某型電動(dòng)客車(chē)熱負(fù)荷分析＊

涂顯齊，劉禎，張祎楠，余翼

（1.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 441053； 2.湖北文理學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

前言

汽車(chē)空調(diào)總成作為一個(gè)重要總成，其匹配性能將決定舒適性、環(huán)保性、節(jié)能性、輕量化等諸多性能。

客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的安裝，不僅能夠提高乘客乘坐的舒適性，同時(shí)還可以使司機(jī)在空調(diào)環(huán)境中保持清醒的頭腦，提高工作效率，能在很大程度上減少疲勞和車(chē)禍的發(fā)生。客車(chē)空有制冷和制熱兩種功能。在夏季，空調(diào)制系統(tǒng)排除車(chē)廂內(nèi)余熱、余濕，達(dá)到制冷目的；在冬天主要利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的余熱來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)制熱。

汽車(chē)車(chē)廂與外界環(huán)境熱交換通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行。由于汽車(chē)外部環(huán)境的不斷變化，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，車(chē)體與外界相互之間的熱傳遞處于不穩(wěn)定狀態(tài)，車(chē)室熱負(fù)荷的計(jì)算變得困難。本文采用了穩(wěn)態(tài)傳熱法的熱負(fù)荷計(jì)算方法，在外界條件一定的情況下，穩(wěn)態(tài)下的車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算條件相對(duì)簡(jiǎn)單，可以作為理想的熱負(fù)荷計(jì)算模型，按此模型計(jì)算所得熱負(fù)荷理論上應(yīng)與空調(diào)系統(tǒng)制冷量相當(dāng)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 客車(chē)熱負(fù)荷

1.1 車(chē)身熱負(fù)荷來(lái)源

由于車(chē)輛的使用環(huán)境和條件復(fù)雜多變，所以車(chē)內(nèi)的熱負(fù)荷來(lái)源很多。

（1）玻璃傳入的熱負(fù)荷：夏季車(chē)身熱負(fù)荷是由于車(chē)外溫度高于車(chē)內(nèi)，加上太陽(yáng)輻射的作用，會(huì)有大量熱量通過(guò)車(chē)窗玻璃傳入車(chē)內(nèi)。同時(shí)內(nèi)外溫差也會(huì)造成熱量透過(guò)玻璃從車(chē)外傳入車(chē)內(nèi)。

（2）車(chē)身維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷：陽(yáng)光輻射及外界的高溫環(huán)境會(huì)升高車(chē)輛維護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度，所以也會(huì)有大量的熱量通過(guò)車(chē)輛維護(hù)結(jié)構(gòu)傳入車(chē)內(nèi)。

（3）新風(fēng)熱負(fù)荷：車(chē)廂密封性不好，造成車(chē)內(nèi)的冷空氣泄露，外界空氣通過(guò)門(mén)窗及地板縫隙進(jìn)入車(chē)內(nèi)；同時(shí)相對(duì)密閉的車(chē)內(nèi)環(huán)境也需要外界的新鮮空氣來(lái)稀釋成員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳，通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)的外循環(huán)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的新鮮空氣也會(huì)帶來(lái)熱量。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱負(fù)荷：發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)的溫度遠(yuǎn)高于車(chē)內(nèi)溫度，也會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度傳入車(chē)內(nèi)，而且線束、管路等在前隔板上的通過(guò)孔也會(huì)增大傳熱量。

（5）車(chē)內(nèi)成員的熱負(fù)荷：人體發(fā)出的汗熱和濕熱也會(huì)使得車(chē)內(nèi)溫度升高。

（6）車(chē)內(nèi)電器設(shè)備的熱負(fù)荷：車(chē)內(nèi)的電器比如風(fēng)機(jī)、音響、電阻、繼電器等在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量。

2 客車(chē)熱負(fù)荷相關(guān)基本參數(shù)

2.1 車(chē)內(nèi)外空調(diào)設(shè)定參數(shù)選擇

在進(jìn)行電動(dòng)客車(chē)的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)，根據(jù)客車(chē)的實(shí)際工作環(huán)境情況，我們預(yù)先設(shè)定了各基本計(jì)算參數(shù)，如表1 所示：

