熱地區(qū)可采用深色玻璃及遮陽簾以減小玻璃熱負荷。

在客車設(shè)計中，有等級要求時需合規(guī)性驗算[4]。另外，目前市場上供應(yīng)的大部分空調(diào)機的標定制冷量有一定的商業(yè)余量，或標定工況有所放寬，實際選型中應(yīng)加以注意。

3 結(jié)束語

本文介紹了以Excel電子表格形式計算客車空調(diào)制冷量的計算方法，并詳細給出了計算所需的參數(shù)及其取值和計算公式，其中部分參數(shù)值為筆者采用多種算法計算比較后得出的建議值。同時該計算方法可直接計算濕空氣狀態(tài)參數(shù)、當?shù)靥栞椛鋸姸?，無需再單獨查詢，大大提高了計算效率。經(jīng)實例驗證，此法可準確、簡便、快速地計算客車空調(diào)制冷量，適合企業(yè)編制成規(guī)范的計算模板，輸出標準的客車產(chǎn)品開發(fā)空調(diào)制冷量計算書。

參考文獻：

[1] 吳雙.汽車空調(diào)車身熱負荷計算方法分析與比較[J].制冷與空調(diào)，2002，2(6)：20-23.

[2] 鄭淳允.汽車空調(diào)制冷量的計算方法[J].汽車工程學報，2003(1)：31-33.

[3] 中國人民共和國交通部.客車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)條件:JT/T 216-2006[S].北京：人民交通出版社,2006:1-26.

[4] 交通運輸部道路運輸司.營運客車類型劃分及等級評定:JT/T 325-2013[S].北京：人民交通出版社,2013:1-10.

[5] 陳孟湘.汽車空調(diào):第2版[M].上海：上海交通大學出版社，2001:71-92.

[6] 徐茂林, 賀新,童朝陽.基于VB程序的客車空調(diào)系統(tǒng)制冷量計算方法:中國客車行業(yè)發(fā)展論壇2010年中國客車學術(shù)年會論文集[C].西安：陜西科學技術(shù)出版社，2010:137-141.

[7] 趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)：第3版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994：17-19.

[8] 岑幻霞.太陽能熱利用[M].北京：清華大學出版社，1996：1-7.

[9] 盧春萍，冀凱，王發(fā).太陽輻射計算與模擬[J].科技風，2015(24)：62.