夏季汽車啟動初期開窗行駛通風(fēng)降溫的試驗研究

閆俊霞 強天偉 任永花 崔明浩 呂旭光

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夏季汽車啟動初期開窗行駛通風(fēng)降溫的試驗研究

閆俊霞1強天偉1任永花2崔明浩1呂旭光1

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048；2.西安工程大學(xué)紡織學(xué)院 西安 710048）

如今汽車已經(jīng)越來越多，炎熱的夏季，太陽下停放的汽車在20 min左右車室內(nèi)溫度就達(dá)到50 ℃以上，這使進(jìn)入車室內(nèi)的人們感到極不舒服。通過試驗測得，啟動初期時9種不同開窗方式下，車室內(nèi)12個測點的降溫情況，從而得出啟動初期使車室內(nèi)空氣降溫最快的最佳開窗方式。

汽車；自然通風(fēng)；降溫；開窗方式

0 引言

夏季炎熱的環(huán)境下，在室外無遮陽的地方停車會導(dǎo)致汽車車室內(nèi)溫度迅速升高，當(dāng)車輛暴露于陽光下停放時，由于夏季強烈的太陽輻射、車身表面聚集熱量的傳導(dǎo)以及車廂溫室作用等因素，導(dǎo)致車內(nèi)溫度迅速升高，形成車內(nèi)溫度比車外環(huán)境溫度高出很多的高溫“孤島”，這種現(xiàn)象叫做駐車高溫現(xiàn)象[1]。夏季汽車停在室外，受強烈陽光的照射，車室溫度迅速升高，據(jù)估計，車內(nèi)溫度可達(dá)65 ℃以上[2]。當(dāng)人們再次進(jìn)入車內(nèi)后，車室內(nèi)的高溫會使人感到極不舒服甚至難以忍受。

龍恩深和王勇在實驗的基礎(chǔ)上得出了汽車在?！獑r車內(nèi)空氣溫度變化的理論分析模型，得到了車內(nèi)氣溫隨時間變化的分析解[3]；蘭鳳崇等人通過數(shù)值仿真及試驗方式研究了自然暴曬下汽車乘員艙內(nèi)的溫度場[4]；海馬轎車有限公司的喬宗亞等人通過實際測試研究夏季用汽車開啟空調(diào)和開啟車窗對車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，得出車輛低速（90 km/h以下）行駛的時候，開車窗通風(fēng)降溫要遠(yuǎn)比開啟空調(diào)節(jié)油[5]。

研究表明，汽車車室內(nèi)的膠粘劑、化纖布墊、皮革油等會釋放出TVOC，VOC有害物質(zhì)。隨著氣溫的升高，有害物質(zhì)濃度會急劇升高，尤其在夏天，如果汽車在陽光暴曬1個小時以上，車內(nèi)的有毒分子會異?；钴S，污染物就會成倍增多[6]。研究還表明約30%的汽車燃油消耗與車內(nèi)熱環(huán)境有關(guān)，在美國大約為26億升燃料，相當(dāng)于美國進(jìn)口原油的9.5%，用于汽車空調(diào)系統(tǒng)[7]。此外，暴曬后的汽車，若立即打開空調(diào)，將對發(fā)動機(jī)和三元催化器有不同程度的損傷，也會造成空調(diào)系統(tǒng)很大的熱負(fù)荷[8]。

針對以上問題，我們需要做的工作，第一是降低汽車的高能耗問題，尤其是降低汽車空調(diào)能耗問題；第二是使夏季在室外暴曬過的汽車在啟動后快速、安全地降到人們能接受的溫度。

本文采用試驗研究的方法，研究了夏季汽車駐車悶曬升溫后，啟動初期開啟車窗時駕駛艙內(nèi)的溫度場，以及通過哪種開窗方式進(jìn)行自然通風(fēng)降溫的效果最好。

1 試驗方案

車室內(nèi)溫度場測定的試驗方法，車窗的不同開啟方式分9種情況，如表1所示，在確定測點位置時詳細(xì)的考慮了人體的結(jié)構(gòu)尺寸。人體較為敏感的部位主要有人的頭部、腹部和腳部，在這三個部位布置測點就可以比較全面的反映出人體的舒適性。

表1 車窗的不同開啟方式

1.1 試驗測點布置

目前對于汽車車室內(nèi)自然通風(fēng)降溫時的溫度場的測試，還沒有一套完整的試驗方法和試驗標(biāo)準(zhǔn)，所以參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12782-1991《汽車采暖性能試驗方法》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，需要在駕駛員、副駕駛員的乘坐位置以及最后一排座椅的最外側(cè)兩個乘員乘坐位置布置相應(yīng)的測點。測點位置選定距汽車內(nèi)壁100 mm，足部測點距地板上表面20 mm、距頭部測點508 mm，頭部測點在座椅上方635 mm、水平方向距頭枕內(nèi)側(cè)250 mm，其他測點位置可根據(jù)試驗的實際情況自行確定。每個座椅位置上設(shè)置三個測點，分別對應(yīng)乘員的面部、腹部和腳部。測點的具體位置如圖1所示。