表1 計(jì)算設(shè)定參數(shù)表

2.2 車(chē)身材料參數(shù)匯總

根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱法計(jì)算此客車(chē)的熱負(fù)荷時(shí)，我們需要該客車(chē)的各部分的面積、厚度以及組成材料，故由主機(jī)廠提供的相關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)如表2 所示：

表2 相關(guān)車(chē)身材料參數(shù)（主機(jī)廠提供）

3 客車(chē)熱負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)算法簡(jiǎn)介

3.1 客車(chē)制冷熱負(fù)荷的計(jì)算

汽車(chē)空調(diào)總熱負(fù)荷[1]由式（1）得到：

式中，Q 表示制冷機(jī)產(chǎn)生的熱量，Qe汽車(chē)空調(diào)總熱負(fù)荷，QB表示通過(guò)車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷，QG通過(guò)各種玻璃表面以對(duì)流方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷，QBi表示通過(guò)各種玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷，QV表示新風(fēng)和門(mén)縫隙造成的熱負(fù)荷，QP表示乘員散發(fā)的熱負(fù)荷，QM表示汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入的熱量，QE表示用電設(shè)備風(fēng)機(jī)等散熱量。

汽車(chē)空調(diào)制冷量由式（2）得到：

式中，α1表示空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算修正系數(shù)，一般取為1-1.2。

3.2 車(chē)身維護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量

（1）車(chē)身壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K 的計(jì)算

傳熱系數(shù)K 與車(chē)身內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及隔熱層的熱阻有關(guān)。由于車(chē)身各壁面的條件不同，所以車(chē)身各壁面的傳熱系數(shù)K 是不同的。要分別計(jì)算各部分的傳熱系數(shù)K。

對(duì)于頂蓋、側(cè)圍、底板、前圍的傳熱系數(shù)計(jì)算式[1]由式（3）得到：

式中，αoutside表示外表面放熱系數(shù)，與表面相對(duì)氣流速度有關(guān)，αinside表示內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車(chē)開(kāi)空調(diào)狀態(tài)；δi表示隔熱材料厚度（m），λi表示隔熱材料傳熱系數(shù)W/(m.K)，表示隔熱材料的導(dǎo)熱熱阻之和，單位為W/(M2.K)。據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)車(chē)速V=40km/h，可取αoutside≈146W/(M2.K)， αinside≈60W/(m2.K)。

（2）日照表面綜合溫度Tz的計(jì)算

由式（4）得到：

車(chē)底日照表面綜合溫度Tz由式（5）得到：

式中，TH表示車(chē)外氣溫，ρ——車(chē)身外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比，與車(chē)身顏色、粗糙度及使用狀況有關(guān)，I——車(chē)身外表面接受太陽(yáng)的總輻射強(qiáng)度，包括直射強(qiáng)度Id和散射強(qiáng)度Is，Is=35～47(W.m2)。

（3）車(chē)身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷計(jì)算

車(chē)身圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括頂蓋、側(cè)圍、車(chē)廂底板、前圍和尾門(mén)（汽車(chē)后備箱部分），其熱負(fù)荷由式（6）計(jì)算得到。

其中α2是修正系數(shù)，取值1.2-1.4。

頂蓋、側(cè)圍、底板、前圍和尾門(mén)的計(jì)算公式[2]由式（7）得到：

式中，Qi分別表示頂蓋、側(cè)圍、車(chē)廂底板、前圍和尾門(mén)的傳熱量，單位為W；Ki分別表示頂蓋、側(cè)圍、車(chē)廂底板、前圍和尾門(mén)的傳熱系數(shù)，單位為W/(M2.K)；Fi分別表示頂蓋、側(cè)圍、車(chē)廂底板、前圍和尾門(mén)的傳熱面積，單位為m2；TZ表示綜合溫度，單位為℃；TB表示車(chē)內(nèi)空氣溫度，單位為℃。

