太陽輻射對安裝駐車空調(diào)車艙內(nèi)降溫情況的影響及分析

溫曉杰 白澤遠 翁俊杰

（1.青島海爾空調(diào)器有限總公司 青島 266000； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

駐車空調(diào)器是一種后裝在不同類型乘用車上的空調(diào)器，是車輛在停駐期間使用的空調(diào)器。因其特有的車載使用特點，導致工作環(huán)境、工作時間、地理位置都在不斷的變化，由此帶來的空氣溫度、濕度、太陽輻射等環(huán)境條件的變化將對駐車空調(diào)的各項運行指標產(chǎn)生較大的影響。其中駐車空調(diào)運行時的太陽輻射環(huán)境包括直接太陽輻射和到達地面的散射太陽輻射。太陽輻射是太陽以電磁波形式向外傳遞的能量，太陽輻射穿過大氣直接到達地面的為直接太陽輻射，通過大氣的分子、微塵、水汽等吸收、散射和反射到達地面的為散射。太陽輻射對于車輛而言，太陽輻射能夠使車身表面的溫度升高，既高于車內(nèi)的溫度，也高于周圍大氣的溫度。太陽輻射對安裝有駐車空調(diào)的車艙也同樣存在影響降溫速度的問題，但是一直以來關(guān)于評價這方面影響的測試，國內(nèi)外并無統(tǒng)一的標準，只能通過統(tǒng)計、試驗等手段進行不斷進行經(jīng)驗總結(jié)。

1 車艙內(nèi)各熱負荷理論存在情況

對于安裝有空調(diào)器的汽車駕駛艙內(nèi)熱量等式可以表達為式（1）[1]

車艙內(nèi)熱量輸入記為QH

其中，

QB—通過車頂與車門傳入車廂的熱負荷，W；

QG—通過各玻璃表面以對流方式進入車廂的熱負荷，W；

QBi—通過各玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷，W；

QE—從發(fā)動機室一側(cè)傳入車廂的熱負荷，W；

QC—從行李廂及車廂地板處傳入車廂的熱負荷，W；

QM—空調(diào)風機造成的熱負荷，W；

QP—乘員散發(fā)的熱負荷，W；

QV—由通風和密封性泄漏進入車廂的熱負荷，W；

當空調(diào)釋放的冷量等于車艙內(nèi)總熱量的時候，即時駕駛艙內(nèi)的空氣溫度可以達到理論的平衡。

2 試驗方案及結(jié)果

為了研究太陽輻射對安裝駐車空調(diào)車艙內(nèi)降溫情況的影響，實驗選擇在我國太陽輻射量最高的新疆吐魯番地區(qū)展開。新疆吐魯番屬干熱盆地氣候，四周高山環(huán)抱，增熱迅速快、散熱速度慢，具有較為典型的氣候特點，氣候特征如表1所示，其日照太陽輻射強烈，對于駐車空調(diào)進行實地實驗較為有利。

實驗選擇吐魯番地區(qū)一年中處于最高溫度及最強太陽輻射量的時間區(qū)間，在國家環(huán)境適應性重點實驗室吐魯番試驗場進行。試驗期間，分別測得實驗場空氣溫度及太陽輻射量如圖1、圖2所示。

由圖2可以看到，2019年7月26日的天氣情況較好，試驗場沒有云朵遮蔽導致太陽輻射量突變，因此選擇2019年7月26日測試情況進行說明，當天的空氣溫度及太陽輻射量情況如圖3、圖4所示。

由圖4可以看到，太陽輻射的峰值和當天空氣溫度的峰值不并同步，太陽輻射的峰值出現(xiàn)在14點05分，高點出現(xiàn)在888.545 5 W/m2，而當天的氣溫峰值出現(xiàn)在17點55分，最高溫度為39.6 ℃。所以，在對駐車空調(diào)按照實際情況進行試驗時，不能將太陽輻射和空氣溫度混為一談。

表1 吐魯番氣候特征[2]