圖1 測點具體位置

對車室內(nèi)的座椅進(jìn)行編號，如表2所示。

表2 測點編號表

1.2 試驗測量儀器

試驗測量儀器如圖2所示。

圖2 testo 175H1型溫濕度自記儀

1.3 測定汽車車室內(nèi)測點溫度的試驗步驟

測試地點在西安，當(dāng)天室外平均溫度為38 ℃，平均風(fēng)速為0.8 m/s，試驗所用汽車車型為上汽大眾朗逸1.6 L自動風(fēng)尚版。測定汽車車室內(nèi)測點溫度的試驗步驟如下：

（1）布置測點，把試驗設(shè)備固定在汽車車室內(nèi)測點位置（如圖3）；

（2）將試驗所用汽車停放在沒有任何遮擋、比較空曠的地方暴曬至50 ℃左右；

（3）打開車門，人進(jìn)入車內(nèi)，關(guān)閉車門，打開車窗，立即啟動車輛，查看車內(nèi)測點此時溫度，并記錄此時的時間；

（4）車速保持40 km/h勻速行駛，查看測點的溫度，行駛5 min，汽車停止；

（5）重復(fù)上述步驟，每次開窗方式不同；

（6）導(dǎo)出儀器中的試驗數(shù)據(jù)并整理。

（1）頭部測點儀器布置圖

（2）腹部測點儀器布置圖

（3）腳部測點儀器布置圖

2 實測結(jié)果與分析

2.1 實測數(shù)據(jù)的無量綱處理介紹

由于各種外界環(huán)境和人為因素的影響，幾乎不可能做到每種開窗方式下測試的測點初始溫度一模一樣，這樣會影響到實測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。考慮到這個問題，本次實測數(shù)據(jù)需要采用無量綱溫度進(jìn)行分析，統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)，以便進(jìn)行更加公正準(zhǔn)確的實測數(shù)據(jù)分析。

具體的操作如下：

（1）按照公式（1），將測試時間段內(nèi)每一時刻測試車室內(nèi)測點的平均溫度T求出來。

式中，T為時刻測試車室內(nèi)測點的平均溫度，℃；1i為時刻測試車室內(nèi)測點1的實際溫度，℃；2i為時刻測試車室內(nèi)測點2的實際溫度，℃；12i為時刻測試車室內(nèi)測點12的實際溫度，℃。

（2）按照公式（2），求出測試時間段內(nèi)每一時刻車室內(nèi)測點的無量綱溫度T。

式中，T為時刻測試車內(nèi)測點的無量綱溫度；0為0時刻測點車內(nèi)測點的平均溫度，℃。

2.2 不同開窗方式下的實測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 不同測點在同一開窗方式下的數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過試驗測得12個測點在9種不同開窗方式下的降溫效果，因開窗方式較多，本文以方式5和方式9為例來說明，如圖4和圖5所示。

圖4 開啟對角兩窗（前左后右）時的降溫效果

圖5 車窗全開時的降溫效果

由圖4和圖5可以看出駕駛艙內(nèi)測點溫度隨汽車行駛時間增加而降低，前150 s測點溫度都降低的很快，這主要是由于駕駛艙內(nèi)外空氣溫度相差比較大，駕駛艙內(nèi)熱量損失速率比較快；此后，由于駕駛艙內(nèi)外空氣溫差變小，駕駛艙內(nèi)熱量損失速率變小，測點溫度降低速率變慢，到250 s時基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時頭部和腹部測點溫度為43 ℃左右，腳部測點溫度為45 ℃左右。研究還發(fā)現(xiàn)，駕駛艙內(nèi)空氣溫度很不均勻，由于太陽光能透過前擋風(fēng)玻璃照射進(jìn)駕駛艙內(nèi)，導(dǎo)致前排座椅附近空氣溫度高于后排座椅附近空氣溫度；此外，由于陽光照射到汽車頂蓋上，導(dǎo)致駕駛室內(nèi)頭部測點空氣溫度高于腹部測點空氣溫度，高于腳部測點空氣溫度。

2.2.2 同一測點在不同開窗方式下的數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過測試得到9種不同開窗方式下的測點溫度隨時間降低的情況，本文以主駕駛的頭部、腹部和腳部，即測點1、2、3為例來說明，并對測試數(shù)據(jù)運用上述公式（2）進(jìn)行無量綱處理，如圖6、圖7、圖8所示。