3.3 通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱量

太陽(yáng)輻射時(shí)，通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱量由兩部分組成：車(chē)內(nèi)外溫差以對(duì)流方式而傳入的QG和太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃傳入的熱量[3]QBi。

（1）車(chē)窗的太陽(yáng)輻射量J 由式（8）得到：

（2）通過(guò)各玻璃以對(duì)流方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷QG由式（9）得到：

（3）通過(guò)玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷QBi由式（10）得到：

（4）綜上，通過(guò)玻璃傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷由式（11）得到：

式中，τ 表示太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃的透射比，一般取τ=0.84；ρ 表示玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射熱吸收比，ρ=0.08；C 表示遮陽(yáng)修正系數(shù)，取C=0.97；I 表示車(chē)窗外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，取最大值I=270W.m2；IS表示車(chē)窗外表面的散射輻射強(qiáng)度，取IS=35～47(W.m2)；J 表示車(chē)窗的太陽(yáng)輻射量；F陽(yáng)面玻璃表示陽(yáng)面車(chē)窗面積，按照最大計(jì)算，取右側(cè)、門(mén)和前擋風(fēng)玻璃之和；F玻璃表示車(chē)窗總面積；K玻璃表示玻璃的傳熱系數(shù)，取K玻璃=6.38W/(m2.K)；αinside表示內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車(chē)開(kāi)空調(diào)狀態(tài)；αoutside表示外表面放熱系數(shù)，與表面相對(duì)氣流速度有關(guān)。

3.4 新風(fēng)量與新風(fēng)負(fù)荷

新風(fēng)的傳入有兩個(gè)途徑：門(mén)窗縫隙和新風(fēng)系統(tǒng)。

按照人體衛(wèi)生要求，一般每位成員所需要的新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)為10～30m3/(h.λ)，新風(fēng)量越大，越有利于改善車(chē)內(nèi)環(huán)境，但是會(huì)增大車(chē)內(nèi)的熱負(fù)荷。

參考工業(yè)采暖、通風(fēng)和空調(diào)規(guī)范，在無(wú)窗無(wú)縫全密封的空間中，需供應(yīng)每人每小時(shí)新鮮空氣30m3以上。由于汽車(chē)條件限制，新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)不得不降低。對(duì)于大客車(chē)空調(diào)而言，新風(fēng)量下限甚至接近10m3/(λ.h)。

在車(chē)、窗等密封位置會(huì)產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，漏風(fēng)會(huì)帶走一部分空氣，同時(shí)外界的新風(fēng)會(huì)補(bǔ)充進(jìn)車(chē)內(nèi)，成為車(chē)內(nèi)的熱負(fù)荷來(lái)源。

（1）車(chē)外新風(fēng)帶入的熱量由式（12）得到：

（2）漏入空氣帶入熱量由式（13）得到：

（3）新風(fēng)負(fù)荷QV由式（14）得到：

式中，N 表示車(chē)內(nèi)乘員數(shù)，V 表示按人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，每人每小時(shí)需要的新風(fēng)量(m3/h.λ)，ρ 表示空氣密度（kg/m3），houeside表示車(chē)外空氣比焓值[4](J/kg)，hinside表示車(chē)內(nèi)空氣比焓值[4](J/kg)，V'表示漏風(fēng)量（m3/h.m），門(mén)縫寬度為1.5mm 時(shí)漏風(fēng)量為10m3/h.m，L 表示車(chē)門(mén)、車(chē)窗縫隙長(zhǎng)度（m）。針對(duì)客車(chē)系統(tǒng)，當(dāng)tH=35℃時(shí)，相對(duì)濕度φ=60%，houeside=98(KJ/kg)；當(dāng)tB=26℃時(shí)，相對(duì)濕度φ=58%，houeside=54.5(KJ/kg)；當(dāng)室外溫度為35℃，ρ=1.146kg/m3；當(dāng)室外溫度為40℃，ρ=1.128 kg/m3。