圖1 整個試驗期間吐魯番試驗場溫度曲線

圖2 整個試驗期間吐魯番試驗場太陽輻射曲線

圖3 2019年7月26日吐魯番試驗場溫度曲線

圖4 2019年7月26日吐魯番試驗場太陽輻射曲線

2.1 試驗樣品及試驗方案

為了達到排除干擾增加可比性的目的，試驗樣品及方案要求如下：

1）選擇制冷量相同，結(jié)構(gòu)和工藝不同的兩套駐車空調(diào)，一套為比較組（樣品1#），一套為普通組（樣品2#），按照實際使用車載環(huán)境將樣機按照正常要求分別安裝在兩輛同一型號的卡車上。

2）室內(nèi)機安裝在卡車乘艙內(nèi)副駕駛側(cè)門上方，室外機安裝在卡車乘艙外頂部。

3）將卡車置于空曠場地，四周無其它遮蔽物，保證太陽充分照射。

4）車頭正面朝向太陽停放，但應避免太陽直接照射測量設備。

5）打開車門，讓艙內(nèi)空氣與外界空氣充分換熱，

6）然后關(guān)閉車門和車窗，

7）同時開啟比較組（1#）和普通組（2#）樣品。

8）駐車空調(diào)設定為制冷模式，16 ℃，固定出風方向使之不能對著測點直吹，室內(nèi)風扇選擇最高風檔運行，對駐車空調(diào)進行實地制冷降溫速度試驗。

2.2 試驗結(jié)果

選擇車艙正中溫度測點和主駕駛座乘員頭部位置測點進行觀察，分別測得比較組（樣品1#）不同時段、不同太陽輻射量下的制冷下降溫度/時間曲線如圖5～圖8所示。

測試結(jié)果表明，普通組樣品2#的降溫性能優(yōu)于比較組樣品1#，并且兩組樣品在一天的測試中，夜間無太陽輻射和日間不同太陽輻射下的車艙降溫試驗結(jié)果均不同。

3 測試分析

圖5

圖6

通過對等式（1）的分析可以知道，由于駐車空調(diào)為車輛在停駐時使用的空調(diào)，所以發(fā)動機熱負荷QE為零；卡車底盤較高，離地距離較大，且無行李廂，車廂地板的溫度正常等于或低于車內(nèi)氣溫，不會對車內(nèi)溫度產(chǎn)生較為明顯的影響；空調(diào)采用無刷直流塑封電機，產(chǎn)生熱負荷QM較小；測試時未有乘員進入艙內(nèi)，QP為零；并且由于車艙的車門，車窗均密閉，艙內(nèi)與室外的空氣對流被隔絕，溫度交換較為緩慢，QG和QV短時間內(nèi)可以忽略不計。因此，造成車內(nèi)溫度升高的主要原因在于車頂與車門傳入車廂的熱負荷QB，以及通過各玻璃表面以輻射方式直接進入車廂的熱負荷QBi。

圖7

圖8

3.1 測試結(jié)果現(xiàn)象1

在夜間時間00:18開始的測試中，對比查看圖4，太陽輻射已降為零。兩套樣機測試結(jié)果如圖5所示，此時不存在由于太陽輻射導致的車艙表面熱傳遞，車艙內(nèi)的測點溫度沒有出現(xiàn)上升的情況，初始段緩慢下降，至樣機開啟后12 min后溫度開始迅速下降。但是對比圖6、圖7、圖8的測試結(jié)果，乘用艙內(nèi)的測點溫度的樣機開啟的一段時間內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的上升。主要是由于艙內(nèi)的溫度是一個動態(tài)變化的過程，當空調(diào)釋放的冷量QC等于車艙內(nèi)總熱量QH的時候，即QC=QH時艙內(nèi)空氣可以達到理論的平衡。當在日間時間11:14開始至15:40的3個時間段的測試中，對比查看圖4，太陽輻射快速上升，并攀升至峰值。所以，在駐車空調(diào)剛開啟的一段時間內(nèi)，由于太陽輻射的作用，車體表面將吸收太陽輻射，并將熱量傳導致艙內(nèi)，空調(diào)釋放的冷量QC小于車艙內(nèi)總熱量QH，即QC＜QH，空調(diào)釋放的冷量不足以讓車艙內(nèi)的空氣溫度下降，艙內(nèi)溫度將繼續(xù)上升。