（1）測點1實際降溫效果

（2）測點1無量綱降溫效果

圖6 測點1的降溫效果圖

Fig.6 The cooling effect diagram of measuring point 1

（1）測點2實際降溫效果

（2）測點2無量綱降溫效果

圖7 測點2的降溫效果圖

Fig.7 The cooling effect diagram of measuring point 2

（1）測點3實際降溫效果

（2）測點3無量綱降溫效果

圖8 測點3的降溫效果圖

Fig.8 The cooling effect diagram of measuring point 3

在汽車啟動后前五分鐘內(nèi)，由圖6可知，主駕駛的頭部測點在只關(guān)閉右前窗（方式7）的開窗方式下降溫效果最好，其次，在車窗全開（方式9）時，也能達(dá)到很好的降溫效果；由圖7可知，主駕駛的腹部測點在對角開窗（方式5）下降溫效果達(dá)到最好；圖8可以看出，開兩側(cè)前窗（方式3），只關(guān)閉右側(cè)前窗（方式7）或者車窗全開（方式9），降溫效果才達(dá)到最好。由圖6～8可知，開窗方式不同，氣流的擾動不同，駕駛艙內(nèi)的測點降溫情況就不同，所有的測點并不是在同一種開窗方式下降溫效果最好。總體來說，開兩側(cè)前窗（方式3），對角開窗（方式5），只關(guān)閉一側(cè)前窗（方式7），和車窗全開（方式9）等四種開窗方式下，駕駛艙內(nèi)測點降溫效果最好。

2.2.3 所有測點在不同開窗方式下的數(shù)據(jù)分析

若車內(nèi)前后四個座位上都有人，也就是說要考慮車內(nèi)所有測點的溫度時，經(jīng)過公式（1）和公式（2）對駕駛室內(nèi)所有測點測試數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，如圖9所示；若車內(nèi)只有主駕駛位置有人，也就是只考慮主駕駛位置的空氣溫度時，降溫情況如圖10所示。

（1）所有測點實際降溫效果

（2）所有測點無量綱降溫效果

圖9 所有測點的降溫效果圖

Fig.9 The cooling effect diagram of all measuring point

（1）主駕駛位置測點實際降溫效果

（2）主駕駛位置測點無量綱降溫效果

圖10 主駕駛位置測點的降溫效果圖

Fig.10 The cooling effect diagram of the main driving position

由圖9、圖10可以看出，在汽車剛啟動的前160 s內(nèi)，由于大量空氣涌入車內(nèi)，車內(nèi)空氣溫度降低較快，之后隨著時間的推移，車內(nèi)空氣溫度降低的速率相對有所減慢。另外，由圖9可知，車窗全開（方式9）的情況下，車室內(nèi)空氣溫度降低最快，此種開窗方式下的降溫效果最好；其次，在只關(guān)閉一側(cè)前窗（方式7），只關(guān)閉一側(cè)后窗（方式8），對角開窗（方式5）或者開兩側(cè)前窗（方式3）的情況下，車室內(nèi)空氣溫度降低速率也相對較快。由圖10可知，在開啟對角兩窗（前左后右）（方式5）的情況下，主駕駛位置降溫最快；另外，在只關(guān)閉單側(cè)前右窗（方式7），開兩側(cè)前窗（方式3）或者車窗全開（方式9）的情況下，主駕駛位置溫度降低速率也相對較快。

3 結(jié)論

通過試驗測試得到了汽車駕駛艙內(nèi)的空氣溫度場的分布，對9種不同開窗方式進(jìn)行對比，得到結(jié)論：夏季汽車駐車悶曬升溫后，汽車啟動初期行駛時，若車內(nèi)四個位置都有人，則車窗全部打開是使車內(nèi)空氣降溫最快的最佳開窗方式；若車內(nèi)只有主駕駛座位有人，則只開左前窗和后右窗是使車內(nèi)主駕駛位置空氣降溫最快的最佳開窗方式。

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[3] 龍恩深,王勇.空調(diào)汽車停—啟時車內(nèi)溫變特性的理論分析與實驗檢驗[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2003,25(6): 83-88.

[4] 蘭鳳崇,魏文,郭巧嫣,等.汽車乘員艙內(nèi)溫度場的數(shù)值仿真及試驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2015,42(10):23-30.

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[8] 暴曬后汽車空調(diào)如何快速制冷[J].中國西部科技,2005,(15):54.

Experimental Study on Ventilation and Cooling in the Initial Opening of Car Windows in Summer

Yan Junxia1Qiang Tianwei1Ren Yonghua2Cui Minghao1Lü Xuguang1

( 1.Xi' an Polytechnic University, School of environmental and chemical engineering, Xi'an, 710048;2.Xi'an Polytechnic University Textile College, Xi'an, 710048 )

There is a number of car in China today, and it is increasing fast. In summer, the temperature inside the car is reached 50 ℃or more in the sun's exposure in 20 min, which make people feel much uncomfortable. Through the nine different windowing mode to test about that 12 points temperature inside the car in the initial opening, the car air cooling the fastest way to open the window.

car; natural ventilation; cooling; opening windows

1671-6612（2018）04-451-06

TU834.1/U463.85

B

閆俊霞（1989-），女，在讀碩士研究生，E-mail：1129328664@qq.com

強天偉（1970-），男，博士，教授，E-mail：254599797@qq.com

2017-08-29