3.5 成員人體散發(fā)的熱量

人體散發(fā)的熱量與勞動(dòng)強(qiáng)度、周?chē)諝鉁囟?、人的性別、年齡和衣著等因素有關(guān)[5]，其散熱可由式（15）得到。

式中，Qm表示司機(jī)人體散熱量（W），一般為170W；N表示乘員人數(shù)，n 表示群集系數(shù)；一般取0.8～1；此處取0.89。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入的熱量

發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入的熱量主要是由于溫差產(chǎn)生的傳熱和前圍上的開(kāi)孔位置傳入的熱量?jī)刹糠纸M成，由式（16）得到。

式中，α3表示傳熱修正系數(shù)，一般取1.1-1.2；K前圍表示前圍傳熱系數(shù)，單位為W/(m2.K)；F前圍表示前圍的面積，單位為m2；tM表示發(fā)動(dòng)機(jī)艙側(cè)的綜合溫度，單位為℃；tB表示車(chē)室內(nèi)溫度，單位為℃。

3.7 設(shè)備散熱及照明產(chǎn)生的熱負(fù)荷[5]

設(shè)備散熱及照明產(chǎn)生的熱負(fù)荷由式（17）或（18）計(jì)算得到。

或者

其中Q1按經(jīng)驗(yàn)值取100W。

4 客車(chē)熱負(fù)荷的理論計(jì)算

4.1 客車(chē)前圍的熱負(fù)荷

前圍具有以下結(jié)構(gòu)：1mm 鋼板+700mm 空氣夾層+15mm聚氨酯發(fā)泡儀表臺(tái)。各材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表3 所示。

表3 車(chē)身前圍材料的導(dǎo)熱系數(shù)

（1）車(chē)身前圍傳熱系數(shù)

對(duì)這部分結(jié)構(gòu)，可以按照多層均勻平壁計(jì)算，如式(19)。

（2）車(chē)身前圍日照表面綜合溫度

由式（20）計(jì)算得到車(chē)身前圍日照表面綜合溫度。

（3）車(chē)身前圍熱負(fù)荷

由式（21）得到車(chē)身前圍熱負(fù)荷。

4.2 客車(chē)頂部的熱負(fù)荷

對(duì)頂蓋的構(gòu)成進(jìn)行簡(jiǎn)化，取其厚度為40mm，并具有以下結(jié)構(gòu)：1mm 鋼板+40mm 發(fā)泡層+3mm 內(nèi)飾板（鋁塑板）。

各材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表4：

表4 車(chē)身頂部材料的導(dǎo)熱系數(shù)

（1）車(chē)身頂部傳熱系數(shù)

對(duì)這部分結(jié)構(gòu)，按照多層不均勻平壁計(jì)算由式（22）得到：

由式（23）得：

（2）車(chē)身頂部日照表面綜合溫度

由式（24）得到：

（3）車(chē)身頂部熱負(fù)荷

由式（25）得到：

4.3 車(chē)廂地板的熱負(fù)荷

計(jì)算時(shí)，對(duì)地板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，取其厚度為16mm，并具有以下結(jié)構(gòu)：3mm 地板革+13mm 竹膠地板+4mm 隔熱減震層。

各材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表4：

表4 車(chē)廂地板材料的導(dǎo)熱系數(shù)

（1）車(chē)廂地板傳熱系數(shù)

對(duì)這部分結(jié)構(gòu)，可以按照多層均勻平壁計(jì)算，如式(26)

（2）地板日照表面綜合溫度

由式（27）得到地板日照表面綜合溫度。

（3）車(chē)廂地板熱負(fù)荷

由式（28）得到車(chē)廂地板熱負(fù)荷。

4.4 車(chē)身側(cè)圍和尾門(mén)的熱負(fù)荷

由于車(chē)身側(cè)圍和后圍結(jié)構(gòu)相近，計(jì)算時(shí)按相同結(jié)構(gòu)處理，將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：1mm 鋼板+40mm 發(fā)泡層+3mm 內(nèi)飾板（鋁塑板）。