對比圖5和圖6、圖7、圖8的實驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，有輻照和沒有輻照的情況完全不同。

3.2 測試結(jié)果現(xiàn)象2

根據(jù)圖6、圖7、圖8的測試結(jié)果來看，樣機開啟的一段時間內(nèi)，關(guān)于車艙內(nèi)溫度上升的速度：圖6結(jié)果＞圖7結(jié)果＞圖8結(jié)果。對比查看圖3，車艙內(nèi)各測點初始溫度比相對應的空氣溫度更高。并且對比查看圖4，圖6測試的時間段對應太陽輻射上升很快；圖7對應的太陽輻射達日內(nèi)峰值，變化較為緩慢；圖8對應的太陽輻射在達到日內(nèi)峰值后，開始有所下降。

由于太陽輻射使車艙外表面溫度升高，車身表面吸收的一部分熱量傳入車廂內(nèi)，車身外表面單位面積從太陽輻射中吸收的熱量可以表示為

表2 表面吸收系數(shù)ε

I為太陽的總輻射。ε為表面的吸收系數(shù)，它與車身的顏色和使用狀況有關(guān)，各類車身表面太陽輻射吸收系數(shù)如表2所示[4]。

由外表單位面積進入車倉內(nèi)的熱可以表示為：

式中，tm為綜合溫度，是室外空氣計算溫度與太陽輻射的等效溫度之和，即由于太陽輻射使車身外表面溫度升高，將太陽輻射強度轉(zhuǎn)化成相當?shù)臏囟刃问?，與車外溫度疊加一起組成太陽照射表面的綜合溫度

tn為車室內(nèi)空氣溫度；K為車身的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

tw是車外空氣溫度，aw是室外空氣和日照表面的對流放熱系數(shù)，W/(m2·K)。

所以，當測試開始時，車艙內(nèi)的溫度是一個疊加溫度，并高于室外溫度。并且當單位時間內(nèi)太陽輻射變化率大的時候，車艙內(nèi)的溫度變化較大；當單位時間內(nèi)太陽輻射I變化率小的時，車艙內(nèi)的溫度變化也將隨之變小。

3.3 測試結(jié)果現(xiàn)象3

從圖5～8的測試結(jié)果可以看到，車艙內(nèi)的兩個測點溫度變化有先有后，并不同步。主要是由于車艙內(nèi)的溫度不均勻性造成的。由于在測試的過程中，采用的是定向吹風模式，車艙內(nèi)的溫度主要靠熱力傳導作用進行熱量交換，所以離空調(diào)較近的車艙中間位置測點會較先發(fā)生降溫，離空調(diào)較遠的主駕駛座位置的溫度下降會有遲滯效果。同時，由于主駕駛座位置靠近側(cè)門及側(cè)面玻璃，除了車艙側(cè)表面由于太陽輻射的作用發(fā)生的吸熱傳導之外，太陽輻射到玻璃后還將形成三個效果：一部分被反射，一部分被吸收，還有一部分透過玻璃以短波輻射的形式直接進入車室內(nèi)，從而導致車艙局部溫度不均勻。

4 結(jié)論

通過對測試結(jié)果的對比分析可以知道，駐車空調(diào)在正常使用過程中所經(jīng)受的太陽輻射量將對車艙內(nèi)的降溫效果將產(chǎn)生較大的影響。在夜間太陽輻射下降至零值附近時，駐車空調(diào)進行降溫測試過程中車艙內(nèi)溫度變化主要表現(xiàn)為空氣逐步擴散的熱交換；在日間隨著太陽輻射量的逐步升高，降溫測試過程中車艙內(nèi)溫度變化還表現(xiàn)為太陽輻射通過車身表面產(chǎn)生的熱傳導疊加作用和通過車窗玻璃產(chǎn)生的吸收和短波輻射疊加作用。所以，對安裝有駐車空調(diào)的車艙，不論是在實際使用中，還是在模擬測試驗證中，將太陽輻射作為考核駐車空調(diào)制冷降溫性能的條件是十分必要的。