各材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表5 所示。

表5 車(chē)身頂部材料的導(dǎo)熱系數(shù)

（1）車(chē)身側(cè)圍和尾門(mén)傳熱系數(shù)

對(duì)這部分結(jié)構(gòu)，按照多層不均勻平壁計(jì)算由式（29）和（30）得到。

（2）車(chē)身側(cè)圍及尾門(mén)的日照表面綜合溫度

由式（31）得到車(chē)身側(cè)圍及尾門(mén)的日照表面綜合溫度。

（3）車(chē)身側(cè)圍及尾門(mén)的熱負(fù)荷

由式（32）得到車(chē)身側(cè)圍及尾門(mén)的熱負(fù)荷。

4.5 車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷QB

由式（33）得到車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入車(chē)廂的熱負(fù)荷。

4.6 門(mén)窗玻璃傳入的熱負(fù)荷

（1）車(chē)窗的太陽(yáng)輻射量J

由式（34）得到車(chē)窗的太陽(yáng)輻射量。

（2）熱量對(duì)流方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷

由式（35）得到熱量對(duì)流方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷。

（3）熱量以輻射方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷

由式（36）得到熱量以輻射方式進(jìn)入車(chē)廂的熱負(fù)荷。

（4）熱量通過(guò)玻璃傳入車(chē)廂得熱負(fù)荷

由式（37）得到熱量通過(guò)玻璃傳入車(chē)廂得熱負(fù)荷。

4.7 新風(fēng)負(fù)荷

（1）車(chē)外新風(fēng)帶入的熱量

由式（38）得車(chē)外新風(fēng)帶入的熱量。

（2）漏入空氣帶入熱量

由式（39）得到漏入空氣帶入熱量。

（3）新風(fēng)負(fù)荷

由式（40）得到新風(fēng)負(fù)荷

4.8 乘客散發(fā)的熱量

乘客散發(fā)的熱量可由式（41）得到。

4.9 發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入的熱量

發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳入的熱量由式（42）得到。

4.10 客車(chē)設(shè)備產(chǎn)生的熱負(fù)荷

客車(chē)設(shè)備產(chǎn)生的熱負(fù)荷由式（43）得到。

4.11 汽車(chē)空調(diào)總負(fù)荷

汽車(chē)空調(diào)總負(fù)荷由式（44）得到。

4.12 汽車(chē)空調(diào)制冷量

汽車(chē)空調(diào)制冷量由式（45）得到。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

利用穩(wěn)態(tài)傳熱法計(jì)算電動(dòng)客車(chē)的熱負(fù)荷結(jié)果組成如表6所示。

表6 計(jì)算結(jié)果

5.2 分析

電動(dòng)客車(chē)各部分熱負(fù)荷所占比例如圖1 所示。

結(jié)合餅圖，對(duì)電動(dòng)機(jī)客車(chē)的熱負(fù)荷計(jì)算可知：車(chē)身維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)流及輻射熱占空調(diào)總負(fù)荷的61.35%，其中熱量透過(guò)玻璃產(chǎn)生的熱負(fù)荷達(dá)到22%，兩者所占比達(dá)到客車(chē)空調(diào)熱負(fù)荷的83.35%，故利用穩(wěn)態(tài)傳熱法計(jì)算車(chē)內(nèi)的熱負(fù)荷時(shí)，其主要來(lái)源于玻璃和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱。

圖1 電動(dòng)客車(chē)熱負(fù)荷的組成比例（%）

6 結(jié)束語(yǔ)

利用穩(wěn)態(tài)傳熱法計(jì)算車(chē)身的熱負(fù)荷時(shí)，針對(duì)熱負(fù)荷的主 要來(lái)源，可以采用更優(yōu)質(zhì)的材料來(lái)降低玻璃的陽(yáng)光透熱系數(shù)，降低維護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)降低車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷；也可以提高車(chē)身密封性，以空調(diào)系統(tǒng)外循環(huán)提供新風(fēng)的形式控制新風(fēng)帶來(lái)的熱負(fù)荷，使熱源得到更有效的控制。